微波功率分配器的原理与设计

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1、微波功率分配器的原理与设计一、实验目的1．了解功率分配器的原理；2．学习功率分配器的设计方法；3．利用实验模块进行实际测量，以掌握功率分配器的特性。二、实验原理功率分配器的原理：功分器是三端口网络结构（3-portnetwork），如图10-1所示。信号输入端（Port-1）的功率为P1，而其他两个输出端（Port-2及Port-3）的功率分别为P2及P3。由能量守恒定律可知P1=P2+P3。若P2=P3并以毫瓦分贝（dBm）来表示三端功率间的关系，则可写成：P2(dBm)=P3(dBm)=Pin(dBm)–3dB图10-1功率分配器方框图(输出比输入衰减了3dB,输出是输

2、入的一半)当然P2并不一定要等于P3，只是相等的情况在实际电路中最常用。因此，功分器在大致上可分为等分型（P2=P3）及比例型（P2=k·P3）两种类型。其设计方法说明如下：(一)等分型：根据电路使用元件的不同，可分为电阻式、L-C式及传输线式。A.电阻式：第⑦页共222页　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　此类电路仅利用电阻设计。按结构可分成Δ形,Y形，如图10-2(a)(b)所示。图10-2(a)Δ形电阻式等功分器图（b）Y形电阻式等功分器其中Zo就是电路特性阻抗，在高频电路中，在不同的使用频段，电路中的特性阻抗不相同。

3、在本实验中，皆以50Ω为例。此型电路的优点是频宽大、布线面积小、及设计简单，而缺点是功率衰减较大（6dB）。A.L-C式此类电路可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10-3(a)(b)所示。其设计公式分别为：a.低通型：其中fo——操作频率Zo——电路特性阻抗Ls——串联电感Cp——并联电容b.高通型：其中fo——操作频率Zo——电路特性阻抗Lp——并联电感第⑦页共222页　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Cs——串联电容图10-3(a)低通L-C式等功分器;(b)高通L-C式等功分器C.传输线式此种

4、电路按结构可分为威尔金森型和支线型，如图10-4(a)(b)所示。其设计公式分别为：a.威尔金森型图10-4（a）威尔金生型等功分器b．支线型第⑦页共222页　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图10-4（b）支线型等功分器(一)比例型此种电路按结构可分为支线型及威尔金森耦合线型，如图10-5(a)(b)所示。其设计公式如下：图10-5(a)分支线型比例功分器（注:ZP及Zr也可以是电容或电感。请参考L-C型等功分器。）图10-5(b)威尔金森耦合线比例功分器设计公式:第⑦页共222页　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

5、　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　关键参数指标及其含义：插入损耗：定义为传输电平除以入射电压取对数再乘以20，以dB表示。是无失真传输的关键之一。插入损耗关于通过无源线性器件无失真的传输有两个关键问题。首先，器件的幅度响应不许在使用的带宽内为固定值。这意味着在带段内的所有信号的衰减是恒等的。其次，器件的相位响应在同样的带宽内必须是线性的。隔离度：当主路接匹配负载时，各分配支路之间的衰减量比值。幅度平衡：指频带内所有输出端口之间的幅度误差最大值。一、设计实例功率分配器的设计方法1．在这里以支路型等功分器为例。2．先决定操作频率（f0）,特性阻抗（Z0）及功率比例（

6、k）：f0=750MHz,Z0=50Ω,k=0.1。3．如图10-6，所列公式：图10-6支路型等功分器计算可得：第⑦页共222页　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Zr=47.4Ω→Lr=10.065nH选定Lr=10nHZp=150Ω→Cp=1.415Pf选定Cp=1.4pF1．然后利用MICROWAVE软件模拟理想设计电路，然后进行仿真，结果应接近实际测量所得到的仿真图形和指标。2．利用MICROWAVE软件计算出微带线（microstriplinetype）电路的实际尺寸。3．电路图和相应的仿真图可参照图10-7、1

7、0-8。10-7支路型等功分器电路图第⑦页共222页　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　10-8支路型等功分器的仿真图一、实验内容实验设备:项次设备名称数量备注1功率分配器模块1块有源实验箱2频谱分析仪1台3反射电桥1块4射频连接线2条550Ω标准负载2个实验步骤:本实验模块设计为标准wilkson等分型功分器,通过分别测试两种模块的S11、S21（P1、P2端口的传输）和S31（P1、P3端口的传输）值，观察功率分配器的性能。理想情况下，对于电阻式功率分配器，其二