1、功分器、電橋 與功率合成技術(shù),作者：彭榮巨 2012-12-12,功分器原理,簡單的二等功分器屬于三個端口的網(wǎng)絡(luò)。由于普通的無耗互易三端口網(wǎng)絡(luò)不可能達(dá)到完全匹配，且輸出端口間無隔離。而工程上對信號之間的隔離要求很高，因此需采用混合型的功率分配器，即威爾金森型功率分配器。,功分器原理,Wilkinson的理論主要是在簡單功分器中引入了隔離電阻，從而實(shí)現(xiàn)信號鏈路的匹配和高度隔離。它的原理在于引入隔離電阻后，功分器變?yōu)橛泻牡娜丝诰W(wǎng)絡(luò)。從三端口網(wǎng)絡(luò)的基本性質(zhì)可知，有耗三端口網(wǎng)絡(luò)可以做到完全匹配且輸出端口之間具有隔離，從而改善了普通功分器的不足。,功分器原理,圖1.1：二分功分器結(jié)構(gòu)示意圖,同樣，該類

2、型的功分器可以實(shí)現(xiàn)任意的功率分配比，且可方便地用微帶線或帶狀線來實(shí)現(xiàn)。,功分器原理,圖1.2：二分功分器原理示意圖,功分器原理,上圖是一個最簡單的二功分器的電路結(jié)構(gòu)。信號從端口1輸入，分成兩路分別從端口2和端口3輸出。為了使功分器從輸入到負(fù)載匹配，再每路功率臂上設(shè)置了一段四分之一的波長阻抗變換器，使特性阻抗分別為ZC2和ZC3電阻R成為隔離電阻，其作用是保證兩輸出斷隔離，若端口2或端口3出現(xiàn)失配，就將有電流流過R，其功率消耗在R上，而不會影響到另一端口的輸出。,功分器原理,這種二功分器的計算公式：,功分器原理,（1）式中P2，P3分別為端口2和端口3的輸出功率，k為功率分配比，若k=1，即P2

3、=P3，功率分配為等分，則有以下（2）式:,以端口為50的系統(tǒng)為例，則ZC2ZC370.7，R100。,3dB耦合器原理,定向耦合器是一種四個端口的常用射頻無源器件，它是由兩對傳輸線構(gòu)成的，通常線長為中心頻率對應(yīng)的1/4波長，各端口都接以匹配負(fù)載，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.1所示。,3dB耦合器原理,圖2.1：耦合器結(jié)構(gòu)示意圖,3dB耦合器原理,圖2.2：耦合器原理示意圖,3dB耦合器原理,從能量耦合情況的角度進(jìn)行定性分析定向耦合器的工作原理： 如圖2.2所示，當(dāng)信號由傳輸線的端口1輸入時，傳輸線14中有交變電流I1流過，由于傳輸線23與14線相互靠近，故23線中有耦合的能量，此耦合能量有兩部分。,

4、3dB耦合器原理,一部分通過電場（以耦合電容C表示），另一部分通過磁場耦合過來（以感應(yīng)電感L表示）。通過C的耦合在帶狀線23中引起的電流為IC1、IC2，分別流向端口2和端口3。同時，由于交變磁場的作用，在23線上感應(yīng)有電流IL，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電流IL的方向與I1方向相反。,3dB耦合器原理,因此，由圖2.2可見，若能量從端口1輸入，則端口2有耦合能量輸出，所以端口2稱為耦合端。而在端口3，因?yàn)殡妶鲴詈想娏鱅C2和磁場耦合電流IL的方向相反，如果剛好使IC2=IL，則能量互相抵消，故端口3無能量輸出，是隔離端。,3dB耦合器原理,端口4也有能量輸出，它是通過/4帶狀線直接傳輸過來的，稱

5、為直通端。由于耦合輸出的能量具有一定的方向性，故稱它為定向耦合器。,3dB耦合器原理,在理想情況下，可證明，當(dāng)傳輸線長度為/4時，兩線間耦合達(dá)到最大時（最大-3dB），并且各端口阻抗相匹配情況下，端口3沒有能量輸出，而端口2和4各輸出信號源功率的一半（-3dB）。U2=U4= U1，U2與U1同相，U4比U1滯后90（因?yàn)?4線長為/4 ），所以U2和U4間相差90。,3dB耦合器原理,當(dāng)作為功率分配時，如果端口1為輸入端，所加輸入信號電壓為U1，可得：,3dB耦合器原理,由此可見，當(dāng)輸入功率由端口1注入時，在端口2和4分別得到輸入功率的一半。因?yàn)樵?、4端口功率下降一倍，也即下降3dB，所以

6、稱為3dB定向耦合器，也稱3dB電橋。,3dB枝節(jié)電橋原理,圖3.1：3dB枝節(jié)電橋原理示意圖,3dB枝節(jié)電橋原理,圖3.1給出了傳統(tǒng)環(huán)形電橋的原理圖，電橋由3個90枝節(jié)和一個270枝節(jié)構(gòu)成。通過相位關(guān)系可看出， 若1端口輸入，則2和3端口等幅同相輸出，4端口隔離；若4端口輸入，則2和3端口等幅反相輸出，1端口隔離。,3dB枝節(jié)電橋原理,若2和3端口等幅同相輸入，則信號在1端口疊加輸出，4端口隔離。若2和3端口等幅反相輸入，則信號在4端口疊加輸出，1端口隔離。上述所有電橋當(dāng)中端口阻抗為50，枝節(jié)阻抗值均為5070.7。,功分器功率合成電路分析,用兩個二功分實(shí)現(xiàn)兩路PA的功率合成電路如下圖4.1

7、所示：,圖4.1：功分器功率合成原理圖,功分器功率合成電路分析,功率增益分析：,信號Pi從端口1輸入，根據(jù)功分器特性，到A、D位置的信號幅度為Pi3dB，相位相同，即幅度為Pi/ 。標(biāo)記為B的PA支路上，信號經(jīng)B放大后，到C點(diǎn)的幅度為 Pi/ G。,根據(jù)二功分的特性，C點(diǎn)的信號到端口2的為Pc3dB，即Pi/2G；剩下的3dB即Pi/2G由R2進(jìn)行吸收消耗。標(biāo)記為E的PA支路上，信號經(jīng)E放大后，到F點(diǎn)的幅度為Pi/ G。,功分器功率合成電路分析,功率增益分析：,根據(jù)二功分的特性，F(xiàn)點(diǎn)的信號到端口2的為Pf3dB，即Pi/2G；剩下的3dB即Pi/2G由R2進(jìn)行吸收消耗。C點(diǎn)信號，經(jīng)過功分器的兩

8、個/4阻抗轉(zhuǎn)換線到R2的位置，剛好與F點(diǎn)的信號相位相差180；,功分器功率合成電路分析,功率增益分析：,F點(diǎn)信號，經(jīng)過功分器的兩個/4阻抗轉(zhuǎn)換線到R2的位置，剛好與C點(diǎn)的信號相位相差180，所以C點(diǎn)、F點(diǎn)的信號經(jīng)過功分器后的功率在R2位置因?yàn)橄辔幌喾?，完全抵消?功分器功率合成電路分析,功率增益分析：,在端口2所得的信號為Pi/2G+Pi/2GPiG?？傻迷撾娐返脑鲆娴扔趩蜳A的增益G。從以上分析可得，端口2的輸出功率比單個PA的輸出功率大3dB，即該電路能輸出的最大功率是單PA的兩倍。,功分器功率合成電路分析,功率增益分析：,放大器B的回波反射為PrbPi/ *S11b，放大器E的回波反射為

9、PrePi/ *S11e 。由于放大器B、E的電氣相能完全相同（理想情況下），所以S11bS11e。,功分器功率合成電路分析,反射參數(shù)分析：,反射信號從A、D點(diǎn)到端口1的信號合成與輸出端完全相類似，最后到端口1的反射信號為PiS11bPiS11e。S22同等分析。所以，該電路的S11、S22與單PA的S11、S22完全相同。,功分器功率合成電路分析,反射參數(shù)分析：,綜上可知，用兩個二功分實(shí)現(xiàn)的兩路PA功率合成電路在S11、S22、G方面與單PA相同，最大輸出功率Po比單PA大3dB。,功分器功率合成電路分析,平衡放大器分析,用兩個3dB電橋進(jìn)行兩路PA功率合成的電路又稱平衡放大器，其原理圖如下

10、圖5.1所示：,圖5.1：平衡放大器原理圖,平衡放大器分析,功率增益分析：,信號從端口1輸入，根據(jù)3dB電橋的特性，R1位置的端口為隔離端口沒有信號，到A位置的信號幅度為Pi-3dB，相位為0，即為Pi/ ：0；到D位置的信號幅度為Pi-3dB，相位為-90，即為Pi/ ：-90。,標(biāo)記為B的PA支路上，信號經(jīng)B放大后，到C點(diǎn)的信號為Pi/ G：0。根據(jù)3dB電橋的特性，C點(diǎn)的信號到端口2的為Pi/2G：0-90，到R2端信號為Pi/2G：0+0。,平衡放大器分析,功率增益分析：,標(biāo)記為E的PA支路上，信號經(jīng)E放大后，到F點(diǎn)的信號為Pi/ G：-90。根據(jù)3dB電橋的特性，F(xiàn)點(diǎn)的信號到端口2的

11、為Pi/2G：-90+0，到R2端信號為Pi/2G：-9090。,平衡放大器分析,功率增益分析：,在R2端口的信號為Pi/2G：0+0和Pi/2G：90-90，可見，從兩個PA支路到R2端口的信號為等幅反相，其幅度為Pi/2G：0+Pi/2G：-1800，信號剛好完全抵消。,平衡放大器分析,功率增益分析：,在端口2的信號為Pi/2G：090和Pi/2G：90+0，可見，從兩個PA支路到端口2的信號為等幅同相，其幅度為Pi/2G+Pi/2GPiG，相位為-90。,平衡放大器分析,功率增益分析：,可得該電路的增益等于單PA的增益G。從以上分析可得，端口2的輸出功率比單個PA的輸出功率大3dB，即該

12、電路能輸出的最大功率是單PA的兩倍。,平衡放大器分析,功率增益分析：,信號從端口1輸入，根據(jù)3dB電橋的特性，到A位置的信號為Pi/ ：0；到D位置的信號為Pi/ ：-90。,平衡放大器分析,反射參數(shù)分析 ：,放大器B的反射信號為Pi/ S11b：0到A點(diǎn)。根據(jù)3dB電橋的特性，A點(diǎn)到端口1的反射信號為Pi/2S11b：0+0，到R1端反射信號為Pi/2G：090。,平衡放大器分析,反射參數(shù)分析 ：,放大器E的反射信號為Pi/ S11e：-90到D點(diǎn)。根據(jù)3dB電橋的特性，D點(diǎn)到端口1的反射信號為Pi/2S11b：-9090，到R1端反射信號為Pi/2G：-90+0。,平衡放大器分析,反射參數(shù)分析 ：,在R1端口的信號為Pi/2G：0-90和Pi/2G：90+0，可見，從兩個PA的S11反射信號到R1端口為等幅同相，其幅度為Pi/2S11b+Pi/2S11e；由于放大器B、E的電氣相能完全相同，所以S11bS11e；可得，R1端口的反射信號為PiS11bPiS11e。,平衡放大器分析,反射參數(shù)分析 ：,在端口1的反射信號為Pi/2G：0+ Pi/2G：-1800，信號剛好完全抵消。所以，理想情況下，端口1的反射信號為0，即S