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盘点常用的微波无源器件之隔离器和环形器,耦合器和功分器

2022-08-25 射频学堂 阅读:
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大家好,这里是射频学堂2oQednc

有个同学在公众号留言想了解一下常用的射频器件。通常情况下,射频器件可分为有源器件和无源器件。有源器件包括PA, LNA和 RFIC 等工作需要外加电源的微波元器件,无源器件包括无源滤波器,功分器,等无需外加电源就可以工作的微波元器件。无论是有源器件还是无源器件,都是射频电路中不可或缺的部分。射频器件多种多样,我们今天先来学习一下这四种最常见的无源器件——隔离器和环形器,耦合器和功分器。2oQednc

问:什么是射频隔离器?2oQednc

答:射频隔离器是一种双端口设备,可防止射频能量返回其来源。它类似于只允许电流沿一个方向流动的二极管,或流体流动系统中的止回阀。请注意,RF 隔离器与非 RF 信号和电源设计中使用的电流(欧姆)隔离绝对没有关系,并且它不是电流隔离的。2oQednc

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问:为什么需要隔离器?2oQednc

答:它主要用于保护其他射频元件免受过度信号反射。例如,隔离器用于测试应用中,以在被测设备 (DUT) 和敏感信号源之间提供电气隔离。这是在 DUT 处的一些能量反射回源的情况下完成的。2oQednc

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问:什么是环行器?2oQednc

答:环行器是一种三端口器件,用于控制电路中信号流(射频能量)的方向。请注意,隔离器也是一个环形器,其第三个端口端接匹配负载。如下图所示2oQednc

问:环行器在哪里使用?2oQednc

答:环形器最常见的应用是发射器和接收器共用一个天线,保证高功率传输信号不能到达敏感的接收器输入端口,以防过载并可能损坏。(此功能的总称是双工器。)理想情况下,发射信号能量输出将仅到达天线端口,而不会被接收器“看到”,接收信号也只到接收器。(请注意,还有其他方法可以实现双工器功能,包括使用更昂贵的腔体双工器。)2oQednc

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问:关键性能参数及其典型值是什么?2oQednc

答:这些是最常与射频设备和功能相关的(作为无源设备,它们当然不会提供任何增益):2oQednc

  • 隔离度:通常为 10 dB 至 25 dB,取决于隔离器/环行器和负载之间的匹配。
  • 插入损耗:只要在源和负载之间有一个设备,就会有一些损耗。这些设备的插入损耗通常低于 1 dB。
  • 功率容量:铁氧体中不可避免的损失会导致热量必须以过高的温度消散,这会降低或损坏铁氧体材料的有效性。功率容量是指环形器/隔离器能够承载的最大功率,超过其功率容量,环形器/隔离器可能会被损坏。
  • 带宽/频率范围:是指环形器,隔离器的工作频率和工作带宽,通过优化设计,标准隔离器和环行器可达到数十 GHz。

    问:环行器和隔离器有哪些限制?2oQednc

    答:首先,它们的尺寸和体积与当今的微型产品不兼容,因此必须使用仅在较低功率水平下可行的替代方法。基于 MEMS 的方法是另一种正在研究的技术。其次,尽管正在开发新技术来做到这一点 ,但很难实现超过数十和数百 GHz 的可接受性能。2oQednc

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    问:在非射频/微波领域,耦合和功分是如何进行的?2oQednc

    答:在非射频领域,只需使用运算放大器和电阻器,就可以相对容易地耦合两个或多个信号或将一个信号拆分为两个或多个信号。下图显示了一个基本的组合(求和)电路。2oQednc

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    离信号的互补功能可以通过一个简单的电阻分压器来实现,尽管这种方法有很多弱点。相反,运算放大器可用于缓冲分离信号并确保各种输出之间没有交互2oQednc

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    问:这种方法适用于射频/微波信号吗?2oQednc

    答:随着频率变高或功率水平增加,它不起作用。对于射频和微波信号功率,需要非常不同的方法。与运算放大器设计一样,微波求和电路(称为耦合器)是定向的,因为能量流具有由设计定义的特定方向。因此,这些耦合器通常被称为定向耦合器。2oQednc

    问:什么是定向耦合器?2oQednc

    A:它是一个四口设备,其中Port 1是入射口,Port 2是直通口(因为它是通过直线连接的)。端口 3 为耦合端口,端口 4 为隔离端口。同样,信号如果入射到端口 2,因此端口 1 是直通端口,端口 4 是耦合端口,端口 3 是隔离端口。2oQednc

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    问:定向耦合器的主要参数是什么?2oQednc

    答:首先,与大多数微波设备一样,需要 S 参数来全面表征性能。基本规格与其他微波元件类似。假设端口 1 为入射端口,则端口 1 和端口 2 之间存在插入损耗(IL);端口 1 和端口 4 之间的隔离度(I – 入射功率与背向反射功率之比);端口 1 和端口 3 之间的耦合(C – 入射功率与正向功率之比);端口 3 和端口 4 之间的方向性(D – 正向功率与反向功率之比);当然,所有这些都以 dB 表示。2oQednc

    问:定向耦合器实际上是如何构建的?2oQednc

    答:有两种常见的方式:使用波导或使用传输线(当然还有很多子变体)。基本波导耦合器使用精确间隔和尺寸的孔,这些孔是波长和带宽的函数(并且孔可能具有非圆形形状),以允许功率在两个物理对齐的波导之间流动。因此,端口 1 上的入射能量与端口 3 上的入射能量混合。2oQednc

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    问:耦合线耦合器怎么样?2oQednc

    答:显然,许多应用由于其尺寸、成本和其他问题而无法使用波导。在某些情况下,另一种选择是基于射频传输线的耦合器。它使用一对尺寸精确的非屏蔽传输线,彼此仔细对齐。这些线路可以是离散的传输线,甚至可以是带状线/微带线实现。2oQednc

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    问:什么是功分器?2oQednc

    A:功分器器作为耦合器的补充,有很多相似之处。分配器(也称为功率分配器)吸收一些入射能量并将其转移到另一个端口。“分离”的比例可以是每个端口的一半,也可以是为测试和测量目的对入射信号进行采样所需的一小部分(例如在 1% 和 10% 之间)2oQednc

    问:功分是如何实现的?2oQednc

    答:与耦合器一样,有很多方法可以做到这一点。一种广泛使用的方法是 Wilkinson 功率分配器,它使用由物理线或 带状线/微带线构建的分离过渡线 。2oQednc

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    对于上述四种常见的微波源器件,【射频学堂】在之前的文章中也多次介绍到。点击下面文章标题查看详细内容。2oQednc

    射频/微波环形器/隔离器基础2oQednc

    定向耦合器设计详解2oQednc

    一文掌握功分器设计2oQednc

    对于这四种常见的微波元器件,我们整理了一些学习资料可供大家免费下载,需要的同学可以在文末发消息:隔离环形耦合功分,(复制粘贴,更快捷) 即可获得下载链接。2oQednc

    更多讨论也可以加入射频学堂的知识星球讨论学习。2oQednc

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