微波电路(西电雷振亚老师的课件)-第5章-功率分配器合成器

第5章功率分配器/第5章功率分配器/第5章功率分配器/3负载贴片电阻、负载、衰减器的专业制造商产品功率大、频率宽频率：2G2.5G3G3.5G4.4G18G功率：3W10W20W30W60W75W80W100W120W150W250W500W800W封装形式多样第5章功率分配器/4衰减器衰减范围：0-30dB频率范围：2-40GHz分段功率：2-50W调节方式：机械式连续可调和步进方式可电驱动第5章功率分配器/第5章功率分配器/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。(1)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。第5章功率分配器/(2)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传输线。(3)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outindPPAlg10第5章功率分配器/式中(4)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,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。outinkPP第5章功率分配器/(5)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口的隔离度定义为隔离度的测量也可按照这个定义进行。(6)驻波比。每个端口的电压驻波比越小越好。outjiniijPPAlg10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5-1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P2(dBm)=P3(dBm)=Pin(dBm)-3dB（5-1）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。第5章功率分配器/图5-1功率分配器示意图功分器2P23P31P1第5章功率分配器/5.25.2.1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.电阻式电路仅利用电阻设计,按结构可分成△形和Y形,如图5-2(a)、(b)所示。第5章功率分配器/图5-2形和Y形电阻式功率分配器Z0Z0Z0P2P3P1Z0/3P2P3P1Z0/3Z0/3(a)(b)123123第5章功率分配器/图5-2中Z0是电路特性阻抗,在高频电路中,不同的使用频段,电路中的特性阻抗是不相同的,这里以50Ω为例。这种电路的优点是频宽大,布线面积小,设计简单;缺点是功率衰减较大（6dB）。以Y形电阻式二等分功率分配器为例(见图5-3),计算如下：dBUUUUUUUUU6lg202143323421112032110(5-2)第5章功率分配器/图5-3Y形电阻式二等分功率分配器Z0/3U1Z0/3Z0/3U0U2U3Z0Z0第5章功率分配器/2.L-C式这种电路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5-4(a)、(b)所示。下面分别给出其设计公式。第5章功率分配器/图5-4L-C式集总参数功率分配器1P1CpZ0LsLsCp2P23P31P1LpZ0CsCsLp2P23P3(a)(b)第5章功率分配器/1)低通型2)高通型000000212fZCZLps00000022fZCZLsp(5-3)(5-4)第5章功率分配器/5.2.2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。第5章功率分配器/ppprsspssZCkkZZZLkZZkZZkZZPkPkPP00002201213111)(1)()1((5-5)第5章功率分配器/5.2.3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。可以使用现成软件MicrowaveOffice或Mathcad。也可以查手册或手工解析计算。下面给出使用Mathcad的计算结果和MicrowaveOffice的仿真结果。第5章功率分配器/图5-5低通L-C式功率分配器P1CpZ0LrLrCpP2P3123第5章功率分配器/设工作频率为f0=750MHz,特性阻抗为Z0=50Ω,功率比例为k=0.1,且要求在750±50MHz的范围内S11≤-10dB,S21≥-4dB,S31≥-4dB。在电路实现上采用如图5-5所示结构。将公式（5-5）写入Mathcad,计算可得Zr=47.4Ω→Lr=10.065nH选定Lr=10nHZp=150Ω→Cp=1.415pF选定Cp=1.4pF采用MicrowaveOffice进行仿真,电路图如图5-6所示。第5章功率分配器/图5-6功率分配器电路图第5章功率分配器/仿真结果如图5-7所示。图5-7功率分配器电路仿真结果第5章功率分配器/5.35.3.1功率分配器/合成器有两路和多路或三路情况,下面分别介绍。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。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,R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。如果有必要,输出功率可按一定比例分配,并保持电压同相,电阻R上无电流,不吸收功率。第5章功率分配器/02Z02ZP11P222Z0P33g/4图5-8威尔金森功率分配器第5章功率分配器/若端口2或端口3有失配,则反射功率通过分支叉口和电阻两路到达另一支路的电压等幅反相而抵消,在此点没有输出,从而可保证两输出端有良好的隔离。考虑一般情况(比例分配输入功率),设端口3和端口2的输出功率比为k2,即232PPK（5-6）第5章功率分配器/由于端口1到端口2与端口1到端口3的线长度相等,故端口2的电压U2与端口3的电压U3相等,即U2=U3。端口2和端口3的输出功率与电压的关系为将上式代入式（5-6）,得33332222ZUPZUP（5-7）2222333ZUkZU（5-8）第5章功率分配器/即Z2=k2Z3（5-9）式中,Z2、Z3为端口2和端口3的输入阻抗,若选则可以满足式（5-9）。为了保证端口1匹配,应有kZZkZZ0302（5-10）20332020020332022011kZZZkZZZZZZZ（5-11）第5章功率分配器/同时考虑到则所以320322202ZZkZZ20302203320)1()1(1ZZkZZkZ)1(120203203kkZZkkZ（5-12）第5章功率分配器/为了实现端口2和端口3隔离,即端口2或端口3的反射波不会进入端口3或端口2,可选在等功率分配的情况下,即P2=P3,k=1,于是02001ZkkkZkZR00030203222ZRZZZZZZ（5-13）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。第5章功率分配器/图5-9微带线功率分配器薄膜隔离电阻2R02Pl≈g/4Z0＝R02Z＝R0Pl≈g/4Z0＝R02Z＝R0Z＝R02P第5章功率分配器/设工作频率为f0=750MHz,特性阻抗为Z0=50Ω,功率比例为k=1,750±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仿真,功率分配器电路图及仿真结果如图5-10所示。2第5章功率分配器/WilkinsonPowerSplitters2-3第5章功率分配器/WilkinsonPowerSplitters2-6第5章功率分配器/图5-10(a)功率分配器电路图；(b)仿真结果第5章功率分配器/PowerSplitters4ZoZoZoZ1Z3Z5Z4Z2Rλ/4λ/4λ/4PinP2P3kkZRkZZkZZkkZZkkZZkkZZkPPoooooo11114/154/148/54/134/18/324/1132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。图中5-10(b)给出了上面讨论过的单节二等分功率分配器的频率特性。由图中可以看出,当频带边缘频率之比f2/f1=1.44时,输入驻波比ρ1.22，能基本满足输出两端口隔离度大于20dB的指标要求。但是当f2/f1=2时,各部分指标也开始下降,隔离度只有14.7dB,输入驻波比也达到1.42。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,如图5-11（a）所示。第5章功率分配器/分析结果表明,即使节数增加不多,各指标也可有较大改善,工作频带有较大的展宽。例如,n=2,即对于二节的功率分配器,当f2/f1=2时,驻波比ρ1.11,隔离度大于27dB;n=4,即对于二节的功率分配器,当f2/f1=4时,驻波比ρ1.10,隔离度大于26dB;n=7,即对于二节的功率分配器,当f2/f1=10时,驻波比ρ1.21,隔离度大于19dB。多节宽带功率分配器的极限情况是渐变线形,如图5-11（b）所示,隔离电阻用扇型薄膜结构。第5章功率分配器/图5-11（a）多节功率分配器;（b）渐变线功率分配器……Zm0Z0ZmRmZ3Z3R3Z2Z2R2Z1Z1R112Z0Z0(a)l2P1Z0R3是薄膜电阻率P2kZ03P3＝k2P1Z0/k(b)W1l′100lWmI′是惟形的实际长度100,,100/6mm611o11lRRwRRwRlwR100l…第5章功率分配器/功率分配器的设计是在假定支路口负载相等且等于传输线特性阻抗的前提下进行的。如果负载阻抗不是这样,必须增加阻抗匹配元件,然后进行设计。这一点在功率合成器中尤为重要,直接影响功率合成器的合成效率,请参见第8章射频/微波功率放大器一节。2.多路功率分配器/有的时候需要将功率分成N份,这就需要N路功率分配器,如图5-12所示。第5章功率分配器/图5-12N路功率分配器Z0Z01Z02Z0nRnR2R112…nr1r2rnT……第5章功率分配器/与两路功率分配器相似,N路功率分配器要满足如下条件：输入端口要匹配无反射；各路输出功率之比已知,P1∶P2∶P3∶…∶Pn=k1∶k2∶k3∶…∶kn；各路输出电压U1、U2、U３、…、Un等幅同相。与两路功率分配器的推导过程相似,我们可得N路功率分配器电路的相关参数。取各路负载阻值为nn