射頻功分器設(shè)計(jì)方案

功率分配器是一種微波無源器件，主要用于功率分配和合成，主要是把一個(gè)輸入信號(hào)按照一定比例分成兩路或者多路信號(hào)輸出。下圖是一個(gè)常用的一分二功率分配器，端口1 輸入的信號(hào)功率為P1，端口2 輸出功率為P2，端口3輸出功率為P3。在理想情況下，根據(jù)能量守恒定律可知 P1=P2+P3.

如果上述的功分器是一個(gè)等分功分器，即P2=P3.那么三個(gè)端口功率之間的關(guān)系可以寫作。

P2（dBm）=P3（dBm）=P1（dBm）-3dB.

注意單位，不可以寫作 P1-3dBm哦？有疑問的話請(qǐng)查閱：

dBm與Watt的快速計(jì)算（修正版）

再讀一遍，別說你還不懂“dB”？

1.1 功率分配器的技術(shù)指標(biāo)

功率分配器的技術(shù)指標(biāo)包括頻率，功率，分配損耗，插入損耗，隔離度和每個(gè)端口的電壓駐波比VSWR，也就是回波損耗。工作頻率，功率容量，插入損耗和回波損耗是每個(gè)射頻器件都必須滿足的技術(shù)指標(biāo)，我們這里不再贅述。這對(duì)于功率分配器，我們給出分配損耗和隔離度的定義。

分配損耗

主路到支路的分配損耗實(shí)質(zhì)上與功率分配器的功率分配比有關(guān)。如兩等分功率分配器的分配損耗是3dB, 四等分功率分配器的分配損耗是6dB。

定義

式中，

也就是說分配損耗就是輸入端口和輸出端口的功率分配比。

隔離度

支路端口間的隔離度是功率分配器的另一個(gè)重要指標(biāo)。

如果從每個(gè)支路端口輸入功率只能從主路端口輸出,而不應(yīng)該從其他支路輸出,這就要求支路之間有足夠的隔離度。在主路和其他支路都接匹配負(fù)載的情況下,i口和j口的隔離度定義為

No.2 T型結(jié)功率分配器

T型結(jié)功率分配器是一種簡單的三端口網(wǎng)絡(luò)，如下圖所示，能用于功率分配和功率合成。

這個(gè)T就是信號(hào)從端口1 進(jìn)去，在T型節(jié)點(diǎn)上，信號(hào)分成兩路，分別從端口2 和端口3 出來。根據(jù)信號(hào)分配的比例，功分器可以分為等分型和不等分型。當(dāng)然，這個(gè)可以一分二，就可以一份多。甚至你做成刺猬都行。

用傳輸線來實(shí)現(xiàn)的話，T型功分器可以等效為一個(gè)三條傳輸線的結(jié)，就比如下圖這三種：E平面波導(dǎo)T型結(jié)，H平面波導(dǎo)T型結(jié)和微帶T型結(jié)。在打結(jié)的地方，因?yàn)椴贿B續(xù)性會(huì)激發(fā)出雜散場(chǎng)或者高次模，如果這個(gè)不連續(xù)不能忽略的話，我們可以用一個(gè)等效電納B來估算能量儲(chǔ)存。

其傳輸線模型可以等效為：

假設(shè)信號(hào)輸入端傳輸線的特征阻抗為Z0，輸出端的阻抗分別是Z1和Z2.那么為了使的信號(hào)在輸入的時(shí)候，反射回來的信號(hào)足夠的小，我們就需要在端口1看過去的等效阻抗是匹配的。即Z1和Z2并聯(lián)阻抗等于端口1 的特征阻抗Z0.

這個(gè)時(shí)候就需要滿足：

這個(gè)時(shí)候信號(hào)在這個(gè)T型結(jié)處才不會(huì)有反射。端口2和端口3功率分配比例也就可以按照這個(gè)Z2：Z1這個(gè)比值去分配。比如一個(gè)一分二的等分型功分器，Z2：Z1=1，那么Z1=Z2=2*Z0.如果輸入阻抗為50Ohm，那么Z1=Z2=100Ohm。這個(gè)時(shí)候，通常會(huì)用四分之一波長阻抗變換器，將Z1和Z2的阻抗變換到所希望的值，比如50Ohm。注意，這種分配器的兩個(gè)輸出端口是沒有隔離的，從輸出端口看過去的阻抗是失配的。

再比如一個(gè)2：1的功分器，如果輸入阻抗為50Ohm。端口2 的阻抗為Z1=150Ohm， 端口3的阻抗為Z2=75Ohm。從輸入端口1看過去的阻抗為Z1和Z2的并聯(lián)阻抗等于50Ohm，也就是說輸入端口1是匹配的。但是從端口2看進(jìn)去的并聯(lián)阻抗為30Ohm，端口3看進(jìn)去的并聯(lián)阻抗為37.5Ohm。這兩個(gè)端口都是不匹配的，反射系數(shù)為：

端口2 的回波損耗為：RL=3.5dB

端口3的回波損耗為：RL=9.5dB

如果僅用T型分配器做功率分配的話，在很多情況下還可以。但是如果反過來用作功率合成的話，反射似乎有點(diǎn)離譜，就看你能不能承受啦。。。。

下面是搜集到的一些常見的T型功分器的結(jié)構(gòu)圖片，作為設(shè)計(jì)參考，看一下，您的設(shè)計(jì)中用到過哪些？

這是一個(gè)天線陣的饋電網(wǎng)絡(luò)，利用T型功分器將信號(hào)一分二，二分四的同時(shí)，完成相位的轉(zhuǎn)換。

下面是一種小尺寸超寬帶功分器，來自專利CN205646094U。
包括電路板以及設(shè)置在電路板上的功分電路，所述功分電路具有一個(gè)連接至輸入端口的輸入信號(hào)傳輸段和兩個(gè)連接至輸出端口的輸出信號(hào)傳輸段，輸入信號(hào)傳輸段和輸出信號(hào)傳輸段通過一個(gè)電路節(jié)點(diǎn)電連接，所述輸入信號(hào)傳輸段和輸出信號(hào)傳輸段的信號(hào)傳輸路徑長度均為1/6λ—1/9λ，所述的功分電路中，在連接輸入信號(hào)傳輸段和輸出信號(hào)傳輸段的電路節(jié)點(diǎn)處還接有一個(gè)信號(hào)傳輸路徑長度為1/3λ—1/6λ的用于匹配線路阻抗的線路匹配段。減小了功分器的尺寸，使其能夠應(yīng)用于的更多的環(huán)境中。克服了信號(hào)傳輸枝節(jié)長度縮短導(dǎo)致的線路電容電感效應(yīng)、阻抗不匹配的問題，保證了功分器性能。

這是一種SIW的功分器

下面是一種同軸線功分器。

矩形波導(dǎo)功分器，來自專利CN206849997U

本實(shí)用新型公開了一種波導(dǎo)功分器，其整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以使得輸出功分處理后的電磁信號(hào)的腔口長度為標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)寬邊尺寸的75％至80％，寬度為標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)窄邊尺寸的35％至40％，并且其整體體積可以遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)波導(dǎo)功分設(shè)備，兩個(gè)功分輸出腔口之間的電磁信號(hào)是互相隔離的。因此，本申請(qǐng)實(shí)施例中的波導(dǎo)功分器具有提高波導(dǎo)功分器的小型化程度及實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)功分器輸出電磁信號(hào)互相隔離的技術(shù)效果。

下面是兩款脊波導(dǎo)功分器

來自專利：CN107464972A

本發(fā)明屬于微波技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種脊波導(dǎo)功分器，包括上層脊波導(dǎo)和下層脊波導(dǎo)，所述上層脊波導(dǎo)和下層脊波導(dǎo)之間具有一共用壁，該共用壁上設(shè)有連通上、下層脊波導(dǎo)的工字形縫隙，所述上層脊波導(dǎo)的一端封閉，另一端構(gòu)成脊波導(dǎo)功分器的總端口，所述下層脊波導(dǎo)功分器的兩端構(gòu)成脊波導(dǎo)功分器的兩個(gè)分端口；所述上層脊波導(dǎo)的封閉端的內(nèi)側(cè)設(shè)有凸形短路面，該短路面的輪廓與工字形縫隙其中一側(cè)的U形邊緣平齊。本發(fā)明將短路面設(shè)置成與工字形縫隙相匹配的凸面狀，即滿足了功分器的功分及電路匹配要求，又縮短了功分器的短路面及整體長度尺寸。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種基于脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的五端口波導(dǎo)功分器，其特殊之處在于：包括中心三脊波導(dǎo)11、沿E面排列的三個(gè)輸入單脊波導(dǎo)31與兩個(gè)輸出單脊波導(dǎo)21；上述三個(gè)輸入單脊波導(dǎo)31、中心三脊波導(dǎo)11與兩個(gè)輸出單脊波導(dǎo)21均沿E面中心線對(duì)稱分布，以確保其用于功分器時(shí)兩路輸出的等幅同相。

中心三脊波導(dǎo)11一端的三個(gè)脊分別與三個(gè)輸入單脊波導(dǎo)31的脊連接，中心三脊波導(dǎo)11另一端的兩側(cè)的脊分別與兩個(gè)輸出單脊波導(dǎo)21的脊連接；輸入單脊波導(dǎo)兩側(cè)的兩個(gè)單脊矩形波導(dǎo)端口作為兩個(gè)匹配端口用來實(shí)現(xiàn)輸入輸出端口的匹配及兩個(gè)輸出端口之間的高隔離度。

下面這個(gè)一分三功率分配器也是來自一篇專利。

No.3 Wilkinson 功分器

無耗T型結(jié)功率分配器無法在所有端口都實(shí)現(xiàn)端口匹配，且在兩個(gè)輸出端口處也沒有隔離。工程中應(yīng)用最為廣泛的功率分配器就是下面這種——Wilkinson 功分器：當(dāng)輸出端口都匹配時(shí)，它仍具有無耗特性，只有當(dāng)輸出端反射了信號(hào)，才會(huì)在電阻處吸收，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)輸出端口的隔離。

上圖是一個(gè)傳統(tǒng)的等分Wilkinson 功分器。我們一起來看看Wilkinson 是如何解決這個(gè)問題的呢？

在《微波工程》一書中，作者用到了奇偶模分析來進(jìn)行Wilkinson功分器的分析。奇偶模分析是微波設(shè)計(jì)中最常用的一種分析方法。用**單一的端口輸入分析起來比較復(fù)雜，但是一個(gè)信號(hào)可以分解為奇模和偶模的內(nèi)疊加，奇模分容析相當(dāng)于在兩段線之間加了一個(gè)地，偶模分析就是兩條線并行，可以用一段線進(jìn)行電路，場(chǎng)的分析。根據(jù)電路線性相加的原理，二者的作用效果一疊加，結(jié)果就出來了。

對(duì)于這種方法，我也是一知半解，今天剛好通過Wilkinson功分器的學(xué)習(xí)，一起來復(fù)習(xí)一下這種分析方法。

書中首先對(duì)Wilkinson 功分器的電路圖進(jìn)行歸一化。

等效傳輸線電路

等效電路歸一化和對(duì)稱化

這個(gè)歸一化很簡單，即所有阻抗對(duì)輸入端口傳輸線特征阻抗Z0進(jìn)行歸一化。端口1處，歸一化電阻值為1，從中心線對(duì)稱，源電阻可以表示為兩個(gè)電阻值為2的電阻并聯(lián)。四分之一波長傳輸線的歸一化阻抗為Z，對(duì)于上文提到的二等分功分器，阻抗為根號(hào)（2），端口2和端口3之間的歸一化電阻值為2. 可以表示為兩個(gè)電阻值為1的電阻串聯(lián)。

奇偶模分析法首先要定義出來電路激勵(lì)的分離模式：偶模Vg2=Vg3=2V0；奇模，Vg2=-Vg3=2V0. 然后這兩個(gè)模式疊加，有效的激勵(lì)就是Vg2=4V0，Vg3=0.

首先看偶模激勵(lì)Vg2=Vg3=2V0，因此V2e=V3e，電阻r兩端電壓相等，沒有電流流過電阻r，所以端口1的兩個(gè)傳輸線輸入之間短路。因此可以把上圖歸一化電路剖分開，如下圖所示。

這個(gè)時(shí)候從端口2看進(jìn)去的阻抗為：

很簡單了，如果Z=根號(hào)（2）的話，那么Zine=1，，那么端口2就是匹配的，且有V2e=V0。

根據(jù)傳輸線方程可以求出V1e。

在端口1處，反射系數(shù)┏是：

所以：

接下來進(jìn)行奇模分析。對(duì)于奇模激勵(lì)，Vg2=-Vg3=2V0，因此V2o=-V3o；沿著歸一化電路中線分開是電壓零點(diǎn)，所以將電路分解成兩個(gè)部分，如下圖所示：

從端口2看過去的阻抗為r/2. 這是因?yàn)槎丝?處短路，經(jīng)過四分之一波長變換器在端口2處等效為開路。對(duì)于等分功分器，如果r=2，r/2=1，則端口2 是匹配的。這時(shí)，有V2o=V0，V1o=0.對(duì)于這種激勵(lì)模式，全部功率都傳輸?shù)诫娮鑢上。而沒有進(jìn)入端口1.

對(duì)于等分功分器，上下兩部分是對(duì)稱的，因此，我們也能得到端口3也是匹配的。

那么端口1 是不是匹配的呢？當(dāng)端口2和端口3都接匹配負(fù)載時(shí)，端口1處的輸入阻抗是多少呢？等效電路如下圖所示，因?yàn)閂2=V3，因此沒有電流流過電阻r，可以直接被忽略。留下b的電路。這個(gè)時(shí)候就簡單了。

從端口1處看過去是兩個(gè)接有阻抗為1的四分之一波長變換器并聯(lián)的阻抗。四分之一波長阻抗變換器怎么用呢？詳情請(qǐng)點(diǎn)擊閱讀《射頻工程師必知必會(huì)——四分之一波長阻抗變換器》。

因此端口1也是匹配的。

講到這里，不知道大家明白了嗎？反正對(duì)于奇偶模分析，我是越看越模糊。如果大家有新的資料，煩請(qǐng)分享。謝謝

不管怎么樣，請(qǐng)記住，當(dāng)所有終端都匹配時(shí)，全部端口都是匹配的。更巧妙的是，當(dāng)信號(hào)從端口1輸入時(shí)，信號(hào)沒有經(jīng)過電阻r。所以沒有功率消耗在電阻r上。但是當(dāng)信號(hào)從端口2和端口3輸入時(shí)，會(huì)有部分功率消耗在電阻r上。因此，端口2和端口3又是隔離的。

注意，凡是涉及到波長的，都是窄帶的。對(duì)于Wilkinson 功分器，窄帶就窄在中間的那兩節(jié)四分之一波長傳輸線上。

最后，我們給出任意分配的Wilkinson功分器的設(shè)計(jì)公式：

這樣看來，Wilkinson 雖然解決了功分器的端口匹配和隔離問題，但是如果作為信號(hào)合成的話，還是有不少的信號(hào)功率要犧牲在負(fù)載電容上。這個(gè)也不是很爽。有沒有能實(shí)現(xiàn)較好的信號(hào)合成的呢？我們慢慢來看。。。。

我們一起看下一些常見的寬帶Wilkinson 功分器。

注意，一看這種串聯(lián)幾個(gè)變換器的就是一款寬帶產(chǎn)品。

下圖是一款8G-18G的寬帶功分器，通過功分器的級(jí)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了寬帶的一分八功能。

這個(gè)毫無以為，也是一款寬帶的一分16功分器。

審核編輯：湯梓紅