功率分配器的探讨及仿真

许慧芳

（长治学院后勤与资产管理处，山西长治046011）

功率分配器的探讨及仿真

许慧芳

（长治学院后勤与资产管理处，山西长治046011）

对功率分配器的产生、发展及国内外的研究状况进行了探讨。结合功率分配器的原理图，并利用仿真软件进行了系统仿真，对电子系统领域中功率分配器的应用与设计具有一定的指导意义。

功率分配器；三端网络口；ADS软件；仿真

20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行各业及家庭。无论在哪个频段工作的电子设备，都需要各种功能的元器件，既有电容、电感、电阻、功率分配器（简称功分器）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。

1 功率分配器简介

1.1 功率分配器的产生与发展

在微波电子电路中，常常需要将功率按比例分成二路或多路，这时就用功率分配器实现。功率分配器是功率合成器的逆过程，故常将功率合成/分配器称作功分器。在现代微波电子技术中大功率功率分配器广泛地使用着，并且功率分配器常常是成对出现在电子线路中，其基本原理是：先将功率分解成几路，在分别经过放大电路放大、滤波电路滤波，然后将其合并输出。1960年，威尔金森发表《N-路混合功率》论文中介绍了一种匹配度高、功耗低、隔离度高的同相X端口功率分配器，学术界称之为威尔金森功率分配器。它的初始模型采用同轴模型。至此，在带状、微线带状功率分配器的结构上采用这种技术。在工程应用领域中，往往采用微带线结构。在大功率应用领域中，往往采用空气带状线结构。

功率分配器也具有一定的频率响应特性，当频带下降沿与频率比达1.44，并且输入驻波比小于1.22时，二端口隔离度降至14.7 dB，故威尔金森功率分配器宽带系统受到频带的限制。为了增加威尔金森功率分配器工作带宽，采用多级宽频功分器，即增加相应隔离电阻R的数目和λg/4线段。

目前，微波功分器、功分器从结构上分为两大类：

（1）无源功分器。它的主要特点是：工作稳定，结构简单，基本上无噪声；而它的主要缺点是接入损耗太大。

（2）有源功分器。它的主要特点是：有增益，隔离度较高，而它的主要缺点是有噪声；结构相对复杂，工作稳定性相对较差。

功分器输出的端口有二功分，三功分，四功分，六功分，八功分，十二功分。

1.2 国内研究进展

国内对于微带功分器技术的研究比较少，钟哲夫先生在这方面进行了深入研究，他重点研究了各种喇叭阵列反馈源合成性能，提出了一种在空间合成大功率微波技术，将一个常规大功率管子输出多个喇叭的阵列，在空间合成辐射源大功率微波束。汪海洋老师对大功率相移器、锁相源、功合成器进行了相关技术的探讨和实验，提出了以三端输出口磁控管作为大功率合成技术的研究。利用理论推导与HFSS仿真软件相结合，提出了一种大功率的波导型功率合成器和微波相移器，而且还给出了详细的技术参数[1-3]。

1.3功率分配器的理论

功分器是将一路输入信号分解成二路及二路以上的输出器件，或将多路信号的能量合成一路输出。功分器的各个输出端口之间应有一定的隔离度。频率不同的功分器分成不同的系列：

（1）400 MHz～500 MHz频率段二、三功分器，应用于常规无线电通讯、铁路通信以及450 MHz无线本地环路系统。

（2）800MHz～2 500MHz频率段二、三、四微带系列功分器，应用于GSM/CDMA/PHS/WLAN室内覆盖工程。

（3）800MHz～2 500 MHz频率段二、三、四腔体系列功分器，应用于GSM/CDMA/PHS/WLAN室内覆盖工程。

（4）1 700MHz～2 500MHz频率段二、三、四腔体系列功分器，应用于PHS/WLAN室内覆盖工程。

（5）800 MHz～1 200 MHz，1 600 MHz～2 000 MHz频率段小体积设备内，使用的微带二、三功分器。

2 功分器的分类及原理

2.1 W ilkinson功分器

最简单的二分功分器属于三端网络口。工程上对信号之间的隔离要求很高，而无功耗三端口网络耦合程度不高，且输出端口与负载间无隔离，故采用威尔金森提出的混合型功率分配器，它在功率分配器的输出端加入隔离电阻来实现信号的隔离、匹配，从而改善了传统功率分配器的不足。它采用的原理是引入隔离电阻使功率分配器变成有能耗的三端网络口，从而做到完全匹配且各输出端口具有隔离作用。同时，能够实现任意的功率分配比，且可方便地用微带线或带状线来实现[4]。其结构如图1所示。

2.2 二分功分器原理

图2是一个简单热分解电路。信号源从端口1进入，从端口2、端口3分别输出。为了使输入与负载耦合增高，在各路功率臂上设置了阻抗变换器，使阻抗特性变为Z c2，Z c3，电阻R调节作用，从而使两输出端隔离，若端口2，3出现不匹配，将多余电流流过电阻R而消耗掉，这样就影响不到另一端口的输出。二分功分器原理如图2所示。

这种功分器的计算公式是（1）～（6）式：

公式（1）中端口2的功率为P2，端口3的功率为P3，功率分配比为k，如果k=1即P2=P3，功率分配相等，则有

3 功分器仿真

根据原理图1进行仿真，具体参数设置：厚度1.5mm，介电常数4.4，金属层厚度0.035mm。得出仿真曲线如图3。

4 结论

基于功分器的特性以及在微波、毫米波等方面的广泛应用，本文对其发展历程和研究现状进行了探讨。重点对功分器工作原理进行了分析，并利用仿真软件进行了系统仿真，对今后电子系统领域中功分器的应用与设计具有一定的指导意义。

图1 Wilkinson功分器结构示意图

图2 二分功分器原理图

图3 仿真曲线图

[1]张巡立.微波功率分配器的仿真设计[J].无线互联科技，2012（8）：109-112.

[2]李魏，范海军，周希朗.新型小型化超宽带功率分配器[J].电讯技术，2011（2）：98-101.

[3]刘云辉，杨宇航.多输入多输出系统特征模发射最小化误码率优化功率分配[J].上海交通大学学报，2006（3）：399-402.

[4]邢孟江，杨银堂，李跃进.小型化射频功率分配器[J].西安电子科技大学学报，2011,38（4）：133-136.

〔责任编辑 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

许慧芳（1976-），男，山西长治人，工程师，研究方向：应用电子技术。

1674－0874（2013）05－0044－04