功分器学习教程.pptx

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1、2023/4/142023/4/141 1Outlinen n基本特性三端口网络三端口网络n nT型结功率分配器无耗分配器无耗分配器电阻性分配器电阻性分配器n nWilkinson功率分配器第1页/共49页2023/4/142023/4/142 2分配器和耦合器的基本特性n n定义定义 无源微波器件，用于功率分配或功率组合无源微波器件，用于功率分配或功率组合（a a）功率分配）功率分配（b b）功率组合）功率组合第2页/共49页2023/4/142023/4/143 3分配器和耦合器的基本特性n n特性三端口网络采用三端口网络采用T T型结和其他功分器形式，二型结和其他功分器形式，二四端口网络

2、采用定向耦合器和混合网络形式。四端口网络采用定向耦合器和混合网络形式。功分器经常是等分（功分器经常是等分（3dB3dB）也有不相等的功分）也有不相等的功分比。比。定向耦合器可以设计成任意功率分配比，而混定向耦合器可以设计成任意功率分配比，而混合结一般是等功率分配。合结一般是等功率分配。混合结在输出端口之间有混合结在输出端口之间有 （正交）或（正交）或 （魔（魔T T）相移）相移第3页/共49页2023/4/142023/4/144 4三端口网络（T型结）n n功分器最简单的类型，具有一个输入和两个输功分器最简单的类型，具有一个输入和两个输出的三端口网络。其散射矩阵有出的三端口网络。其散射矩阵有

3、9 9个独立的矩个独立的矩阵元：阵元：若所有端口是匹配的，则若所有端口是匹配的，则 ，并且若网络是，并且若网络是互易的，则互易的，则第4页/共49页2023/4/142023/4/145 5三端口网络（T型结）n n若网络是无耗的，则若网络是无耗的，则 矩阵必定是幺正的，这蕴矩阵必定是幺正的，这蕴含着下列条件：含着下列条件：第5页/共49页2023/4/142023/4/146 6三端口网络（T型结）n n这些方程能用下面两种方法之一来满足。即这些方程能用下面两种方法之一来满足。即或或 上述结果表明对于上述结果表明对于 ，有，有 ，这意味着该，这意味着该器件必定是非互易的。器件必定是非互易的。

4、21第6页/共49页2023/4/142023/4/147 7三端口网络（T型结）n n其解的矩阵表示形式如图其解的矩阵表示形式如图2 2所示。所示。图图2 2 两种类型的环形器及其两种类型的环形器及其 矩阵矩阵(端口的相位参考点是任意的端口的相位参考点是任意的)分析：这两者的区别仅在于各端口间功率流的方向，（分析：这两者的区别仅在于各端口间功率流的方向，（a a）只允许功率流从端口只允许功率流从端口1 1到端口到端口2 2，或从端口，或从端口2 2到端口到端口3 3，或从端，或从端口口3 3到端口到端口1 1，而（，而（b b）则有相反的功率流方向。）则有相反的功率流方向。（a a）顺时针环

5、形器）顺时针环形器 （b b）逆时针环形器）逆时针环形器第7页/共49页2023/4/142023/4/148 8三端口网络（T型结）n n若无耗互易三端口网络只有两个端口是匹配的，若无耗互易三端口网络只有两个端口是匹配的，则在实际中可以实现。假设端口则在实际中可以实现。假设端口1 1和端口和端口2 2是匹是匹配端口，则配端口，则 矩阵矩阵 表示为：表示为：第8页/共49页2023/4/142023/4/149 9三端口网络（T型结）因为是无耗的，所以幺正条件满足：因为是无耗的，所以幺正条件满足：得出：得出：，则则第9页/共49页2023/4/142023/4/141010三端口网络（T型结）

6、该网络的散射矩阵和对应的信号流图如图该网络的散射矩阵和对应的信号流图如图3 3所示，可所示，可以看出改网络实际上由两个分开的器件组成，一个是以看出改网络实际上由两个分开的器件组成，一个是匹配的二端口传输线，另一个是完全失配的一端口网匹配的二端口传输线，另一个是完全失配的一端口网络。络。图图3 3 在端口在端口1 1和端口和端口2 2匹配的互易、无耗三端口网络匹配的互易、无耗三端口网络第10页/共49页2023/4/142023/4/141111T型结功率分配器定义：简单的三端口网络，用于功率分配或功率组合。可用任意类型的传输线制作。注意：这种结不能同时在全部端口匹配。此处讨论的结是不存在传输线

7、损耗的无耗结。第11页/共49页2023/4/142023/4/141212各种T型结功率分配器 图5（a）E平面波导T型结；（b）H平面波导T型结；（C）微带T型结第12页/共49页2023/4/142023/4/141313无耗分配器各个无耗各个无耗T T型结全部能模型化成三条传输线型结全部能模型化成三条传输线的结。的结。图6 无耗T型结的传输线模型第13页/共49页2023/4/142023/4/141414无耗分配器为了使分配器与特性阻抗为为了使分配器与特性阻抗为 的传输线匹配，必须有的传输线匹配，必须有（B表示集总电纳）假定传输线是无耗的（或低损耗），则特性阻抗是实数。假定B=0，则

8、第14页/共49页2023/4/142023/4/141515总结：可以选择输出传输线特性阻抗总结：可以选择输出传输线特性阻抗 和和 ，以，以 提供所需要的的各种功率分配比。所以，对于提供所需要的的各种功率分配比。所以，对于50 50 的输入传输线，的输入传输线，3dB3dB（等分）功率分配器能选用（等分）功率分配器能选用两个两个100 100 的输出传输线。如有必要，可用四分的输出传输线。如有必要，可用四分之一波长变换器将输出传输线的阻抗变换到所希之一波长变换器将输出传输线的阻抗变换到所希望的值。若二输出传输线是匹配的，则输入传输望的值。若二输出传输线是匹配的，则输入传输线也是匹配的。两个输

9、出端口没有隔离，且从输线也是匹配的。两个输出端口没有隔离，且从输出端口看是匹配的。出端口看是匹配的。第15页/共49页2023/4/142023/4/141616例1.考虑一个无耗T型结功率分配器，其源阻抗为50 。求出使输入功率分配比为2：1的输出特性阻抗。计算从输入端往里看的反射系数。第16页/共49页2023/4/142023/4/141717解：假定在结处电压是解：假定在结处电压是 ，如图所示，输入到匹，如图所示，输入到匹配的分配器的功率比是：配的分配器的功率比是：而输出功率是：第17页/共49页2023/4/142023/4/141818这些结果给出的特性阻抗为：这些结果给出的特性阻

10、抗为：于是结的输入阻抗是：所以：输入与50 的源是匹配的。第18页/共49页2023/4/142023/4/141919 从从150 150 输出传输线往里看，我们看到阻抗为输出传输线往里看，我们看到阻抗为 ，而在而在75 75 输出传输线看到阻抗为输出传输线看到阻抗为 ，所以从这两个输出端口往里看的反射系数是：，所以从这两个输出端口往里看的反射系数是：第19页/共49页2023/4/142023/4/142020电阻性分配器 三端口分配器包含有损耗元件，则它可制成全部三端口分配器包含有损耗元件，则它可制成全部端口都匹配。端口都匹配。第20页/共49页2023/4/142023/4/14212

11、1电阻性分配器 假定所有端口都端接特性阻抗假定所有端口都端接特性阻抗 ，向着后接有，向着后接有输出线的输出线的 电阻看去的阻抗值电阻看去的阻抗值 是是而分配器的输入阻抗是：结论：输入对馈线是匹配的。因为网络从全部三个端口看都是对称的，因而输出端也是匹配的。所以第21页/共49页2023/4/142023/4/142222电阻性分配器 假如在端口假如在端口1 1的电压是的电压是 ，则通过分压后在结的中，则通过分压后在结的中心处的电压心处的电压V V是：是：再通过分压，输出电压是：第22页/共49页2023/4/142023/4/142323电阻性分配器 于是于是 ，这低于输入功率电平，这低于输入

12、功率电平 -6dB -6dB。这个网络是互易的，所以散射矩阵是对阵的，。这个网络是互易的，所以散射矩阵是对阵的，可表示为：可表示为：容易证明此矩阵不是幺正举证。第23页/共49页2023/4/142023/4/142424电阻性分配器传送到分配器的输入功率是传送到分配器的输入功率是而输出功率为：这表示供给功率一半消耗在电阻上。第24页/共49页2023/4/142023/4/142525Wilkinson功率分配器 定义：当输出端口都匹配时，它仍然具有无耗的定义：当输出端口都匹配时，它仍然具有无耗的有用特性，它只是耗散了反射功率。有用特性，它只是耗散了反射功率。可以制成任意功率分配比的Wilk

13、inson功率分配器，首先考虑等分（3dB）情况。通常制成微带或带状线形式。偶-奇模分析技术第25页/共49页2023/4/142023/4/142626(a)微带线形式的wilkinson功分器（b）等效传输线电路第26页/共49页2023/4/142023/4/142727偶偶-奇模分析技术奇模分析技术定义：偶模 ，奇模若将两个模叠加，有效激励是 ，第27页/共49页2023/4/142023/4/142828偶模 由于由于 ，因此没有电流流过，因此没有电流流过r/2r/2电阻，或者电阻，或者说两个传输线输入之间短路。于是，可将网络剖开。说两个传输线输入之间短路。于是，可将网络剖开。图10

14、（a）偶模激励第28页/共49页2023/4/142023/4/142929偶模 从端口从端口2 2看阻抗为：看阻抗为：若Z=，则对于偶模激励端口2是匹配的，则r/2电阻的一端开路，所以是无用的。令端口1处x=0，则在端口2处x=,则在传输线上的电压为：第29页/共49页2023/4/142023/4/143030则则在端口1，向着归一化值为2的电阻看，反射系数 为第30页/共49页2023/4/142023/4/143131奇模 由于由于 ，因此，因此 ，则电路的中线是，则电路的中线是电压零点，可将中心平面上的两个点接地，将电压零点，可将中心平面上的两个点接地，将电路剖为两部分。电路剖为两部

15、分。图10(b)奇模激励第31页/共49页2023/4/142023/4/143232奇模分析：分析：从端口从端口2 2向里看，看到阻抗向里看，看到阻抗r/2r/2，这时因为，这时因为并联的传输线长度是四分之一并联的传输线长度是四分之一 波长，并且在端波长，并且在端口口1 1处短路，因此在端口处短路，因此在端口2 2看是开路。看是开路。这样，若选择这样，若选择r=2r=2，则对于奇模激励端口，则对于奇模激励端口2 2是是匹配的。则匹配的。则 和和 ，全部功率都传送到，全部功率都传送到r/2r/2电阻上，二没有功率进入端口电阻上，二没有功率进入端口1.1.第32页/共49页2023/4/1420

16、23/4/143333偶-奇模分析求解电路：求解电路：（a）有终端的wilkinson分配器图11 对wilkinson分配器求找 的分析第33页/共49页2023/4/142023/4/143434偶-奇模分析简化电路：简化电路：(b)(a)中电路的剖分图11 对wilkinson分配器求找 的分析第34页/共49页2023/4/142023/4/143535偶-奇模分析分析：输入阻抗分析：输入阻抗总之，对于Wilkinson分配器，可以确立以下S参量：（在端口1，）（端口2和端口3匹配）（对称，由于互易性）（端口2和端口3对称）（由于在剖分下的短路或开路）第35页/共49页2023/4/1

17、42023/4/143636例例2 Wilkinson2 Wilkinson分配器的设计和特性。分配器的设计和特性。设计出系统阻抗为设计出系统阻抗为50 50 、工作在频率、工作在频率 处的处的等分等分WilkinsonWilkinson功率分配器，并画出回拨损耗（功率分配器，并画出回拨损耗（）、插入损耗（、插入损耗（）和隔离度（）和隔离度（）与）与频率的关系曲线（从频率的关系曲线（从0.5 0.5 到到1.5 1.5 ）。）。第36页/共49页2023/4/142023/4/143737解：在分配器中四分之一波长传输线的特性阻抗是：解：在分配器中四分之一波长传输线的特性阻抗是：并联电阻的值是

18、在频率 处传输线的长度是 。用ADS对这个微波电路进行分析，计算S参量的幅值并描绘在图12中。第37页/共49页2023/4/142023/4/143838第38页/共49页2023/4/142023/4/143939图12 等分Wilkinson功率分配器的频率响应，端口1是输入，端口2和端口3是输出第39页/共49页2023/4/142023/4/144040不等分功率分配不等分功率分配，其微带结构如下图所示。不等分功率分配，其微带结构如下图所示。第40页/共49页2023/4/142023/4/144141不等分功率分配分析：若端口分析：若端口2 2和端口和端口3 3之间的功率比是之间的

19、功率比是 则应用下面的设计公式：则应用下面的设计公式：注：当K=1时，则为功率等分。输出线与阻抗 和 匹配，而不与阻抗 匹配。匹配变换器可以用来变换这些输出阻抗。第41页/共49页2023/4/142023/4/144242N路Wilkinson分配器图14 N路等分的Wilkinson功率分配器第42页/共49页2023/4/142023/4/144343N路Wilkinson分配器注：注：该电路可以在所有的端口都达到匹配，且所有该电路可以在所有的端口都达到匹配，且所有端口之间彼此隔离。端口之间彼此隔离。缺点：缺点：N 3 N 3 时，分配器需要电阻跨接，这在时，分配器需要电阻跨接，这在平面

20、电路形式制作上比较困难。平面电路形式制作上比较困难。为了提高带宽，为了提高带宽，WilkinsonWilkinson分配器可采用阶梯式分配器可采用阶梯式多节结构。多节结构。第43页/共49页2023/4/142023/4/1444444路功率分配器电路电路模型模型第44页/共49页2023/4/142023/4/144545第45页/共49页2023/4/142023/4/144646第46页/共49页2023/4/142023/4/1447474路功率分配器第47页/共49页2023/4/142023/4/1448484路功率分配器仿真结果仿真结果第48页/共49页2023/4/142023/4/14感谢您的观看！第49页/共49页