CN207782760U - 宽带有源功分器及宽带有源功率合成器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了宽带有源功分器及宽带有源功率合成器。电路中包含有源放大器、电容、电感和电阻。宽带有源功分器的输入端接入一个有源放大器之后分成两路再分别串接一个有源放大器，而宽带有源功率合成器在两个输入端各接入一个有源放大器之后合成一路再串接一个有源放大器。本实用新型克服了传统无源型功分器与功率合成器在宽带应用尤其是高频段插损较大以及隔离度较差而影响测量结果的缺陷。

Description

宽带有源功分器及宽带有源功率合成器

技术领域

本实用新型属于射频器件技术领域，特别涉及了宽带有源功分器及宽带有源功率合成器。

背景技术

功分器和功率合成器是射频微波无线通讯前端的关键组件，在射频测试领域中也应用广泛，一般设计用来将一路射频功率信号分成几路功率信号或者将几路射频功率信号合成一路功率信号。有关功分器和功率合成器的研究与发展已经有几十年的历史，曾是众多射频微波工程师的研究热点之一。但目前功分器和功率合成器一般都是采用无源器件设计的，因此信号损耗相对较大，工作频宽也被限制在一定范围内。例如传统Wilkinson功分器和功率合成器在几GHz以上的高频频段，输出端口耦合严重，隔离度较差，而6dB电阻型功率分配和合成器，信号损耗严重。现今越来越多的功分器与功率合成器被应用在4GHz以上频段，在这些高频频段有不可避免的寄生效应和制造公差，宽带插损较大，宽带隔离度较差，这些都极大地限制了传统无源型器件在高频段的应用，特别是在射频测试测量领域的相关应用，而提高无源功分器与功率合成器在高频宽带应用中的插损、隔离度等方面性能是比较困难的。

实用新型内容

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本实用新型旨在提供宽带有源功分器及宽带有源功率合成器，克服传统无源型功分器与功率合成器在宽带应用尤其是高频段插损较大以及隔离度较差而影响测量结果的缺陷。

为了实现上述技术目的，本实用新型的技术方案为：

一种宽带有源功分器，包括一条输入端电路和两条输出端支路；所述输入端电路包括第一有源放大器、第一隔直电容、第一输入输出匹配电阻、第二输入输出匹配电阻、第一限流电阻、第一射频扼流电感和第一滤波电容；第一隔直电容的一端作为宽带有源功分器的输入端，第一隔直电容的另一端连接第一有源放大器的输入端，第一限流电阻的一端经串联的第一射频扼流电感与第一有源放大器的偏置端相连，第一限流电阻的另一端连接偏置电压的正极，第一滤波电容的正极连接偏置电压的正极，第一滤波电容的负极接地，第一有源放大器的输入端经第一输入输出匹配电阻接地，第一有源放大器的输出端经第二输入输出匹配电阻接地，第一有源放大器的输出端连接两条输出端支路的输入端；两条输出端支路的结构相同，每条输出端支路包括第二有源放大器、第二隔直电容、第三隔直电容、第二射频扼流电容、第二限流电阻、第二滤波电容和第三输入输出匹配电阻；第二隔直电容的一端作为输出端支路的输入端，第二隔直电容的另一端连接第二有源放大器的输入端，第二限流电阻的一端经串联的第二射频扼流电感与第二有源放大器的偏置端相连，第二限流电阻的另一端连接偏置电压的正极，第二滤波电容的正极连接偏置电压的正极，第二滤波电容的负极接地，第二有源放大器的输出端经第三输入输出匹配电阻接地，第三隔直电容的一端连接第二有源放大器的输出端，第三隔直电容的另一端作为宽带有源功分器的输出端。

基于上述技术方案的优选方案，所述有源放大器采用宽带FET晶体管。

基于上述技术方案的优选方案，所述隔直电容采用自谐振频率在工作中心频率附近的电容。

基于上述技术方案的优选方案，所述滤波电容采用几微法至几十微法级别的钽电容。

一种宽带有源功率合成器，包括两条输入端支路和一条输出端电路；两条输入端支路的结构相同，每条输入端支路包括第一有源放大器、第一隔直电容、第二隔直电容、第一射频扼流电感、第一限流电阻、第一滤波电容和第一输入输出匹配电阻；第一隔直电容的一端作为宽带有源功率合成器的输入端，第一隔直电容的另一端连接第一有源放大器的输入端，第一限流电阻的一端经串联的第一射频扼流电感与第一有源放大器的偏置端相连，第一限流电阻的另一端连接偏置电压的正极，第一滤波电容的正极连接偏置电压的正极，第一滤波电容的负极接地，第一有源放大器的输入端经第一输入输出匹配电阻接地，第二隔直电容的一端连接第一有源放大器的输出端，第二隔直电容的另一端连接输出端电路的输入端；所述输出端电路包括第二有源放大器、第三隔直电容、第二射频扼流电感、第二限流电阻、第二滤波电容、第二输入输出匹配电阻和第三输入输出匹配电阻；第二有源放大器的输入端作为输出端电路的输入端，第二限流电阻的一端经串联的第二射频扼流电感与第二有源放大器的偏置端相连，第二限流电阻的另一端连接偏置电压的正极，第二滤波电容的正极连接偏置电压的正极，第二滤波电容的负极接地，第二有源放大器的输入端经第二输入输出匹配电阻接地，第二有源放大器的输出端经第三输入输出匹配电阻接地，第三隔直电容的一端连接第二有源放大器的输出端，第三隔直电容的另一端作为宽带有源功率合成器的输出端。

基于上述技术方案的优选方案，所述有源放大器采用宽带FET晶体管。

基于上述技术方案的优选方案，所述隔直电容采用自谐振频率在工作中心频率附近的电容。

基于上述技术方案的优选方案，所述滤波电容采用几微法至几十微法级别的钽电容。

采用上述技术方案带来的有益效果：

本实用新型设计的宽带有源功分器和功率合成器采用了有源器件，能够实现功率放大与分配，低损耗，较好隔离度。通过电路仿真表明，本宽带有源功分器和功率合成器工作频带200MHz-7GHz，具有较宽的工作带宽和较高的工作频率。本实用新型设计的有源功分器和功率合成器可应用于馈线较长导致插损较大、工作频率较高以及宽带的射频测试设备中，例如杂散辐射测试设备。

附图说明

图1为本实用新型宽带有源功分器电路图；

图2为本实用新型功分器增益参数仿真结果示意图；

图3为本实用新型功分器输入输出回波损耗仿真结果示意图；

图4为本实用新型功分器输出隔离度仿真结果示意图；

图5为本实用新型功分器输出功率仿真结果示意图；

图6为本实用新型宽带有源功率合成器电路图；

图7为本实用新型功率合成器增益参数仿真结果示意图；

图8为本实用新型功率合成器输入输出回波损耗仿真结果示意图；

图9为本实用新型功率合成器输入隔离度仿真结果示意图；

图10为本实用新型功率合成器输出功率仿真结果示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本实用新型的技术方案进行详细说明。

图1为本实用新型宽带有源功分器的电路原理图，本实用新型设计的宽带有源功分器是带有增益的输出等功率功分器，主要由晶体管放大电路和匹配电阻构成，电路中包含晶体管放大器、电容、电感、电阻。输入端接入一个放大器之后分成两路再分别串接一个放大器，放大电路间通过电容连接起来。放大器采用的是工作频率较宽的宽带FET晶体管。VCC是晶体管偏置电压，R5、R6、R7是晶体管偏置端限流电阻，不同的VCC电压和限流电阻对应不同的偏置，参考芯片手册资料选择合适的偏置，设定合适的VCC电压和限流电阻。L1、L2、L3是射频扼流电感，隔离直流电源和射频信号，使射频信号不会流向直流电源端，减小射频信号损耗，选择工作频率下电抗较大的感值，一般在自谐振频率附近，并且能够承受偏置端最大电流。C6、C7、C8是偏置电源滤波电容，一般采用几uF到几十uF级别的钽电容，根据电源电压来确定大小，电源电压越大相应钽电容大小就采用越大的值，并且耐压要大于电源电压。C1、C2、C3、C4、C5是隔直电容，隔离直流只让射频信号通过，一般在几个pF到几百pF以内，采用电容自谐振频率在工作中心频率附近的电容，因为在自谐振频率附近容抗很小，射频信号损耗小，频率越高，自谐振频率越低，因此选取的容值也越低，条件允许的话可根据工作频带采用相应宽带电容。R1、R2、R3、R4是输入输出匹配电阻，大小选择和晶体管的输入输出阻抗有关，影响系统的增益、输入输出功率比和隔离度，若输入输出功率要求一致，则R3和R4大小应该保持一致，根据设计要求进行仿真来选择合适具体的阻值。

根据功分器工作频带、最高工作频率、增益、隔离度的设计要求，首先选择合适的晶体管放大器，再基于高频电路系统仿真软件对扼流电感、匹配电阻以及隔值电容的大小进行优化，最终确定各个元件的值。后期电路版图绘制保持射频尽量走直线少弯曲，放大器接地端充分接地，各部分之间的连线宽度和长度需经过仿真优化而得到，如果应用在2GHz以上高频，板材应选用高频板材例如Rogers4350B等低损耗板材，输入输出端采用SMA端子连接。

图2是功分器增益随频率变化曲线仿真示意图，在200MHz到8GHz频段进行仿真，可以看出两路输出功率随频率变化基本一致，在这个较宽的频带内增益均保持较平稳的状态，差值在1.4dB以内，即增益平坦度很好。

图3是功分器输入输出回波损耗随频率变化曲线仿真示意图，在200MHz到7GHz内回波损耗均小于10dB，因此工作频带从200MHz到7GHz。

图4是功分器输出隔离度随频率变化曲线仿真示意图，可以看出隔离度在工作频带内均小于-14dB，具有较好的隔离度，并且十分平坦。

图5是功分器可以输出的功率随频率变化曲线仿真示意图，可以看出输出端功率可达17dBm，这个要根据设计要求来选择合适的晶体管放大器来实现。

图6为本实用新型宽带有源功率合成器的电路原理图，与有源功分器不同之处是在于两个输入端各接入一个放大器之后合成一路再串接一个放大器。不像无源功分器反向使用便是功率合成器，有源功分器由于使用了有源晶体管，反向使用不能正确工作，即反向使用不能用作功率合成器。有源功率合成器其它组成部分和有源功分器类似，器件元件选取与优化方法以及电路版图方法也和有源功分器类似，这里就不再赘述。

图7是功率合成器增益随频率变化曲线仿真示意图，在200MHz到8GHz频段进行仿真，可以看出两路增益基本一致，在这个较宽的频带内增益均保持较平稳的状态，差值在2dB以内，即增益平坦度较好。

图8是功率合成器输入输出回波损耗随频率变化曲线仿真示意图，在200MHz到7GHz内回波损耗均小于10dB，因此工作频带从200MHz到7GHz。

图9是功率合成器输入隔离度随频率变化曲线仿真示意图，可以看出隔离度在工作频带内均小于-14dB，具有较好的隔离度。

图10是功率合成器可以输出的功率随频率变化曲线仿真示意图，可以看出输出端功率可达18dBm，这个要根据设计要求来选择合适的晶体管放大器来实现。

综上所述，由电路仿真可知，本实用新型设计的有源功分器2GHz时输出增益约7.7dB左右，频带内增益平坦度较好，均≤1.5dB，输出增益能够补偿较长馈线以及分支等带来的插入损耗；回波损耗在频段内均小于-10dB，输出支路隔离度＜-14dB，保证了两个输出支路的隔离，并且在整个工作频段内很平坦；2GHz时单个支路输出功率可达17.5dBm。而功率合成器2GHz时输出增益约8.5dB左右，频带内增益平坦度较好，均≤2dB，输出增益能够补偿较长馈线以及分支等带来的插入损耗；回波损耗在频段内均小于-10dB，输入隔离度＜-14dB，保证了两个输入端口的隔离，并且在整个工作频段内很平稳；2GHz时输出功率可达18dBm。

实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。

Claims (8)

1.一种宽带有源功分器，其特征在于：包括一条输入端电路和两条输出端支路；所述输入端电路包括第一有源放大器、第一隔直电容、第一输入输出匹配电阻、第二输入输出匹配电阻、第一限流电阻、第一射频扼流电感和第一滤波电容；第一隔直电容的一端作为宽带有源功分器的输入端，第一隔直电容的另一端连接第一有源放大器的输入端，第一限流电阻的一端经串联的第一射频扼流电感与第一有源放大器的偏置端相连，第一限流电阻的另一端连接偏置电压的正极，第一滤波电容的正极连接偏置电压的正极，第一滤波电容的负极接地，第一有源放大器的输入端经第一输入输出匹配电阻接地，第一有源放大器的输出端经第二输入输出匹配电阻接地，第一有源放大器的输出端连接两条输出端支路的输入端；两条输出端支路的结构相同，每条输出端支路包括第二有源放大器、第二隔直电容、第三隔直电容、第二射频扼流电容、第二限流电阻、第二滤波电容和第三输入输出匹配电阻；第二隔直电容的一端作为输出端支路的输入端，第二隔直电容的另一端连接第二有源放大器的输入端，第二限流电阻的一端经串联的第二射频扼流电感与第二有源放大器的偏置端相连，第二限流电阻的另一端连接偏置电压的正极，第二滤波电容的正极连接偏置电压的正极，第二滤波电容的负极接地，第二有源放大器的输出端经第三输入输出匹配电阻接地，第三隔直电容的一端连接第二有源放大器的输出端，第三隔直电容的另一端作为宽带有源功分器的输出端。

2.根据权利要求1所述宽带有源功分器，其特征在于：所述有源放大器采用宽带FET晶体管。

3.根据权利要求1所述宽带有源功分器，其特征在于：所述隔直电容采用自谐振频率在工作中心频率附近的电容。

4.根据权利要求1所述宽带有源功分器，其特征在于：所述滤波电容采用几微法至几十微法级别的钽电容。

5.一种宽带有源功率合成器，其特征在于：包括两条输入端支路和一条输出端电路；两条输入端支路的结构相同，每条输入端支路包括第一有源放大器、第一隔直电容、第二隔直电容、第一射频扼流电感、第一限流电阻、第一滤波电容和第一输入输出匹配电阻；第一隔直电容的一端作为宽带有源功率合成器的输入端，第一隔直电容的另一端连接第一有源放大器的输入端，第一限流电阻的一端经串联的第一射频扼流电感与第一有源放大器的偏置端相连，第一限流电阻的另一端连接偏置电压的正极，第一滤波电容的正极连接偏置电压的正极，第一滤波电容的负极接地，第一有源放大器的输入端经第一输入输出匹配电阻接地，第二隔直电容的一端连接第一有源放大器的输出端，第二隔直电容的另一端连接输出端电路的输入端；所述输出端电路包括第二有源放大器、第三隔直电容、第二射频扼流电感、第二限流电阻、第二滤波电容、第二输入输出匹配电阻和第三输入输出匹配电阻；第二有源放大器的输入端作为输出端电路的输入端，第二限流电阻的一端经串联的第二射频扼流电感与第二有源放大器的偏置端相连，第二限流电阻的另一端连接偏置电压的正极，第二滤波电容的正极连接偏置电压的正极，第二滤波电容的负极接地，第二有源放大器的输入端经第二输入输出匹配电阻接地，第二有源放大器的输出端经第三输入输出匹配电阻接地，第三隔直电容的一端连接第二有源放大器的输出端，第三隔直电容的另一端作为宽带有源功率合成器的输出端。

6.根据权利要求5所述宽带有源功率合成器，其特征在于：所述有源放大器采用宽带FET晶体管。

7.根据权利要求5所述宽带有源功率合成器，其特征在于：所述隔直电容采用自谐振频率在工作中心频率附近的电容。

8.根据权利要求5所述宽带有源功率合成器，其特征在于：所述滤波电容采用几微法至几十微法级别的钽电容。