第三章 微带线功率分配器

i=0
us
电子科技大学电子工程学院《微波集成电路》讲义
3.5 微带线三端口功率分配器
(1)串联电阻y矩阵
1 R yR Z 2 Z 3 1 R 1 R 1 R
(2)T形网络y矩阵 先求解级联A矩阵；再利用A-Y转 换求解
aT a02 aZ a03
3.5 微带线功率分配器
Wilkinson N-way Hybrid power divider
• A coaxial line in which the hollow inner conductor has been split into n splines of length /4. • A shorting plate connects the splines at the input end, and resistors are connected in a radial manner between each spline at the output end and a common junction • Output connectors are shown connected to the splines in an “in line ” manner 电子科技大学电子工程学院《微波集成电路》讲义
3.5 微带线功率分配器
微带Wilkinson 功分器
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3.5 微带线三端口功率分配器
微带线wilkinson 功率分配 器结构与功能
由T/Y型结，特性阻抗为Z02 和Z03的g/4线、电阻R构成的 三端口功率分配网络: (1)为输 入端口， (2)、 (3)为输出端口 平衡工作状态：通过选择不同Z02和Z03的g/4线，并配接合适 的负载R2和R3，实现不同比例的功率分配/功率合成，并使(2)、 (3)端口间无压差，电阻R上无电流 非平衡工作状态： (2)、(3)端口间存在电压差，电阻R上有电流 流过。由(2)口输入的信号分为两路达到(3)端口：一路Z02 g/4 线—Z03 g/4线，一路通过电阻R，并在(3)端口实现相互抵消。 即实现(2)-(3)端口隔离
Z2 ，Zin3 Z
2 03
Z3
Zin3
V3
Z3
• 在(1)处分别流向支路(1)-(2)和支路 (1)-(3)的功率比值：
P2 V P3 V
2 1 2 1
Z in 2 Z in3 Z in3 Z in 2
Z 03 Z 2 1 2 Z 02 Z 3 K
2
Z02 K2 Z03
P3 Z02 Z 2 K2 P2 Z03 Z3
Zin2
V1 Zin3
V2
Z2
V3
Z3
1 Z 2 KZ 0、Z 3 Z 0 K
Z 02 Z 0 K K 2 1 Z 03 Z 0
2 K 1
例如：3dB功分器（等功率分 配），K=1，Z0=50欧姆，有：
Zin2
V1
V2
Z2
Zin3 Z0=Zin2 // Zin3 2 2 Z 02 Z 03 2 2 Z 2 Z3 1 Z 02 K 2 Z 03 = 2 = 2 2 2 Z 02 Z 03 K 1 Z 2 K 1 Z3 Z 2 Z3
2
V3
Z3
P3 Z02 Z 2 K2 P2 Z03 Z3
P3 K 2 P2 Z 2 KZ 0 1 Z3 Z0 K Z Z K K 2 1 0 02 2 3 Z Z K 1 K 0 03 R KZ 1 Z 0 0 K
P2 P3 Z Z Z =50 3 0 2 Z 02 Z 03 2 Z 0 =70.7 R=2Z =100 0
Z 02 Z 0 K K 2 1 Z 03 Z 0
2 K 1 3
Z2
Z3
K
采用/4阻抗变换段实现同 一系统端口阻抗 Z0要求
Z 04 = Z 2 Z 0 = K Z 0 1 Z0 Z 05 = Z 3 Z 0 = K
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0 Z 02 Baidu Nhomakorabea 03
a03
g
4
0 j Z3 Z 03
Z 03 j Z3 0
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3.5 微带线三端口功率分配器
(2-2 ) T形网络a矩阵
Z 02 Z3 Z 03 Z 2 aT 0 Z 02 Z 03 Z 0 Z 2 Z3 Z Z2 03 Z 02 Z3
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3.5 微带线三端口功率分配器
(3)并联二端口网络y矩阵 i=0
y11 y yR yT y 21
• 隔离电阻Ｒ
y21 y21 R y21 T 0
y12 y22 us

Z 2 Z3 R
g
g
4
0
4
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3.5 微带线三端口功率分配器
(2-1 ) T形网络a矩阵
a02
g
4
0 j Z2 Z 02
Z 02 j Z2 0
a Z
0
Z 03 Z 02 Z 02 Z 03 Z 0
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3.5 微带线三端口功率分配器
宽带微带线wilkinson 功率分配器
输入端增加“四分之一波长阻抗变 换段”的方法
可看做两级四分之一波长阻抗 变换器级联
Z Z0 Za
2 01
Za
Z
01
2
Z1
Z Z 选取相同阻抗变换比： 0 a r Z a Z1
(2-3) T形网络y矩阵
Z3 Z 2 Z 0 Z 2 Z3 Z 02 Z3 1 d a yT b 1 a Z 02 Z 03 1 Z 02 Z 03 Z 02 Z 03 Z3 Z2 Z3 Z2
3.5 微带线功率分配器
概述
功率分配器概念： 将输入信号分成相等或不等的多路功率输 出网络 功率分配器应用 功率分配 • 相控阵雷达将发射功率分配到各天 线单元； • 共用同一本振的多通道收发系统 功率合成（功率合成器） • 高功率合成 • MMIC PA；
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Z 0 Z 2 Z3 Z 02 Z 03
0
Z 02 Z 03 R Z0
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3.5 微带线三端口功率分配器
Z2＝ＫZ0 • 隔离电阻Ｒ
选取： Z 2 KZ 0 1 Z3 Z0 K
Z 02 Z 0 K K 2 1 Z 03 Z 0
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隔离电阻
3.5 微带线三端口功率分配器
功率分配比与支路阻抗的关系
微带线wilkinson 功率分配 器网络分析
• 设(2)、(3)端口功率分配比：
V1
V2 Z2 V3 Z3
P3 K2 P2
P2 V22 Z2 ，P3 V32 Z3
• 平衡工作状态，(2)、(3)端口无电压差：
Z02 Z 2 3 功率分配比与支路阻抗的关系： P K2
电子科技大学电子工程学院《微波集成电路》讲义 P2 Z03 Z3
3.5 微带线三端口功率分配器
微带线wilkinson 功率分配器
输入端匹配要求
• 在输入端(1),支路(1)-(2)和支 路(1)-(3)为并联关系：
Za
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3.5 微带线三端口功率分配器
输入端增加“四分之一波长阻抗变换段”的宽带wilkinson功分 器设计公式
P3 K 2 P2 Z 2 KZ 0 1 Z Z0 3 K 1 K 4 Z 01 Z 0 2 K 1 3 1 2 Z 02 Z 0 K 4 (1 K ) 4 1 5 Z Z (1 K 2 ) 4 K 4 0 03 1 R电子科技大学电子工程学院《微波集成电路》讲义 KZ 0 Z 0 K
3.5 微带线功率分配器
概述
功率分配器主要技术指标： 支路数 功率分配比 隔离度 损耗 驻波 功率容量
功率分配器类型 • 二进制树形，级联型，N-路 型，…… • 等功率型，非等功率型 • 隔离型，非隔离型 • 波导型，同轴型，微带型…… ……
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3.5 微带线三端口功率分配器
微带线wilkinson 功率分配器
隔离电阻R
• 通过求解端口(2)-(3)之间的 传输系数来确定电阻R的大 小 • 并联二端口网络，采用导纳矩 阵分析
y11 y12 y yR yT y y 21 22 y21 ( y21 )R ( y21 )T 0
Z2 K2 Z3
V2 V3
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3.5 微带线功率分配器
功率分配比与支路阻抗的关系 • Zin2 和 Zin3为在(1)处分别向 支路(1)-(2)和支路(1)-(3)的输 入阻抗：
Zin2
V1
V2
Z2
Z 2 K 2 Z3
Zin2 Z
2 02
3.5 微带线三端口功率分配器
作业：
采用输入端增加四分之一波长段的方式，设计
一个宽带二等分功分器，f=10GHz，输入输出阻抗
50 Ω ，基片相对介电常数 r=2.2 ，厚度为 0.254mm ，
K3
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P2 P3 Z 2 Z3 Z 0 =50 Z 02 Z 03 2Z 0 =70.7
3.5 微带线三端口功率分配器
微带线wilkinson 功率分配器
不等分功率分配器设计
K≠1，Z2 ≠Z0， Z3 ≠Z0 1 Z 2 KZ 0、Z 3 Z 0 K
1 Z 02 Z 2 Z 0 K 1 ，Z 03 Z3 Z 0 1+ 2 电子科技大学电子工程学院《微波集成电路》讲义 K
3.5 微带线三端口功率分配器
微带线wilkinson 功率分配器
阻抗关系确定
• 选择合适的Z2、Z3，根据要 求的功率分配比为K2，可 得到各分支路特性阻抗：
单级微带Wilkinson 功率分配器带宽一般为30%左右， 可增加“阻抗变换级”段级数获得宽带性能
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3.5微带线三端口功率分配器
宽带微带线wilkinson 功率分配器
增加“阻抗变换段”级数方法
N-节宽带功率分配器
输入端增加四分之一波长阻抗变换器
Z3＝Z0 /K
1 K 2 1 R Z 0 KZ 0 Z 0 K K
K
2
1 K 3
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3.5 微带线三端口功率分配器
微带线wilkinson 功率分配器
设计公式
Z2＝ＫZ0 Z3＝Z0 /K
例如：3dB功分器（等功率分 配），K=1，Z0=50欧姆，有：
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3.5 微带线三端口功率分配器
宽带微带线wilkinson 功率分配器
微带Wilkinson 功率分配器相于阻抗 变换器
K Z1 Z 2 // Z 3 Z0 2 1 K
Z02 // Z 03 Z01
K Z0 2 K 1
Z0 Z1 显然：Z01