功分器的设计
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功分器现在有如下几种系列[11]:
1、400MHz-500MHz 频率段二、三功分器,应用于常规无线电通讯、铁路通信以及450MHz 无线本地环路系统。
2、800MHz-2500MHz 频率段二、三、四微带系列功分器,应用于GSM /CDMA/PHS/WLAN 室内覆盖工程。
3、800MHz-2500MHz 频率段二、三、四腔体系列功分器,应用于GSM /CDMA/PHS/WLAN 室内覆盖工程。
4、1700MHz-2500MHz 频率段二、三、四腔体系列功分器,应用于PHS/WLAN 室内覆盖工程。
5、800MHz-1200MHz/1600MHz-2000MHz 频率段小体积设备内使用的微带二、三功分器。
这里介绍几种常见的功分器:
一、威尔金森功分器 我们将两分支线长度由原来的4λ变为43λ,这样使分支线长度变长,但作用效果与4λ线相同。在两分支线之间留出电阻尺寸大小的缝隙,做成如图1-1所示结构。
图1-1 威尔金森功分器
二、变形威尔金森功分器
将威尔金森功分器进行变形,做成如图1-2所示结构。两圆弧长度由原来的4λ变为43λ,且将圆伸展开形成一个近似的半圆。每个支路通过2λ传输线与隔离电阻相连,这样做虽然会减小电路的工作带宽,但使输出耦合问题得到了解决,而且可以用于不对称,功分比高的电路,隔离电阻的放置更加容易,且两支路间的距离足够大,在输出口可直接接芯片。
图1-2 变形威尔金森功分器
三、混合环
混合环又称为环形桥路,它也可作为一种功率分配器使用。早期的混合环是由矩形波导及其4个E-T 分支构成的,由于体积庞大已被微带或带状线环形桥路所取代。图1-3为制作在介质基片上的微带混合环的几何图形,环的平均周长为 23g λ,环上有四个输出端口,四个端口的中心间距均为4g λ。环路各段归一化特性导纳分别为a, b, c ,四个分支特性导纳均为0Y 。这种形式的
功率分配器具有较宽的带宽,低的驻波比和高的输出功率。理论上来说,它的带宽可以同威尔金森功分器相比。混合环功分器相对威尔金森功分器的优点在于,在实际应用中它在高频率上的性能更好一些。
图1-3 混合环
对比以上三种功分器,首先对比威尔金森功分器及变形威尔金森功分器,变形威尔金森功分器性能与仿真结果相差较大,其原因可能有以下几点:加入两个21波长微带线,引入了T 型接头,使微带线产生不连续性;为了保证两21波长微带线之间的距离正好可以焊接电阻,两微带线均倾斜,使焊接电阻处微带不均匀,另外电阻焊接的非对称性影响了功分器输出两端的功分比[9]。
威尔金森功分器和混合环的插损性能较好,可以满足一般功率合成的要求。在隔离方面,威尔金森功分器隔离较好,混合环的隔离要稍差。
从上述三种功分器分析可以得出:要获得具有良好性能的微波毫米波功分器,需保证一定的加工精度,对加隔离电阻的功分器,要特别注意选择尺寸较小的电阻,焊接时要求电阻两端对称,且从电阻反面焊接,也可以考虑使用薄膜电阻来实现。这三种功分器都可以串联用作多路功率分配/合成器。
1.3 本课题研究内容
4g λ4g λ4
g λ43g λ对称平面
本文主要是对微带功分器的研究,给出了功分器的设计实例,并且运用工具软件进行仿真与优化,得到最优结果。本课题的具体内容是采用微带平面电路结构设计一个工作在C波段、频率:3--4GHz、驻波:〈1.2、传输损耗:<5.5dB、隔离:>20dB、带内波动:〈0.5dB的一分三功分器,并作出版图。
2. 功率分配器基本理论
2.1 功率分配器的分类情况
a、按路数分为:2路、3路和4路及通过级联形成的多路功率分配器。
b、按结构分为:微带功率分配器及腔体功率分配器。
c、根据电路形式可分为:微带线、带状线、同轴腔功率分配器。
d、根据能量的分配分为:等分功率分配器及不等分功率分配器。
2.2 常用的功率分配器间的区别
常用的功率分配器都是等功率分配,从电路形式上来分,主要有微带线、带状线、同轴腔功率分配器,几者间的区别如下:
a、同轴腔功分器优点是承受功率大,插损小,缺点是输出端驻波比大,而且输出端口间无任何隔离。微带线、带状线功分器优点是价格便宜,输出端口间有很好的隔离,缺点是插损大,承受功率小。
b、微带线、带状线和同轴腔的实现形式也有所不同:同轴腔功分器是在要求设计的带宽下先对输入端进行匹配,到输出端进行分路;而微带功分器先进行分路,然后对输入端和输出端进行匹配[1]。
2.3 功分器的基本原理
2.3.1四分之一波长变换器
微带功分器的分支电路通常是用四分之一波长阻抗变换器,它是一种有用而实际的阻抗匹配电路。
阻抗匹配的基本思想如图2-1所示,它将匹配网络放在负载和传输线之间。
Z。虽理想的匹配网络是无耗的,而且通常设计成向匹配网络看去输入阻抗为
然在匹配网络和负载之间有很多次反射,但是在匹配网络左侧传输线上的反射被消除了。这个过程也被认为是调谐。阻抗匹配或调谐的原因是很重要的,原因如下所述:
(1)当负载与传输线匹配时(假设信号源是匹配的),可传送最大功率,并且在馈线上功率损耗最小。
(2)对阻抗匹配灵敏的接收机部件可改进系统的信噪比。
(3)在功率分配网络中(如天线阵馈电网络),阻抗匹配可以降低振幅和相位不平衡。
只要负载有非零实部,就能找到匹配网络。
图2-1 阻抗匹配网络
四分之一波长变换器对于匹配实数负载阻抗到传输线,是简单而有用的电路。如下图所示,若主传输线的特性阻抗为0Z ,终端接纯电阻性负载L Z ,但0Z Z L ≠,则可以在传输线与负载之间接入一特性阻抗为01Z 、长度4λ=l 的传输线段来实现匹配。
图2-2 4λ波长变换器
设此时0T 面上的反射系数为Γ,则
(2-1)
上式取模值为
(2-2)
在中心频率附近,上式可近似为
(2-3) 当θ = 0时,反射系数的模达到最大值,由式(2.-3)可以画出Γ 随θ 变化的曲线,如图2-3所示。Γ随θ (或频率)作周期变化,周期为π。如果设Γ
Γ=-Z Z Z Z L L
002cos θ()Γ=-++Z Z Z Z j Z Z l
L L L 0002tg βΓ=+-⎛⎝ ⎫⎭⎪⎪⎡⎣⎢⎢⎤⎦⎥⎥11200212Z Z Z Z L L sec θ 匹配网络 负载L Z