《电子技术应用》

利用分配器/合成器分离或合成射频/微波信号

2010/12/21 0:00:00

在系统内对信号进行分离或合成通常是在射频和微波频率下由功作为率分配器/合成器完成。理想的功率分配器也是理想的功率合成器,但不总是如此。元件不都是为反向工作而设计的。此外,所有功率分配器和合成器都存在某些插入损耗,会不可避免地影响到功率处理能力。不过,分配/合成器尽管存在缺点,但仍然在高级系统中扮演关键角色,所以仍属于最重要的无源射频 /微波元件。本文首先回顾选择功率分配器或合成器时需要考虑的一些关键性能参数,随后,对主要供应商的几个例子进行探究。

要从这些元件选择出一种,最简单方法不是详细列出实现功率分配器或合成器时的各种不同设计方法,而大概是综合考虑所需要的功能(是信号分配还是合成)、工作带宽、期望功率水平,以及信号必须分配的路数或者要合成的信号数。例如,二元功率分配器由一个输入提供两个幅度基本相同的输出信号。通过将多个两路分配器串接,可以得到高阶(4路、8路、等等)功率分配器。类似地,可以将多个3路功率分配器组合,得到奇数路输出的功率分配器。

特定功率分配器用作功率合成器的效果如何,通常与设计方法及内部元件(如电阻)有关。Meca电子公司在其网页上免费提供有应用笔记(“应用笔记MAP- 801”),题目为“为什么大多数功率分配器不适合作功率合成器”,该应用笔记解释了所选择的功率分配器同时要用作功率合成器时要考虑的问题。

出于教育的目的,Micro-lab/FXR也提供了一篇出色的有关功率分配器和合成器的应用笔记,回顾了下列元件的基本差异,如电阻、电抗、 Wilkinson、正交、分支线、节点以及T型功率分配/合成器。该应用笔记可免费从Microlab/FXR的网页 www.microlab.fxr.com处获取。该公司的新型DX-N系列非平衡分配器是为提供宽达30:1或者接近2:1的功率分配比而设计的。这种分配器非常适合800~2,500MHz室内无线通信应用,这种非平衡分配器可以处理300W平均功率和1kW的峰值功率。

一般来说,选择功率分配器或合成器就是比较关键性能参数,包括插入损耗、端口间的隔离度、分离信号的幅度接近程度(输出幅度不平衡性),以及分离信号的信号相位接近程度(输出相位不平衡性)。此外,额定功率通常也很关键,以最大输入功率(假定阻抗匹配条件下)及最大内部负载耗散(内部端接的额定功率)来定义。另外一个关键参数是回波损耗或称VSWR,该参数能表明元件阻抗与目的应用的特性阻抗匹配程度。

功率分配器会使输出信号产生相位差。例如,0°功率分配器将一输入信号分离成幅度和相位都相同的两个或多个输出。90°混合分配器的输出信号之间的相位差为90°。对180°混合分配器,当输入加到和输入口时,一个输入信号可以分离成幅度和相位都相同的两个输出信号。但当输入信号加到差输入口时,得到的输出信号幅度相同,但相位相差180°。

例如,Mini-Circuits公司的表面贴装型SP-2C1+两路功率分配/合成器为0°元件,封装大小仅为0.106英寸×0.087英寸×0.035英寸(2.69×2.21×0.8?mm)。该RoHS兼容的功率分配/合成器是为 6?0~1,100MHz应用设计的,在此频率范围内,插入损耗一般为0.4dB,口-口隔离度一般为20dB。该功率分配/合成器适合手机和其它无线应用,作为分配器,处理1.5W的最大输入功率,最大内部功耗为0.75W。

对更宽的宽带应用,该公司也提供ZB4PD- 232-50W+型同轴4路功率分配/合成器,该分配/合成器针对600~2,300MHz应用,带SMA连接器,为0°元件,此元件的4个口中每个口的处理功率都可达50W。在1800~2,000MHz频率范围内,该器件的典型插入损耗为0.9dB,在同一频率范围内,典型隔离度为28dB。典型隔离度为19dB。在600~2,300MHz频率范围,该4路功率合成/分配器将幅度不平衡一般控制到0.05dB,在同一频率范围内,将相位一般控制到 0.9°。所有口的VSWR都等于或优于1.20:1。

Mini-Circuits公司同时也提供设计师工具包,其中有大量不同频率范围的功率分配/合成器例子。以K1-QCN设计师工具包为例,在220~4,500MHz之间给出了10种不同分配器模型,功率处理能力都达 15W,每种模型提供有两个例子。这些QCN功率分配/合成器插入损耗一般为0.4dB,隔离度一般为32dB,为小型陶瓷封装,大小仅为 0.012×0.60×0.35英寸。

单从功率角度来看,没几个公司能赶上Werlatone公司。例如,Werlatone公司的D5738两路功率分配/合成器在1.5~30.0MHz范围的连续波额定功率为12,500W,该元件为风扇冷却,插入损耗低,为0.2dB,口间隔离最小为20dB,最大VSWR为1.25:1。幅度不平衡最大为0.2dB,相位不平衡最大为5°。对更高频率的应用,该公司提供有38?7型两路功率分配/合成器,在频率500~1,000MHz之间的连续波额定功率为1,000W。该元件最小隔离为18dB时,插入损耗仅 0.2dB,可选的连接器有多种,包括N型、SMA及BNC型。

Krytar公司的6005265型是一种宽带两路功率分配器,频率范围为0.5~26.5GHz,在该频率范围内的最大插入损耗为1.9。全频带幅度不平衡为0.5dB,相位不平衡为10°情况下,隔离度为 19dB。该两路功率分配/合成器采用了一种特殊的匹配线配置来实现高方向性。提供有3.5mm同轴连接器,额定输入功率水平为10W。

Aeroflex/Weinschel 公司提供从直流到40GHz频带的电阻型功率分配器及合成器。例如,1575型是一种电阻型两路功率分配器,直流到40GHz之间标称插入损耗为6dB。此种宽带功率分配器配有2.92mm连接器,在1W额定连续波功率输入下,幅度不平衡优于0.2dB,相位不平衡优于2°。

Renaissance电子公司提供有400MHz系列两路直到16路结构的功率分配/合成器。该系列是为400~500MHz频率范围应用设计的,性能优异,插入损耗达到了0.15dB,隔离度为21dB,VSWR为1.20:1。额定输入功率为200W CW。

Anaren 微波公司提供频率在400MHz~8GHz范围内的各种系列微型功率分配器,这些微型分配器的尺寸仅为0.79×0.49英寸 (2.00×1.25mm)。例如,PD0922J5050D2型是一款微型表面贴装Wilkinson功率分配器,用于手机应用很理想,在 950~2150MHz频率范围内的典型插入损耗为0.7dB,典型隔离度为12dB,额定功率水平为2W CW。此种功率分配器为RoHS兼容,用陶瓷填充PTFE合成材料制造以达到良好的热稳定性。

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