射频技术功率分配器与定向耦合器课件.ppt

1、功率分配器和定向耦合器功率分配器和定向耦合器功率分配在电路中的应用：功率分配在电路中的应用： 功率分配和功率混合。功率分配和功率混合。常用实现技术常用实现技术 微带、波导等。微带、波导等。一、一、T形结功率分配器形结功率分配器微带电路结构微带电路结构等效电路等效电路原理原理为了保证输入匹配，必须有为了保证输入匹配，必须有021111ZZZjBYin上式中，上式中，jB是由结的不连续性引入的电纳。通常是由结的不连续性引入的电纳。通常通过补偿办法可以减小到忽略。所以匹配条件为：通过补偿办法可以减小到忽略。所以匹配条件为：021111ZZZ典型实例典型实例：功率平均分配。设输入：功率平均分配。设输入

2、5050，则输出，则输出 微带线为微带线为100。例：例：设计一个无耗设计一个无耗T T形结功率分配器。源阻抗形结功率分配器。源阻抗5050，输，输出功率分配比为出功率分配比为2:1，求输出微带线的特特征阻抗。，求输出微带线的特特征阻抗。解：解：设在结处的电压为设在结处的电压为V V0 0，则输入功率为，则输入功率为0202ZVPin按要求输出功率分别应为按要求输出功率分别应为)(2)2/3(2232321200200201ZVZVZVPPin)(2312202ZVPPin由此有由此有)(7523)(2)2/3(201120020ZZZVZV)(150302ZZ0211501150121501

3、75111ZZZ由输入端看进去匹配。由输入端看进去匹配。T T形结的一些特点形结的一些特点I I） 宽带宽带IIII） 功率分配中的幅度相位功率分配中的幅度相位IIIIII）功率合成中的幅度相位）功率合成中的幅度相位IVIV） 效率效率场图场图* * 偏置电路中的分支结构偏置电路中的分支结构偏置电路中的交直流分路偏置电路中的交直流分路INOUTINOUT/4/4一种常用偏置扼流电路结构一种常用偏置扼流电路结构f req (500. 0M H z t o 4. 000G H z)S(1, 1)2. 050E91. 000 / 0. 916m 1m 1f req=S(1, 1)=0. 999 /

4、0. 463i m pedance = Z0 * (21. 112 + j 245. 584)2. 050G H z1. 01. 52. 02. 53. 03. 50. 54. 0-40-20-600freq, G H zdB(S(1, 1)dB(S(1, 2)1. 01. 52. 02. 53. 03. 50. 54. 0-40-20-600freq, G H zdB(S(1, 1)dB(S(1, 2)1. 01. 52. 02. 53. 03. 50. 54. 0-40-20-600freq, G H zdB(S(1, 1)dB(S(1, 2)短截线分别为角宽短截线分别为角宽66.5、22

5、.5、扇面和扇面和/4时微带的时微带的S21和和S11短截线为角宽短截线为角宽22.5扇扇面的输入阻抗。面的输入阻抗。多节多节基片基片RT/D 6010, 相对介电常数相对介电常数10.8, 厚度厚度1.27mm二、二、Wilkinson功率分配器功率分配器WilkinsonWilkinson的特点的特点三端口同时匹配；分支隔离；三端口匹配时无耗；三端口同时匹配；分支隔离；三端口匹配时无耗；WilkinsonWilkinson的电路形式（等分）的电路形式（等分）奇耦模式分析方法奇耦模式分析方法归一化和完全对称归一化和完全对称条件下的等效电路条件下的等效电路(a)(a)偶模等效电路偶模等效电路(

6、b)(b)奇模等效电路奇模等效电路(a)(a)偶模等效电路偶模等效电路从右往左看从右往左看 ，电路匹配。，电路匹配。1222inZ(b)(b)奇模等效电路奇模等效电路从右往左看从右往左看 ，电路匹配。，电路匹配。02/ZrZin(C)(C)端口端口1 1的匹配的匹配从左往右看，电阻等效于两标准阻抗经从左往右看，电阻等效于两标准阻抗经/4/4阻抗变阻抗变换后的两阻抗并联换后的两阻抗并联112212inZ完全匹配。完全匹配。WilkinsonWilkinson电路设计电路设计1. 01. 52. 02. 53. 03. 50. 54. 0-60-40-20-800f req, G H zdB(S(

7、1, 1)dB(S(1, 2)dB(S(1, 3)dB(S(2, 3)不等分不等分WilkinsonWilkinson功率分配器功率分配器* *电路形式电路形式重要计算公式重要计算公式* *微波电路微波电路p277, p277, 微波固态电路设计微波固态电路设计p164p164320031KKZZ20032021KKZZKZKKZR10232/PPK 实例实例* *1. 01. 52. 02. 53. 03. 50. 54. 0-40-20-600f req, G H zdB(S(1, 1)dB(S(1, 2)R eadoutm 2dB(S(1, 3)R eadoutm 1m 1f req=d

8、B(S(1, 3)=-1. 2492. 000G H zm 2i nd D el t a=dep D el t a=-4. 774del t a m ode O N0. 0001. 01. 52. 02. 53. 03. 50. 54. 0-40-20-600f req, G H zdB(S(2, 2)R eadoutm 3R eadoutm 4dB(S(3, 3)dB(S(3, 2)m 3f req=dB(S(2, 2)=-20. 2751. 790G H zm 4i nd D el t a=dep D el t a=0. 447del t a m ode O N4. 400E8* *微波固

9、态电路设计微波固态电路设计p165p165三、正交（三、正交（90 ）混合网络（混合接头，）混合网络（混合接头，Hybrid)结构与性能特点结构与性能特点Port 1Port 4Port 2Port 3（输入）（输入）（输出）（输出）（输出）（输出）（隔离）（隔离）0Z0Z0Z0Z0Z0Z2/0Z2/0Z/4/4幅度幅度(-3dB)相位相位(90)隔离隔离 (隔离度）隔离度）损耗损耗 (插入损耗插入损耗) )描述与分析方法描述与分析方法I)散射参数散射参数01000110001021jjjjSII)奇偶模分析奇偶模分析 线性互易网络，可以利用叠加原理。将线性互易网络，可以利用叠加原理。将工作模

10、式分解为奇、偶两种模式。任何模式都工作模式分解为奇、偶两种模式。任何模式都是奇偶模式的线性叠加。是奇偶模式的线性叠加。奇偶模等效电路分解示意图奇偶模等效电路分解示意图以输入和隔离端作为一对端口区分奇偶模式。以输入和隔离端作为一对端口区分奇偶模式。根据上述等效电路，所有支路出射波幅分别根据上述等效电路，所有支路出射波幅分别为：为：012121eb022121TTbe032121TTbe042121eb现在需要找到所有反射参数现在需要找到所有反射参数和传输参数和传输参数T。利。利用用ABCD矩阵。以下面偶模等效电路为例矩阵。以下面偶模等效电路为例/8/821/41121101022/0101jjj

11、jjjDCBA并联终端并联终端开路开路/8线线串联串联/4线线并联终端并联终端开路开路/8线线由散射参数和由散射参数和ABCD参数的关系即可求得参数的关系即可求得02/)1(12/)1(1jjjjDCBADCBAe)1 (212/)1(122jjjDCBATe同理可求得奇模的同理可求得奇模的ABCD距阵并求得反射参数和传输参数距阵并求得反射参数和传输参数 1121jjDCBA00)1 (210jT由此各支路出射波幅分别求得为由此各支路出射波幅分别求得为0212101eb2212102jTTbe21212103TTbe0212104eb与理想与理想S参数距阵一致，从而证明了电路分析的正确性。其它

12、各行可参数距阵一致，从而证明了电路分析的正确性。其它各行可通过互换位置得到。通过互换位置得到。例：例：1. 52. 02. 51. 03. 0-30-20-10-400f req, G H zdB(S(1, 1)dB(S(1, 2)dB(S(1, 3)dB(S(1, 4)1. 61. 71. 81. 92. 02. 12. 22. 32. 41. 52. 58085909510075105freq, G H zphase(S(1, 2)-phase(S(1, 3)电路仿真结果电路仿真结果按幅度按幅度-1dB定义的相定义的相对带宽为对带宽为26%，按隔，按隔离度优于离度优于-20dB定义的定义的

13、相对带宽相对带宽10%按相位变化按相位变化905 定定义的相对带宽为义的相对带宽为32.5%。与此相对应，微带移相与此相对应，微带移相器 在 相 同 带 宽 内器 在 相 同 带 宽 内（1.652.3GHz）移相）移相为为75105 . 四、四、 180 混合网络（混合环，鼠笼式混合接头混合网络（混合环，鼠笼式混合接头)电路结构电路结构/4/4/43/40Z0Z02Z0Z0Z散射参数散射参数01101001100101102jS（）()混合环的奇偶模式分析混合环的奇偶模式分析分析方法与分析方法与9090混合接头相同。混合接头相同。可以逐个端口求可以逐个端口求解得散射参数距解得散射参数距阵。设

14、计则仅需阵。设计则仅需按结构图计算出按结构图计算出微带的宽度和长微带的宽度和长度即可完成设计。度即可完成设计。（端口激励时奇偶模电路等效）（端口激励时奇偶模电路等效）例：例：混合环基片选定为混合环基片选定为FR4, 厚度厚度1mm， 工作中心频率工作中心频率2GHz, 设计完成混合环。端口特征阻抗设计完成混合环。端口特征阻抗50.解：解：仿真结果仿真结果1. 01. 52. 02. 53. 03. 50. 54. 0-40-20-600f req, G H zdB(S(1, 1)dB(S(1, 2)dB(S(1, 3)dB(S(1, 4)1. 61. 71. 81. 92. 02. 12. 2

15、2. 32. 41. 52. 5-12-9-6-3036912-1515freq, G H zphase(S(1, 2)-phase(S(1, 3)按幅度按幅度-1dB定义的相定义的相对带宽为对带宽为38%，按隔，按隔离度优于离度优于-20dB定义的定义的相对带宽相对带宽31.5%按相位变化按相位变化18010 定义的相对带宽为定义的相对带宽为37%。与此相对应，微带移相与此相对应，微带移相器 在 相 同 带 宽 内器 在 相 同 带 宽 内（1.652.39GHz）移相）移相为为148214 . 非理想负载条件下的功率分配响非理想负载条件下的功率分配响应应1. 01. 52. 02. 53.

16、 03. 50. 54. 0-20-10-300f req, G H zdB(S(1, 1)dB(S(1, 2)dB(S(1, 3)1. 01. 52. 02. 53. 03. 50. 54. 0-20-10-300f req, G H zdB(S(1, 1)dB(S(1, 2)dB(S(1, 3)dB(S(1, 4)非理想负载：非理想负载：50负负载并联载并联0.53pF电容。电容。180 混合环混合环T形结形结+180 微带移相微带移相课堂作业课堂作业 设计设计Wilkinson功率分配器，工作中心频率功率分配器，工作中心频率5GHz。p16课后作业课后作业1.设计设计2路均匀分配微带功率分配器。输入输出特征路均匀分配微带功率分配器。输入输出特征阻抗均为阻抗均为50。要求带宽（。要求带宽（S11-10dB) 大于大于10%，选，选择恰当的基片，计算出所有微带线几何参数，画出详择恰当的基片，计算出所有微带线几何参数，画出详细结构图。并指出两路相位差分别为细结构图。并指出两路相位差分别为0，90，180度时度时应采用何种分配电路。应采用何种分配电路。