無源器件基礎(chǔ)

1、1 無源器件和射頻基礎(chǔ)知識無源器件和射頻基礎(chǔ)知識 武武 漢漢 郵郵 電電 科科 學學 研研 究究 院院 武漢虹信通信技術(shù)有限責任公司武漢虹信通信技術(shù)有限責任公司 2 無源器件無源器件 p無源器件的分類 p無源器件電氣指標的定義 p微帶器件與腔體器件的比較 3 無源無源微波器件微波器件產(chǎn)品類別產(chǎn)品類別 p功率分配器功率分配器: :微帶微帶/ /腔體腔體 p定向耦合器定向耦合器: :微帶微帶/ /腔體腔體 p異頻合路器異頻合路器 p同頻合路器同頻合路器 p3dB3dB電橋電橋 p負載負載 p衰減器衰減器 p濾波器濾波器 p合路單元合路單元 4 1.按照結(jié)構(gòu)分類:微帶/腔體功分器 2.按照輸出端口分

2、類:二、三、四路功率分配器 3.按照器件使用頻段分類: 1）806960MHz 頻段 2）8062200MHz頻段 3）8062500MHz頻段 4）17102500MHz頻段（小靈通頻段） 功率分配器功率分配器: : 5 6 7 耦合器耦合器 1、微帶定向耦合器 （5dB/6dB/7dB/10dB/15dB/20dB/25dB/30dB/40dB/50dB） 2、腔體定向耦合器 （5dB/6dB/7dB/10dB/15dB/20dB/25dB/30dB/40dB/50dB） 3、基站腔體定向耦合器(DIN接頭) （5dB/6dB/7dB/10dB/15dB/20dB/25dB/30dB/40

3、dB/50dB） 8 若按照使用頻段劃分: 1）806960MHz 頻段定向耦合器 2）8062200MHz頻段定向耦合器 3）8062500MHz頻段定向耦合器 4）17102500MHz頻段定向耦合器（小靈通頻段） 9 10 11 合路器合路器: :異頻合路器異頻合路器/ /同頻合路器同頻合路器 1）異頻合路器: 二、三、四、五路合路器 （GSM、CDMA、DCS、PHS 、3G、WLAN 頻段任意組合） 2）同頻合路器（ 3dB電橋）: （2路輸入/3路輸入/4路輸入 ） 12 異頻合路器可分為二合一,三合一,四合一,五合 一,五合四合路器等。 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的需求，CDMA、GSM、DC

4、S、 PHS、WCDMA、WLAN可以實現(xiàn)多網(wǎng)多路合路。 13 五路合一合路器 14 四路合一合路器 15 同頻合路器（ 3dB電橋） 同頻合路器 3dB電橋 16 無源器件電氣指標的定義無源器件電氣指標的定義 功率分配器的定義功率分配器的定義 功分器是一種將一路輸入信號能量分成兩路或多 路輸出相等能量的器件，也可反過來將多路信號能量 合成一路輸出，此時也可稱為合路器。一個功分器的 輸出端口之間應(yīng)保證一定的隔離度。 功分器通常為能量的等值分配，通過阻抗變換線 的級聯(lián)與隔離電阻的搭配，具有很寬的頻帶特性。功 分器基本分配路數(shù)為2路、3路和4路，通過它們的級聯(lián) 可以形成多路功率分配。 17 微帶二

5、功分器的微帶二功分器的電氣指標電氣指標 帶內(nèi)波動(dB)0.2 隔離度(dB)20 駐波比1.22 回波損耗(dB)20 幅度平衡度(dB)0.2 相位平衡度()5 阻抗()50 三階互調(diào)(dBc)-140+43dBm2 接口類型N-F 功率容量(W)100 工作溫度()-30+70 外形尺寸(mm)2166816 重量(kg)0.27 18 功分器電氣指標參數(shù)說明功分器電氣指標參數(shù)說明 插入損耗：插入損耗：器件直通損耗，其計算公式為所有路數(shù)的 輸出功率之和與輸入功率的比值，或單路的實際直通 損耗減去理想的分配損耗，一般理想分配損耗由下式 獲得： 理想分配損耗（理想分配損耗（dB)=10log

6、(1/N) dB)=10log(1/N) N為功分器路數(shù) 功分器種類插損分配損耗總損耗 二功分0.2533.25 三功分0.34.85.1 四功分0.566.5 八功分0.899.8 19 隔離度：隔離度：當主路接匹配負載時，各輸出口的對端隔離。 幅度平衡幅度平衡：指頻帶內(nèi)所有輸出端口之間的幅度誤差最大 值。 駐波比：駐波比：指沿著信號傳輸方向的電壓最大值和相鄰電壓 最小值之間的比率。 注:駐波比和回波損耗是描述器件同一電氣指標的兩種不 同的表達方式。 VSWR 1.201.221.251.301.351.401.50 回波損 耗(dB) 21201917.616.615.614 20 功分器

7、的功率容量、承載功率與輸入功率功分器的功率容量、承載功率與輸入功率 在分布系統(tǒng)中，功分器作為下行信號來說是個功率分 配器，對上行信號來講又是個(小信號)合路器。功率 分配器上標注的功率是指輸入端口的最大輸入功率， 而作為(小信號)合路器來講，不能在輸出端口按標注 的功率輸入信號。 21 功分器為什么不能作大功率合路器使用？功分器為什么不能作大功率合路器使用？ 一般來講，功分器也可以作合路器使用。區(qū)別在 于承受的功率不同。以二功分器為例說明。如圖： 信號從IN輸入，當信號到達A、B二點時為同頻同 相信號。所以R上無電流流過即無功率損耗。信號被平 均分配到out1和out2上。而此時的功率容量主要

8、取決 于微帶線承載的功率。當然R值的選取還應(yīng)考慮out端 開路、短路情況。 IN out2 B out1 A 22 而上圖作為合路器來講，信號分別從out1和 out2輸入。由于out1和out2是兩個不同的信號 源，它們在A、B兩點的頻率和相位均不相同。 此時R上就有電流流過。經(jīng)理論計算，R上承載 的功率是1/2out11/2out2。如果out1和out2 分別輸入10W功率，那么R至少要選10W以上的功 率電阻。同理說明out1和out2到達“IN”的功 率只能是1/2out11/2out2 23 有一種情況INout1out2是可以成立的。 下圖是一個100W功率放大器的原理圖。 放

9、大 器 2 放 大 器 1 A 假如放大器1和放大器2管子配對無相位差，由于放大的 是同一個激勵信號。在A、B兩點是一個同頻同相的50W 信號。R上無功率損耗。因此能量被全部合成到C端口。 24 由于功分器通常采用微帶結(jié)構(gòu)，平衡電阻R一般 取值不大。且散熱面也不夠大。所以功分器不宜 作大功率合成使用。而兩個大功率的載波信號合 成建議采用3dB電橋。由于3dB電橋可采用腔體結(jié) 構(gòu)，且可采用大功率外接負載適合大功率信號合 成使用。 25 定向耦合器的定義定向耦合器的定義 定向耦合器常用于對規(guī)定流向微波信號進行取樣。 在無內(nèi)負載時，定向耦合器往往是一四端口網(wǎng)絡(luò)。 26 7dB定向耦合器的電氣指標參數(shù)

10、定向耦合器的電氣指標參數(shù) 頻率范圍(MHz)806960/17102200/22002500 耦合度(dB)7 插入損耗(dB)1.34 帶內(nèi)波動(dB)0.8 方向性(dB)20 回波損耗(dB)20 阻抗()50 三階互調(diào)(dBc)-140+43dBm2 接口類型N-F 功率容量(W)50 工作溫度()-30+70 外形尺寸(mm)1465219 重量(kg)0.32 27 耦合器電氣指標的參數(shù)說明耦合器電氣指標的參數(shù)說明 耦合度：耦合度：當其余端口接匹配負載時，耦合端輸出功率 與主線輸入功率之比。 耦合損耗：耦合損耗：由于一定能量傳輸?shù)今詈隙硕鹬骶€輸 出功率減小，它等于主線插入損耗的

11、理論值。主線插 入損耗的最小理論值與耦合度的關(guān)系如下： 28 主線損耗：主線損耗：我們又稱之為直通端插入損耗。當匹配負 載接主線外各端口時，主線插入損耗包括能量耦合損 耗和能量耗散損耗兩方面。 n如7dB耦合器的主線損耗為： n主線損耗（典型值）=0.9665+0.25=1.2665 dB n若考慮波動（設(shè)波動為0.5 dB），則7dB耦合器的 主干損耗應(yīng)為1.35 dB。 29 隔離度：隔離度：當輸入端接匹配負載時，輸出口與耦合口之 間的隔離 。 方向性：方向性：當功率在指定方向上傳輸時，耦合端口的輸 出功率與同樣功率在相反方向傳輸時同一耦合端口的 輸出功率之差。 方向性隔離度耦合度 例如:

12、6dB的隔離度是38dB，耦合度實測是6.5dB， 則方向性隔離度耦合度386.5=31.5dB 30 駐波比：駐波比：指沿著信號傳輸方向的電壓最大值和相鄰電 壓最小值之間的比率。 注:駐波比和回波損耗是描述器件同一電氣指標的兩 種不同的表達方式。 功率容量（承載功率）：功率容量（承載功率）：同樣指在耦合器上標注的功 率是指輸入端口的最大輸入功率，輸出口和耦合端口 不能用標注的最大功率輸入。輸出口和耦合端口的最 大輸入功率由耦合度和負載電阻決定。 31 合路器技術(shù)指標的定義合路器技術(shù)指標的定義 合路器分為同頻合路器和異頻段合路器兩種。 異頻段合路器是指兩個不同頻段的信號功率進行合 成所用。 例

13、如，WCDMA和GSM功率合成。由于兩個信號頻率間 隔較大，可以選用諧振腔選頻方式來合成，其優(yōu)點是 插損小，帶外抑制度高，而帶外抑制指標是合路器較 重要的指標之一，如帶外抑制不夠，會造成GSM與 WCDMA之間的相互干擾。 32 GSM&WCDMA 二路合一合路器技術(shù)規(guī)格 33 GSM通道 34 3G通道 35 同頻合路器同頻合路器 對同頻合路器來講，由于信道間隔很?。?50KHz），不 能采用諧振腔選頻方式來合路，因此只能采用寬帶合路 器件，經(jīng)典的作法是采用3dB電橋。 3dB電橋有兩個輸入口和兩個輸出口，兩載頻合路后， 兩個輸出口可作信號輸出用，若只需要一個輸出信號， 則另一輸出口需要負載

14、吸收，此時的負載功率根據(jù)輸入 信號的功率來定，不能小于兩個信號功率電平和的1/2。 四載頻的合路需要3只3dB電橋來完成。 36 3dB電橋電橋 37 當電橋作為同頻合路使用時，其中一個端口需 要接一個承載功率足夠大的負載 38 負載 39 衰減器 40 雙工器 41 濾波器 42 POI 合路單元 43 腔體器件與微帶器件的比較腔體器件與微帶器件的比較 腔體耦合器的特點腔體耦合器的特點 腔體耦合器與微帶耦合器相比最大優(yōu)點是插 入損耗小。由于損耗少及導(dǎo)熱面積大，它的承 載功率也較微帶器件要大得多。此外，由于耦 合帶的截面積較大，在制造工藝中，可以采用 接插件與耦合帶線螺紋連接，使連接的可靠性

15、大為增加，無虛焊的可能性，即使連接件內(nèi)導(dǎo) 體松動也不至影響器件的使用。 44 腔體功分器與微帶功分器相比最大優(yōu)點是 插入損耗小。無隔離電阻的腔體功分器使室 內(nèi)分布系統(tǒng)的可靠性提高。 腔體功分器的特點腔體功分器的特點 45 室內(nèi)室內(nèi)分布系統(tǒng)功分器的選擇分布系統(tǒng)功分器的選擇 功分器在室內(nèi)分布系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用，它可以 將基站的發(fā)射信號（Tx）分配成多路送到多個 天線，同時可以將天線接收到的信號（Rx）返 回基站接收機。 典型的二路功分器有微帶（Wilkinson）和腔 體（電抗）兩種，二者各有特點。 46 電抗電抗功分器的特點功分器的特點 電抗功分器電抗功分器一般為同軸結(jié)構(gòu)，它將輸入的50阻抗 變換

16、為25（使用內(nèi)外導(dǎo)體的不同比率），25阻 抗可以與兩個輸出50的并聯(lián)阻抗良好匹配。 47 Wilkinson功分器功分器通常用微帶結(jié)構(gòu)設(shè)計，由 一對1/4波長阻抗為70.7的微帶線組成，輸 出端口之間串聯(lián)一個100的電阻。 Wilkinson功分器的特點功分器的特點 48 端口端口1 1（Port 1Port 1）輸入的）輸入的TxTx信號信號 在腔體功分器中, Port 1 的輸入信號變換為25， 可以與輸出口Port 2（50）和Port 3（50）的并 聯(lián)阻抗良好地匹配，使輸入端口具有良好的駐波VSWR。 在微帶功分器中，信號平均分成等幅同相的兩路 Port 2 和 3。因為在電阻的兩端

17、電壓相同，沒有電流 通過電阻。1/4波長線的特性阻抗是70.7（2*50）， 當Port 2 和 3接50負載時，輸入端具有良好的駐波 VSWR。 49 端口端口2 2（ Port 2Port 2）輸入的）輸入的RxRx信號信號 在腔體功分器中，Port 2 的輸入信號是失配的， 25%的信號會被反射掉， 25%的信號將傳到輸出口 Port 3，50%將直接送到Port 1，等效為Rx信號損 耗3 dB。 在微帶功分器中，Port 2的信號是50匹配的，但 功率被負載電阻和Port 1平均分配。電阻的作用是 Port 2 和 Port 3的退耦，但同時對Rx信號有50% （3 dB）損耗。 50 插損插損 腔體功分器內(nèi)導(dǎo)體的材料用黃銅，表面鍍銀， 外殼用銅或鋁，用空氣介質(zhì)， 可以認為是損 耗最小的傳輸線（除超導(dǎo)），損耗通常為0.05 dB或更小，但通常標為0.1 dB，因為要測試這 么小的插損非常困難。 微帶功分器采用微帶設(shè)計，具有固有的0.3 到 0.5 dB的損耗。聽起來并不大，但經(jīng)過多個功 分器的累積，結(jié)果是很大的。 51 系統(tǒng)的可靠性和安全性系統(tǒng)的可靠性和安全性 對微帶功分器來說，如果電纜或天線損壞，可能造成 功分器的開路或短路。但因為輸出間有隔離，一個臂