无源器件和射频基础知识 武 汉 邮 电 科 学 研 究 院 武汉虹信通信技术有限责任公司 1 无源器件 p无源器件的分类 p无源器件电气指标的定义 p微带器件与腔体器件的比较 2 无源微波器件产品类别 p功率分配器:微带/腔体 p定向耦合器:微带/腔体 p异频合路器 p同频合路器 p3dB电桥 p负载 p衰减器 p滤波器 p合路单元 3 1.按照结构分类:微带/腔体功分器 2.按照输出端口分类:二、三、四路功率分配 器 3.按照器件使用频段分类: 1）806960MHz 频段 2）8062200MHz频段 3）8062500MHz频段 4）17102500MHz频段（小灵通频段） 功率分配器: 4 5 6 耦合器 1、微带定向耦合器 （5dB/6dB/7dB/10dB/15dB/20dB/25dB/30dB/40dB/50dB） 2、腔体定向耦合器 （5dB/6dB/7dB/10dB/15dB/20dB/25dB/30dB/40dB/50dB） 3、基站腔体定向耦合器(DIN接头) （5dB/6dB/7dB/10dB/15dB/20dB/25dB/30dB/40dB/50dB） 7 若按照使用频段划分: 1）806960MHz 频段定向耦合器 2）8062200MHz频段定向耦合器 3）8062500MHz频段定向耦合器 4）17102500MHz频段定向耦合器（小灵通频段） 8 9 10 合路器:异频合路器/同频合路器 1）异频合路器: 二、三、四、五路合路器 （GSM、CDMA、DCS、PHS 、3G、WLAN 频段任意组合 ） 2）同频合路器（ 3dB电桥）: （2路输入/3路输入/4路输入 ） 11 异频合路器可分为二合一,三合一,四合一,五 合一,五合四合路器等。 根据网络覆盖的需求，CDMA、GSM、DCS 、PHS、WCDMA、WLAN可以实现多网多路合路 。 12 五路合一合路器 13 四路合一合路器 14 同频合路器（ 3dB电桥） 同频合路器 3dB电桥 15 无源器件电气指标的定义 功率分配器的定义 功分器是一种将一路输入信号能量分成两路或 多路输出相等能量的器件，也可反过来将多路信号 能量合成一路输出，此时也可称为合路器。一个功 分器的输出端口之间应保证一定的隔离度。 功分器通常为能量的等值分配，通过阻抗变换 线的级联与隔离电阻的搭配，具有很宽的频带特性 。功分器基本分配路数为2路、3路和4路，通过它们 的级联可以形成多路功率分配。 16 微带二功分器的电气指标 17 功分器电气指标参数说明 插入损耗：器件直通损耗，其计算公式为所有路数 的输出功率之和与输入功率的比值，或单路的实际 直通损耗减去理想的分配损耗，一般理想分配损耗 由下式获得： 理想分配损耗（dB)=10log(1/N) N为功分器路 数 18 隔离度：当主路接匹配负载时，各输出口的对端隔离 。 幅度平衡：指频带内所有输出端口之间的幅度误差最 大值。 驻波比：指沿着信号传输方向的电压最大值和相邻电 压最小值之间的比率。 注:驻波比和回波损耗是描述器件同一电气指标的两种 不同的表达方式。 VSWR 1.201.221.251.301.351.401.50 回波损 耗(dB) 21201917.616.615.614 19 功分器的功率容量、承载功率与输入功率 在分布系统中，功分器作为下行信号来说是个功率 分配器，对上行信号来讲又是个(小信号)合路器。 功率分配器上标注的功率是指输入端口的最大输入 功率，而作为(小信号)合路器来讲，不能在输出端 口按标注的功率输入信号。 20 功分器为什么不能作大功率合路器使用？ 一般来讲，功分器也可以作合路器使用。区别 在于承受的功率不同。以二功分器为例说明。如图 ： 信号从IN输入，当信号到达A、B二点时为同频 同相信号。所以R上无电流流过即无功率损耗。信号 被平均分配到out1和out2上。而此时的功率容量主 要取决于微带线承载的功率。当然R值的选取还应考 虑out端开路、短路情况。 21 而上图作为合路器来讲，信号分别从out1和 out2输入。由于out1和out2是两个不同的信 号源，它们在A、B两点的频率和相位均不相 同。此时R上就有电流流过。经理论计算，R 上承载的功率是1/2out11/2out2。如果 out1和out2分别输入10W功率，那么R至少要 选10W以上的功率电阻。同理说明out1和out2 到达“IN”的功率只能是1/2out11/2out2 22 有一种情况INout1out2是可以成立的。 下图是一个100W功率放大器的原理图。 假如放大器1和放大器2管子配对无相位差，由于放大的 是同一个激励信号。在A、B两点是一个同频同相的50W 信号。R上无功率损耗。因此能量被全部合成到C端口。 23 由于功分器通常采用微带结构，平衡电阻R一 般取值不大。且散热面也不够大。所以功分器 不宜作大功率合成使用。而两个大功率的载波 信号合成建议采用3dB电桥。由于3dB电桥可采 用腔体结构，且可采用大功率外接负载适合大 功率信号合成使用。 24 定向耦合器的定义 定向耦合器常用于对规定流向微波信号进行取样 。在无内负载时，定向耦合器往往是一四端口网络 。 25 7dB定向耦合器的电气指标参数 26 耦合器电气指标的参数说明 耦合度：当其余端口接匹配负载时，耦合端输出功 率与主线输入功率之比。 耦合损耗：由于一定能量传输到耦合端而引起主线 输出功率减小，它等于主线插入损耗的理论值。主 线插入损耗的最小理论值与耦合度的关系如下： 27 主线损耗：我们又称之为直通端插入损耗。当匹配 负载接主线外各端口时，主线插入损耗包括能量耦 合损耗和能量耗散损耗两方面。 n如7dB耦合器的主线损耗为： n主线损耗（典型值）=0.9665+0.25=1.2665 dB n若考虑波动（设波动为0.5 dB），则7dB耦合器的 主干损耗应为1.35 dB。 28 隔离度：当输入端接匹配负载时，输出口与耦合口 之间的隔离 。 方向性：当功率在指定方向上传输时，耦合端口的 输出功率与同样功率在相反方向传输时同一耦合端 口的输出功率之差。 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386.5=31.5dB 29 驻波比：指沿着信号传输方向的电压最大值和相邻 电压最小值之间的比率。 注:驻波比和回波损耗是描述器件同一电气指标的 两种不同的表达方式。 功率容量（承载功率）：同样指在耦合器上标注的 功率是指输入端口的最大输入功率，输出口和耦合 端口不能用标注的最大功率输入。输出口和耦合端 口的最大输入功率由耦合度和负载电阻决定。 30 合路器技术指标的定义 合路器分为同频合路器和异频段合路器两种。 异频段合路器是指两个不同频段的信号功率进行 合成所用。 例如，WCDMA和GSM功率合成。由于两个信号频率 间隔较大，可以选用谐振腔选频方式来合成，其优 点是插损小，带外抑制度高，而带外抑制指标是合 路器较重要的指标之一，如带外抑制不够，会造成 GSM与WCDMA之间的相互干扰。 31 GSM&WCDMA 二路合一合路器技术规格 32 GSM通道 33 3G通道 34 同频合路器 对同频合路器来讲，由于信道间隔很小（250KHz）， 不能采用谐振腔选频方式来合路，因此只能采用宽带 合路器件，经典的作法是采用3dB电桥。 3dB电桥有两个输入口和两个输出口，两载频合路后 ，两个输出口可作信号输出用，若只需要一个输出信 号，则另一输出口需要负载吸收，此时的负载功率根 据输入信号的功率来定，不能小于两个信号功率电平 和的1/2。四载频的合路需要3只3dB电桥来完成。 35 3dB电桥 36 当电桥作为同频合路使用时，其中一个端口 需要接一个承载功率足够大的负载 37 负载 38 衰减器 39 双工器 40 滤波器 41 POI 合路单元 42 腔体器件与微带器件的比较 腔体耦合器的特点 腔体耦合器与微带耦合器相比最大优点是 插入损耗小。由于损耗少及导热面积大，它 的承载功率也较微带器件要大得多。此外， 由于耦合带的截面积较大，在制造工艺中， 可以采用接插件与耦合带线螺纹连接，使连 接的可靠性大为增加，无虚焊的可能性，即 使连接件内导体松动也不至影响器件的使用 。 43 腔体功分器与微带功分器相比最大优点是 插入损耗小。无隔离电阻的腔体功分器使室 内分布系统的可靠性提高。 腔体功分器的特点 44 室内分布系统功分器的选择 功分器在室内分布系统中有广泛应用，它可 以将基站的发射信号（Tx）分配成多路送到 多个天线，同时可以将天线接收到的信号（ Rx）返回基站接收机。 典型的二路功分器有微带（Wilkinson）和 腔体（电抗）两种，二者各有特点。 45 电抗功分器的特点 电抗功分器一般为同轴结构，它将输入的50阻抗 变换为25（使用内外导体的不同比率），25阻 抗可以与两个输出50的并联阻抗良好匹配。 46 Wilkinson功分器通常用微带结构设计，由 一对1/4波长阻抗为70.7的微带线组成，输 出端口之间串联一个100的电阻。 Wilkinson功分器的特点 47 端口1（Port 1）输入的Tx信号 在腔体功分器中, Port 1 的输入信号变换为25 ，可以与输出口Port 2（50）和Port 3（50） 的并联阻抗良好地匹配，使输入端口具有良好的驻 波VSWR。 在微带功分器中，信号平均分成等幅同相的两 路 Port 2 和 3。因为在电阻的两端电压相同，没 有电流通过电阻。1/4波长线的特性阻抗是70.7（ 2*50），当Port 2 和 3接50负载时，输入端具 有良好的驻波VSWR。 48 端口2（ Port 2）输入的Rx信号 在腔体功分器中，Port 2 的输入信号是失配的， 25%的信号会被反射掉， 25%的信号将传到输出口 Port 3，50%将直接送到Port 1，等效为Rx信号损 耗3 dB。 在微带功分器中，Port 2的信号是50匹配的，但 功率被负载电阻和Port 1平均分配。电阻的作用是 Port 2 和 Port 3的退耦，但同时对Rx信号有50%（ 3 dB）损耗。 49 插损 腔体功分器内导体的材料用黄铜，表面镀银 ，外壳用铜或铝，用空气介质， 可以认为 是损耗最小的传输线（除超导），损耗通常 为0.05 dB或更小，但通常标为0.1 dB，因 为要测试这么小的插损非常困难。 微带功分器采用微带设计，具有固有的0.3 到0.5 dB的损耗。听起来并不大，但经过多 个功分器的累积，结果是很大的。 50 系统的可靠性和安全性 对微带功分器来说，如果电缆或天线损坏，可能造 成功分器的开路或短路。但因为输出间有隔离，一 个臂的问题不会影响到另一臂。但是，还有一种情 况是Tx 信号被反射，而Tx信号比Rx信号大许多倍。 因为微带要求体积小，其电阻额定功率也小，一般 为100mw，所以，对于消耗Rx信号是没有问题的，但 当电路（天线、电缆）开路或短路时产生的反射Tx 信号，足够烧坏这个脆弱的电阻。一旦电阻烧坏， 功分器将不会正常工作，使网络的恢复更加困难。 腔体功分器没有电阻可烧，所以一旦解决了开路或 短路问题，即可马上恢复正常工作。 51 小结 腔体功分器和微带功分器工作方式非 常相似，但腔体功分器插