功率分配器合成器第1頁/共59頁5.1

功率分配器的基本原理

5.1.1

功率分配器的技術指標 頻率范圍、功率容量、分配損耗、插入損耗、隔離度、駐波比、相位一致性等。

(2)

功率容量：在大功率分配器/合成器中，最大功率是核心指標，它決定采用什么形式的傳輸線。一般傳輸線承受功率由小到大的次序是微帶線、帶狀線、同軸線、空氣帶狀線、空氣同軸線。

(1)

頻率范圍第2頁/共59頁

(3)

分配損耗令 Ai=A-Ad

A是實際測量值。在其他支路端口接匹配負載,測量主路到某一支路間的傳輸損耗。

A的理想值就是Ad。式中第3頁/共59頁

(4)

插入損耗。輸入輸出間的插入損耗是由于傳輸線（如微帶線）的介質或導體不理想等因素，考慮輸入端的駐波比所帶來的損耗。

(6)

駐波比。每個端口的電壓駐波比越小越好。第4頁/共59頁

(5)

隔離度。如果從每個支路端口輸入功率只能從主路端口輸出，而不應該從其他支路輸出，這就要求支路之間有足夠的隔離度。在主路和其他支路都接匹配負載的情況下， 第5頁/共59頁圖5-1功率分配器示意圖

5.1.2

功率分配器的原理第6頁/共59頁5.2

集總參數功率分配器

5.2.1

等分型功率分配器 根據電路使用元件的不同，可分為電阻式和L-C式兩種情況。

1.

電阻式 電阻式電路僅利用電阻設計，按結構可分成△形和Y形。第7頁/共59頁圖5-2△形和Y形電阻式功率分配器第8頁/共59頁 Z0是電路特性阻抗。這種電路的優點是頻寬大，布線面積小，設計簡單；缺點是功率衰減較大（6dB）。對于Y形電阻式二等分功率分配器：(5-2)第9頁/共59頁圖5-3Y形電阻式二等分功率分配器第10頁/共59頁

S21=S31=S23=1/2，低于輸入功率電平6dB；網絡互易，散射矩陣對稱

第11頁/共59頁

2.L-C式 利用電感及電容進行設計。按結構可分成高通型和低通型。圖5-4L-C式集總參數功率分配器第12頁/共59頁

1)

低通型

2)

高通型(5-3)(5-4)第13頁/共59頁

5.2.2

比例型功率分配器 比例型功率分配器的兩個輸出口的功率不相等。假定一個支路端口與主路端口的功率比為k，可按照下面公式設計圖5-4（a）所示低通式L-C式集總參數比例功率分配器。第14頁/共59頁(5-5)第15頁/共59頁

5.2.3

集總參數功率分配器的設計方法 集總參數功率分配器的設計即計算出各個電感、電容或電阻的值。圖5-5低通L-C式功率分配器第16頁/共59頁

設f0=750MHz，Z0=50Ω，k=0.1，要求在750±50MHz的范圍內S11≤-10dB，S21≥-4dB,S31≥-12dB。

在電路實現上采用如圖5-5所示結構。 應用公式（5-5），計算可得Zr=47.4Ω→Lr=10.065nH，選定Lr=10nHZp=150Ω→Cp=1.415pF，選定Cp=1.4pF

第17頁/共59頁5.3

分布參數功率分配器

5.3.1

微帶線功率分配器 功率分配器/合成器有兩路和多路情況。

1.兩路功率分配器 微帶線威爾金森兩路等分功率分配器：R是隔離電阻，輸出功率也可按一定比例分配,并保持電壓同相,電阻R上無電流,不吸收功率。第18頁/共59頁圖5-8威爾金森功率分配器

與其他功分器相比，Wilkinson功分器做到輸出端口都匹配且無耗第19頁/共59頁

若端口2或端口3有失配，則反射功率通過分支叉口和電阻兩路到達另一支路的電壓等幅反相而抵消，在此點沒有輸出，從而可保證兩輸出端有良好的隔離。

第20頁/共59頁兩路等分功分器的奇偶模分析（在輸出端口用對稱和反對稱源驅動）：用Z0歸一化所有阻抗

應用奇偶模分析法求S參數第21頁/共59頁

偶模：Vg2＝Vg3＝2V0；奇模：Vg2＝－Vg3＝2V0，然后兩模疊加，有效的激勵是Vg2＝4V0，Vg3＝0，以此求出S參量第22頁/共59頁

偶模：

從端口2向左看：

令在端口1處x＝0，則端口2處x＝－λ/4

第23頁/共59頁傳輸線上的電壓：

在端口1，向著歸一化值為2的電阻看，反射系數是則和第24頁/共59頁

奇模：

從端口2向左看：第25頁/共59頁

端口2和3接匹配負載時，端口1處的輸入阻抗：

第26頁/共59頁Wilkinson分配器的S參量確定如下：

端口1驅動且輸出匹配時，分配器無耗；端口2和3隔離。第27頁/共59頁

考慮一般情況(比例分配輸入功率),設端口3和端口2的輸出功率比為，即（5-6）第28頁/共59頁

端口2的電壓U2與端口3的電壓U3相等,即U2=U3。端口2和端口3的輸出功率與電壓的關系為第29頁/共59頁 Z2、Z3為端口2和端口3的輸入阻抗，若 則可滿足式（5-9）。為保證端口1匹配，應有（5-10）（5-11）第30頁/共59頁

同時由于 則 所以

（5-12）

第31頁/共59頁

為了實現端口2和端口3隔離,可選

若P2=P3，k=1，則（5-13）

第32頁/共59頁圖5-9微帶線功率分配器

微帶功分器可以是圓環形，便于加工和安裝。第33頁/共59頁

設計實例： 設工作頻率為f0=750MHz，特性阻抗為Z0=50Ω，功率比例為k=1，且要求在750±50MHz的范圍內S11≤-20dB，

S21≥-4dB，S31≥-4dB。由式（5-13）知Z02=Z03=70.7Ω，R=2Z0=100Ω。第34頁/共59頁

功率分配器有一定的頻率特性。由圖5-10(b)看出，當頻帶邊緣頻率之比增加時，輸入駐波比下降，隔離度也變差。為了加寬工作頻帶，可以用多節的寬頻帶功率分配器，即可以增加節數，即增加λg/4線段和相應的隔離電阻R的數目。第35頁/共59頁

即使節數增加不多，各指標也可有較大改善，工作頻帶有較大的展寬。多節寬帶功率分配器的極限情況是漸變線形，如圖5-11（b），隔離電阻用扇型薄膜結構。第36頁/共59頁

圖5-11寬頻帶功率分配器（a）

多節功率分配器;（b）

漸變線功率分配器

第37頁/共59頁

功率分配器的設計是在假定支路口負載等于傳輸線特性阻抗的前提下進行的。如果負載阻抗不是這樣,必須增加阻抗匹配元件。這一點直接影響功率分配器的效率。 第38頁/共59頁兩節：

多節功率分配器的設計方法： 第39頁/共59頁第40頁/共59頁第41頁/共59頁圖5-12N路功率分配器

2.

多路功率分配器/合成器 第42頁/共59頁 N路功率分配器要滿足條件：輸入端口匹配無反射；各路輸出功率之比已知，P1∶P2∶P3∶…∶Pn=k1∶k2∶k3∶…∶kn；各路輸出電壓U1、U2、U3、…、Un等幅同相。 取各路負載阻值為(5-14)第43頁/共59頁

從而，可得各路的特性阻抗為(5-15)第44頁/共59頁

多路功率分配器實際中常用的方法是采用兩路功率分配器的級聯，即一分為二，二分為四，四分為八等。 級聯的設計方法有兩種，區別在于微帶線段的特性阻抗和隔離電阻值，由設計任務的尺寸等因素決定采用哪個方法。第45頁/共59頁第46頁/共59頁圖5-13一分為四的兩種形式第47頁/共59頁

如果要設計輸出端口為奇數的功率分配器，也可利用2n功率分配器方案進行設計。在級聯的上一級做不等分，將少部分功率直接輸出，大部分功率再做等分。合理調整分配比，可實現任意奇數個分配口輸出。 三等分功率分配器可以采用圖5-14所示結構。輸入信號為中心點，可以用微帶地板穿孔的方法實現，輸入端與三個輸出端的平面垂直。第48頁/共59頁圖5-14三等分功率分配器第49頁/共59頁

5.3.2其他分布參數功率分配器 其他分布參數功率分配器的基本結構包括帶狀線、波導、同軸結構。空氣帶狀線是大功率微波頻率低端常用結構，原理與微帶線威爾金森功率分配器相同，只是每段傳輸線的特性阻抗的實現要用到帶狀線計算公式。（承受大功率需加大各個結構尺寸）微波高端常用到波導T形接頭。同軸結構加工困難，盡可能少用。第50頁/共59頁E-T分支H-T分支第51頁/共59頁E—T接頭1、口輸入，、等幅反相輸出2、、等幅同相輸入，口無輸出3、、等幅反相輸入，口有輸出第52頁/共59頁根據前述特性，的第一行乘以即又由的第一列，得第53頁/共59頁為任意相角，取決于端口1和3參考面的位置的第三行乘以所以設的第三列，得第54頁/共59頁為任意相角，取決于端口1和2參考面的位置，適當選擇參考面，可使的第三行乘以由前述，可得設的第一列，得第55頁/共59頁在這組特定的參考面下，E－