实验04功分器powerdivider.docx
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实验04功分器powerdivider
实验四：
功分器（PowerDivider）*
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
MOTECHRF2000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
50Ω终端负载
1个
LOAD
4
THRU端子
1个
THRU（RF2KM）
5
50ΩBNC连接线
2条
CA-1、CA-2
6
1MΩBNC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-portnetwork），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
Power
Divider
Port-1
P1
Port-3
P3
Port-2
P2
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，功分器在大致上可分为等分型（P2=P3）及比例型（P2=k·P3）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Δ形,Y形，如图4-2（a）（b）所示。
Port-3
Port-1
Zo
Zo
Zo
Port-2
P1
P2
P3
Port-2
P1
P2
P3
Port-1
Port-3
Zo/3
Zo/3
Zo/3
（a）
（b）
图4-1（a）Δ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（CharacteristicImpedance），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50Ω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:
V0=··V1=·V1
3
V2=V3=·V0
∴V2=·V1→20·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）：
其中fo——操作频率（operatingfrequency）
Zo——电路特性阻抗（characteristicimpedance）
Ls——串联电感（series-inductor）
Cp——并联电容（shunt-capacitor）
b.高通型（High-pass）：
其中fo——操作频率（operatingfrequency）
Zo——电路特性阻抗（characteristicimpedance）
Lp——并联电感（shunt-inductor）
Cs——串联电容（series-capacitor）
Port-1
P1
P3
Port-3
Port-2
P2
Ls
Ls
Cp
Cp
Zo
（a）low-pass
Port-1
P1
Port-2
P2
P3
Port-3
Cs
Cs
Lp
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-lineType）
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（WilkinsonPattern）
图4-3（a）威尔金生型等功分器
b支线型（Branch-linepattern）
设计公式:
图4-3（b）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：
设计公式:
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。
）
Zo
Zo
Zo
Z1
Z3
Z5
Z4
Z2
R
λ/4
λ/4
λ/4
Pin
P2
P3
图4-4（b）威尔金森耦合线比例功分器
设计公式:
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，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：
RF2KM4-1AMOD-4A（50-300MHZ）S11≤-14dB
S21=-6±1dB
S31=-6±1dB
MOD-4A（300-500MHZ）S11≤-14dB
S21≥-7dB
S31≥-7dB
RF2KM4-2AMOD-4B（750±50MHZ）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=50Ω,k=。
3．如下图图4-5所列公式：
设计公式：
计算可得：
Zr=Ω→Lr=选定Lr=10nH
Zp=150Ω→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（microstriplinetype）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=50Ω,f0=750MHz,k=
解：
P3=k·P1P2=（1-k）·P1
计算可得：
Zr=Ω→Lr=选定Lr=10Nh
Zp=150Ω→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。
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