功率分配器合成器.ppt
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,5.1 功率分配器的基本原理,功率分配器的技术指标频率范围、功率容量、分配损耗、插入损耗、隔离度、驻波比、相位一致性等。,(2)功率容量：在大功率分配器/合成器中，最大功率是核心指标，它决定采用什么形式的传输线。一般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。,(1)频率范围,(3)分配损耗,令 Ai=A-AdA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。A的理想值就是Ad。,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。,(6)驻波比。每个端口的电压驻波比越小越好。,(5)隔离度。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，,图5-1 功率分配器示意图,功率分配器的原理,5.2 集总参数功率分配器,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.电阻式电阻式电路仅利用电阻设计，按结构可分成形和Y形。,图5-2 形和Y形电阻式功率分配器,Z0是电路特性阻抗。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）。对于Y形电阻式二等分功率分配器：,(5-2),图5-3 Y形电阻式二等分功率分配器,S21=S31=S23=1/2，低于输入功率电平6dB；网络互易，散射矩阵对称,2.L-C式利用电感及电容进行设计。按结构可分成高通型和低通型。,图 5-4 L-C式集总参数功率分配器,1)低通型2)高通型,(5-3),(5-4),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。,(5-5),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即计算出各个电感、电容或电阻的值。,图5-5 低通L-C式功率分配器,设f0=750MHz，Z0=50，k=0.1，要求在75050MHz的范围内S11-10dB，S21-4 dB,S31-12dB。在电路实现上采用如图 5-5 所示结构。应用公式（5-5），计算可得Zr=47.4Lr=10.065nH，选定 Lr=10nHZp=150Cp=1.415 pF，选定 Cp=1.4pF,5.3 分布参数功率分配器,微带线功率分配器功率分配器/合成器有两路和多路情况。1.两路功率分配器微带线威尔金森两路等分功率分配器：R是隔离电阻，输出功率也可按一定比例分配,并保持电压同相,电阻R上无电流,不吸收功率。,图5-8 威尔金森功率分配器,与其他功分器相比，Wilkinson功分器做到输出端口都匹配且无耗,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。,两路等分功分器的奇偶模分析（在输出端口用对称和反对称源驱动）：,用Z0归一化所有阻抗,应用奇偶模分析法求S参数,偶模：Vg2Vg32V0；奇模：Vg2Vg32V0，然后两模叠加，有效的激励是Vg24V0，Vg30，以此求出S参量,偶模：,从端口2向左看：,令在端口1处x0，则端口2处x/4,传输线上的电压：,在端口1，向着归一化值为2的电阻看，反射系数是,则,和,奇模：,从端口2向左看：,端口2和3接匹配负载时，端口1处的输入阻抗：,Wilkinson分配器的S参量确定如下：,端口1驱动且输出匹配时，分配器无耗；端口2和3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，即,（5-6）,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,Z2、Z3为端口2和端口3的输入阻抗，若则可满足式（5-9）。为保证端口1匹配，应有,（5-10）,（5-11）,同时由于 则所以,（5-12）,为了实现端口2和端口3隔离,可选 若P2=P3，k=1，则,（5-13）,图 5-9 微带线功率分配器,微带功分器可以是圆环形，便于加工和安装。,设计实例：设工作频率为f0=750MHz，特性阻抗为Z0=50，功率比例为k=1，且要求在75050MHz的范围内S11-20dB，S21-4dB，S31-4dB。由式（5-13）知Z02=Z03=70.7，R=2Z0=100。,功率分配器有一定的频率特性。由图5-10(b)看出，当频带边缘频率之比增加时，输入驻波比下降，隔离度也变差。为了加宽工作频带，可以用多节的宽频带功率分配器，即可以增加节数，即增加g/4线段和相应的隔离电阻R的数目。,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。多节宽带功率分配器的极限情况是渐变线形，如图5-11（b），隔离电阻用扇型薄膜结构。,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,功率分配器的设计是在假定支路口负载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。这一点直接影响功率分配器的效率。,两节：,多节功率分配器的设计方法：,图 5-12 N路功率分配器,2.多路功率分配器/合成器,N路功率分配器要满足条件：输入端口匹配无反射；各路输出功率之比已知，P1P2P3Pn=k1k2k3kn；各路输出电压U1、U2、U3、Un等幅同相。取各路负载阻值为,(5-14),从而，可得各路的特性阻抗为,(5-15),多路功率分配器实际中常用的方法是采用两路功率分配器的级联，即一分为二，二分为四，四分为八等。级联的设计方法有两种，区别在于微带线段的特性阻抗和隔离电阻值，由设计任务的尺寸等因素决定采用哪个方法。,图 5-13 一分为四的两种形式,如果要设计输出端口为奇数的功率分配器，也可利用2n功率分配器方案进行设计。在级联的上一级做不等分，将少部分功率直接输出，大部分功率再做等分。合理调整分配比，可实现任意奇数个分配口输出。三等分功率分配器可以采用图5-14所示结构。输入信号为中心点，可以用微带地板穿孔的方法实现，输入端与三个输出端的平面垂直。,图 5-14 三等分功率分配器,5.3.2 其他分布参数功率分配器 其他分布参数功率分配器的基本结构包括带状线、波导、同轴结构。空气带状线是大功率微波频率低端常用结构，原理与微带线威尔金森功率分配器相同，只是每段传输线的特性阻抗的实现要用到带状线计算公式。（承受大功率需加大各个结构尺寸）微波高端常用到波导T形接头。同轴结构加工困难，尽可能少用。,E-T分支,H-T分支,ET接头,1、口输入，、等幅反相输出2、等幅同相输入，口无输出3、等幅反相输入，口有输出,根据前述特性，,的第一行乘以,即,又由,的第一列，得,为任意相角，取决于端口1和3参考面的位置,的第三行乘以,所以,设,的第三列，得,为任意相角，取决于端口1和2参考面的位置，适当选择参考面，可使,的第三行乘以,由前述，可得,设,的第一列，得,在这组特定的参考面下，ET分支的,用类似的方法可求得HT分支的,HT接头,1、口输入，、等幅同相输出2、等幅同相输入，口有输出3、等幅反相输入，口无输出,设计一个工作在C波段、频率：3-4GHz、驻波：20dB、带内波动：0.5dB的一分三功分器,
