第12讲-功分器
功分器基础知识课件
(3) 分配损耗－也叫作功分器的理论损耗。 Ad ＝10log (1/N ) 。(4) 插入损耗－由于传输线的介质或导体不理想等因素，由各种非理想状态引入 的损耗。 ( IL)IL ＝A－ Ad (A－实际测量值； Ad －分配损耗值)损耗－输出端与输入端功率比(＝ 10lg(pout/pin )。是分配损耗与插入损耗之 和，也就是测试时直接从仪器上读出的S21值。常用单位： dB测试方法： 使用矢量网络分析仪直接测试。测试时将产品输入端与被测试的 输出端分别与仪器两个通道相连，其余端口端接50欧姆匹配负载。此时，测试 出的是产品损耗值，要得到插入损耗值，还需减去产品的分配损耗值(即理论损 耗)。备注： 不等分功分器一般不使用插入损耗的概念，往往使用与标称 分配值之间的误差来确定，其损耗应严格按总输出功率与总输入功率获 得比值进行。
1. MHz、GHz (Hz、KHz)描述频率的单位。2 . dB (dBm、dBc)在射频、微波电路中用波的概念来描述能量的传递，用功率而不用电 压或电流。dB － 比值。描述衰减或增益。 dB＝10lg(p2/p1)。dBm － 比值。功率单位。 dBm ＝ 10lg(p/ 1 mw)。dBc － 比值。功率的相对大小。dBc＝ 10lg(po/pi) ＝po(dBm)- pi(dBm)3 . W功率单位。4 . 。描述相位的单位。
功分器
90°功率分配/合成器性能特点● 最大输入功率2W（连续波）● 低插损、高隔离● 良好的幅/相平衡性● 驻波系数小● 50Ω阻抗匹配，电性能稳定可靠● 多种标准封装形式可选● 满足军用工作环境要求：-55℃～+85℃极限参数● 最大输入功率：2W● 工作温度范围：-55℃～+85℃● 储存温度范围：-65℃～+125℃使用说明● 电路输入输出用50Ω微带线连接，要求二路输出微带线电长度一致● 大功率应用时应采用散热措施，以确保散热良好安装时要求管壳底部与地紧密接触，保证接地良好功分器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，此时也可称为合路器。
一个功分器的输出端口之间应保证一定的隔离度。
功分器通常为能量的等值分配，通过阻抗变换线的级联与隔离电阻的搭配，具有很宽的频带特性。
技术指标说明插入损耗器件的直通损耗，其计算公式为所有路的输出功率之和与输入功率的比值。
或者单路的实际直通损耗减去理想的分配损耗。
（理想分配损耗=10log(1/N) N为功分器路数）隔离度当主路接匹配负载时，各分配支路之间的衰减量。
幅度平衡频带内所有输出端口之间的幅度误差最大值。
相位平衡频带内所有输出端口之间相对于输入端口相移量起伏程度。
180°功率分配/合成器性能特点最大输入功率2W（连续波）低插损、高隔离良好的幅/相平衡性驻波系数小50Ω阻抗匹配，电性能稳定可靠多种标准封装形式可选满足军用工作环境要求：-55℃～+85℃极限参数最大输入功率：2W工作温度范围：-55℃～+85℃储存温度范围：-65℃～+125℃使用说明电路输入输出用50Ω微带线连接，要求二路输出微带线电长度一致大功率应用时应采用散热措施，以确保散热良好功分器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，此时也可称为合路器。
功分器的设计原理
设计资料项目名称：微带功率分配器设计方法拟制：审核：会签：批准：二00六年一月微带功率分配器设计方法1. 功率分配器论述：1.1定义：功率分配器是一种将一路输入信号能量分成两路或多路信号能量输出的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时也可称为合路器。
1.2分类：1.2.1功率分配器按路数分为：2路、3路和4路及通过它们级联形成的多路功率分配器。
1.2.2功率分配器按结构分为：微带功率分配器及腔体功率分配器。
1.2.2根据能量的分配分为：等分功率分配器及不等分功率分配器。
1.2.3根据电路形式可分为：微带线、带状线、同轴腔功率分配器。
1.3概述：常用的功率分配器都是等功率分配，从电路形式上来分，主要有微带线、带状线、同轴腔功率分配器，几者间的区别如下：（1）同轴腔功分器优点是承受功率大，插损小，缺点是输出端驻波比大，而且输出端口间无任何隔离。
微带线、带状线功分器优点是价格便宜，输出端口间有很好的隔离，缺点是插损大，承受功率小。
（2）微带线、带状线和同轴腔的实现形式也有所不同：同轴腔功分器是在要求设计的带宽下先对输入端进行匹配，到输出端进行分路；而微带功分器先进行分路，然后对输入端和输出端进行匹配。
下面对微带线、带状线功率分配器的原理及设计方法进行分析。
2．设计原理：2.1分配原理：微带线、带状线的功分器设计原理是相同的，只是带状线的采用的是对称性空气填充或介质板填充，而微带线的主要采用的是非对称性部分介质填充和部分空气填充。
下面我们以一分二微带线功率分配的设计为例进行分析。
传输线的结构如下图所示，它是通过阻抗变换来实现的功率的分配。
图1：一分二功分器示意图在现有的通信系统中，终端负载均为50Ω，也就是说在分支处的阻抗并联后到阻抗结处应为50Ω。
如上图匹配网络，从输入端口看Ω==500Z Z in ，而Ω==50//21in in in Z Z Z ，且是等分的，所以1in Z =2in Z ，①处1in Z 、②处2in Z 的输入阻抗应为100Ω，这样由①、②处到输出终端50Ω需要通过阻抗变换来实现匹配。
基础培训资料-功分器和耦合器(临时文件,不作编号)
该文件主要目的为针对市场人员、新技术人员、非功分器耦合器专业的技术人员、技术工人等的技术培训，有些定义为便于理解并不是很严谨，所有提及概念、计算方法等不能作为产品的通用和专用验收的依据。
本文中会主要描述以下产品的基本功能，作用和技术指标的定义等。
● 功分器(功率分配器Power Divider, Power Splitter)● 耦合器(Coupler) 定向耦合器(Directional Coupler) 双定向耦合器(Bi-directional Coupler) ●合路器(Combiner) 混合器(Hybrid) 电桥(Bridge)1. 功分器功分器是将输入的信号的能量进行分路，并实现多路信号的隔离；功分器的带宽可以很宽，比如1-12GHz,2-18GHz 等；分路时可以是等分或不等分；一般功分器都是等相位(0相位)输出，也就是说功分器的输出相位关系基本是相等的，要求不等输出相位的功分器的一般均只能实现10％左右的带宽。
图1 功分器示意图理论上，功分器的分路路数可以是无穷多路，很多多路功分器均以2路分路为基础，所以一般为2/4/8/16等2n 分路技术上实现较容易，而3/6/7/9/10/11等技术上实现较难。
功分器的国际通用符号图2 功分器的国际通用符号InputOutput1 相位0o。
Output2 相位0o Output N 相位0o本文为理解方便，采用了和实物一致端口画法。
图3 1分8的功分器的实际结构(1分8功分器设计上是由7个 1分2功分器组成，这7个功分器分为3个层次)功分器的技术指标插入损耗(Insert Loss)图4 功分器的插入损耗● 插入损耗为功分器在系统中的实际能量衰减；●功分器的插入损耗包含两个部分：功分器的分路损耗和功分器本身对能量的衰减(损耗)；● 功分器分路损耗随功分路数不同而不同，见表1。
OutputOutput●插入损耗可以直接从网络分析仪上测得。
功分器
前言研究的背景与意义人类进入二十世纪以来，随着现代电子和通信技术的飞速发展，信息交流越发频繁，各种各样的电子电汽设备已经大大影响到各个领域企业及家庭。
无论哪个频段工作的电子设备，都需要各种功能的元器件，既有如电容、电感、电阻、功分器等无源器件，以实现信号匹配、分配、滤波等；又有有源器件共同作用。
微波系统不例外地有各种无源、有源器件，它们的功能是对微波信号进行必要的处理或变换。
现代无源器件中，微带功分器从质量及重量上都日显重要。
功分器的产生与发展在微波电路中，为了将功率按一定的比例分成两路或者多路，需要使用功率分配器。
功率分配器反过来使用就是功率合成器，所以通常功率分配/合成器简称为功分器。
在近代微波大功率固态发射源的功率放大器中广泛地使用着功率分配器，而且功率分配器常是成对的使用，先将功率分成若干份，然后分别放大，再合成输出。
1960年，Ernest J. Wilkinson发表了名为An N-way Hybird Power Divede的论文中介绍了一种在所有端口均匹配、低损耗、高隔离度、同相的N端口功分器。
以后的研究人员便称这种类型的功分器为威尔金森功分器。
最初它的原始模型是同轴形式，此后在微带和带状线结构上得到了广泛地应用和发展，工程中大量使用的是微带线形式，大功率情况下也会用到空气带状线或空气同轴线形式。
和其他的微带电路元件一样，功率分配器也有一定的频率特性。
当频带边缘频率之比f1/f2=1.44时，输入驻波比（VSWR）<1.22时，输入驻波比（VSWR）下降到1.42，两端口隔离度只有14.7dB。
威尔金森功分器的狭窄带宽限制了其在宽带系统中的应用。
为了进一步加宽工作带宽，可以用多节的宽频功率分配器，即增加λg/4线段和相应的隔离电阻R的数目。
目前常见的微波功分器是采用微带线或腔体波导等结构的分布参数功分器。
腔体波导功分器插损小、平衡度好，但隔离度较差，制作工艺较复杂，微带功分器制作简单，但相对带宽较小。
功分器、电桥与功率合成技术基础讲义
3dB耦合器原理
图2.1：耦合器结构示意图
3dB耦合器原理
图2.2：耦合器原理示意图
3dB耦合器原理
• 从能量耦合情况的角度进行定性分析定向耦合 器的工作原理：
• 如图2.2所示，当信号由传输线的端口1输入 时，传输线1－4中有交变电流I1流过，由于 传输线2－3与1－4线相互靠近，故2－3线 中有耦合的能量，此耦合能量有两部分。
平衡放大器分析
• 功率增益分析： • 在端口2的信号为Pi/2×G：0°－90°和
Pi/2×G：－90°+0°，可见，从两个PA 支路到端口2的信号为等幅同相，其幅度为 Pi/2×G+Pi/2×G＝Pi×G，相位为-90°。
平衡放大器分析
• 功率增益分析： • 可得该电路的增益等于单PA的增益G。从
放大器E的回波反射为Pre＝Pi/ 2 *S11e 。 由于放大器B、E的电气相能完全相同（理 想情况下），所以S11b＝S11e。
功分器功率合成电路分析
• 反射参数分析：
• 反射信号从A、D点到端口1的信号合成与输 出端完全相类似，最后到端口1的反射信号 为Pi×S11b＝Pi×S11e。S22同等分析。 所以，该电路的S11、S22与单PA的S11、 S22完全相同。
功分器功率合成电路分析
• 综上可知，用两个二功分实现的两路PA功 率合成电路在S11、S22、G方面与单PA相 同，最大输出功率Po比单PA大3dB。
平衡放大器分析
• 用两个3dB电桥进行两路PA功率合成的电路又 称平衡放大器，其原理图如下图5.1所示：
Pi/2×S11b：0°－90° Pi/2×S11e：-90°+0°
为了使功分器从输入到负载匹配再每路功率臂上设置了一段四分之一的波长阻抗变换器使特性阻抗分别为c3电阻r成为隔离电阻其作用是保证两输出断隔离若端口2或端口3出现失配就将有电流流过r其功率消耗在r上而不会影响到另一端口的输出
功分器
功分器、耦合器、电桥、双工器原理与分析本文主要介绍通信链路上的部分无源器件，介绍器件的外观、作用、种类、主要技术指标定义和范围等。
1功分器1）功分器的作用：是将功率信号平均地分成几份，给不同的覆盖区使用。
2）种类：功分器一般有二功分、三功分和四功分3种。
功分器从结构上分一般分为：微带和腔体2种。
腔体功分器内部是一条直径由粗到细程多个阶梯递减的铜杆构成,从而实现阻抗的变换,二微带的则是几条微带线和几个电阻组成,从而实现阻抗变换. 3）主要指标：包括分配损耗、插入损耗、隔离度、输入输出驻波比、功率容限、频率范围和带内平坦度。
以下对各项指标进行说明:l 分配损耗：指的是信号功率经过理想功率分配后和原输入信号相比所减小的量。
此值是理论值，比如二功分3dB，三功分是4.8dB,四功分是6dB。
（因功分器输出端阻抗不同，应使用端口阻抗匹配的网络分析仪能够测得与理论值接近的分配损耗）耦合器和三功分器图示分配损耗的理论计算方法:如上图所示。
比如有一个30dBm的信号，转换成毫瓦是1000毫瓦，将此信号通过理想3功分器分成3份的话，每份功率＝1000÷3＝333.33毫瓦，将333.33毫瓦转换成dBm＝10lg333.33=25.2dBm, 那么理想分配损耗＝输入信号－输出功率＝30－25.2=4.8dB,同样可以算出2功分是3dB，4功分是6dBl 插入损耗：指的是信号功率通过实际功分器后输出的功率和原输入信号相比所减小的量再减去分配损耗的实际值，（也有的地方指的是信号功率通过实际功分器后输出的功率和原输入信号相比所减小的量）。
插入损耗的取值范围一般腔体是：0.1dB以下；微带的则根据二、三、四功分器不同而不同约为：0.4~0.2dB、0.5~0.3dB、0.7~0.4dB。
插损的计算方法：通过网络分析仪可以测出输入端A到输出端B、C、D的损耗，假设3功分是5.3dB,那么，插损＝实际损耗－理论分配损耗＝5.3dB-4.8dB=0.5dB.微带功分器的插损略大于腔体功分器,一般为0.5dB左右,腔体的一般为0.1dB左右。
功分器串联信号损失
功分器串联信号损失1. 什么是功分器？功分器（Power Divider），也被称为功率分配器或功率分配器，是一种被广泛应用于无线通信系统中的被动器件。
功分器的主要作用是将输入信号分割成两个或多个相等或不等的输出信号，并且能够保持信号的幅度和相位关系。
功分器通常由微带线、同轴线或波导构成，其结构可以是平面分支线型、环状分支线型或矩形分支线型。
功分器的设计和制作需要考虑频率范围、功率要求、插入损耗、隔离度、相位平衡度等因素。
2. 功分器的串联功分器的串联是指将多个功分器按照一定的方式连接在一起，形成一个串联的功分器网络。
串联功分器可以实现更复杂的功分功能，例如将一个输入信号分割成多个输出信号，再将其中的某个输出信号分割成更多的输出信号。
在功分器的串联中，每个功分器的输入端和输出端都需要正确连接。
通常情况下，第一个功分器的输入端与信号源相连，最后一个功分器的输出端与负载或其他设备相连。
中间的功分器则通过其输出端与下一个功分器的输入端相连，形成串联的结构。
3. 信号损失在功分器的串联过程中，信号会经历一定的损失。
信号损失是指信号在传输过程中由于各种因素的影响而减弱或失真的现象。
主要的信号损失因素包括插入损耗、反射损耗和隔离度。
3.1 插入损耗插入损耗是指功分器在信号传输过程中引入的功率损耗。
每个功分器都会有一定的插入损耗，通常以分贝（dB）为单位进行表示。
插入损耗越大，表示功分器的信号传输效率越低。
在功分器的串联中，每个功分器的插入损耗会相互累加，导致整个串联网络的插入损耗增加。
因此，在设计功分器串联网络时，需要合理选择功分器的插入损耗，以保证信号传输的效率。
3.2 反射损耗反射损耗是指信号在功分器的连接处产生的反射现象所导致的损耗。
当信号由一个功分器传输到下一个功分器时，如果连接不良或功分器的阻抗不匹配，就会产生反射现象，导致信号的一部分被反射回去。
反射损耗会降低信号的传输效率，并且可能引起信号的失真。
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Zine
Z2 2
若Z= 2 ，则对于偶模激励端口2是匹配的，则
r/2电阻的一端开路，所以是无用的。
令端口1处x=0，则在端口2处x= 上的电压为：
4
,则在传输线
V (x) V (e j x e j x )
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30
则
V2e V ( / 4) jV (1 ) V0
③
③
（a）顺时针环形器
（b）逆时针环形器
图2 两种类型的环形器及其 S 矩阵(端口的相位参考点是任意的)
分析：这两者的区别仅在于各端口间功率流的方向，（a） 只允许功率流从端口1到端口2，或从端口2到端口3，或从 端口3到端口1，而（b）则有相反的功率流方向。
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8
三端口网络（T型结）
4
（a）
（b）
(a)微带线形式的wilkinson功分器 （b）等效
传输线电路
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27
偶-奇模分析技术
定义：偶模 Vg 2 Vg3 2V0，奇模 Vg2 Vg3 2V0
若将两个模叠加，有效激励是 Vg2 4V0 Vg3 0 ，
2
2
+V1
端口1
Z
/4
/4
Z
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为了使分配器与特性阻抗为 Z0的传输线匹配，必须有
Yin
jB
1 Z1
1 Z2
1 Z0
（B表示集总电纳）
假定传输线是无耗的（或低损耗），则特性阻抗是 实数。假定B=0，则
11 1 Z1 Z2 Z0
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15
总结：可以选择输出传输线特性阻抗 和 Z1 Z2 ，以 提供所需要的的各种功率分配比。所以，对于50 的输入传输线，3dB（等分）功率分配器能选用 两个100 的输出传输线。如有必要，可用四分 之一波长变换器将输出传输线的阻抗变换到所希 望的值。若二输出传输线是匹配的，则输入传输 线也是匹配的。两个输出端口没有隔离，且从输 出端口看是匹配的。
• 混合结在输出端口之间有 90（正交）或 180（魔 T）相移
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4
三端口网络（T型结）
功分器最简单的类型，具有一个输入和两个输
出的三端口网络。其散射矩阵有9个独立的矩
阵元：
S11 S12 S13
[S
]
S21
S22
S
23
S31 S32 S33
若所有端口是匹配的，则 Sii 0，并且若网络是
若无耗互易三端口网络只有两个端口是匹配的， 则在实际中可以实现。假设端口1和端口2是匹
配端口，则 矩阵S 表示为：
0 S12 S13 0 S12 S13
[S
]
S21
0
S23
S12
0
S23
S31 S32 S33 S13 S23 S33
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12
各种T型结功率分配器
(b) （a）
（C）
图5 （a）E平面波导T型结；（b）H平面波导T型结；
（C）微带T型结
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13
无耗分配器
各个无耗T型结全部能模型化成三条传输线 的结。
Z1
+
Z0
V0 jB
-
Z2
Yin
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图6 无耗T型结的传输线模型
14
无耗分配器
上述结果表明对于i j，有 Sij S ji，这意味着该 器件必定是非互易的。
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7
三端口网络（T型结）
其解的矩阵表示形式如图2所示。
②
②
0 0 1
0 1 0
S 1 0 0 ①
S 0 0 1 ①
0 ห้องสมุดไป่ตู้ 0
1 0 0
1 3
Pin
Z1
+
Z0
V0 jB
-
Z2
Yin
P2
1 V02 2 Z2
2 3 Pin
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18
这些结果给出的特性阻抗为：
Z1 3Z0 150 3
Z2 2 Z0 75
于是结的输入阻抗是：
Zin 75
150 75150 50 75 150
所以：输入与50 的源是匹配的。
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37
解：在分配器中四分之一波长传输线的特性阻抗是：
Z 2Z0 70.7
并联电阻的值是
R 2Z0 100
在波频电率 路进f0行处分传析输，线计的算长S度参是量的4 。幅用值A并D描S对绘这在个图微12 中。
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39
dB(S(2,3)) dB(S(1,2)) dB(S(1,1))
S
1 2
1 1
0 1
1 0
容易证明此矩阵不是幺正举证。
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电阻性分配器
传送到分配器的输入功率是
而输出功率为：
Pin
1 V12 2 Z0
P2
P3
1 2
(
1 2
V1
)2
Z0
1 V12 8 Z0
1 4
Pin
这表示供给功率一半消耗在电阻上。
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25
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20
电阻性分配器
三端口分配器包含有损耗元件，则它可制成全部
端口都匹配。
端口2
P2
端口1
Z0
Z0
-
+
Z0
3 V2
3
+
P1
Z0
V1 -
+
VZ -
Z0
3
Zin
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V+
端口3
-3
Z0
P3
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电阻性分配器
假定所有端口都端接特性阻抗
Z0 3
，向着后接有
输出线的 Z0 电阻看去的阻抗值 Z 是
P3 (1 )P1
（a）功率分配
P1 P2 P3
P2
分配器
P3
（b）功率组合
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3
分配器和耦合器的基本特性
特性
• 三端口网络采用T型结和其他功分器形式，二 四端口网络采用定向耦合器和混合网络形式。
• 功分器经常是等分（3dB）也有不相等的功分 比。
• 定向耦合器可以设计成任意功率分配比，而混 合结一般是等功率分配。
2Z0
V
V1
Z0
3 2Z0
2 3 V1
33
再通过分压，输出电压是：
V2
V1 V
Z0
Z0
Z0 3
3V 4
1 2 V1
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23
电阻性分配器
于是
S21
S31
S23
1 2
，这低于输入功率电平
-6dB。这个网络是互易的，所以散射矩阵是对阵的，
可表示为：
0 1 1
Wilkinson功率分配器
定义：当输出端口都匹配时，它仍然具有无耗的 有用特性，它只是耗散了反射功率。
可以制成任意功率分配比的Wilkinson功率分配 器，首先考虑等分（3dB）情况。通常制成微带 或带状线形式。
偶-奇模分析技术
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26
4
Z0
2Z0 2Z0
Z0
2Z0
Z0
S12
S21
V1e V2e
V10 V20
j 2
（对称，由于互易性）
S13
S31
j 2
（端口2和端口3对称）
S23 S32 0 （由于在剖分下的短路或开路） 36
例2 Wilkinson分配器的设计和特性。
设计出系统阻抗为50 、工作在频率 f0 处的
等分Wilkinson功率分配器，并画出回拨损耗 （ S11）、插入损耗（S21 S31）和隔离度（S23 S32） 与频率的关系曲线（从0.5 f0 到1.5 f0 ）。
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16
例1.考虑一个无耗T型结功率分配器，其
源阻抗为50 。求出使输入功率分配
比为2：1的输出特性阻抗。计算从输
入端往里看的反射系数。
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解：假定在结处电压是 V0，如图所示，输入到匹 配的分配器的功率比是：
Pin
1 2
V02 Z0
而输出功率是：
P1
1 V02 2 Z1
2
1
端口3
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(b) (a)中电路的剖分
图11 对wilkinson分配器求找 S11 的分析
35
偶-奇模分析
分析：输入阻抗
Zin
1 2
2
2 1
总之，对于Wilkinson分配器，可以确立以下S参量：
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S11 0 S22 S33 0
（在端口1， Zin 1 ） （端口2和端口3匹配）
功率分配器及分析
李秀萍 北京邮电大学
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1
Outline
基本特性