微波功率分配器的原理与设计

微波功率分配器的原理与设计微波功率分配器的原理与设计微波功率分配器的原理与设计一、实验目的1．了解功率分配器的原理；2．学习功率分配器的设计方法；3．利用实验模块进行实际测量，以掌握功率分配器的特性。

二、实验原理功率分配器的原理：

功分器是三端口网络结构（3-port network），如图10-1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) = Pin(dBm) – 3dB 图10-1 功率分配器方框图(输出比输入衰减了3dB,输出是输入的一半) 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：

(一) 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。

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10-2(a)(b)所示。

图10-2(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，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）。

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10-3(a)(b)所示。

其设计公式分别为：

a. 低通型：

其中fo——操作频率Zo——电路特性阻抗Ls——串联电感Cp——并联电容b. 高通型：

其中fo——操作频率Zo——电路特性阻抗Lp——并联电感Cs——串联电容图10-3(a) 低通L-C式等功分器; (b) 高通L-C式等功分器C . 传输线式此种电路按结构可分为威尔金森型和支线型，如图10-4(a)(b)所示。

其设计公式分别为：

a. 威尔金森型图10-4（a）威尔金生型等功分器b．支线型图10-4（b）支线型等功分器(二) 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10-5(a)(b)所示。

其设计公式如下：

图10-5(a)分支线型比例功分器（注: ZP及Zr也可以是电容或电感。

请参考L-C型等功分器。

）图10-5(b) 威尔金森耦合线比例功分器设计公式: 关键参数指标及其含义：

插入损耗：

定义为传输电平除以入射电压取对数再乘以20，以dB表示。是无失真传输的关键之一。

插入损耗关于通过无源线性器件无失真的传输有两个关键问题。

首先，器件的幅度响应不许在使用的带宽内为固定值。

这意味着在带段内的所有信号的衰减是恒等的。

其次，器件的相位响应在同样的带宽内必须是线性的。

隔离度：

当主路接匹配负载时，各分配支路之间的衰减量比值。

幅度平衡：

指频带内所有输出端口之间的幅度误差最大值。

三、设计实例功率分配器的设计方法1．在这里以支路型等功分器为例。

2．先决定操作频率（f0）,特性阻抗（Z0）及功率比例（k）：

f0=750MHz,Z0=50Ω,k=0.1。

3．如图10-6，所列公式：

图10-6 支路型等功分器计算可得：

Zr=47.4Ω → Lr=10.065nH 选定Lr=10nH Zp=150Ω → Cp=1.415Pf 选定Cp=1.4pF 1．然后利用MICROWA VE软件模拟理想设计电路，然后进行仿真，结果应接近实际测量所得到的仿真图形和指标。

2．利用MICROWAVE软件计算出微带线（microstrip line type）电路的实际尺寸。

3．电路图和相应的仿真图可参照图10-7、10-8。

10-7 支路型等功分器电路图10-8 支路型等功分器的仿真图四、实验内容实验设备: 项次设备名称数量备注1 功率分配器模块1块有源实验箱2 频谱分析仪1台3 反射电桥1块 4 射频连接线2条5 50Ω标准负载2个实验步骤: 本实验模块设计为标准wilkson等分型功分器,通过分别测试两种模块的S11、S21（P1、P2端口的传输）和S31（P1、P3端口的传输）值，观察功率分配器的性能。

理想情况下，对于电阻式功率分配器，其二、三端口的输出比一端口的输入衰减了6dB，即S21＝S31＝－6dB；而对于威尔金生功率分配器模块，其二、三端口的输出比一端口的输入衰减了3dB，即S21＝S31＝－3dB。

1．将频谱分析仪频率范围调至2010-2025MHZ, 并校准

频谱仪2．各指标测量步骤：

插入损耗的测量: 测试框图如图10-9，将频谱仪信号输出端连接到功分器模块IN端口,模块的OUT1、OUT2其中一端连接到频谱分析仪的INPUT端, 另一端接50Ω标准负载.打开有源箱右侧电源开关,将频谱分析仪之Marker 的频率标示在2017.5 MHz，记录测量结果后关闭电源. 图10-9 功分器插入损耗测量框图输出隔离的测量: 测试框图如图10-10，将频谱仪信号输出端连接到功分器模块的OUT1、OUT2其中一端, 另一端接50Ω标准负载. 模块IN端口连接到频谱分析仪的INPUT端, 打开有源箱右侧电源开关,将频谱分析仪之Marker 的频率标示在2017.5 MHz，记录测量结果后关闭电源. 图10-10 功分器输出隔离度的测量框图输入、输出驻波比: 测试框图如图10-11，将频谱仪信号输出端口连接到反射电桥输入端，反射电桥输出端接待测功分器模块输入端，模块另两个端口接50Ω匹配负载，再将反射电桥反射输出端接到频谱分析仪。

打开有源箱右侧电源开关,并将频谱分析仪之Marker 的频率标示在2017.5 MHz，记录测量结果后关闭电源.同理将反射电桥输出端接待测功分器模块输出端,另外两端口接50Ω匹配负载,其余连接方式不变可测得输出驻波比. 图10-11功分器驻波比测量框图3．硬件测量的结果建议如下为合格l 插入损耗: ≤0.5dB l 隔离度:≥20 dB l 驻波比:≤1.5dB 第7