功分器、电桥与功率合成技术基础讲义

1、功分器、电桥 与功率合成技术,作者：彭荣巨 2012-12-12,功分器原理,简单的二等功分器属于三个端口的网络。由于普通的无耗互易三端口网络不可能达到完全匹配，且输出端口间无隔离。而工程上对信号之间的隔离要求很高，因此需采用混合型的功率分配器，即威尔金森型功率分配器。,功分器原理,Wilkinson的理论主要是在简单功分器中引入了隔离电阻，从而实现信号链路的匹配和高度隔离。它的原理在于引入隔离电阻后，功分器变为有耗的三端口网络。从三端口网络的基本性质可知，有耗三端口网络可以做到完全匹配且输出端口之间具有隔离，从而改善了普通功分器的不足。,功分器原理,图1.1：二分功分器结构示意图,同样，该类

2、型的功分器可以实现任意的功率分配比，且可方便地用微带线或带状线来实现。,功分器原理,图1.2：二分功分器原理示意图,功分器原理,上图是一个最简单的二功分器的电路结构。信号从端口1输入，分成两路分别从端口2和端口3输出。为了使功分器从输入到负载匹配，再每路功率臂上设置了一段四分之一的波长阻抗变换器，使特性阻抗分别为ZC2和ZC3电阻R成为隔离电阻，其作用是保证两输出断隔离，若端口2或端口3出现失配，就将有电流流过R，其功率消耗在R上，而不会影响到另一端口的输出。,功分器原理,这种二功分器的计算公式：,功分器原理,（1）式中P2，P3分别为端口2和端口3的输出功率，k为功率分配比，若k=1，即P2

3、=P3，功率分配为等分，则有以下（2）式:,以端口为50的系统为例，则ZC2ZC370.7，R100。,3dB耦合器原理,定向耦合器是一种四个端口的常用射频无源器件，它是由两对传输线构成的，通常线长为中心频率对应的1/4波长，各端口都接以匹配负载，其结构示意图如图2.1所示。,3dB耦合器原理,图2.1：耦合器结构示意图,3dB耦合器原理,图2.2：耦合器原理示意图,3dB耦合器原理,从能量耦合情况的角度进行定性分析定向耦合器的工作原理： 如图2.2所示，当信号由传输线的端口1输入时，传输线14中有交变电流I1流过，由于传输线23与14线相互靠近，故23线中有耦合的能量，此耦合能量有两部分。,

4、3dB耦合器原理,一部分通过电场（以耦合电容C表示），另一部分通过磁场耦合过来（以感应电感L表示）。通过C的耦合在带状线23中引起的电流为IC1、IC2，分别流向端口2和端口3。同时，由于交变磁场的作用，在23线上感应有电流IL，根据电磁感应定律，感应电流IL的方向与I1方向相反。,3dB耦合器原理,因此，由图2.2可见，若能量从端口1输入，则端口2有耦合能量输出，所以端口2称为耦合端。而在端口3，因为电场耦合电流IC2和磁场耦合电流IL的方向相反，如果刚好使IC2=IL，则能量互相抵消，故端口3无能量输出，是隔离端。,3dB耦合器原理,端口4也有能量输出，它是通过/4带状线直接传输过来的，称

5、为直通端。由于耦合输出的能量具有一定的方向性，故称它为定向耦合器。,3dB耦合器原理,在理想情况下，可证明，当传输线长度为/4时，两线间耦合达到最大时（最大-3dB），并且各端口阻抗相匹配情况下，端口3没有能量输出，而端口2和4各输出信号源功率的一半（-3dB）。U2=U4= U1，U2与U1同相，U4比U1滞后90（因为14线长为/4 ），所以U2和U4间相差90。,3dB耦合器原理,当作为功率分配时，如果端口1为输入端，所加输入信号电压为U1，可得：,3dB耦合器原理,由此可见，当输入功率由端口1注入时，在端口2和4分别得到输入功率的一半。因为在2、4端口功率下降一倍，也即下降3dB，所以

6、称为3dB定向耦合器，也称3dB电桥。,3dB枝节电桥原理,图3.1：3dB枝节电桥原理示意图,3dB枝节电桥原理,图3.1给出了传统环形电桥的原理图，电桥由3个90枝节和一个270枝节构成。通过相位关系可看出， 若1端口输入，则2和3端口等幅同相输出，4端口隔离；若4端口输入，则2和3端口等幅反相输出，1端口隔离。,3dB枝节电桥原理,若2和3端口等幅同相输入，则信号在1端口叠加输出，4端口隔离。若2和3端口等幅反相输入，则信号在4端口叠加输出，1端口隔离。上述所有电桥当中端口阻抗为50，枝节阻抗值均为5070.7。,功分器功率合成电路分析,用两个二功分实现两路PA的功率合成电路如下图4.1

7、所示：,图4.1：功分器功率合成原理图,功分器功率合成电路分析,功率增益分析：,信号Pi从端口1输入，根据功分器特性，到A、D位置的信号幅度为Pi3dB，相位相同，即幅度为Pi/ 。标记为B的PA支路上，信号经B放大后，到C点的幅度为 Pi/ G。,根据二功分的特性，C点的信号到端口2的为Pc3dB，即Pi/2G；剩下的3dB即Pi/2G由R2进行吸收消耗。标记为E的PA支路上，信号经E放大后，到F点的幅度为Pi/ G。,功分器功率合成电路分析,功率增益分析：,根据二功分的特性，F点的信号到端口2的为Pf3dB，即Pi/2G；剩下的3dB即Pi/2G由R2进行吸收消耗。C点信号，经过功分器的两

8、个/4阻抗转换线到R2的位置，刚好与F点的信号相位相差180；,功分器功率合成电路分析,功率增益分析：,F点信号，经过功分器的两个/4阻抗转换线到R2的位置，刚好与C点的信号相位相差180，所以C点、F点的信号经过功分器后的功率在R2位置因为相位相反，完全抵消。,功分器功率合成电路分析,功率增益分析：,在端口2所得的信号为Pi/2G+Pi/2GPiG。可得该电路的增益等于单PA的增益G。从以上分析可得，端口2的输出功率比单个PA的输出功率大3dB，即该电路能输出的最大功率是单PA的两倍。,功分器功率合成电路分析,功率增益分析：,放大器B的回波反射为PrbPi/ *S11b，放大器E的回波反射为

9、PrePi/ *S11e 。由于放大器B、E的电气相能完全相同（理想情况下），所以S11bS11e。,功分器功率合成电路分析,反射参数分析：,反射信号从A、D点到端口1的信号合成与输出端完全相类似，最后到端口1的反射信号为PiS11bPiS11e。S22同等分析。所以，该电路的S11、S22与单PA的S11、S22完全相同。,功分器功率合成电路分析,反射参数分析：,综上可知，用两个二功分实现的两路PA功率合成电路在S11、S22、G方面与单PA相同，最大输出功率Po比单PA大3dB。,功分器功率合成电路分析,平衡放大器分析,用两个3dB电桥进行两路PA功率合成的电路又称平衡放大器，其原理图如下

10、图5.1所示：,图5.1：平衡放大器原理图,平衡放大器分析,功率增益分析：,信号从端口1输入，根据3dB电桥的特性，R1位置的端口为隔离端口没有信号，到A位置的信号幅度为Pi-3dB，相位为0，即为Pi/ ：0；到D位置的信号幅度为Pi-3dB，相位为-90，即为Pi/ ：-90。,标记为B的PA支路上，信号经B放大后，到C点的信号为Pi/ G：0。根据3dB电桥的特性，C点的信号到端口2的为Pi/2G：0-90，到R2端信号为Pi/2G：0+0。,平衡放大器分析,功率增益分析：,标记为E的PA支路上，信号经E放大后，到F点的信号为Pi/ G：-90。根据3dB电桥的特性，F点的信号到端口2的

11、为Pi/2G：-90+0，到R2端信号为Pi/2G：-9090。,平衡放大器分析,功率增益分析：,在R2端口的信号为Pi/2G：0+0和Pi/2G：90-90，可见，从两个PA支路到R2端口的信号为等幅反相，其幅度为Pi/2G：0+Pi/2G：-1800，信号刚好完全抵消。,平衡放大器分析,功率增益分析：,在端口2的信号为Pi/2G：090和Pi/2G：90+0，可见，从两个PA支路到端口2的信号为等幅同相，其幅度为Pi/2G+Pi/2GPiG，相位为-90。,平衡放大器分析,功率增益分析：,可得该电路的增益等于单PA的增益G。从以上分析可得，端口2的输出功率比单个PA的输出功率大3dB，即该

12、电路能输出的最大功率是单PA的两倍。,平衡放大器分析,功率增益分析：,信号从端口1输入，根据3dB电桥的特性，到A位置的信号为Pi/ ：0；到D位置的信号为Pi/ ：-90。,平衡放大器分析,反射参数分析 ：,放大器B的反射信号为Pi/ S11b：0到A点。根据3dB电桥的特性，A点到端口1的反射信号为Pi/2S11b：0+0，到R1端反射信号为Pi/2G：090。,平衡放大器分析,反射参数分析 ：,放大器E的反射信号为Pi/ S11e：-90到D点。根据3dB电桥的特性，D点到端口1的反射信号为Pi/2S11b：-9090，到R1端反射信号为Pi/2G：-90+0。,平衡放大器分析,反射参数分析 ：,在R1端口的信号为Pi/2G：0-90和Pi/2G：90+0，可见，从两个PA的S11反射信号到R1端口为等幅同相，其幅度为Pi/2S11b+Pi/2S11e；由于放大器B、E的电气相能完全相同，所以S11bS11e；可得，R1端口的反射信号为PiS11bPiS11e。,平衡放大器分析,反射参数分析 ：,在端口1的反射信号为Pi/2G：0+ Pi/2G：-1800，信号刚好完全抵消。所以，理想情况下，端口1的反射信号为0，即S