什么是功分器(功分器原理詳解)

　　一、什么是功分器

　　功分器全稱功率分配器，英文名Power divider，是一種將一路輸入信號(hào)能量分成兩路或多路輸出相等或不相等能量的器件，也可反過(guò)來(lái)將多路信號(hào)能量合成一路輸出，此時(shí)可也稱為合路器。一個(gè)功分器的輸出端口之間應(yīng)保證一定的隔離度。功分器按輸出通常分為一分二（一個(gè)輸入兩個(gè)輸出）、一分三（一個(gè)輸入三個(gè)輸出）等。功分器的主要技術(shù)參數(shù)有功率損耗（包括插入損耗、分配損耗和反射損耗）、各端口的電壓駐波比，功率分配端口間的隔離度、幅度平衡度，相位平衡度，功率容量和頻帶寬度等。

　　1、功分器從結(jié)構(gòu)上分為兩大類：

　?。ㄒ唬o(wú)源功分器，它的主要特點(diǎn)是：工作穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，基本上無(wú)噪聲；而它的主要缺點(diǎn)是接入損耗太大。

　?。ǘ┯性垂Ψ制饔?a href="http://srfitnesspt.com/tags/放大器/" target="_blank">放大器組成，它的主要特點(diǎn)是：有增益，隔離度較高，而它的主要缺點(diǎn)是有噪聲，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜一些，工作穩(wěn)定性相對(duì)較差。功分器輸出的端口有二功分，三功分，四功分，六功分，八功分，十二功分。

　　2、下面對(duì)幾種常見的微帶功分器進(jìn)行分析與對(duì)比：

　　1）、微帶分支線定向耦合器

　　微帶分支線定向耦合器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由兩根平行導(dǎo)帶組成，通過(guò)兩條分支導(dǎo)帶實(shí)現(xiàn)耦合，分支導(dǎo)帶的長(zhǎng)度及其間隔均為四分之一線上波長(zhǎng)。理想情況下端口1輸入無(wú)反射，輸入的功率由2、3端口輸出，端口4無(wú)輸出，即1、4端口相互隔離。由微波理論中的奇偶模分析法可以計(jì)算出，對(duì)于功率平分的情況，分支導(dǎo)帶的特性阻抗與輸入輸出線相同，而平行導(dǎo)帶的特性阻抗為輸入輸出線的1/，S12與S13有π/2的相位差。微帶分支線電橋主要用作微帶平衡混頻器，由于端口1和4相互隔離，故本振和信號(hào)互不影響，同時(shí)由微帶線的平面特性，混頻晶體很容易連接在端口上，電路結(jié)構(gòu)既簡(jiǎn)單又緊湊。

　　圖1 微帶分支線定向耦合器

　　2）、Wilkinson功分器

　　Wilkinson功分器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其輸入線和輸出線的特性阻抗都是。對(duì)于功率平分的情況，輸入和輸出口間的分支線特性阻抗=，線長(zhǎng)為四分之一線上波長(zhǎng)，在分支線末端跨接一個(gè)電阻R，其值為2。由微波理論可以證明，這種功分器當(dāng)2、3口接匹配負(fù)載時(shí)，1口的輸入無(wú)反射，反過(guò)來(lái)對(duì)2、3口也如此。由端口1輸入的功率被平分到端口2和3，且2、3端口間相互隔離。

　　圖2 Wilkinson功率二分器

　　3）、雙線二分器

　　雙線二分器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，它的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，而且能夠根據(jù)給定的輸入阻抗靈活地調(diào)整分支線的特性阻抗以達(dá)到良好的匹配，因此在天線的饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用，但它的缺點(diǎn)在于輸出端之間沒有很好的隔離。

　　圖3 雙線二分器

　　對(duì)上述幾種功分器的性能作對(duì)比如下：

　　二、功分器原理詳解

　　功率分配器是個(gè)三端口電路結(jié)構(gòu)（3 Port network），如圖所示，其輸出端口之間的相移為零。這種三端口裝置是可逆的，它既能以功率分配的形式又能以功率合成的形式應(yīng)用。其信號(hào)輸入端的輸入功率為P1，而其它兩個(gè)輸出端的輸出功率分別為P2及P3。理論上，以能量守恒定律可知P1=P2+P3。

　　若P2=P3并以毫瓦分貝（dBm）來(lái)表示三端口網(wǎng)絡(luò)功率間的關(guān)系，則可寫成：P2（dBm）=P3（dBm）=Pin（dBm）-3dB。 當(dāng)然P2并不一定要等于P3，只是相等的情況最常被使用于實(shí)際電路中。因此，功率分配器大致上可分為等分型（P2=P3）及比例型兩種類型。其設(shè)計(jì)原理依序說(shuō)明如下： 下圖是微帶三端口功分器原理圖，它是在微帶T形接頭的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。信號(hào)由端口“1”輸入（所接傳輸線的特性阻抗為Z0）分別經(jīng)特性阻抗為Z02，Z03的兩分支微帶線從端口“2“，“3”輸出，負(fù)載電阻分別為R2，R3。兩分支間無(wú)耦合，各自在中心頻率時(shí)的電長(zhǎng)度均為θ=pi/2。

　　功率分配器應(yīng)滿足下列條件：

　?、?端口”2”與端口”3“的輸出功率比可為任意指定值；

　?、?輸入端口“1”無(wú)反射；

　?、?端口”2”與端口”3”的輸出電壓等幅、同相。

　　由這些條件可確定Z02，Z03及R2，R3的值。

　　由于端口“2”，“3”的輸出功率與輸出電壓的關(guān)系為：