全带宽波导功分器的研究与设计
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功分器工作原理(图文)
时间:2015-08-14 来源:天线设计网TAGS:功分器无源器件
随着无线通信技术的快速发展, 各种通讯系统的载波频率不断提高, 小型化低功耗的高频电子器件及电路设计使微带技术发挥了优势。
在射频电路和测量系统中, 如混频器、功率放大器电路中的功率分配与耦合元件[的性能将影响整个系统的通讯质量。
功分器工作原理
传输线结构的功率分配器[ 5] 如图1(a)所示,输入端口特性阻抗为Z0 , 两段分支微带线电长度为λ/4 , 特性阻抗分别为Z02和Z03, 终端分别接负载R2 和R3 。
首先做以下3 条假设:
(1) Port1 无反射;
(2) Port2 ,3 输出电压相等且同相;
(3) Port2 , 3 输出功率比值为任意指定值1 /k2。
根据上面3 条可得:
由传输线理论有:
设R2 =kZ0 , 则Z02, Z03, R3 的计算公式为:
取k =1 , 即得到3 dB Wilkinson 功分器的各参数值为:R2 =R3 =Z0 , Z02=Z03= √2Z0, 为了增加隔离度在Port2 , 3 之间添加了一个电阻R =2Z0 , 其结构如图所示。
通过上述分析得到3 dB Wilkinson 功分器的所有元件的参数值, 接着就可以进行设计了。
Wilkinson 功分器的设计
Wilkinson 功分器的指标参数
描述3 dB Wilkinson 功分器的关键指标[有3 个:
由对称关系可知, 端口1 , 3 间的耦合度等于端口1 , 2间的耦合度。
在理想情况下, 中心频率处的回波损耗和隔离度应该接近负无穷大,耦合度应该尽量接近3 dB
实物展示:。
前言研究的背景与意义人类进入二十世纪以来,随着现代电子和通信技术的飞速发展,信息交流越发频繁,各种各样的电子电汽设备已经大大影响到各个领域企业及家庭。
无论哪个频段工作的电子设备,都需要各种功能的元器件,既有如电容、电感、电阻、功分器等无源器件,以实现信号匹配、分配、滤波等;又有有源器件共同作用。
微波系统不例外地有各种无源、有源器件,它们的功能是对微波信号进行必要的处理或变换。
现代无源器件中,微带功分器从质量及重量上都日显重要。
功分器的产生与发展在微波电路中,为了将功率按一定的比例分成两路或者多路,需要使用功率分配器。
功率分配器反过来使用就是功率合成器,所以通常功率分配/合成器简称为功分器。
在近代微波大功率固态发射源的功率放大器中广泛地使用着功率分配器,而且功率分配器常是成对的使用,先将功率分成若干份,然后分别放大,再合成输出。
1960年,Ernest J. Wilkinson发表了名为An N-way Hybird Power Divede的论文中介绍了一种在所有端口均匹配、低损耗、高隔离度、同相的N端口功分器。
以后的研究人员便称这种类型的功分器为威尔金森功分器。
最初它的原始模型是同轴形式,此后在微带和带状线结构上得到了广泛地应用和发展,工程中大量使用的是微带线形式,大功率情况下也会用到空气带状线或空气同轴线形式。
和其他的微带电路元件一样,功率分配器也有一定的频率特性。
当频带边缘频率之比f1/f2=1.44时,输入驻波比(VSWR)<1.22时,输入驻波比(VSWR)下降到1.42,两端口隔离度只有14.7dB。
威尔金森功分器的狭窄带宽限制了其在宽带系统中的应用。
为了进一步加宽工作带宽,可以用多节的宽频功率分配器,即增加λg/4线段和相应的隔离电阻R的数目。
目前常见的微波功分器是采用微带线或腔体波导等结构的分布参数功分器。
腔体波导功分器插损小、平衡度好,但隔离度较差,制作工艺较复杂,微带功分器制作简单,但相对带宽较小。
威尔金森功分器设计与仿真威尔金森功分器(Wilkinson Power Divider)是一种常用的微波功分器,广泛应用于无线通信和雷达系统中。
它能将输入信号均匀地分配到两个输出端口,并且具有较宽的工作频率范围和较低的插入损耗。
本文将介绍威尔金森功分器的设计原理和仿真方法。
1.威尔金森功分器的设计原理```┌─Z1─┐RF in ─┤ ├─ Z2 ─ RF out1├─Z0─┤└─Z3─┘RF out2```其中,RF in为输入端口,RF out1和RF out2为输出端口,Z0为特征阻抗,Z1和Z2为等效阻抗,Z3为耦合阻抗。
在设计过程中,首先需要确定特征阻抗Z0的数值,一般为50欧姆。
然后,根据所需的功分比例,计算等效阻抗Z1和Z2的数值。
最后,选择合适的耦合阻抗Z3,使得整个电路达到最佳的工作性能。
2.威尔金森功分器的仿真方法首先,打开ADS软件并创建一个新的工程。
然后,在工程中添加一个新的设计,选择“Schematic”类型。
在Schematic设计界面中,依次添加所需的元件,包括传输线、阻抗匹配器和耦合器。
其中,传输线用于连接输入端口和输出端口,阻抗匹配器用于实现输入和输出的阻抗匹配,耦合器用于实现信号的均匀分配。
接下来,设置传输线的特性阻抗和长度,以及阻抗匹配器和耦合器的阻抗数值。
通过调整这些参数,可以实现所需的功分比例和工作频率范围。
完成电路设计后,可以进行仿真和优化。
选择“Simulation”菜单,设置仿真参数,如频率范围和步长。
然后,运行仿真并得到结果。
根据仿真结果,可以评估电路的性能,并进行优化。
如果需要改变功分比例或工作频率范围,可以调整各个元件的数值,并重新运行仿真。
最后,完成电路设计和优化后,可以进行PCB布局和封装设计。
根据实际需求,选择合适的材料和尺寸,并进行布局和封装设计。
总结:本文介绍了威尔金森功分器的设计原理和仿真方法。
通过合理选择和调整各个元件的数值,可以实现所需的功分比例和工作频率范围。
一种基于波导E-T结的新型功分器的设计方法寇阳【摘要】针对传统功分器的不足,提出了一种改进型波导E-T结功分器.通过三维电磁仿真软件CST对其进行了建模仿真,得到一个合理的设计方案,该结构具有高隔离度、低插入损耗、小体积、宽频带等优点.加工的实物经测试在12~ 17 GHz的频率范围内,该功分器的插入损耗<0.12 dB,回波损耗>18 dB,隔离度>15 dB,具有良好的工程应用价值.【期刊名称】《电子科技》【年(卷),期】2015(028)008【总页数】3页(P18-20)【关键词】E-T结;功分器;高隔离度;CST;Ku频段【作者】寇阳【作者单位】中国电子科技集团公司第54研究所卫星通信与广播电视专业部,河北石家庄050081【正文语种】中文【中图分类】TN73在卫星通信系统中,EIRP 值是衡量系统性能的重要技术指标,而在天线增益确定后,该指标主要取决于发射机的输出功率[1]。
为了提高发射机的输出功率,工程中通常采用功率合成的方式实现微波大功率输出,这就对功分器提出了更高的要求[2]。
目前常用的功分器主要有:威尔金森功分器,波导E-T 结、波导H-T 结、3 dB分支波导定向耦合器及波导魔T 等[3 ~7]。
威尔金森功分器是一种微带功分器,插入损耗较大,不适合于大功率合成;波导E-T结和H-T 结功分器是最常用的波导功分器,具有体积小、频带宽、插入损耗低、易加工等优点,缺点是两输出端口之间隔离度仅有-6 dB;3 dB 分支波导定向耦合器的两个输出端口相位相差90°,两路输出之间具有良好的隔离度,但是其带宽较窄。
通过对以上各种功分器分析,本文在其基础上提出了一种新型功分器,在波导E-T 结功分器的基础上大幅提高了两个输出端口间的隔离度。
1 理论分析本文论述的功分器是在波导E-T 结功分器的基础上进行改进的,波导E-T 结功分器可以看成是一种无耗三端口网络,它是由一段波导及从波导宽边接出来的分支波导构成,其轴线平行于主波导的TE10模的电场方向,是一种串联分支[8],其结构示意图如图1所示。
功分器工作原理(图文)标题:功分器工作原理(图文)引言概述:功分器是一种常见的电子器件,用于将输入功率按照一定比例分配给多个输出端口。
本文将详细介绍功分器的工作原理,并通过图文方式进行解释。
正文内容:1. 功分器的基本原理1.1 分配网络功分器内部的分配网络是功分器的核心部份,它通过合理的电路设计将输入功率分配给各个输出端口。
分配网络通常采用微带线、插入损耗器等元件组成,以实现对输入功率的分配。
1.2 耦合结构功分器中的耦合结构用于实现输入端口和输出端口之间的相互耦合。
常见的耦合结构有同轴耦合、微带耦合等。
耦合结构的选择和设计对功分器的性能有着重要影响。
1.3 匹配网络为了保证功分器的输入和输出端口的阻抗匹配,功分器内部通常会设计匹配网络。
匹配网络的作用是将输入信号的阻抗与功分器的内部阻抗相匹配,以提高功分器的工作效率和性能。
2. 功分器的工作模式2.1 等分模式功分器在等分模式下,将输入功率均匀地分配给各个输出端口。
这种模式适合于需要将输入信号平均分配给多个接收器或者负载的应用场景。
2.2 不等分模式功分器在不等分模式下,将输入功率按照一定比例分配给各个输出端口。
这种模式适合于需要按照不同比例分配功率的应用场景,如天线阵列中的波束形成。
2.3 反向功分器反向功分器是一种特殊的功分器,它将多个输入信号按照一定比例合并为一个输出信号。
这种功分器常用于合并多个发射器的输出信号,以提高整体发射功率。
3. 功分器的性能指标3.1 分配均匀度分配均匀度是衡量功分器分配性能的重要指标,它表征了功分器在等分模式下各输出端口的功率分配误差。
分配均匀度越高,功分器的性能越好。
3.2 插入损耗插入损耗是功分器在信号分配过程中引入的功率损耗,它直接影响到功分器的工作效率。
通常情况下,功分器的插入损耗应尽量小。
3.3 隔离度隔离度是功分器内部各个输出端口之间的电磁隔离程度,它表征了功分器对于输入信号的隔离效果。
隔离度越高,功分器的性能越好。