功分器与耦合器
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功分器、耦合器、电桥 原理与分析 2010-05-21 13:00
本文主要介绍通信链路上的部分无源器件,介绍器件的外观、作用、种类、主要技术指标定义和范围等。
1功分器
1)功分器的作用:是将功率信号平均地分成几份,给不同的覆盖区使用。 2)种类:功分器一般有二功分、三功分和四功分3种。
功分器从结构上分一般分为:微带和腔体2种。腔体功分器内部是一条直径由粗到细程多个阶梯递减的铜杆构成,从而实现阻抗的变换,二微带的则是几条微带线和几个电阻组成,从而实现阻抗变换.
主要指标:包括分配损耗、插入损耗、隔离度、输入输出驻波比、功率容限、频率
范围和带内平坦度。 以下对各项指标进行说明:
l 分配损耗:指的是信号功率经过理想功率分配后和原输入信号相比所减小
的量。此值是理论值,比如二功分3dB,三功分是4.8dB,四功分是6dB。(因功分器输出端阻抗不同,应使用端口阻抗匹配的网络分析仪能够测
得与理论值接近的分配损耗)
耦合器和三功分器图示
分配损耗的理论计算方法:如上图所示。比如有一个30dBm的信
号,转换成毫瓦是1000毫瓦,将此信号通过理想3功分器分成3份的话,每份功率=1000÷3=333.33毫瓦,将333.33毫瓦转换成dBm=10lg333.33=25.2dBm, 那么理想分配损耗=输入信号-输出功率=30-25.2=4.8dB,同样可以算出2功分是3dB,4功分是6dB
l 插入损耗:指的是信号功率通过实际功分器后输出的功率和原输入信号相
比所减小的量再减去分配损耗的实际值,(也有的地方指的是信号功率
通过实际功分器后输出的功率和原输入信号相比所减小的量)。插入损耗的取值范围一般腔体是:0.1dB以下;微带的则根据二、三、四功分器不同而不同约为:0.4~0.2dB、0.5~0.3dB、0.7~0.4dB。
插损的计算方法:通过网络分析仪可以测出输入端A到输出端B、C、D的损耗,假设3功分是5.3dB,那么,插损=实际损耗-理论分配损耗=5.3dB-4.8dB=0.5dB.
微带功分器的插损略大于腔体功分器,一般为0.5dB左右,腔体的一般为0.1dB左右。由于插损不能使用网络分析仪直接测出,所以一般都以整个路径上的损耗来表示(即分配损耗+插损):3.5dB/5.5dB/6.5dB等来表示二/三/四功分器的插损。
l 隔离度:指的是功分器输出各端口之间的隔离,通常也会根据二、三、四
功分器不同而不同约为:18~22dB、19~23dB、20~25dB。
隔离度可通过网络分析仪测,直接测出各个输出端口之间的损耗,如
上图淡蓝色曲线所示,BC间,及 CD间的损耗。
l 输入/输出驻波比:指的是输入/输出端口的匹配情况,由于腔体功分器的
输出端口不是50欧姆,所有对于腔体功分器没有输出端口的驻波要求,输入端口要求则一般为:1.3~1.4 甚至有1.15的;微带功分器则每个端口都有要求,一般范围为输入:1.2~1.3 输出:1.3~1.4。
l 功率容限:指的是可以在此功分器上长期(不损坏的)通过的最大工作功
率容限,一般微带功分器为:30~70W平均功率,腔体的则为:100~500W平均功率。
l 频率范围:一般标称都是写800~2200MHz,实际上要求的频段是:824-
960MHz加上1710~2200MHz,中间频段不可用。有些功分器还存在800~2000MHz和800~2500MHz频段
l 带内平坦度:指的是在整个可用频段内插损含分配损耗的最大值和最小值
之间的差值,一般为:0.2~0.5dB。
2耦合器
1) 耦合器的作用是将信号不均匀地分成2分(称为主干端和耦合端,也有的
称为直通端和耦合端)
2)种类:耦合器型号较多如5 dB、10 dB、15 dB、20 dB、25 dB、30 dB等。
从结构上分一般分为:微带和腔体2种。腔体耦合器内部是2条金属杆,组成的一级耦合.
微带耦合器内部是2条微带线,组成的一个类似于多级耦合的网络. 3主要指标:耦合度、隔离度、方向性、插入损耗、输入输出驻波比、功率容限、频段范围、带内平坦度。 以下对各项指标进行说明:
l 耦合度:信号功率经过耦合器,从耦合端口输出的功率和输入信号功率直
接的差值。(一般都是理论值如:6dB、10dB、30dB等)
耦合器和三功分器图示
耦合度的计算方法:如上图所示。是 信号功率 C-A 的值 比如输入信号A为30dBm 而耦合端输出信号C为24dBm 则耦合度=C-A=30-24=6dB,所以此耦合器为6dB耦合器。因为耦合度实际上没有这么理想,一般有个波动的范围,比如标称为6dB的耦合器,实际耦合度可能为:5.5~6.5之间波动。
l 隔离度:指的是输出端口和耦合端口之间的隔离;一般此指标仅用于衡量
微带耦合器。并且根据耦合度的不同而不同:如:5-10dB为18~23dB,15dB为20~25dB,20dB(含以上)为:25~30dB;腔体耦合器的隔离度非常好所以没有此指标要求。
计算方法:如上图指的是图中的淡蓝色曲线上的损耗,使用网络分析仪将信号由B输入,测C处减小的量即为隔离度。
l 方向性:指的是输出端口和耦合端口之间的隔离度的值再减去耦合度的值
所得的值,由于微带的方向性随着耦合度的增加逐渐减小最后30dB以上基本没有方向性,所以微带耦合器没有此指标要求,腔体耦合器的方向
性一般为:1700~2200MHz时:17~19dB,824~960MHz时:18~22dB。 计算方法:方向性=隔离度-耦合度
例如6dB的隔离度是38dB,耦合度实测是
6.5dB,则方向性=隔离度-耦合度=38-6.5=31.5dB。
l 插入损耗:指的是信号功率经过耦合器至输出端出来的信号功率减小的值
再减去分配损耗的值所得的数值。一般插损对于微带耦合器则根据耦合度不同而不同,一般为:10dB以下的:0.35~0.5dB,10dB以上的:0.2~0.5dB。
计算方法:由于实际上耦合器的内导体是有损耗的,如上图所示以6dB耦合
器为例,在实际测试中假设输入A是:30dBm,耦合度实测是:6.5dB,输出端的理想值是28.349dBm(根据实测的输入信号,和耦合度可以计算得出),再实测输出端的信号,假设是27.849dBm,那么插损=理论输出功率-实测输出功率=28.349-27.849=0.5dB;
l 输入/输出驻波比:指的是输入/输出端口的匹配情况,各端口要求则一般
为:1.2~1.4;
l 功率容限:指的是可以在此耦合器上长期(不损坏的)通过的最大工作功
率容限,一般微带耦合器为:30~70W平均功率,腔体的则为:100~200W平均功率。
l 频率范围:一般标称都是写800~2200MHz,实际上要求的频段是:824-
960MHz加上1710~2200MHz,中间频段不可用。有些功分器还存在800~2000MHz和800~2500MHz频段
l 带内平坦度:指的是在整个可用频段耦合度的最大值和最小值之间的差
值,微带一般为:0.5~0.2dB。腔体:由于耦合度是一条曲线,所以没有此要求。
耦合损耗:理想的耦合器输入信号为A,耦合一部分到B,则输出端口C必定就要有所减少。耦合器和功分器均为无源器件,在工作中不使用电源(即不消耗能源),没有功率补充,因为能量是守恒的,输入信号与多个输出信号之和相等(不计插入损耗)。
计算方法是:首先将所以端口的“dBm”功率转换成“毫瓦”为单位表示,比如A输入端的功率原来是30dBm,转换成“毫瓦”是1000毫瓦,而耦合端的输出是
25.5dBm(先假设用的是6dB耦合器,并且6dB耦合器实际耦合度是6.5dB),将25.5dBm转换成毫瓦是:316.23毫瓦。再假设此耦合器没有其它损耗,那么剩下的功率应该是1000-316.23=683.77毫瓦,全部由输出端输出。将683.77毫瓦转换成“dBm”=28.349, 那么此耦合器的耦合损耗就等于输入端的功率(dBm)-输出端的功率(dBm)=30dBm-28.349dBm=1.651dB,这个值指的是耦合器没有额外损耗(器件损耗)的情况下的耦合损耗。
微带耦合器平坦度: 10dB以下一般为0.5dB,10~20dB一般为1.5dB,20~30一般为2.0dB
腔体耦合器的平坦度:由于腔体耦合器的耦合度是一条类似于抛物线的曲线,所以平坦度非常差.实际使用中表示起来比较困难可以参考下表:
3合路器和电桥
1) 作用:合路器的主要作用是将几路信号合成起来.
双频合路器照片 电桥照片
2)种类:合路器分为双频合路器和电桥合路器2种。双频合路器分为GSM/CDMA两网合路器和GSM/DCS两网合路器。
3)工作机理说明:双频合路器的工作原理类似于双工器,但要求被合成的信号不在同一频段范围内,比如G网和C网,G网和D网,有C网和D网之间的合路均可以才用双工合路器,而且双频合路器具有插损低(有的只有零点几dB)隔离度大(大于70~90dB) 等特点。由于C网二次谐波落在D网内,因此,C网和D网的隔离度比其他种类的小约10 dB。
当被合路的信号在同一频段内是就只能采用电桥合路器了.电桥合路器有合路损耗,比如2合1有3dB的合路损耗,而且电桥合路器的隔离度远远低于双工合路器,一般只有20dB左右。
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