什么是功分器(功分器原理详解)

　　一、什么是功分器

　　功分器全称功率分配器，英文名Power divider，是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时可也称为合路器。一个功分器的输出端口之间应保证一定的隔离度。功分器按输出通常分为一分二（一个输入两个输出）、一分三（一个输入三个输出）等。功分器的主要技术参数有功率损耗（包括插入损耗、分配损耗和反射损耗）、各端口的电压驻波比，功率分配端口间的隔离度、幅度平衡度，相位平衡度，功率容量和频带宽度等。

　　1、功分器从结构上分为两大类：

　　（一）无源功分器，它的主要特点是：工作稳定，结构简单，基本上无噪声；而它的主要缺点是接入损耗太大。

　　（二）有源功分器由放大器组成，它的主要特点是：有增益，隔离度较高，而它的主要缺点是有噪声，结构相对复杂一些，工作稳定性相对较差。功分器输出的端口有二功分，三功分，四功分，六功分，八功分，十二功分。

　　2、下面对几种常见的微带功分器进行分析与对比：

　　1）、微带分支线定向耦合器

　　微带分支线定向耦合器的结构如图1所示，它由两根平行导带组成，通过两条分支导带实现耦合，分支导带的长度及其间隔均为四分之一线上波长。理想情况下端口1输入无反射，输入的功率由2、3端口输出，端口4无输出，即1、4端口相互隔离。由微波理论中的奇偶模分析法可以计算出，对于功率平分的情况，分支导带的特性阻抗与输入输出线相同，而平行导带的特性阻抗为输入输出线的1/，S12与S13有π/2的相位差。微带分支线电桥主要用作微带平衡混频器，由于端口1和4相互隔离，故本振和信号互不影响，同时由微带线的平面特性，混频晶体很容易连接在端口上，电路结构既简单又紧凑。

　　

　　图1 微带分支线定向耦合器

　　2）、Wilkinson功分器

　　Wilkinson功分器的结构如图2所示，其输入线和输出线的特性阻抗都是。对于功率平分的情况，输入和输出口间的分支线特性阻抗=，线长为四分之一线上波长，在分支线末端跨接一个电阻R，其值为2。由微波理论可以证明，这种功分器当2、3口接匹配负载时，1口的输入无反射，反过来对2、3口也如此。由端口1输入的功率被平分到端口2和3，且2、3端口间相互隔离。

　　

　　图2 Wilkinson功率二分器

　　3）、双线二分器

　　双线二分器的结构如图3所示，它的结构很简单，而且能够根据给定的输入阻抗灵活地调整分支线的特性阻抗以达到良好的匹配，因此在天线的馈电网络设计中得到了广泛应用，但它的缺点在于输出端之间没有很好的隔离。

　　

　　图3 双线二分器

　　对上述几种功分器的性能作对比如下：

　　

　　二、功分器原理详解

　　功率分配器是个三端口电路结构（3 Port network），如图所示，其输出端口之间的相移为零。这种三端口装置是可逆的，它既能以功率分配的形式又能以功率合成的形式应用。其信号输入端的输入功率为P1，而其它两个输出端的输出功率分别为P2及P3。理论上，以能量守恒定律可知P1=P2+P3。

　　

　　若P2=P3并以毫瓦分贝（dBm）来表示三端口网络功率间的关系，则可写成：P2（dBm）=P3（dBm）=Pin（dBm）-3dB。 当然P2并不一定要等于P3，只是相等的情况最常被使用于实际电路中。因此，功率分配器大致上可分为等分型（P2=P3）及比例型两种类型。其设计原理依序说明如下： 下图是微带三端口功分器原理图，它是在微带T形接头的基础上发展起来的，其结构较简单。信号由端口“1”输入（所接传输线的特性阻抗为Z0）分别经特性阻抗为Z02，Z03的两分支微带线从端口“2“，“3”输出，负载电阻分别为R2，R3。两分支间无耦合，各自在中心频率时的电长度均为θ=pi/2。

　　

　　功率分配器应满足下列条件：

　　① 端口”2”与端口”3“的输出功率比可为任意指定值；

　　② 输入端口“1”无反射；

　　③ 端口”2”与端口”3”的输出电压等幅、同相。

　　由这些条件可确定Z02，Z03及R2，R3的值。

　　由于端口“2”，“3”的输出功率与输出电压的关系为：