【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 第3章 功率分配器3．1 功率分配器3．1．1 功率分配器的基本概念 功率分配器是將輸入信號(hào)功率分成相等或不相等的幾路功率輸出的一種多端口微波網(wǎng)絡(luò)。從理論上講，無(wú)論是輸出端間沒(méi)有隔離的簡(jiǎn)單功分器還是有隔離的混合型功分器；也無(wú)論是功率等分的還是不等分的功分器,均可作成任意路數(shù)輸出。但是,在平面型微波集成電路中,直接分成多路輸出的只有簡(jiǎn)單功分器才能實(shí)現(xiàn)?；旌闲凸Ψ制?由于平面電路上要對(duì)稱地安置幾個(gè)隔離電阻在結(jié)構(gòu)上有困難,一般只能作成兩路的功分器。因此設(shè)計(jì)實(shí)用的新型功分器有實(shí)際價(jià)值。功分器可以采用腔體和微帶的方法。腔體插損較小，功率容量較大，不過(guò)方向性一般用于單向. 而微帶線設(shè)計(jì)方法就比較靈活，最簡(jiǎn)單的可以在輸出端口加單向鐵氧體，為了減小體積，提高性能，目前最通用的還是威爾金森功率分配器的設(shè)計(jì)思想。3．1．2 二分器的基本原理一分為二功率分配器原理：一分為二功率分配器是三端口網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。信號(hào)輸入端的功率為，而其他兩個(gè)輸出端口的功率等率分別為和。由能量守恒定律可知=+ 。 如果（dbm）=（dbm），三端功率間的關(guān)系可寫(xiě)成 （dbm）=（dbm）=（dbm）3dB當(dāng)然，并不一定要等于，只是相等的情況在實(shí)際電路中最常用。因此，功率分配器可分為等分型（=）和比例型（=k）兩種類型。 3．1．3 功率分配器的分類功率分配器的分類方法有幾種常見(jiàn)的分類有一 根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，功分器可以劃分為無(wú)源功分器和有源功分器兩大類。無(wú)源功分器由微帶線構(gòu)成，它的主要特點(diǎn)是：（1）工作穩(wěn)定；（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；（3）基本上無(wú)噪聲。它的主要缺點(diǎn)是接入損耗比較大。有源功分器由放大器組成，它的主要特點(diǎn)是：（1）有增益；（2）隔離度較高。它的主要缺點(diǎn)是有噪聲、結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜一些、工作穩(wěn)定性相對(duì)較差。二 根據(jù)使用的電路材料等不同可以分為集總參數(shù)型功率分配器和分布參數(shù)型功率分配器。微帶型功率分配器屬于分布參數(shù)功率分配器。 三 根據(jù)輸出功率比例不同, 可分為等功率分配器和不等功率分配器。四 根據(jù)輸出端口的數(shù)目，常見(jiàn)的功率分配器可以分為二功分器、三功分器，四功分器，八功分器、十二功分器等等。3．2 常用的功率分配元器件在微波系統(tǒng)中, 往往需將一路微波功率按比例分成幾路, 即是功率分配問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)這一功能的元件稱為功率分配元器件, 主要包括: 定向耦合器、 功率分配器以及各種微波分支器件。 這些元器件一般都是線性多端口互易網(wǎng)絡(luò), 因此可用微波網(wǎng)絡(luò)理論進(jìn)行分析。下面就分別介紹這三類元器件。 3．2．1定向耦合器定向耦合器是一種具有定向傳輸特性的四端口元件, 它是由耦合裝置聯(lián)系在一起的兩對(duì)傳輸系統(tǒng)構(gòu)成的，圖中“①、②”是一條傳輸系統(tǒng)，稱為主線；“③、④”為另一條傳輸系統(tǒng), 稱為副線。耦合裝置的耦合方式有許多種, 一般有孔、分支線、耦合線等, 形成不同的定向耦合器。圖513 定向耦合器的原理圖本節(jié)首先介紹定向耦合器的性能指標(biāo), 然后介紹波導(dǎo)雙孔定向耦合器、雙分支定向耦合器和平行耦合微帶定向耦合器。1) 定向耦合器的性能指標(biāo)定向耦合器是四端口網(wǎng)絡(luò)，端口“①”為輸入端，端口“②”為直通輸出端，端口“③”為耦合輸出端，端口“④”為隔離端，并設(shè)其散射矩陣為［S］。描述定向耦合器的性能指標(biāo)有: 耦合度、隔離度、 定向度、輸入駐波比和工作帶寬。下面分別加以介紹。 （1） 耦合度 輸入端“①”的輸入功率和“耦合輸出端③”的輸出功率之比定義為耦合度，記作C（2）隔離度 輸入端“①”的輸入功率和“隔離端“④”的輸出功率之比定義為隔離度，記作I。（3）定向度耦合端“③”的輸出功率與隔離端“④”的輸出功率之比定義為定向度，記作D。 (4) 輸入駐波比 端口“②、 ③、 ④”都接匹配負(fù)載時(shí)的輸入端口“①”的駐波比定義為輸入駐波比，記作ρ。 (5) 工作帶寬工作帶寬是指定向耦合器的上述C、 I、 D、 ρ等參數(shù)均滿足要求時(shí)的工作頻率范圍。 2) 波導(dǎo)雙孔定向耦合器 波導(dǎo)雙孔定向耦合器是最簡(jiǎn)單的波導(dǎo)定向耦合器, 主、副波導(dǎo)通過(guò)其公共窄壁上兩個(gè)相距d=(2n+1)λg0/4 的小孔實(shí)現(xiàn)耦合。其中，λg0是中心頻率所對(duì)應(yīng)的波導(dǎo)波長(zhǎng), n為正整數(shù), 一般取n=0。耦合孔一般是圓形, 也可以是其它形狀。定向耦合器的結(jié)構(gòu)如圖 , 下面簡(jiǎn)單介紹其工作原理。圖 定向耦合器的結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)耦合器的耦合機(jī)理。設(shè)端口“①”入射波(u+1=1), 第一個(gè)小孔耦合到副波導(dǎo)中的歸一化出射波為u41=q和u31=q, q為小孔耦合系數(shù)。假設(shè)小孔很小, 到達(dá)第二個(gè)小孔的電磁波能量不變, 只是引起相位差(βd), 第二個(gè)小孔處耦合到副波導(dǎo)處的歸一化出射波分別為u42=qejβd和 u32=qejβd, 在副波導(dǎo)輸出端口“③”合成的歸一化出射波為u3=u31ejβd+u32=2qejβd副波導(dǎo)輸出端口“④”合成的歸一化出射波為u4=u41+u42ejβd=q(1+ej2βd)=2qcosβdejβd由此可得波導(dǎo)雙孔定向耦合器的耦合度為小圓孔耦合的耦合系數(shù)為式中, a、b分別為矩形波導(dǎo)的寬邊和窄邊；r為小孔的半徑；β是TE10模的相移常數(shù)。而波導(dǎo)雙孔定向耦合器的定向度為 當(dāng)工作在中心頻率時(shí), βd=π/2, 此時(shí)D→∞。 當(dāng)偏離中心頻率時(shí), secβd具有一定的數(shù)值, 此時(shí)D不再為無(wú)窮大。實(shí)際上雙孔耦合器即使在中心頻率上, 其定向性也不是無(wú)窮大, 而只能在30dB左右。 由式(5 2 9)可見(jiàn), 這種定向耦合器是窄帶的。  總之, 波導(dǎo)雙孔定向耦合器是依靠波的相互干涉而實(shí)現(xiàn)主波導(dǎo)的定向輸出, 在耦合口上同相疊加, 在隔離口上反相抵消。 為了增加定向耦合器的耦合度，拓寬工作頻帶, 可采用多孔定向耦合器, 關(guān)于這方面的知識(shí), 讀者可參閱有關(guān)文獻(xiàn)。 3) 雙分支定向耦合器 雙分支定向耦合器由主線、副線和兩條分支線組成, 其中分支線的長(zhǎng)度和間距均為中心波長(zhǎng)的1/4, 如圖 。 設(shè)主線入口線“①”的特性阻抗為Z1=Z0, 主線出口線“②”的特性阻抗為Z2=Z0k(k為阻抗變換比), 副線隔離端“④”的特性阻抗為Z4=Z0, 副線耦合端“③”的特性阻抗為Z3=Z0k, 平行連接線的特性阻抗為Z0p, 兩個(gè)分支線特性阻抗分別為Zt1和Zt2。下面來(lái)討論雙分支定向耦合器的工作原理。 假設(shè)輸入電壓信號(hào)從端口“①”經(jīng)A點(diǎn)輸入, 則到達(dá)D點(diǎn)的信號(hào)有兩路, 一路是由分支線直達(dá), 其波行程為λg/4, 另一路由A→B→C→D, 波行程為3λg/4。 故兩條路徑到達(dá)的波行程差為λg/2, 相應(yīng)的相位差為π, 即相位相反。 雙分支定向耦合器因此若選擇合適的特性阻抗, 使到達(dá)的兩路信號(hào)的振幅相等, 則端口“④”處的兩路信號(hào)相互抵消, 從而實(shí)現(xiàn)隔離。 同樣由A→C的兩路信號(hào)為同相信號(hào), 故在端口“③”有耦合輸出信號(hào), 即端口“③”為耦合端。耦合端輸出信號(hào)的大小同樣取決于各線的特性阻抗。  下面給出微帶雙分支定向耦合器的設(shè)計(jì)公式。 設(shè)耦合端“③”的反射波電壓為|U3r|, 則該耦合器的耦合度為各線的特性阻抗與|U3r|的關(guān)系式為可見(jiàn)，只要給出要求的耦合度C及阻抗變換比k, 即可由式(5 2 10)算得|U3r|, 再由式(5 2 11)算得各線特性阻抗, 從而可設(shè)計(jì)出相應(yīng)的定向耦合器。對(duì)于耦合度為3dB、阻抗變換比k=1的特殊定向耦合器, 稱為3dB定向耦合器, 它通常用在平衡混頻電路中。此時(shí)分支線定向耦合器的帶寬受λg/4的限制, 一般可做到10%~20%, 若要求頻帶更寬, 可采用多節(jié)分支耦合器。4) 平行耦合微帶定向耦合器 平行耦合微帶定向耦合器是一種反向定向耦合器, 其耦合輸出端與主輸入端在同一側(cè)面, 如圖 所示, 端口“①”為輸入口, 端口“②”為直通口, 端口“③”為耦合口, 端口“④”為隔離口。 圖 平行耦合微帶定向耦合器 下面簡(jiǎn)單分析一下平行耦合微帶定向耦合器的工作原理。 設(shè)平行耦合微帶線的奇、 偶模特性阻抗分別為Z0o和Z0e, 令其中，為匹配負(fù)載阻抗, K為電壓耦合系數(shù)。 設(shè)各端口均接阻抗為的負(fù)載, 所示, 根據(jù)奇偶模分析, 則可等效為圖 。 端口“①”處輸入阻為將式(5 2 14)代入上式(5 2 16)得 可見(jiàn)，ZoinZein=Z0eZ0o=Z20 。 由奇偶模等效電路得端口“①”的奇偶模電壓和電流分別為 代入式（5 2 15）并利用式（5 2 17）則有可見(jiàn)端口“①”是匹配的, 所以加上的電壓U0, 即為入射波電壓, 由對(duì)稱性可知其余端口也是匹配的。由分壓公式可得端口“③”的合成電壓為將式(5 2 14)代入, 于是有耦合端口“③”輸出電壓與端口“①”輸入電壓之比為U4=U4e+U4o=U2eU2o=0可見(jiàn), 端口“③”有耦合輸出而端口“④”為隔離端, 當(dāng)工作在中心頻率上, θ=π/2, 此時(shí)U3=KU0可見(jiàn)端口“②”、 “③”電壓相差 90176。, 相應(yīng)的耦合度為于是給定耦合度C及引出線的特性阻抗Z0后, 由式(5 2 25)求得耦合系數(shù)K, 從而可確定Z0o和Z0e然后由此確定平行耦合線的尺寸。值得指出的是: 在上述分析中假定了耦合線奇偶模相速相同, 因而電長(zhǎng)度相同, 但實(shí)際上微帶線的奇偶模相速是不相等的, 所以按上述方法設(shè)計(jì)出的定向耦合器性能會(huì)變差。為改善性能, 一般可取介質(zhì)覆蓋、 耦合段加齒形或其它補(bǔ)償措施, 圖 5 18 給出了兩種補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。圖 平行耦合微帶定向耦合器的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)3．2．2 功率分配器 將一路微波功率按一定比例分成n路輸出的功率元件稱為功率分配器。按輸出功率比例不同, 可分為等功率分配器和不等功率分配器。在結(jié)構(gòu)上, 大功率往往采用同軸線而中小功率常采用微帶線。下面介紹兩路微帶功率分配器以及微帶環(huán)形電橋的工作原理。 （1）兩路微帶功率分配器兩路微帶功率分配器的平面結(jié)構(gòu)如圖 5 19 所示, 其中輸入端口特性阻抗為Z0, 分成的兩段微帶線電長(zhǎng)度為λg/4, 特性阻抗分別是Z02和Z03, 終端分別接有電阻R2和R3。功率分配器的基本要求如下： 兩路微帶功率分配器的平面結(jié)構(gòu)① 端口“①”無(wú)反射；② 端口“②、 ③”輸出電壓相等且同相。③ 端口“②、 ③”輸出功率比值為任意指定值, 設(shè)為根據(jù)以上三條有這樣共有RRZ0Z03四個(gè)參數(shù)而只有三個(gè)約束條件, 故可任意指定其中的一個(gè)參數(shù), 現(xiàn)設(shè)R2=kZ0, 于是由上兩式可得其它參數(shù): 實(shí)際的功率分配器終端負(fù)載往往是特性阻抗為Z0的傳輸線, 而不是純電阻, 此時(shí)可用λg/4阻抗變換器將其變?yōu)樗桦娮? 另一方面UU3等幅同相, 在“②、③”端跨接電阻Rj, 既不影響功率分配器性能, 又可增加隔離度。于是實(shí)際功率分配器平面結(jié)構(gòu)如圖 5 20 所示。 實(shí)際功率