(整理)微带功率分配器设计

微带功率分配器设计

1. 功率分配器论述：

1.1 定义：

功率分配器是一种将一路输入信号能量分成两路或多路信号能量输出的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时也可称为合路器。

1.2 分类：

1.2.1 功率分配器按路数分为：2 路、3 路和 4 路及通过它们级联形成的多路功率分配器。

1.2.2 功率分配器按结构分为：微带功率分配器及腔体功率分配器。

1.2.2 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。

1.2.3 根据电路形式可分为：微带线、带状线、同轴腔功率分配器。

1.3 概述：

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：

（1）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。

（2）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。下面对微带线、带状线功率分配器的原理及设计方法进行分析。

2．相关技术指标：

2.1 概述：

功率分配器的技术指标包括频率范围、承受功率、主路到支路的分配损耗、输入输出间的插入损耗、支路端口间的隔离度、每个端口的电压驻波比等。

2.2 频率范围：

频率范围各种射频/微波电路的工作前提，功率分配器的设计结构与工

作频率密切相关。必须首先明确分配器的工作频率，才能进行下面的设计。

2.3 承受功率：

在大功率分配器/合成器中，电路元件所能承受的最大功率是核心指标，它决定了采用什么形式的传输线才能实现设计任务。一般地，传输线承受功率由小到大的次序是微带线、带状线、同轴线、空气带状线、空气同轴线，要根据设计任务来选择用何种线。

2.4 分配损耗：

主路到支路的分配损耗实质上与功率分配器的功率分配比有关。如理想的两等分功率分配器的分配损耗是3dB，四等分功率分配器的分配损耗6dB，常以S参数S21的dB值表示。

2.5插入损耗：

输入输出间的插入损耗是由于传输线（如微带线）的介质或导体不理想等因素，及端口不是理想匹配所造成的功率反射损耗，常以S参数S21的dB 值表示。

2.6 隔离度：

支路端口间的隔离度是功分器的另一个重要指标。如果从每个支路端口输入功率只能从主路端口输出，而不应该从其他支路输出，这就要求支路之间有足够的隔离度，如两支路端口2和3的隔离度用S23或S32的dB值表示。

2.7 驻波比:

在入射波和反射波相位相同的地方，电压振幅相加为最大电压振幅Ｖmax ，形成波腹；在入射波和反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅Ｖmin ，形成波节。其它各点的振幅值则介于波腹与波节之间。这种合成波称为行驻波。驻波比是驻波波腹处的声压幅值Vmax与波节处的声压Vmin幅值之比。驻波比是表示两端口合理匹配的重要指标，因此每个端口的电压驻波比越小越好。

2．设计原理：

2.1 分配原理：

微带线、带状线的功分器设计原理是相同的，只是带状线的采用

的是对称性空气填充或介质板填充，而微带线的主要采用的是非对称性部分介质填充和部分空气填充。下面我们以一分二微带线功率分配的设计为例进行分析。传输线的结构如下图所示，它是通过阻抗变换来实现的功率的分配。

在现有的通信系统中，终端负载均为 50Ω，也就是说在分支处的阻抗并联后到阻抗结处应为 50Ω。如上图匹配网络，从输入端口看Z in = Z 0 =

50Ω，而Z in = Z in1 // Z in 2 = 50Ω，且是等分的，所以 Z in1 =Z in 2 ，①处 Z in1、②处 Z in2 的输入阻抗应为 100Ω，这样由①、②处到输出终端 50Ω需要通过阻抗变换来实现匹配。

2.2 阶梯阻抗变换：

在微波电路中，为了解决阻抗不同的元件、器件相互连接而又不使其各自的性能受到严重的影响，常用各种形式的阻抗变换器。其中最简单又最常用的四分之一波长传输线阶梯阻抗变换器（图 2）。它的特性阻抗 Z1 为待匹配的阻抗。

根据特性阻抗匹配原理：Z in=(Z01×Z01)/R L，其中Z in为匹配后的输入阻

抗，Z 01为四分之一波长传输线特性阻抗, R L为负载阻抗，则

Z 1= Z 0⋅Z 2，其长度 L 为中心频率导引波长的 1/4，即 L=λg/4。相

当于电长度θ为θ=π/2。对于单节的 1/4 波长阻抗匹配，Z1= Z0⋅Z 2

(Z0=Z2=50Ω) 所以Z1= Z 0⋅Z 2 = 2×50Ω=70.7Ω。这种变换器的显著特点就是简单，用任一种形式的传输线均能实现，但当频率偏离中心时，其电长度不再是π/2，变换特性也随之恶化。它对频率的敏感，使它仅适合于窄带运用。在需要宽带匹配的场合，应采用多节阶梯阻抗变换器或各种渐变线变换器。在多节阶梯阻抗变换器中，各阻抗阶梯所产生的反射波彼此抵消，于是匹配的频带得以展宽。多节阶梯阻抗变换器中最常用的是每节长度为 1/4 波长变换器（图 3）。

图3：多节λ/4 阻抗变器示意图

由于本课题为一窄带功分器，所以只针对单节阻抗变换进行分析，多节阻抗变换不再详述。进行完阻抗变换后，如果一个功分器各输出路之间没有隔离，信号就会相互干扰，无法实现功分，那么下面我们将对如何实现隔离进行分析。

2.3 隔离原理：

上面运用阶梯阻抗变换器原理仅仅对功分器的传输进行了匹配，而每个输出端口间并没有进行匹配，所以端口间没有隔离。为了实现隔离可以通过输出路与路间的阻抗匹配（常称为隔离电阻）达到要求，那么下面采用奇、偶模法来进行分析。