功分器的设计原理

设计资料项目名称：微带功率分配器设计方法

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二00六年一月

微带功率分配器设计方法

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．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。

图1：一分二功分器示意图

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Ω==500Z Z in ，而Ω==50//21in in in Z Z Z ，且是等分的，所以1in Z =2in Z ，①处1in Z 、②处2in Z 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。

Z2

Z1Z0

图2：λ/4阻抗变器示意图

根据特性阻抗匹配原理：L

in R Z Z 201=，其中in Z 为匹配后的输入阻抗，01Z 为四分之一波长传输线特性阻抗,L R 为负载阻抗，则201Z Z Z ⨯=，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。

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。我们常用的通信频率范围较宽，所以经常采用多节来实现，下面对多节阻抗变化器进行分析。

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

对于阻抗变化器，衡量其性能与设计所根据的指标，通常是：匹配带宽、带内最大电压驻波比以及插入损耗等。同样，一个功分器也

是一个阻抗变换器，也是从这几个方面来考虑设计的。

多节阶梯阻抗变化器带内的电压驻波比响应特性常用的是最平坦响应和切比雪夫响应两种，但与带通滤波器不同的是它对带外抑制没什么要求。

参考图3，设待匹配的阻抗值为Z0和Zn+1，其设Zn+1＞Z0。为了设计计算方便，我们把阻抗值对Z0进行归一化。这样，待匹配的阻抗值就分别为1和R= Zn+1/Z0，R 也称为阻抗变换比。如图1，从100Ω到50Ω的阻抗变换比R=100/50=2 。

我们知道，对于单节的1/4波长阻抗匹配，2

01R Z Z ⨯=（Z0=R2=50Ω）所以502201⨯=⨯=R Z Z Ω=70.7Ω。对于多节的，计算原理同单节的，每一节的阻抗都等于前后阻抗的几何平均值，即11+-⨯=n n n Z Z Z 。

无耗传输线构成的四分之一波长阶梯阻抗变换器，一般设计的主要依据是许可的最大电压驻波比ρm ，和所需的带宽Δ。

Δ=2（λg1-λg2）/（λg1+λg2）=2（f2-f1）/(f2+f1) λg1和λg2分别为实际频带的下限和上限频率的导引波长,即f1、f2分别为下限和上限频率，根据ρm 和Δ可以确定所需要的节数。

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。

2.2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。

图4：激励响应示意图

如上图，当输出端加激励U 时，可等效为偶模激励和奇模激励的叠加 。

图5：偶模电压激励等效图

如图5，当偶模电压激励时，两路的相位相同，则信号沿阶梯阻抗变换器传输，理论上隔离电阻上是没信号的，前面已经分析这个电路是完全匹配的。

图6：奇模电压激励等效图

如图6，当奇模电压激励时，两路的相位相差180度，则信号沿隔离电阻传输，要达到匹配，则需对隔离电阻进行分析。

当节数m=1时，在分配原理中已经进行了分析，如图6，此时0Z + V/2

-

λ41 R 02Z 0Z + V/2 -

开路 λ41 开路 R