实验四：功分器(Power Divider)

实验四：功分器（Power Divider ） *

一、实验目的：

1、了解功分器的原理及基本设计方法。

2、用实验模组实际测量以了解功分器的特性。

3、学会使用MICROWAVE 软件对功分器设计及仿真，并分析结果。

二．预习内容：

1、熟悉功率分接的理论知识。

2、熟悉功分器的理论知识。

四．理论分析：

（一）功分器的原理:

功分器是三端口网络结构（3-port network ），如图4-1所示。信号输入端（Port-1）的功率为P1，而其他两个输出端（Port-2及Port-3）的功率分别为P2及P3。由能量守恒定律可知P1=P2 + P3。

若P2=P3并以毫瓦分贝（dBm ）来表示三端功率间的关系，则可写成： P2(dBm) = P3(dBm) = P in (dBm) – 3dB

图4-1 功率衰减器方框图

当然P2并不一定要等于P3，只是相等的情况在实际电路中最常用。因此，功分器在大致上可分为等分型（P2=P3）及比例型（P2=K ·P3）两种类型。其设计方法说明如下： （1）等分型：

根据电路使用元件的不同，可分为电阻式、L-C 式及传输线式。

Port-1 P1 Port-3 P3

Port-2

P2

A. 电阻式：

此类电路仅利用电阻设计。按结构可分成Δ形,Y 形，如图4-2(a)(b)所示。

图4-1(a)Δ形电阻式等功分器 图（b ）Y 形电阻式等功分器

其中Zo 就是电路特性阻抗（Characteristic Impedance ），在高频电路中，

在不同的使用频段，电路中的特性阻抗不相同。在本实验中，皆以50Ω为例。此型电路的优点是频宽大、布线面积小、及设计简单，而缺点是功率衰减较大（6dB ）。

理论推导如下: V0 = · ·V1 = ·V1 V 2 = V3 = ·V0

∴V 2 = V1→20·log[ ]= -6dB

B. L-C 式

此类电路可利用电感及电容进行设计。按结构可分成高通型和低通型，如图4-3(a)(b)所示。其设计公式分别为：

a.低通型（Low-pass ）：

o

o o

o p o o

S f Z C Z L ⋅=⋅=

⋅=

πωωω212

其中 fo ——操作频率（operating frequency ）

Zo ——电路特性阻抗（characteristic impedance ） Ls ——串联电感（series-inductor ） Cp ——并联电容（shunt-capacitor ） b.高通型（High-pass ）：

o

o o

o S o

o

p f Z C Z L ⋅=⋅=

=

πωωω

22

其中 fo ——操作频率（operating frequency ）

Zo ——电路特性阻抗（characteristic impedance ）

V

Zo

Zo

1 2 3 4 2

3 3

4 1 2 V 2 V 1 P 1 P 2 P 3 Port -2 P 1 P 2 P 3 Port -3

(a)

(b)

Lp ——并联电感（shunt-inductor ） Cs ——串联电容（series-capacitor ）

图4-2(a) 低通L-C 式等功分器; (b) 高通L-C 式等功分器 C ．传输线式（Transmission-line Type ）

此种电路按结构可分为威尔金森型和支线型，如图4-3(a)(b)所示。其设计公式分别为：

a. 威尔金森型（Wilkinson Pattern ）

图4-3（a ）威尔金生型等功分器

b 支线型（Branch-line pattern ）

设计公式:

O

O P O

O S C

Z K

K

Z Z Z K Z Z K dB

C =-⋅

==

-⋅===-=-12

15

.010

310

图4-3(b)支线型等功分器

P 1 P 3 Port-3

Port-2 P 2 p Z o P 1 P 2

P 3 Z s

P P 3 Port-1 P 2 λ/ 4

P 1 Port-2

P 2

P 3 2∙Z o P 2 = P 3 = P 1 - 3dB Zo ： 特 性 阻 抗 λ ：输入信号波长

（2）比例型

此种电路按结构可分为支线型及威尔金森耦合线型，如图4-4(a)(b)所示。其设计公式如下：

设计公式:

k

k Z Z k

Z Z k Z Z k Z Z P k P P k P o p o S p

S o S

-⋅

=-⋅=⇒=⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅-=⋅=111)1(2

2

1

213

图4-4(a)分支线型比例功分器

（注: Z P 及Z r 也可以是电容或电感。请参考 L-C 型等功分器。）

图4-4(b)威尔金森耦合线比例功分器

设计公式:

()()⎥

⎦

⎤

⎢⎣⎡+==

=⎥⎦⎤

⎢⎣⎡+=+=⎥

⎦

⎤

⎢⎣⎡+==k k Z R k Z Z k Z Z k k Z Z k k Z Z k k Z Z k P P o o o o o o 11114

/154

/148

/54/134

/18/324

/113

2

五、硬件测量（RF2KM4-1A,RF2KM4-2A ）：

1. 测量MOD-4A （RF2KM4-1A ）的S11及S21,以了解简易的功分电路的特性； 测量MOD-4B(RF2KM4-2A)的S11及S21测量以了解标准的功分电路的特性。

2. 准备电脑，测量软件，RF2000,及若干小器件。

3. 测量步骤:

Z

P P3 Port-2 P2 λ/ 4

Z o Z o

R

P in P 3