一文掌握功分器设计

注：全文共4500字，完成学习大约需要30分钟

在前一篇文章中，我们分别介绍了T型功分器和wilkinson 这两种功分器。这两种也是应用最广泛的功分器件，尤其是5G MassiveMIMO 天线电路。我们今天总结一下。

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在5G射频圈，我们学到了什么？

No.1 功率分配器的原理

功率分配器是一种微波无源设备，主要用于功率分配和合成，主要将输入信号按一定比例分为两个或多个信号输出。下图是一个常用的一分两功率分配器，端口1 输入信号功率为P1，端口2 输出功率为P2.端口3的输出功率为P3。在理想情况下，根据能量守恒定律可知 P1=P2 P3.

若上述功分器为等分功分器，即P2=P3.然后可以写三个端口功率之间的关系。

P2（dBm）=P3（dBm）=P1（dBm）-3dB.

注意单位，不能写 P1-3dBm哦？如有疑问，请咨询：

dBm与Watt快速计算(修正版)

再读一遍，别说你还不懂dB”？

1.1 功率分配器的技术指标

功率分配器的技术指标包括频率、功率、分配损耗、插入损耗、隔离和各端口的电压驻波比VSWR，也就是说，回波损耗。工作频率、功率容量、插入损耗和回波损耗是每个射频设备都必须满足的技术指标，我们不会在这里重复。这定义了功率分配器的损耗分配和隔离。

分配损耗

主路到支路的分配损耗本质上与功率分配器的功率分配比有关。例如，两等分配器的分配损耗为3dB, 四等分功率分配器的分配损耗是6dB。

定义

式中，

也就是说，分配损失是输入端口和输出端口的功率分配比。

隔离度

支路端口之间的隔离是功率分配器的另一个重要指标。

如果每个支路端口的输入功率只能从主路端口输出，而不是从其他支路输出，则需要足够的隔离。当主路与其他支路连接匹配负载时，i定义了口与j口的隔离度

No.2 T型结功率分配器

T型结功率分配器是一种可用于功率分配和功率合成的简单三端口网络。

这个T是信号从端口1 在T型节点上，信号从端口2分别分为两条路 和端口3 出来。根据信号分布的比例，功分器可分为等分类和不等分类。当然，这可以是一分两，也可以是一分多。即使你做刺猬。

如果用传输线实现，T型功分器可等效为三条传输线的结，如下图所示：E平面波导T型结，H平面波导T型结和微带T型结。在打结的地方，因为不连续性会刺激杂散场或高次模，如果这不是连续的，我们可以使用等效电纳B来估计能量存储。

其传输线模型可等效为：

假设信号输入端传输线的特征阻抗是Z0.输出端的阻抗是Z1和Z2.为了使信号在输入时反射到足够小的信号，我们需要在端口1中查看过去的等效阻抗。也就是说Z1和Z并联阻抗等于端口11 的特征阻抗Z0.

此时需要满足：

此时，信号不会在T型结处反射。也可以按照端口2和端口3的功率分配比例Z2：Z1分配这个比值。比如一分二等分型功分器，Z2：Z1=1，那么Z1=Z2=2*Z0.如果输入阻抗为50Ohm，那么Z1=Z2=100Ohm。四分之一波长阻抗变换器通常用于此时Z1和Z2阻抗转换为所需值，如50Ohm。请注意，该分配器的两个输出端口没有隔离，从输出端口看过去的阻抗是不匹配的。

另一个例子是2:1功分器，如果输入阻抗为50Ohm。端口2 的阻抗为Z1=150Ohm， 端口3的阻抗为Z2=75Ohm。从输入端口1看过去的阻抗Z1和Z并联阻抗等于50Ohm，也就是说输入端口1是匹配的。但是从端口2看到的并联阻抗是30Ohm，端口3的并联阻抗为37.5Ohm。反射系数为：

端口2 回波损失为：RL=3.5dB

端口3的回波损失为：RL=9.5dB

如果只使用T型分配器进行功率分配，在很多情况下是可以的。但如果反过来用作功率合成，反射似乎有点离谱，这取决于你是否能承受。

以下是一些常见的T型功分器结构图片，作为设计参考，看看你在设计中使用了什么？

这是天线阵馈电网络，在完成相位转换的同时，使用T型功分器将信号分成两分四。

下面是一个小尺寸超宽带功分器，来自专利CN205646094U。
包括电路板和设置在电路板上的功分电路。功分电路具有连接到输入端口的输入信号传输段和连接到输出端口的两个输出信号传输段。输入信号传输段和输出信号传输段通过电路节点电连接，输入信号传输段和输出信号传输段的信号传输路径长度为1/6λ—1/9λ，在所述功分电路中，信号传输路径的长度为1/3λ—1/6λ线路匹配段用于匹配线路阻抗。在更多的环境中，降低了功分器的尺寸。它减小了功分器的尺寸，使其能够应用于更多的环境。它克服了信号传输分支长度缩短导致线路电容电感效应和阻抗不匹配的问题，保证了功分器的性能。

这是一种SIW的功分器

下面是一种同轴功分器。

矩形波导功分器，来自专利CN206849997U

本实用新型公开了一种波导功分器。其整体设计结构可使输出功分处理后的电磁信号腔长为标准波导宽边尺寸的75%至80%，宽度为标准波导窄边尺寸的35%至40%，其整体体积可远小于传统波导功分设备，两个功分输出腔之间的电磁信号相互隔离。因此，本申请实施例中的波导功分器具有提高波导功分器小型化程度、隔离波导功分器输出电磁信号的技术效果。

下面是两款脊导功分器

来自专利：CN107464972A

本发明属于微波技术领域，涉及一种脊波导分器，包括上脊波导和下脊波导。上脊波导和下脊波导之间有一个共用壁。共用壁上有连接上下脊波导的工字形间隙。上脊波导的一端关闭，另一端构成脊波导分器的总端口。下脊波导分器的两端构成脊波导分器的两个端口；上脊波导封闭端内侧设有凸形短路面，短路面轮廓与工字缝隙一侧U形边缘平齐。本发明将短路面设置为与工字缝隙相匹配的凸面，既满足了功分器的功率和电路匹配要求，又缩短了功分器的短路面和整体长度。

本发明的技术解决方案是提供一种基于脊柱导体结构的五端口导体功分器，其特点是：包括中心三脊柱导体11、E表面排列的三个输入单脊柱导体31和两个输出单脊柱导体21；上述三个输入单脊柱导体31、中心三脊柱导体11和两个输出单脊柱导体21沿E表面中心线对称分布，以确保功分器中两个输出的相等范围。

中心三脊波导11端的三个脊与输入单脊波导31的三个脊连接，中心三脊波导11另一端的两个脊与输出单脊波导21的两个脊连接；输入单脊波导两侧的两个单脊矩形波导端口作为两个匹配端口，实现输入输出端口的匹配和两个输出端口之间的高隔离。

以下一分三功率分配器也来自一项专利。

No.3 Wilkinson 功分器

无耗T型结功率分配器不能在所有端口匹配，也不能在两个输出端口之间隔离。以下是工程中应用最广泛的功率分配器——Wilkinson 功分器：当输出端口匹配时，它仍然具有无耗的特性。只有当输出端反射信号时，才能在电阻处吸收，从而实现两个输出端口的隔离。

上图是传统等分Wilkinson 让我们一起来看看功分器。Wilkinson 如何解决这个问题？

在《微波工程》一书中，作者用奇偶模分析Wilkinson分析功分器。奇偶模分析是微波设计中最常用的分析方法。用单个端口输入分析比较复杂，但一个信号可以分解为奇模和偶模的内叠加。奇模分析相当于在两条线之间添加一个地面。偶模分析是两条线并行，可以一段线进行电路，场的分析。根据电路线性相加的原理，二者的作用效果一叠加，结果就出来了。

 

 

 

对于这种方法，我也是一知半解，今天刚好通过Wilkinson功分器的学习，一起来复习一下这种分析方法。

 

书中首先对Wilkinson 功分器的电路图进行归一化。

 

等效传输线电路

等效电路归一化和对称化

 

这个归一化很简单，即所有阻抗对输入端口传输线特征阻抗Z0进行归一化。端口1处，归一化电阻值为1，从中心线对称，源电阻可以表示为两个电阻值为2的电阻并联。四分之一波长传输线的归一化阻抗为Z，对于上文提到的二等分功分器，阻抗为根号（2），端口2和端口3之间的归一化电阻值为2. 可以表示为两个电阻值为1的电阻串联。

奇偶模分析法首先要定义出来电路激励的分离模式：偶模Vg2=Vg3=2V0；奇模，Vg2=-Vg3=2V0. 然后这两个模式叠加，有效的激励就是Vg2=4V0，Vg3=0.

 

首先看偶模激励Vg2=Vg3=2V0，因此V2e=V3e，电阻r两端电压相等，没有电流流过电阻r，所以端口1的两个传输线输入之间短路。因此可以把上图归一化电路剖分开，如下图所示。

这个时候从端口2看进去的阻抗为：

很简单了，如果Z=根号（2）的话，那么Zine=1，，那么端口2就是匹配的，且有V2e=V0。

 

 

根据传输线方程可以求出V1e。

在端口1处，反射系数┏是：

所以：

接下来进行奇模分析。对于奇模激励，Vg2=-Vg3=2V0，因此V2o=-V3o；沿着归一化电路中线分开是电压零点，所以将电路分解成两个部分，如下图所示：

从端口2看过去的阻抗为r/2. 这是因为端口1处短路，经过四分之一波长变换器在端口2处等效为开路。对于等分功分器，如果r=2，r/2=1，则端口2 是匹配的。这时，有V2o=V0，V1o=0.对于这种激励模式，全部功率都传输到电阻r上。而没有进入端口1.

对于等分功分器，上下两部分是对称的，因此，我们也能得到端口3也是匹配的。

那么端口1 是不是匹配的呢？当端口2和端口3都接匹配负载时，端口1处的输入阻抗是多少呢？等效电路如下图所示，因为V2=V3，因此没有电流流过电阻r，可以直接被忽略。留下b的电路。这个时候就简单了。

从端口1处看过去是两个接有阻抗为1的四分之一波长变换器并联的阻抗。四分之一波长阻抗变换器怎么用呢？详情请点击阅读《射频工程师必知必会——四分之一波长阻抗变换器》。

因此端口1也是匹配的。

 

讲到这里，不知道大家明白了吗？反正对于奇偶模分析，我是越看越模糊。如果大家有新的资料，烦请分享。谢谢

 

不管怎么样，请记住，当所有终端都匹配时，全部端口都是匹配的。更巧妙的是，当信号从端口1输入时，信号没有经过电阻r。所以没有功率消耗在电阻r上。但是当信号从端口2和端口3输入时，会有部分功率消耗在电阻r上。因此，端口2和端口3又是隔离的。

 

注意，凡是涉及到波长的，都是窄带的。对于Wilkinson 功分器，窄带就窄在中间的那两节四分之一波长传输线上。

 

最后，我们给出任意分配的Wilkinson功分器的设计公式：

这样看来，Wilkinson 虽然解决了功分器的端口匹配和隔离问题，但是如果作为信号合成的话，还是有不少的信号功率要牺牲在负载电容上。这个也不是很爽。有没有能实现较好的信号合成的呢？我们慢慢来看。。。。

我们一起看下一些常见的宽带Wilkinson 功分器。

注意，一看这种串联几个变换器的就是一款宽带产品。

下图是一款8G-18G的宽带功分器，通过功分器的级联，实现了宽带的一分八功能。

 

这个毫无以为，也是一款宽带的一分16功分器。。。。

全文完。。。

参考文献：

1，微波工程 David M. Pozar

 

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