实验04：功分器(powerdivider)

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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1MOTECH RF2000测量仪1 套亦可用网络分析仪2功分器模组 1A、2A2 组RF2KM4-1ARF2KM4-2A350终端负载1 个LOAD4THRU端子1 个THRU（RF2KM）550 BNC 连接线2 条CA-1、CA-261M BNC 连接线2 条CA-3、CA-47MICR

2、OWAVE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) = inP(dBm) 3dBPort-2PowerPort-1Port-3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，功分器在大致上可

3、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。Port -2Port -2ZoP2P2Zo/3Port -1Port -1P11ZoPZo/ 3ZoZo/33P3PPort -3Port -3(b)(a)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

4、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）。V理论推导如下 :Zo/3VZo132VV0 =V1 = V1Zo/V243Zo/3Zo3V =V3= V0241V2V2=2V1 20logV1= -6dBB. 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）：L SZ oC p12 foo2oo Z o其中fo操作频率（ operating frequency）Zo电路特性阻抗（ characteristic impedanc

5、e）Ls串联电感（ series-inductor）Cp并联电容（ shunt-capacitor）b.高通型（ High-pass）：LpZ oC S22 f oooo Z o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）LCPort-1sPort-2Port-1sPort-2PCppPPPCLppLsLCP3sP3ZZoo(a)low-pass(b)high-pass图 4-2(a) 低通 L-C 式等功分器

6、;(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）Port-22oZ= P = P - 3dBPort-1P2312 Zo2Zo： 特 性 阻 抗oZP3 / 4图 4-3（a）威尔金生型等功分器b 支线型（ Branch-line pattern）ZsPort-1oZo设计公式 :Port-1ZZZ /C3dBCppK10 100.5ZoZo3ZSZO1 KZOZoZP2s /ZPZO1 KZOK图 4-3(b

7、)支线型等功分器（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：Port-2设计公式 :ZsPort-1ooZZP3 k P1P2(1 k ) P12pp /Z S1kZZZo2ZooP3ZSkoZsZZ pZ /Z SZo1kZ p1kZok图 4-4(a)分支线型比例功分器（注 :Z 及 Z 也可以是电容或电感。请参考L-C型等功分器。）Pr/ 4 / 4/ 4P2ZZZoPZRinZoZZZoP3图 4-4(b) 威尔金森耦合线比例功分器设计公式 :P2kP31 / 4Z1ZokZ 2 Zo k 3 / 8 1 k 1 / 41kZ

8、31k 1 / 4Z 4 Zo k1/ 4ZoZok 5 / 8Z51 / 4kR1kZok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 端子做 S11 测量，并将测量结

9、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 S11 测量

10、，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=-6 1dBS31=-6 1dBMOD-4A(300-500MHZ)S11-14dBS21-7dBS31-7dBRF2KM4-2A MOD-4B(75050MHZ) S11-10dBS21 -4dBS31 -4dB6、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：Port-1LrPort-2设计公式：CpCpLrP3ZPort-3o图 4-5 支路型等功分器Pk PP(1 k ) P312122Z r1Z

12、ZokZrpkZrZo1kLRZ r0ZpZ o1kC p1k0 ?ZP计算可得：Zr=Lr=选定Lr=10nHZp=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=kP1P2=(1-k) P122Z r1 kZrkZoZ pZrZ o1kLRZ r0Z pZo1kC p1k0 ?ZP计算可得：Zr= Lr=选定Lr=10NhZp=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。