功率分配器的探討及仿真

許慧芳

（長(zhǎng)治學(xué)院后勤與資產(chǎn)管理處，山西長(zhǎng)治046011）

功率分配器的探討及仿真

許慧芳

（長(zhǎng)治學(xué)院后勤與資產(chǎn)管理處，山西長(zhǎng)治046011）

對(duì)功率分配器的產(chǎn)生、發(fā)展及國(guó)內(nèi)外的研究狀況進(jìn)行了探討。結(jié)合功率分配器的原理圖，并利用仿真軟件進(jìn)行了系統(tǒng)仿真，對(duì)電子系統(tǒng)領(lǐng)域中功率分配器的應(yīng)用與設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

功率分配器；三端網(wǎng)絡(luò)口；ADS軟件；仿真

20世紀(jì)以來(lái)，隨著現(xiàn)代電子和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，信息交流越發(fā)頻繁，各種各樣的電子電汽設(shè)備已經(jīng)大大影響到各行各業(yè)及家庭。無(wú)論在哪個(gè)頻段工作的電子設(shè)備，都需要各種功能的元器件，既有電容、電感、電阻、功率分配器（簡(jiǎn)稱(chēng)功分器）等無(wú)源器件，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)匹配、分配、濾波等，又有有源器件共同作用。微波系統(tǒng)不例外地有各種無(wú)源、有源器件，它們的功能是對(duì)微波信號(hào)進(jìn)行必要的處理或變換。現(xiàn)代無(wú)源器件中，微帶功分器從質(zhì)量及重量上都日顯重要。

1 功率分配器簡(jiǎn)介

1.1 功率分配器的產(chǎn)生與發(fā)展

在微波電子電路中，常常需要將功率按比例分成二路或多路，這時(shí)就用功率分配器實(shí)現(xiàn)。功率分配器是功率合成器的逆過(guò)程，故常將功率合成/分配器稱(chēng)作功分器。在現(xiàn)代微波電子技術(shù)中大功率功率分配器廣泛地使用著，并且功率分配器常常是成對(duì)出現(xiàn)在電子線路中，其基本原理是：先將功率分解成幾路，在分別經(jīng)過(guò)放大電路放大、濾波電路濾波，然后將其合并輸出。1960年，威爾金森發(fā)表《N-路混合功率》論文中介紹了一種匹配度高、功耗低、隔離度高的同相X端口功率分配器，學(xué)術(shù)界稱(chēng)之為威爾金森功率分配器。它的初始模型采用同軸模型。至此，在帶狀、微線帶狀功率分配器的結(jié)構(gòu)上采用這種技術(shù)。在工程應(yīng)用領(lǐng)域中，往往采用微帶線結(jié)構(gòu)。在大功率應(yīng)用領(lǐng)域中，往往采用空氣帶狀線結(jié)構(gòu)。

功率分配器也具有一定的頻率響應(yīng)特性，當(dāng)頻帶下降沿與頻率比達(dá)1.44，并且輸入駐波比小于1.22時(shí)，二端口隔離度降至14.7 dB，故威爾金森功率分配器寬帶系統(tǒng)受到頻帶的限制。為了增加威爾金森功率分配器工作帶寬，采用多級(jí)寬頻功分器，即增加相應(yīng)隔離電阻R的數(shù)目和λg/4線段。

目前，微波功分器、功分器從結(jié)構(gòu)上分為兩大類(lèi)：

（1）無(wú)源功分器。它的主要特點(diǎn)是：工作穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，基本上無(wú)噪聲；而它的主要缺點(diǎn)是接入損耗太大。

（2）有源功分器。它的主要特點(diǎn)是：有增益，隔離度較高，而它的主要缺點(diǎn)是有噪聲；結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，工作穩(wěn)定性相對(duì)較差。

功分器輸出的端口有二功分，三功分，四功分，六功分，八功分，十二功分。

1.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)對(duì)于微帶功分器技術(shù)的研究比較少，鐘哲夫先生在這方面進(jìn)行了深入研究，他重點(diǎn)研究了各種喇叭陣列反饋源合成性能，提出了一種在空間合成大功率微波技術(shù)，將一個(gè)常規(guī)大功率管子輸出多個(gè)喇叭的陣列，在空間合成輻射源大功率微波束。汪海洋老師對(duì)大功率相移器、鎖相源、功合成器進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)的探討和實(shí)驗(yàn)，提出了以三端輸出口磁控管作為大功率合成技術(shù)的研究。利用理論推導(dǎo)與HFSS仿真軟件相結(jié)合，提出了一種大功率的波導(dǎo)型功率合成器和微波相移器，而且還給出了詳細(xì)的技術(shù)參數(shù)[1-3]。

1.3功率分配器的理論

功分器是將一路輸入信號(hào)分解成二路及二路以上的輸出器件，或?qū)⒍嗦沸盘?hào)的能量合成一路輸出。功分器的各個(gè)輸出端口之間應(yīng)有一定的隔離度。頻率不同的功分器分成不同的系列：

（1）400 MHz～500 MHz頻率段二、三功分器，應(yīng)用于常規(guī)無(wú)線電通訊、鐵路通信以及450 MHz無(wú)線本地環(huán)路系統(tǒng)。

（2）800MHz～2 500MHz頻率段二、三、四微帶系列功分器，應(yīng)用于GSM/CDMA/PHS/WLAN室內(nèi)覆蓋工程。

（3）800MHz～2 500 MHz頻率段二、三、四腔體系列功分器，應(yīng)用于GSM/CDMA/PHS/WLAN室內(nèi)覆蓋工程。

（4）1 700MHz～2 500MHz頻率段二、三、四腔體系列功分器，應(yīng)用于PHS/WLAN室內(nèi)覆蓋工程。

（5）800 MHz～1 200 MHz，1 600 MHz～2 000 MHz頻率段小體積設(shè)備內(nèi)，使用的微帶二、三功分器。

2 功分器的分類(lèi)及原理

2.1 W ilkinson功分器

最簡(jiǎn)單的二分功分器屬于三端網(wǎng)絡(luò)口。工程上對(duì)信號(hào)之間的隔離要求很高，而無(wú)功耗三端口網(wǎng)絡(luò)耦合程度不高，且輸出端口與負(fù)載間無(wú)隔離，故采用威爾金森提出的混合型功率分配器，它在功率分配器的輸出端加入隔離電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離、匹配，從而改善了傳統(tǒng)功率分配器的不足。它采用的原理是引入隔離電阻使功率分配器變成有能耗的三端網(wǎng)絡(luò)口，從而做到完全匹配且各輸出端口具有隔離作用。同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)任意的功率分配比，且可方便地用微帶線或帶狀線來(lái)實(shí)現(xiàn)[4]。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 二分功分器原理

圖2是一個(gè)簡(jiǎn)單熱分解電路。信號(hào)源從端口1進(jìn)入，從端口2、端口3分別輸出。為了使輸入與負(fù)載耦合增高，在各路功率臂上設(shè)置了阻抗變換器，使阻抗特性變?yōu)閆 c2，Z c3，電阻R調(diào)節(jié)作用，從而使兩輸出端隔離，若端口2，3出現(xiàn)不匹配，將多余電流流過(guò)電阻R而消耗掉，這樣就影響不到另一端口的輸出。二分功分器原理如圖2所示。

這種功分器的計(jì)算公式是（1）～（6）式：

公式（1）中端口2的功率為P2，端口3的功率為P3，功率分配比為k，如果k=1即P2=P3，功率分配相等，則有

3 功分器仿真

根據(jù)原理圖1進(jìn)行仿真，具體參數(shù)設(shè)置：厚度1.5mm，介電常數(shù)4.4，金屬層厚度0.035mm。得出仿真曲線如圖3。

4 結(jié)論

基于功分器的特性以及在微波、毫米波等方面的廣泛應(yīng)用，本文對(duì)其發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀進(jìn)行了探討。重點(diǎn)對(duì)功分器工作原理進(jìn)行了分析，并利用仿真軟件進(jìn)行了系統(tǒng)仿真，對(duì)今后電子系統(tǒng)領(lǐng)域中功分器的應(yīng)用與設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

圖1 Wilkinson功分器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 二分功分器原理圖

圖3 仿真曲線圖

[1]張巡立.微波功率分配器的仿真設(shè)計(jì)[J].無(wú)線互聯(lián)科技，2012（8）：109-112.

[2]李魏，范海軍，周希朗.新型小型化超寬帶功率分配器[J].電訊技術(shù)，2011（2）：98-101.

[3]劉云輝，楊宇航.多輸入多輸出系統(tǒng)特征模發(fā)射最小化誤碼率優(yōu)化功率分配[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（3）：399-402.

[4]邢孟江，楊銀堂，李躍進(jìn).小型化射頻功率分配器[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011,38（4）：133-136.

〔責(zé)任編輯 李 海〕

Discussioon and Im p lementation on the Power Splitter

XU Hui-fang
（Logistics and AssetManagement divsion,ChangzhiCollege,Changzhi Shanxi,046011）

This paper discusses the invention,development of power splitter and its research status at home and abroad.The splitter schematic and simulation software has been used for system simulation,which is significant for the application and design of splitters in the field of electronic system.

power splitter；three-terminal network ports；ADS software；simulation

O175

A

2013-06-04

許慧芳（1976-），男，山西長(zhǎng)治人，工程師，研究方向：應(yīng)用電子技術(shù)。

1674－0874（2013）05－0044－04