实验04：功分器(powerdivider)42314.pdf

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1、实验四：功分器（Power Divider）*一、实验目的：1、了解功分器的原理及基本设计方法。2、用实验模组实际测量以了解功分器的特性。3、学会使用 MICROWAVE 软件对功分器设计及仿真，并分析结果。二预习内容：1、熟悉功率分接的理论知识。2、熟悉功分器的理论知识。三实验设备：项次 设备名称 数量 备注 1 MOTECH RF2000 测量仪 1 套 亦可用网络分析仪 2 功分器模组 1A、2A 2 组 RF2KM4-1A RF2KM4-2A 3 50终端负载 1 个 LOAD 4 THRU 端子 1 个 THRU（RF2KM）5 50 BNC 连接线 2 条 CA-1、CA-2 6

2、1M BNC 连接线 2 条 CA-3、CA-4 7 MICROWAVE 软件 1 套 微波软件 四理论分析：（一）功分器的原理:功分器是三端口网络结构（3-port network），如图 4-1 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 4-1 功率衰减器方框图 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

3、分器在大致上可分为等分型（P2=P3）及比例型（P2=KP3）两种类型。其设计方法说明如下：（1）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：此类电路仅利用电阻设计。按结构可分成形,Y 形，如图 4-2(a)(b)所示。图 4-1(a)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（Characteristic Impedance），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。在本实验中，皆以 50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）。理论推导如下:VVVZo/Zo/Z

4、o/Zo Zo V 1 3 2 Power Port-1 Port-3 Port-2 Port Port Zo Zo Zo Port P1 P2 P3 Port P1 P2 P3 Port Port Zo/3 Zo/3 Zo/3(a)(b)V0=V1=V1 V2=V3=V0 V2=V120 log =-6dB B.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4-3(a)(b)所示。其设计公式分别为：a.低通型（Low-pass）：oooopooSfZCZL212 其中 fo操作频率（operating frequency）Zo电路特性阻抗（characteri

5、stic impedance）Ls串联电感（series-inductor）Cp并联电容（shunt-capacitor）b.高通型（High-pass）：ooooSoopfZCZL22 其中 fo操作频率（operating frequency）Zo电路特性阻抗（characteristic impedance）Lp并联电感（shunt-inductor）Cs串联电容（series-capacitor）2 4 3 3 4 1 2 V2 V1 Port-1 P P3 Port-2 P Ls Ls Cp Cp Zo(a)low-pass Port-1 P Port-2 P P3 Cs Cs Lp

6、 Lp Zo(b)high-pass 图 4-2(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（Transmission-line Type）此种电路按结构可分为威尔金森型和支线型，如图 4-3(a)(b)所示。其设计公式分别为：a.威尔金森型（Wilkinson Pattern）图 4-3（a）威尔金生型等功分器 b 支线型（Branch-line pattern）设计公式:OOPOOSCZKKZZZKZZKdBC1215.010310 图 4-3(b)支线型等功分器 Zs Zs Zp Zp Zo Zo Zo Zo Zo Port-P3 Port-/Port-1

7、Port-2 P3 2Zo 2Zo 2Zo/4 P2=P3=P1-3dB Zo：特 性 阻 抗 （2）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4-4(a)(b)所示。其设计公式如下：设计公式:kkZZkZZkZZkZZPkPPkPopoSpSoS111)1(221213 图 4-4(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 4-4(b)威尔金森耦合线比例功分器 设计公式:kkZRkZZkZZkkZZkkZZkkZZkPPoooooo11114/154/148/54/134/18/324/1132 Zs Zs Zp Zp Z

8、o Zo Zo Zo Zo Port-P3 Port-/Zo Zo Zo Z1 Z3 Z5 Z4 Z2 R /Pin P2 P3 五、硬件测量（RF2KM4-1A,RF2KM4-2A）：1.测量 MOD-4A（RF2KM4-1A）的 S11 及 S21,以了解简易的功分电路的特性；测量 MOD-4B(RF2KM4-2A)的 S11 及 S21 测量以了解标准的功分电路的特性。2.准备电脑，测量软件，RF2000,及若干小器件。3.测量步骤:MOD-4A 的 P1 端子的 S11 测量：设定频段：BAND-3；将LOAD-1 及 LOAD-2分别接在模组 P2 及 P3 端子；对模组 P1 端子

9、做 S11 测量，并将测量结果记录于表（4-1）中。MOD-4A 的 P1 及 P2 端子的 S21 测量：设定频段：BAND-3；将 LAOD-1接在 P3 端子上；对模组 P1 及 P2 端子做 S21 测量，并将测量结果记录于表（4-2）中。MOD-4A 的 P1 及 P3 端子的 S21 测量：设定频段：BAND-3；将 LOAD-1接在模组 P2 端子上；对模组 P1 及 P3 端子做 S21 测量，并将测量结果记录于表（4-3）中。MOD-4B的 P1端子的S11测量：设定频段：BAND-4；将LOAD-1及 LOAD-2分别接在模组 P2 及 P3 端子上。对模组 P1 端子做

10、S11 测量，并将测量结果记录于表（5-1）中。MOD-4B 的 P1 及 P2 端子的 S21 测量：设定频段：BAND-4；将 LOAD-1接在 P3 端子上；对模组 P1 及 P2 端子做 S21 测量，并将测量结果记录于表（5-2）中。MOD-4B 的 P1 及 P3 端子的 S21 测量：设定频段：BAND-4；将 LOAD-1接在模组 P2 端子上；对模组 P1 及 P3 端子做 S21 测量，并将测量结果记录于表（5-3）中。4.实验记录表 4-1、4-2、4-3 均为以下表：5、已经测量的结果建议如下为合格：RF2KM4-1A MOD-4A(50-300MHZ)S11-14dB

11、 S21=-61dB S31=-61dB MOD-4A(300-500MHZ)S11-14dB S21-7dB S31-7dB RF2KM4-2A MOD-4B(75050MHZ)S11-10dB S21-4dB S31-4dB 6、待测模组方框图:电阻式功分器 威尔金森型功分器 六、软件仿真：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（k）:f0=750MHz,Z0=50,k=。3如下图图 4-5 所列公式：设计公式：Port-1 P3 Port-3 Port-2 Lr Lr Cp Cp Zo 图 4-5 支路型等功分器 PpoprRorprorZ

12、CkkZZZLkZZkZZkZZPkPPkP002212131111)1(计算可得：Zr=Lr=选定 Lr=10nH Zp=150 Cp=选定 Cp=4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。5、利用 MICROWAVE 软件计算出微带线（microstrip line type）电路的实际尺寸。6、电路图和相应的仿真图可参照图 4-5。支路型等功分器电路图 支路型等功分器的仿真图 七、实例分析：请设计支路型等功分器，其特性阻抗 Z0=50,f0=750MHz,k=解：P3=kP1 P2=(1-k)P1 PpoprRorprorZCkkZZZLkZZkZZkZZ00221111 计算可得：Zr=Lr=选定 Lr=10Nh Zp=150 Cp=选定 Cp=相应的电路图和仿真图见软件仿真。八、Mathcad 分析:参见文件夹中文 mcd里的功分器.mcd文件。该文件内容主要是针对威尔金森式耦合线型的功分器而言的。