微波电路西电雷振亚老师的课件5章功率分配器合成器市公开课获奖课件省名师优质课赛课一等奖课件

1/572/57负载贴片电阻、负载、衰减器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

3/573衰减器

衰减范围：0-30dB频率范围：2-40GHz分段功率：2-50W调整方式：机械式连续可调和步进方式可电驱动4/574第5章

功率分配器/合成器

5.1功率分配器基本原理

5.2集总参数功率分配器

5.3分布参数功率分配器5/575.1功率分配器基本原理 5.1.1功率分配器技术指标 功率分配器技术指标包含频率范围、承受功率、主路到支路分配损耗、输入输出间插入损耗、支路端口间隔离度、每个端口电压驻波比等。

(1)频率范围。这是各种射频/微波电路工作前提,功率分配器设计结构与工作频率亲密相关。必须首先明确分配器工作频率,才能进行下面设计。

6/57 (2)承受功率。在大功率分配器/合成器中,电路元件所能承受最大功率是关键指标，它决定了采取什么形式传输线才能实现设计任务。普通地,传输线承受功率由小到大次序是微带线、带状线、同轴线、空气带状线、空气同轴线,要依据设计任务来选择用何种传输线。

(3)分配损耗。主路到支路分配损耗实质上与功率分配器功率分配比相关。如两等分功率分配器分配损耗是3dB,四等分功率分配器分配损耗是6dB。定义7/57

式中

(4)插入损耗。输入输出间插入损耗是因为传输线（如微带线）介质或导体不理想等原因,考虑输入端驻波比所带来损耗。定义

Ai=A-Ad

其中,A是实际测量值。在其它支路端口接匹配负载,测量主路到某一支路间传输损耗。 能够想象,A理想值就是Ad。在功率分配器实际工作中,几乎都是用A作为研究对象。8/57

(5)隔离度。支路端口间隔离度是功率分配器另一个主要指标。假如从每个支路端口输入功率只能从主路端口输出,而不应该从其它支路输出,这就要求支路之间有足够隔离度。在主路和其它支路都接匹配负载情况下,i口和j口隔离度定义为

隔离度测量也可按照这个定义进行。

(6)驻波比。每个端口电压驻波比越小越好。9/57

5.1.2功率分配器原理 一分为二功率分配器是三端口网络结构,如图5-1所表示。信号输入端功率为P1,而其它两个输出端口功率分别为P2和P3。由能量守恒定律可知P1=P2+P3。 假如P2（dBm）=P3（dBm）,三端功率间关系可写成

P2(dBm)=P3(dBm) =Pin(dBm)-3dB（5-1）

当然,P2并不一定要等于P3,只是相等情况在实际电路中最惯用。所以,功率分配器可分为等分型（P2=P3）和百分比型（P2=kP3）两种类型。10/57图5-1功率分配器示意图11/575.2集总参数功率分配器 5.2.1等分型功率分配器 依据电路使用元件不一样,可分为电阻式和L-C式两种情况。

1.电阻式 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)所表示。12/57图5-2△形和Y形电阻式功率分配器13/57

图5-2中Z0是电路特征阻抗,在高频电路中,不一样使用频段,电路中特征阻抗是不相同,这里以50Ω为例。这种电路优点是频宽大,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),计算以下：(5-2)14/57图5-3Y形电阻式二等分功率分配器15/57 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)所表示。下面分别给出其设计公式。16/57图5-4L-C式集总参数功率分配器17/57 1)低通型

2)高通型(5-3)(5-4)18/57 5.2.2百分比型功率分配器 百分比型功率分配器两个输出口功率不相等。假定一个支路端口与主路端口功率比为k,可按照下面公式设计图5-4（a）所表示低通式L-C式集总参数百分比功率分配器。

19/57(5-5)20/57 5.2.3集总参数功率分配器设计方法 集总参数功率分配器设计就是要计算出各个电感、电容或电阻值。能够使用现成软件MicrowaveOffice或Mathcad。也能够查手册或手工解析计算。下面给出使用Mathcad计算结果和MicrowaveOffice仿真结果。

21/57图5-5低通L-C式功率分配器22/57

设工作频率为f0=750MHz,特征阻抗为Z0=50Ω,功率百分比为k=0.1,且要求在750±50MHz范围内S11≤-10dB,S21≥-4dB,S31≥-4dB。

在电路实现上采取如图5-5所表示结构。 将公式（5-5）写入Mathcad,计算可得

Zr=47.4Ω→Lr=10.065nH选定Lr=10nH Zp=150Ω→Cp=1.415pF选定Cp=1.4pF

采取MicrowaveOffice进行仿真,电路图如图5-6所表示。23/57图5-6功率分配器电路图24/57

仿真结果如图5-7所表示。

图5-7功率分配器电路仿真结果25/575.3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,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是特征阻抗,λg是信号波导波长,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。假如有必要,输出功率可按一定百分比分配,并保持电压同相,电阻R上无电流,不吸收功率。26/57图5-8威尔金森功率分配器27/57

若端口2或端口3有失配,则反射功率经过分支叉口和电阻两路抵达另一支路电压等幅反相而抵消,在此点没有输出,从而可确保两输出端有良好隔离。 考虑普通情况(百分比分配输入功率),设端口3和端口2输出功率比为k2,即（5-6）28/57

因为端口1到端口2与端口1到端口3线长度相等,故端口2电压U2与端口3电压U3相等,即U2=U3。端口2和端口3输出功率与电压关系为 将上式代入式（5-6）,得

（5-7）

（5-8）

29/57

即

Z2=k2Z3

（5-9）

式中,Z2、Z3为端口2和端口3输入阻抗,若选 则能够满足式（5-9）。为了确保端口1匹配,应有

（5-10）（5-11）30/57

同时考虑到

则 所以

（5-12）

31/57

为了实现端口2和端口3隔离,即端口2或端口3反射波不会进入端口3或端口2,可选

在等功率分配情况下,即P2=P3,k=1,于是（5-13）

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微带线功率分配器实际结构能够是圆环形,便于加工和隔离电阻安装,如图5-9所表示。

33/57图5-9微带线功率分配器34/57

设计实例： 设工作频率为f0=750MHz,特征阻抗为Z0=50Ω,功率百分比为k=1,且要求在750±50MHz范围内S11≤-20dB,S21≥-4dB,S31≥-4dB。由式（5-13）可知Z02=Z03=Z0=70.7Ω,R=2Z0=100Ω。采取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所表示。35/57WilkinsonPowerSplitters2-336/57WilkinsonPowerSplitters2-637/57图5-10功率分配器电路图及仿真结果(a)功率分配器电路图；

(b)仿真结果

38/57PowerSplitters4ZoZoZoZ1Z3Z5Z4Z2Rλ/4λ/4λ/4PinP2P3

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以上对功率分配器分析都是对中心频率而言情形,和其它微带电路元件一样,功率分配器也有一定频率特征。图中5-10(b)给出了上面讨论过单节二等分功率分配器频率特征。由图中能够看出,当频带边缘频率之比f2/f1=1.44时,输入驻波比ρ<1.22，能基本满足输出两端口隔离度大于20dB指标要求。不过当f2/f1=2时,各部分指标也开始下降,隔离度只有14.7dB,输入驻波比也到达1.42。为了深入加宽工作频带,能够用多节宽频带功率分配器,即和其它一些宽频带器件一样,能够增加节数,即增加λg/4线段和对应隔离电阻R数目,如图5-11（a）所表示。40/57

分析结果表明,即使节数增加不多,各指标也可有较大改进,工作频带有较大展宽。比如,n=2,即对于二节功率分配器,当f2/f1=2时,驻波比ρ<1.11,隔离度大于27dB;n=4,即对于二节功率分配器,当f2/f1=4时,驻波比ρ<1.10,隔离度大于26dB;n=7,即对于二节功率分配器,当f2/f1=10时,驻波比ρ<1.21,隔离度大于19dB。多节宽带功率分配器极限情况是渐变线形,如图5-11（b）所表示,隔离电阻用扇型薄膜结构。41/57

图5-11宽频带功率分配器（a）

多节功率分配器;（b）

渐变线功率分配器

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功率分配器设计是在假定支路口负载相等且等于传输线特征阻抗前提下进行。假如负载阻抗不是这么,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主要,直接影响功率合成器合成效率,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/合成器 有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所表示。

43/57图5-12N路功率分配器44/57

与两路功率分配器相同,N路功率分配器要满足以下条件：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。 与两路功率分配器推导过程相同,我们可得N路功率分配器电路相关参数。取各路负载阻值为(5-14)45/57

从而,可得各路特征阻抗为(5-15)46/57

经过计算后可得各路隔离电阻值。 多路功率分配器实际中惯用方法是采取两路功率分配器级联