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，也可反過來將多路信號能量合成一路輸出，此時可也稱為合路器。一個功分器的輸出連線埠之間應保證一定的隔離度。功分器按輸出通常分為一分二（一個輸入兩個輸出）、一分三（一個輸入三個輸出）等。功分器的主要技術參數有功率損耗（包括插入損耗、分配損耗和反射損耗）、各連線埠的電壓駐波比，功率分配連線埠間的隔離度、幅度平衡度，相位平衡度，功率容量和頻頻寬度等。

基本介紹

• 中文名：功分器
• 外文名：PowerSplitter
• 全稱：功率分配器
• 又稱：合路器
• 技術指標：頻率範圍、承受功率、回波損耗、隔離度等

原理類比

舉一個農村澆水的例子。老張有兩塊面積一樣的白菜地，分別在水井的南北兩側。輪到他澆水的時候，他把水流一分為二，分別流向南北兩側的菜地，如圖1所示，然後自己坐在樹蔭下乘涼。

圖1 水流二等分圖

功分器是實現無線信號等功率分配的射頻器件。二功分器一般有一個輸入口和兩個輸出口，如圖2所示。三功分器則有一個輸入口和3個輸出口；當然還有四功分器。插入損耗是功分器的重要指標。無線信號經二功分後能量損失10log2=3dB，再加上無源器件本身的介質損耗0.5dB，二功分的插入損耗一般為3.5dB，如圖3所示；同理，三功分的插入損耗一般為5.3dB，四功分的插入損耗一般為6.5dB。

圖2 功分器實物圖

圖3 二功分器原理圖

系列

1、400MHz-500MHz頻率段二、三功分器，套用於一般無線電通訊、鐵路通信以及450MHz無線本地環路系統。

2、800MHz-2500MHz頻率段二、三、四微帶系列功分器，套用於GSM/CDMA/PHS/WLAN室內覆蓋工程。

3、800MHz-2500MHz頻率段二、三、四腔體系列功分器，套用於GSM/CDMA/PHS/WLAN室內覆蓋工程。

4、1700MHz-2500MHz頻率段二、三、四腔體系列功分器，套用於PHS/WLAN室內覆蓋工程。

5、800MHz-1200MHz/1600MHz-2000MHz頻率段小體積設備內使用的微帶二、三功分器。

分類

功分器從結構上分為兩大類：

(一)無源功分器，它的主要特點是：工作穩定，結構簡單，基本上無噪聲；而它的主要缺點是接入損耗太大。

(二)有源功分器由放大器組成，它的主要特點是:有增益，隔離度較高，而它的主要缺點是有噪聲，結構相對複雜一些，工作穩定性相對較差。功分器輸出的連線埠有二功分，三功分，四功分，六功分，八功分，十二功分。

下面對幾種常見的微帶功分器進行分析與對比：

一、微帶分支線定向耦合器

微帶分支線定向耦合器的結構如圖1所示，它由兩根平行導帶組成，通過兩條分支導帶實現耦合，分支導帶的長度及其間隔均為四分之一線上波長。理想情況下連線埠1輸入無反射，輸入的功率由2、3連線埠輸出，連線埠4無輸出，即1、4連線埠相互隔離。由微波理論中的奇偶模分析法可以計算出，對於功率平分的情況，分支導帶的特性阻抗與輸入輸出線相同，而平行導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，由於連線埠1和4相互隔離，故本振和信號互不影響，同時由微帶線的平面特性，混頻晶體很容易連線在連線埠上，電路結構既簡單又緊湊。

圖1 微帶分支線定向耦合器

二、Wilkinson功分器

Wilkinson功分器的結構如圖2所示，其輸入線和輸出線的特性阻抗都是Z0。對於功率平分的情況，輸入和輸出口間的分支線特性阻抗Z，線長為四分之一線上波長，在分支線末端跨接一個電阻R，其值為2Z0。由微波理論可以證明，這種功分器當2、3口接匹配負載時，1口的輸入無反射，反過來對2、3口也如此。由連線埠1輸入的功率被平分到連線埠2和3，且2、3連線埠間相互隔離。通常，在實際套用中會在隔離電阻後方接入一段四分之一線上波長的阻抗變換器，以實現阻抗匹配。

圖2 Wilkinson功率二分器

三、雙線二分器

雙線二分器的結構如圖3所示，它的結構很簡單，而且能夠根據給定的輸入阻抗靈活地調整分支線的特性阻抗以達到良好的匹配，因此在天線的饋電網路設計中得到了廣泛套用，但它的缺點在於輸出端之間沒有很好的隔離。

圖3 雙線二分器

對上述幾種功分器的性能作對比如下：

功分器類型 性能	頻帶	輸出隔離	同相輸出	輸出損耗	結構
分支線定向耦合器	窄	有	否	大（路徑長了）	簡單
wilkinson功分器	寬	有	是	小	簡單，有集總參數元件
雙線二分線	寬	沒有	是	？	簡單

技術指標

功分器的技術指標包括頻率範圍、承受功率、主路到支路的分配損耗、輸入輸出間的插入損耗、支路連線埠間的隔離度、每個連線埠的電壓駐波比等。

頻率範圍

這是各種射頻/微波電路的工作前提，功分器的設計結構與工作頻率密切相關。必須首先明確分配器的工作頻率，才能進行下面的設計。

承受功率

在大功分器/合成器中，電路元件所能承受的最大功率是核心指標，它決定了採用什麼形式的傳輸線才能實現設計任務。一般地，傳輸線承受功率由小到大的次序是微帶線、帶狀線、同軸線、空氣帶狀線、空氣同軸線，要根據設計任務來選擇用何種線。

分配損耗

指的是信號功率經過理想功率分配後和原輸入信號相比所減小的量。此值是理論值，比如二功分3dB，三功分是4.8dB,四功分是6dB。（因功分器輸出端阻抗不同，應使用連線埠阻抗匹配的網路分析儀能夠測得與理論值接近的分配損耗）

插入損耗

指的是信號功率通過實際功分器後輸出的功率和原輸入信號相比所減小的量再減去分配損耗的實際值，（也有的地方指的是信號功率通過實際功分器後輸出的功率和原輸入信號相比所減小的量）。插入損耗的取值範圍一般腔體是：0.1dB以下；微帶的則根據二、三、四功分器不同而不同約為：0.4~0.2dB、0.5~0.3dB、0.7~0.4dB。

插損的計算方法：通過網路分析儀可以測出輸入端A到輸出端B、C、D的損耗，假設3功分是5.3dB,那么，插損=實際損耗－理論分配損耗=5.3dB-4.8dB=0.5dB.

微帶功分器的插損略大於腔體功分器,一般為0.5dB左右,腔體的一般為0.1dB左右。由於插損不能使用網路分析儀直接測出，所以一般都以整個路徑上的損耗來表示（即分配損耗+插損）：3.5dB/5.5dB/6.5dB等來表示二/三/四功分器的插損。

功分器技術規格（室內分布）

功分器技術規格

項目	規格
	1：2	1：3	1：4
插入損耗	≤3.5db ≤ 5.5db ≤6.5db
阻抗	50Ω
	≤1.5
最大輸入功率	15W
連線器（接口）; 類型	N-Female
尺寸（mm）	90×70×20	118×73×21	118×73×21
重量（kg）	0.2	0.32	0.34

隔離度

指的是功分器輸出各連線埠之間的隔離，通常也會根據二、三、四功分器不同而不同約為：18～22dB、19～23dB、20～25dB。
隔離度可通過網路分析儀測，直接測出各個輸出連線埠之間的損耗，如上圖淡藍色曲線所示，BC間，及 CD間的損耗。

支路連線埠間的隔離度是功分器的另一個重要指標。如果從每個支路連線埠輸入功率只能從主路連線埠輸出，而不應該從其他支路輸出，這就要求支路之間有足夠的隔離度。

輸入/輸出駐波比

指的是輸入/輸出連線埠的匹配情況，由於腔體功分器的輸出連線埠不是50歐姆，所有對於腔體功分器沒有輸出連線埠的駐波要求，輸入連線埠要求則一般為：1.3~1.4 甚至有1.15的；微帶功分器則每個連線埠都有要求，一般範圍為輸入：1.2~1.3 輸出：1.3~1.4。

功率容限

指的是可以在此功分器上長期（不損壞的）通過的最大工作功率容限，一般微帶功分器為：30～70W平均功率，腔體的則為：100～500W平均功率。

頻率範圍

一般標稱都是寫800～2200MHz，實際上要求的頻段是：824－960MHz加上1710～2200MHz，中間頻段不可用。有些功分器還存在800～2000MHz和800～2500MHz頻段

帶內平坦度

指的是在整個可用頻段內插損含分配損耗的最大值和最小值之間的差值，一般為：0.2~0.5dB。

事例

問：分配器，分支器和功分器是同一類器件嗎？它們有什麼不同，可以互相代換嗎？

答：肯定它們不是同一類器件；其用途和作用也不盡相同。分配器是有線電視傳輸系統中分配網路里最常用的器件，它的功能是將一路輸入有線電視信號均等的分成幾路輸出，通常有二路，四路，六路等。隨著有線電視網路的頻率不斷提升，功能不斷加強，因此對分配器的要求也不斷提高。工作的頻率範圍5MHz－870MHz，甚至更寬；有線電視網路中射頻的各種接口阻抗均為75Ω，為實現阻抗匹配，因此分配器輸入端和輸出端阻抗均為75歐；分配損失即插損，在系統中總希望接入分配器的損耗越小越好，分配損失的大小與分配路數是有直接關係的，二路分配器的分配損失一般在3.5dB，四路分配器的分配損失一般在8dB。分配器在使用中還可分為電流通過型、雙向通過型；戶外型、戶內型等等。分支器的功能是從所傳輸的有線電視信號中取出一部分饋送給支線或用戶終端，其餘大部分信號則仍按原方向繼續傳輸。通常有一分支器、二分支器、四分支器等等，其他性能和分配器大致是一樣的。功分器的功能是將一路輸入的衛星中頻信號均等的分成幾路輸出，通常有二功分、四功分、六功分等等。功分器的工作頻率是950MHz－2150MHz，衛視燒友想必對功分器是再熟悉不過了。以上三個器件的用途和性能是完全不同的，但在日常使用中往往容易把名稱混淆了，使得人們在使用中容易產生困惑。