實(shí)驗(yàn)功分器Power Divider

1、實(shí)驗(yàn)四：功分器（Power Divider） *一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、 了解功分器的原理及基本設(shè)計(jì)方法。2、 用實(shí)驗(yàn)?zāi)＝M實(shí)際測(cè)量以了解功分器的特性。3、 學(xué)會(huì)使用MICROWAVE軟件對(duì)功分器設(shè)計(jì)及仿真，并分析結(jié)果。二 預(yù)習(xí)內(nèi)容：1、熟悉功率分接的理論知識(shí)。2、熟悉功分器的理論知識(shí)。三 實(shí)驗(yàn)設(shè)備： 項(xiàng)次設(shè)備名稱數(shù)量備注1MOTECH RF2000 測(cè)量?jī)x1套亦可用網(wǎng)絡(luò)分析儀2功分器模組1A、2A2組RF2KM4-1A RF2KM4-2A350終端負(fù)載1個(gè)LOAD4THRU端子1個(gè)THRU（RF2KM）550 BNC 連接線2條CA-1、CA-261M BNC 連接線2條CA-3、CA-47MIC

2、ROWAVE軟件1套微波軟件四 理論分析： （一）功分器的原理: 功分器是三端口網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（3-port network），如圖4-1所示。信號(hào)輸入端（Port-1）的功率為P1，而其他兩個(gè)輸出端（Port-2及Port-3）的功率分別為P2及P3。由能量守恒定律可知P1=P2 + P3。 若P2=P3并以毫瓦分貝（dBm）來表示三端功率間的關(guān)系，則可寫成： P2(dBm) = P3(dBm) = Pin(dBm) 3dBPort-2P2PowerDividerPort-1P1Port-3P3圖4-1 功率衰減器方框圖當(dāng)然P2并不一定要等于P3，只是相等的情況在實(shí)際電路中最常用。因此，功分器在大

3、致上可分為等分型（P2=P3）及比例型（P2=k·P3）兩種類型。其設(shè)計(jì)方法說明如下：（1） 等分型：根據(jù)電路使用元件的不同，可分為電阻式、L-C式及傳輸線式。A. 電阻式：此類電路僅利用電阻設(shè)計(jì)。按結(jié)構(gòu)可分成形,Y形，如圖4-2(a)(b)所示。Port -3Port -1ZoZoZoPort -2P1P2P3Port -2P1P2P3Port -1Port -3Zo/3Zo/3Zo/3(a)(b)圖4-1(a)形電阻式等功分器 圖（b）Y形電阻式等功分器其中Zo就是電路特性阻抗（Characteristic Impedance），在高頻電路中，在不同的使用頻段，電路中的特性阻抗不

4、相同。在本實(shí)驗(yàn)中，皆以50為例。此型電路的優(yōu)點(diǎn)是頻寬大、布線面積小、及設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，而缺點(diǎn)是功率衰減較大（6dB）。V12V2V32Zo/3Zo/3Zo/3ZoZoVo2 理論推導(dǎo)如下: 2 3 1 3 4 2 V0 = · ·V1 = ·V1 3 4 V2 = V3 = ·V0 1V2 2 V1 V2 = ·V120·log = -6dBB. L-C式此類電路可利用電感及電容進(jìn)行設(shè)計(jì)。按結(jié)構(gòu)可分成高通型和低通型，如圖4-3(a)(b)所示。其設(shè)計(jì)公式分別為：a.低通型（Low-pass）： 其中 fo操作頻率（operating fre

5、quency） Zo電路特性阻抗（characteristic impedance） Ls串聯(lián)電感（series-inductor） Cp并聯(lián)電容（shunt-capacitor） b.高通型（High-pass）： 其中 fo操作頻率（operating frequency） Zo電路特性阻抗（characteristic impedance） Lp并聯(lián)電感（shunt-inductor） Cs串聯(lián)電容（series-capacitor）Port-1P1P3Port-3Port-2P2LsLsCpCpZo(a)low-passPort-1P1Port-2P2P3Port-3CsCsLpLpZ

6、o(b)high-pass 圖4-2(a) 低通L-C式等功分器; (b) 高通L-C式等功分器C傳輸線式（Transmission-line Type） 此種電路按結(jié)構(gòu)可分為威爾金森型和支線型，如圖4-3(a)(b)所示。其設(shè)計(jì)公式分別為：a. 威爾金森型（Wilkinson Pattern）Port-1P1Port-2P2P3Port-32ZoÖ2ZoÖ2Zo/ 4P2 = P3 = P1 - 3dBZo： 特 性 阻 抗 ：輸入信號(hào)波長(zhǎng)圖4-3（a）威爾金生型等功分器b支線型（Branch-line pattern）ZsZsZpZpZoZoZoZoZoPort-1P1

7、P3Port-3Port-1P2/ 4/ 4 設(shè)計(jì)公式: 圖4-3(b)支線型等功分器（2）比例型此種電路按結(jié)構(gòu)可分為支線型及威爾金森耦合線型，如圖4-4(a)(b)所示。其設(shè)計(jì)公式如下：ZsZsZpZpZoZoZoZoZoPort-1PinP3Port-3Port-2P2/ 4/ 4 設(shè)計(jì)公式: 圖4-4(a)分支線型比例功分器 （注: ZP及Zr也可以是電容或電感。請(qǐng)參考 L-C型等功分器。）ZoZoZoZ1Z3Z5Z4Z2R/ 4/ 4/ 4PinP2P3圖4-4(b)威爾金森耦合線比例功分器 設(shè)計(jì)公式:五、硬件測(cè)量（RF2KM4-1A,RF2KM4-2A）：1. 測(cè)量MOD-4A（RF

8、2KM4-1A）的S11及S21,以了解簡(jiǎn)易的功分電路的特性；測(cè)量MOD-4B(RF2KM4-2A)的S11及S21測(cè)量以了解標(biāo)準(zhǔn)的功分電路的特性。2. 準(zhǔn)備電腦，測(cè)量軟件，RF2000,及若干小器件。3. 測(cè)量步驟: MOD-4A的P1端子的S11測(cè)量：設(shè)定頻段：BAND-3；將LOAD-1及LOAD-2分別接在模組P2及P3端子；對(duì)模組P1端子做S11測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果記錄于表（4-1）中。MOD-4A的P1及P2端子的S21測(cè)量：設(shè)定頻段：BAND-3；將LAOD-1接在P3端子上；對(duì)模組P1及P2端子做S21測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果記錄于表（4-2）中。 MOD-4A的P1及P3端子的S21

9、測(cè)量：設(shè)定頻段：BAND-3；將LOAD-1接在模組P2端子上；對(duì)模組P1及P3端子做S21測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果記錄于表（4-3）中。 MOD-4B的P1端子的S11測(cè)量：設(shè)定頻段：BAND-4；將LOAD-1及LOAD-2分別接在模組P2及P3端子上。對(duì)模組P1端子做S11測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果記錄于表（5-1）中。 MOD-4B的P1及P2端子的S21測(cè)量：設(shè)定頻段：BAND-4；將LOAD-1接在P3端子上；對(duì)模組P1及P2端子做S21測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果記錄于表（5-2）中。MOD-4B的P1及P3端子的S21測(cè)量：設(shè)定頻段：BAND-4；將LOAD-1接在模組P2端子上；對(duì)模組P1及P3端子

10、做S21測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果記錄于表（5-3）中。4. 實(shí)驗(yàn)記錄表4-1、4-2、4-3均為以下表： 5、 已經(jīng)測(cè)量的結(jié)果建議如下為合格： RF2KM4-1A MOD-4A(50-300MHZ) S11-14dB S21=-6±1dB S31=-6±1dB MOD-4A(300-500MHZ)S11-14dB S21-7dB S31-7dB RF2KM4-2A MOD-4B(750±50MHZ) S11-10dB S21-4dB S31-4dB 6、待測(cè)模組方框圖:電阻式功分器 威爾金森型功分器六、軟件仿真：1、在這里以支路型等功分器為例。2、先決定操作頻率（f0）

11、,特性阻抗（Z0）及功率比例（k）:f0=750MHz,Z0=50,k=0.1。3 如下圖圖4-5所列公式： Port-1P1P3Port-3Port-2P2LrLrCpCpZo圖4-5 支路型等功分器 設(shè)計(jì)公式： 計(jì)算可得： Zr=47.4 Lr=10.065nH 選定 Lr=10nH Zp=150 Cp=1.415Pf 選定 Cp=1.4pF4 然后利用MICROWAVE軟件模擬理想設(shè)計(jì)電路，然后進(jìn)行仿真，結(jié)果應(yīng)接近實(shí)際測(cè)量所得到的仿真圖形和指標(biāo)。5、利用MICROWAVE軟件計(jì)算出微帶線（microstrip line type）電路的實(shí)際尺寸。 6、電路圖和相應(yīng)的仿真圖可參照?qǐng)D4-5。 支路型等功分器電路圖支路型等功分器的仿真圖七、實(shí)例分析：請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)支路型等功分器，其特性阻抗Z0=50,f0=750MHz,k=