第4讲-功率分配器合成器

第5章 功率分配器/
设计实例：
设 工 作 频 率 为 f0=750MHz, 特 性 阻 抗
为 Z0=50Ω, 功 率 比 例 为
k=1, 且 要 求 在 750±50MHz 的 范 围 内 S11≤-20dB,S21≥4dB,S31≥-4dB 。 由 式 （ 5-13 ） 可 知 Z02=Z03= Z0=70.7Ω,R=2Z0=100Ω 。 采用微波设计软件进行 图 5-10 功率分配器电路图及仿真结果(a) 功率 仿真,功率分配器电路
2 P2 2Z0 1 P1 2Z0 2 Z0
g /
4
P3 3
图5- 8 威尔金森功率分配器
这是一个功率等分 器,P2= P3=P1-3dB,Z0是 特性阻抗,λg是信号的 波导波长,2Z0是隔离 电阻。当信号从端口1 输入时，功率从端口2 和端口3等功率输出。 13
Biblioteka Baidu5章 功率分配器/ 隔离电阻的作用: 假如信号由于某种原因在输出端口2处发生反射。 反射信号一部分功率经过隔离电阻R传至输出端口3； 另一部分功率反射回输入端口， 并在支线处再度分配，重新由两 支路传输至两个输出端口； 由于阻抗变换线的长度为 λ/4 ， 则两路反射信号到达端口 3 时的
11
第5章 功率分配器/
要求在750±50MHz的范围内 S11≤-10dB,S21≥-4 dB,S31≥-4dB
图 5-7功率分配器电路仿真结果12
第5章 功率分配器/
5.3 分布参数功率分配器
5.3.1 微带线功率分配器 功率分配器/合成器有两路和多路或三路情况。
1. 两路功率分配器
图5- 8 是两路微带线威尔金森功率分配器示意图。
2 U 32 2 U2 k Z3 Z2
U2=U3
Z2=k2Z3 可选
1 kZ 0 Z 0 2 2 Z 0 Z 02 kZ03
Z 2 kZ 0 Z0 Z 3 k
2 P2 2Z0 1 P1 2Z0 2 Z0
为了保证 端口1匹配
1 Z2 Z3 2 2 Z 0 Z 02 Z 03
2
为了实现端口 2和端口3隔离
R的推导过程详见 《微波技术基础》
1 k 2 Z0 Z 03 3 k 2 Z k ( 1 k )Z0 02
在等功率分配的情 况下,即P2=P3, k=1
Z2 Z3 Z0 ; Z02 Z03 2Z0 ; R 2Z 0
2（n=2） 4（n=4） 10（n=7） 频带边缘频 率之比f2/f1 1.44 2 输入驻 波比 <1.22 1.42 两端口 隔离度 >20dB 14.7 dB
单 节
多节功率分配器
输入驻波比
<1.11 <1.10 <1.21
两端口隔离度
>27dB >26dB >19dB
21
第5章 功率分配器/
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 务来选择用何种传输线。
2
第5章 功率分配器/ 5.1.1 功率分配器的技术指标——频率范围、分配损耗 频率范围：这是各种射频/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。
10
第5章 功率分配器/ 5.2.3 集总参数功率分配器的设计方法 集总参数功率分配器的设计就是要计算出各个电感、 电 容或电阻的值。
设 f0=750MHz, Z0=50Ω, k=0.1, 且要求在 750±50MHz 的范
围内 S11≤-10dB,S21≥-4 dB,S31≥-4dB 。在电路实现上采用图 5-4 （a）所示的低通式L-C式集总参数比例功率分配器结构。 利用公式（ 5-5 ）计算可得 Zs=47.4Ω →Ls=10.065nH 选定 Ls=10nH；Zp=150Ω → Cp=1.415pF选定 Cp=1.4pF。
其他支路端口接匹配负载,测量主路到某一支路间的传输损耗。
可以想象，A的理想值就是Ad。在功率分配器的实际工作中， 几乎都是用A作为研究对象。
4
第5章 功率分配器/ 5.1.1 功率分配器的技术指标——隔离度、驻波比 隔离度：支路端口间的隔离度是功率分配器的另一个重要 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。在主路和其他支路都接匹配负载的情况下，i口和j口的隔 离度定义为
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是6dB。定义
Pin Ad 10 lg Pout
3
第5章 功率分配器/ 5.1.1 功率分配器的技术指标——插入损耗 由于传输线的介质或导体不理想等因素，考虑输入端的驻 波比所带来的损耗。定义Ai=A-Ad，其中,A是实际测量值。在
15
第5章 功率分配器/ 微带线功率分配器的实际结构可以是圆环形 ,便于 加工和隔离电阻的安装,如图5-9所示。
P 2
薄 膜 隔 离 电 阻 2R0 Z ＝R0 Z 0 ＝ 2 R0 Z ＝R0 Z 0 ＝ 2 R0
P 2
l≈g / 4
l≈g / 4
Z ＝R0 P
图 5-9 微带线功率分配器
16
第5章 功率分配器/ 以上对功率分配器的分析 都是对中心频率而言的情形 , 和其他的微带电路元件一样,功 率分配器也有一定的频率特性。 为了进一步加宽工作频带,可 以用多节的宽频带功率分配器, 即和其他一些宽频带器件一样, 可以增加节数,即增加λg/4线段和 相应的隔离电阻R的数目。
频带边缘频率之比f2/f1
Zs 2 P3 kP ( ) 1 k 1，P 2 (1 k ) P 1， Z0 Zs 2 Zs ( ) k，Z s Z 0 1 k，Ls (5-5) Zp 0 1 k 1 Z p Z0 ，C p k 0 Z p
Pini Aij 10lg P outj
驻波比： 每个端口的电压驻波比越小越好。
5
第5章 功率分配器/ 5.1.2 功率分配器的原理 一分为二功率分配器是三端口网络结构，如图所示。 信号输入端的功率为P1,而其他两个输出端口的功率分别为 P2和P3。由能量守恒定律可知P1=P2+ P3。 如果P2（dBm）=P3（dBm）,三端功率间的关系可写成 2 P2(dBm) =P3(dBm) P 1 2 =Pin (dBm)-3dB 功分器 P1 3 P3 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,功率分配器可分为等分型（P2=P3）和比 例型（P2=kP3）两种类型。
1 P1 2Z0 2Z0 2 Z0 2 P2
g /
4
P3 3
电长度相差π，所以在端口3处，
两路信号相位相反，彼此相消， 从而实现各两输出端口之间的相
互隔离。
14
第5章 功率分配器/ 阻抗值推导：（设端口3和端口2的输出功率比为k2 ）
K 2 P3 P2 2 U 32 U2 P2 ，P3 Z2 Z3
量,将S11,S21,S23作为优化指标,然后不断进行迭代运算和优
化,最后得到W2=1.8 mm，L =42.35 mm,仿真得到S11,S21,S23 的值如图中实线。
19
第5章 功率分配器/
功分器各性能指标的测量采用Agilent公司的E5071B网络分析仪, 测试时3个端口的其中之一接50Ω匹配负载,S11,S21,S23的测试值 与仿真值的比较如图所示,从测试结果可见,中心频率有很小的偏 移,S21产生一定误差,这是由于实验采用的双面敷铜介质板本身 功率损耗较大且FR4的实际介电常数有偏差的原因。其余各指 标均达到设计目标,且测试与仿真值整体上吻合较好。 20
*赵兰. 宽带Wilkinson功分器的研制.材料导报. 2007,21(11A)
输入端与馈线是匹配的：功分器的输入阻抗为Z0/3+2Z0/3=Z0；
从输出端口看也是匹配的：从所有三端口看是对称的，
S11=S22=S33=0。
8
第5章 功率分配器/ 2. L-C式 利用电感及电容进行设计。按结构可分成低通型和高通型。
1 P1 Cp Ls Z0 Ls 2 P2 Cp 3 P3 Z0 1 P1 Lp Cs 2 P2 Lp 3 P3
第5章 功率分配器/
第5章 功率分配器/合成器
5.1 功率分配器的基本原理
5.2 集总参数功率分配器
5.3 分布参数功率分配器
1
第5章 功率分配器/
5.1 功率分配器的基本原理
5.1.1 功率分配器的技术指标——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
宽带功分器的设计与仿真*
在多节阶梯式阻抗变换器中，若各阻抗阶梯所产生的反射波彼此抵消， 便可以使匹配的频带得以展宽。为了便于分析，取多节变阻器具有对称结 构，即变阻器前后对称位置跳变点的反射系数相等，即 1 n1，2 n
从Z0=1的传输线向负载方向看去的反射系数Γ，为各连接点反射的总 和，包括反射系数的模值和他们之间的相位关系。对于理想多节变阻器， 经过变阻后，在Z0=1的传输线上，反射系数Γ应等于0。
Cs
Z0的作用?
(a ) (b )
图 5-4 L-C式集总参数功率分配器 低通型
Ls Z0 1 ，C p ，0 2f 0 0 Z 0 20
高通型
2 Lp ，Cs ，0 2f 0 9 0 0 Z 0
Z0
第5章 功率分配器/ 5.2.2 比例型功率分配器 比例型功率分配器的两个输出口的功率不相等。假定 一个支路端口与主路端口的功率比为 k,可按照下面公式设 计图5-4（a）所示低通式L-C式集总参数比例功率分配器。
* 程敏锋.微带型Wilkinson功分器设计与实现. 现代电子技术. 2006,20
18
第5章 功率分配器/ 初始值计算：根据传输线特性阻抗计算方法,可以得到特 性阻抗为Z0=50Ω的传输线宽度W1=3 mm, Z02=Z03=70.7Ω的 传输线宽度W2=1.52 mm，λ/4的70.7Ω传输线长度L= 41.28 mm。 软件仿真：在ADS的软件环境中选取各种需要的微带线 工具,根据上面获得的数据设置好各个元件的初值。 软件优化：将λ/4的传输线长度L和他的宽度W2设置为变
从接头处分别向支臂1-2和支臂1-3看去的输 入阻抗关系 1 kZ Z
Z Z k2 Z2 Z3
2 02 2 03
g /
4
P3 3
Z0

Z
0 2 02

kZ
0 2 03
Z2=k2Z3
1 k 1 Z0 ( ) 2 Z0 k Z 03
Z0 1 k 2 R kZ0 Z0 k k
6
第5章 功率分配器/
5.2 集总参数功率分配器
5.2.1 等分型功率分配器 根据电路使用元件的不同,可分为电阻式和L-C式两种情况。 1. 电阻式
仅利用电阻设计, 按结构可分成△形和Y形
Z0 1 P1 Z0 2 P2 Z 0 /3 1 P1 Z 0 /3 3 P3 Z 0 /3 3 P3 2 P2
Z0
(a )
(b )
7
图5-2 △形和Y形电阻式功率分配器
第5章 功率分配器/ 若假定所有端口端接特性阻抗为Z0
U2 Z 0 /3 U1 Z 0 /3 Z 0 /3 U3 Z0 U0 Z0
3 1 U 2 U 3 U 0 U 1 (5-2) 4 2 U2 20 lg 6dB U1 2 U 0 U1 3
分配器电路图； (b) 仿真结果
17
图及仿真结果如图所示。
第5章 功率分配器/
微带型Wilkinson功分器设计与实现*
该文设计的功分器工作在0.9~1.1 GHz频段,中心频率1.0 GHz,采用双面 敷铜的FR 4介质板,相对介电常数εr=4.3 ,厚度h=1.5 mm,要求通带内各端口 反射系数小于-20 dB,端口2和端口3之间的隔离度小于-20 dB,端口1和端口 2之间的耦合度小于3.5 dB（在理想情况下,中心频率处的回波损耗和隔离 度应该接近负无穷大,耦合度应该尽量接近3 dB）。