微波功率分配器的原理与设计.docVIP

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=kP3）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。按结构可分成形,Y形，如图10-2(a)(b)所示。图10-2(a)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50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=50,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=47.4 Lr=10.065nH 选定 Lr=10nH Zp=150 Cp=1.415Pf 选定 Cp=1.4pF1 然后利用MICROWAVE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550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S21S316dB；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S21S313dB。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50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50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50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