大学物理大学-射频电路第15讲功率分配器

ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology功率分配器双T与魔T衰减器与移相器极化分离与复用器隔离器与环形器第15讲内容ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology15.1功率分配器在射频/微波系统中，通常需要把功率按一定比例分成两路或多路。例如，天线阵列、多路放大器等。这就需要功率分配器。功率分配器反过来使用就是功率合成器。ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology功分器是一个三端口器件。通常希望功分器满足下列条件：端口2与3的输出功率比可为任意指定值；各个端口完全匹配，即无反射；端口2与3相互隔离。功分器（1）（2）（3）ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyT分支及其等效电路最简单的功分器是T分支，也称T接头矩形波导T形分支分为E面T分支（E-T分支）和H面T分支（H-T分支）。E-T分支H-T分支ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology根据矩形波导的E-T分支的电场分布，可以发现，E-T分支可以等效为一个串联分支。ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology根据矩形波导的H-T分支的电场分布，可以发现，H-T分支可以等效为一个并联分支。ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology根据微带T分支的电场分布，可以发现，微带T分支可以等效为一个并联分支。ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyT分支的分析考虑并联T分支。一般情况下，在T分支的接头不连续处存在边缘场和高阶模，形成了能量储存，可以用集总电纳jB来等效。为了使功分器与特性阻抗为Z0的输入线匹配，应有选择输出线特性阻抗Z1和Z2，可以提供不同功率分配比例。保证输入端口匹配并不难，但难以保证两个输出端口隔离，而且不可能每个端口都实现匹配（无耗三端口网路不可能完全匹配）。120111inYjBZZZResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology【例15-1】一无耗T形分支，源阻抗为50Ω，输入功率以2:1的比率分配给两条输出线。求输出线特性阻抗和输出端口的反射系数。解：从150Ω输出线看进去，阻抗为，而从70Ω线看进去，阻抗为。因此，从这两个端口看进去的反射系数为02021ZVPininPZVP3221220250150||75inZ1301500.666030150237.5750.333037.575inPZVP31211201752302ZZ150301ZZ50150375||.507530||ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology电阻式功率分配器如果包含有耗元件，三端口功分器就可以实现完全匹配，但不一定能保证两个输出端口隔离。ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology分支接头处于是各端口匹配，但端口2和端口3不隔离；有一半功率消耗在电阻上了。343000ZZZZ000034||343ZZZZZin01110111021SinPZVZVPP41812/1210210213210001323/23/3/2VZZZVV10003221433/VVZZZVVVResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology也可以采用Δ形连接电路ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology定向耦合器式功率分配器采用定向耦合器，只要在隔离端接上匹配负载，就可以实现满足条件的功分器。定向耦合器输入端隔离端直通端耦合端ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology也可以采用电感及电容构成的定向耦合器实现集总电抗式功分器。1P1P332P2LsLsCpCpZo1P12P2P33CsCsLpLpZo0021cSpcZLCZ002pcscLZCZ低通型高通型ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyWilkinson功率分配器Wilkinson功分器是在T分支上加隔离电阻形成的。它可以进行任何比率的功率分配。(1)(2)(3)R2R3RZc3Zc2Zc3inZ2inZ2U3U1UResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology当信号从端口1输入时，功率从端口2和端口3输出，只要设计恰当，输出可按一定比例分配，并保持电压同相，电阻R上无电流，不吸收功率。若端口2（或端口3）失配，则有信号反射回来。反射信号通过两条线路到达端口3（或端口2）。路径差为半波长，因此只要控制好R，就可以实现两路反射信号大小相等、相位相反，因此反射信号不会流入端口3（或端口2），从而保证两输出端有良好的隔离。工作原理（定性解释）ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology考虑到功率分配，即当信号从端口1输入、端口2和端口3接匹配负载时，电阻R两端同相，R上无电流流过，即，于是若取，则在分支处输出线1、2的输入阻抗分别为232PkP2232232UUkRR32UU223RkR2cRkZ3/cRZk严格分析2222cinZZR2333cinZZRResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologycZ3cZ2cZ如果传输线无耗，则根据功率分配比例，有为了保证端口1匹配，应有于是2211232ininUUkZZ223ccZkZ3222231cccRRZZZ2222231ccckkZZZ221()ccZZkk231()/ccZZkkResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology为了计算端口2与端口3之间的隔离特性，考虑端口1接匹配负载时所形成的双端口网络的散射参数。该网络可以看成串联R与中心并联Zc的传输线网络的并联。3R2RRcZ3cZ2cZ1()2()3()4/4/ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology对于中心并联Zc的传输线网络cZ3cZ2cZ4/4/23123222323322001001101100[]///------ccccccccccccjZjZAjZZjZZZZkkZZZkZZk223ccZkZ221()ccZZkk231cckZZkResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology转化为[Y]矩阵对于串联R网络总的导纳矩阵为2221221211111111-/[]()cAAkkYAZkAkR211111[]YR222223123323322111111111-()()[][][]-()()cccckRZkkRZkYYYYYYYkkRZkRZkResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology转化为[s]矩阵为使端口2与端口3隔离，应有S23=0，于是即此时2323233222233323322311()()YRRssYRYRYYRR230Y211()ckRZk21ckRZk2221/YR3331/YR2223332332232222233323322311011()()()()YRYRYYRRsYRYRYYRR2223332332233322233323322311011()()()()YRYRYYRRsYRYRYYRRResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology【例15-2】设计微带二路功分器，各路引出线的特性阻抗ZC=50，比例系数k=2，工作频率f=1.8GHz，微带基片的相对介电常数r=2.5，高度h=0.8mm。解：为了得到端口2、3的负载电阻分别为R2=kZC、R3=ZC/k，则需在引出线ZC与端口处各加一段λ/4阻抗变换段。ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology该变换段的特性阻抗分别为Z4和Z3，则4227071CCCZRZkZZ.5335362CCCZZZRZ.k其他参量可根据关系式计算，有2211015811CCZZk(k)Z.2321539538CCkZZZ.k22151252CCkRZZkResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology利用MWO的TXLINE得到各段线宽和长度2.2mmcW50线宽22309013l.mmW.mm，，33285315l.mmW.mm，44294124l.mmW.mm，，55283368l.mmW.mm，k=2，即k2=4，相当于功率比是4:1，即31410log0975s.dB21110log6995s.dB23145s22115sResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyMWO建模ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyMWO仿真Resear