發布日期：2022-04-17 點擊率：63
由于物聯網 (IoT)、移動電話、汽車電子設備等應用的無線連接需求增加，各種系統越來越多地采用射頻信號、元器件和子系統。設計人員經常需要將這些信號定向至多個目的地，或者組合多個信號。但是，組合或分離信號可能比較困難，因為設計人員需要確保不會由于阻抗不匹配或負載而導致信號路由效果減弱，同時還要始終符合關鍵尺寸和成本要求。
射頻功率分配器和組合器能夠滿足在多個輸入或輸出之間分離或組合信號的這種需求。這些實用器件在執行這些任務的同時，還能對所有信號源保持適當的負載阻抗，并提供隔離作用。
本文將介紹以下三類常用的射頻功率分配器/組合器的基礎知識：電阻型、混合型和威爾金森，并使用來自 Susumu、Anaren、MACOM 和 Analog Devices 的產品實例。它將討論這些器件的規范和常見應用，并提出實現考慮因素，幫助設計人員做出明智的器件選擇。
功率分配器有一個輸入信號以及兩個或更多的輸出信號。輸出信號的功率水平是輸入功率水平的 1/N，其中 N 是分配器的輸出數。在最常見的功率分配器中，輸出端的信號是同相位的。有些特殊的功率分配器可在輸出端之間提供受控相移。如上文所述，功率分配器的常見射頻應用是要將一個共用射頻源定向到多個器件（圖 1）。
圖 1：功率分配器用于將一個共用射頻信號分離到多個器件，例如在相控陣天線系統或正交解調器中的器件。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
第一個實例是相控陣天線，其中的射頻源在兩個天線元素之間分離。這種天線通常有兩至八個甚至更多元素，每個元素都由功率分配器輸出端口驅動。移相器通常位于功率分配器外部，以實現電子控制，操控場型天線。
第二個實例是正交解調器。本地振蕩器需要為兩個混頻器提供信號，混頻器進而將射頻載波解調為同相 (I) 和正交 (Q) 調制分量。解調 Q 信號所需的 90° 相移可以在功率分配器外部實現（如圖中所示），也可以在功率分配器內部實現。在這兩種情況下，信號功率水平是相等的。
如果功率分配器“反向”運行，就會將多個輸入合并為一個輸出，搖身變為功率組合器。在組合器模式下，這些器件能夠根據信號的振幅和相位值，執行信號的向量加減。
在試圖將一個信號分離為兩個減弱的振幅分量時，設計人員考慮得可能比較簡單，將兩個負載放在一個共同的信號源上構成“T”形連接（圖 2）。
圖 2：基本 T 形連接可將一個信號分離為兩個振幅相等、相位相同的分量，但有一些限制。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
這種配置看似可以工作，但受到諸多限制。最明顯的問題是阻抗不匹配。如果兩個輸出（端口 2 和端口 3）均饋入 50 ohms (?)，則輸入端口（端口 1）的負載將為 25 ?。如果輸入源為 50 ? 器件，則會帶來負載問題。第二個問題是缺少隔離。例如，如果其中一個輸出短路，則另一個端口也會短路。
功率分配器的三種主要電路拓撲可以消除 T 形連接的限制。這三種拓撲分別為：電阻型、混合型和威爾金森（圖 3）。威爾金森功率分配器和混合型功率分配器屬于同一類分配器，稱為無源分配器。
圖 3：三種常見功率分配器拓撲（電阻型、威爾金森、混合型）的簡化原理圖。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
作為最常用的功率分配器，電阻型功率分配器使用了三個等值的電阻器，最常見于星型配置中。由于器件的對稱性，沒有指定的輸入端口，任何端口都可用作輸入端口。電阻器的值是功率分配器所使用的特征阻抗的三分之一。對于 50 Ω 系統，該值為 16.67 Ω；對于 75 Ω 系統，該值則為 25 Ω。總體而言，由于設計中沒有與頻率相關的無源分量，因而電阻型功率分配器通常具有最寬的頻帶寬度。
電阻型功率分配器的主要優勢是簡單；使用最低成本即可輕松實現。它還是體積最小的器件。主要缺點是輸出端口之間串聯電阻器的功率損耗。這些器件具有額定功率規格。電阻型功率分配器的大多數應用都使用相對較低的功耗。與 T 形配置相比，端口間的電阻器能提供更好的隔離效果。
電阻型功率分配器輸出端口的信號振幅為輸入信號水平的一半（圖 4）。
圖 4：電阻型功率分配器的輸入和輸出比較圖。輸入信號是 50 MHz 的正弦脈沖，均方根 (rms) 振幅為 179.5 mV（左上角跡線）。輸出信號（左中和左下角跡線）的均方根振幅分別為 91.7 mV (-5.8 dB) 和 88.7 mV (-6.1 dB)。請注意，所有信號都是同相的，正如我們預期的那樣。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
左上角網格的跡線表示輸入信號，為 50 MHz 的正弦脈沖，均方根 (rms) 振幅為 179.5 mV。左中和左下角網格的跡線表示輸出信號，均方根振幅分別為 91.7 mV (-5.8 dB) 和 88.7 mV (-6.1 dB)，比輸入信號低。右側的三條跡線是水平放大的結果，展示了詳細的信息。請注意，所有信號都是同相的，正如我們預期的那樣。
電阻型功率分配器的一個實例是 Susumu 的 PS2012GT2-R50-T1。這個 50 Ω、兩端口的功率分配器提供 20 GHz 的帶寬，額定功率耗散為 125 mW，插入損耗為 6 ± 0.5 dB，其中的 3 dB 為內部電阻器中的功率耗散導致的。該器件采用表面貼裝封裝，尺寸為 2 x 1.25 x 0.4 mm。
威爾金森功率分配器是一種無源分配器，使用兩個并行且非耦合的四分之一波長傳輸線變壓器。由于使用了傳輸線，因而借助標準印刷電路傳輸線即可輕松實現威爾金森分配器的功能。傳輸線的長度通常將威爾金森分配器的頻率范圍限定為 500 MHz 以上。輸出端口之間的電阻器讓這些分配器不僅能擁有匹配的阻抗，還能提供隔離。由于輸出端口包含具有相同振幅和相位的信號，電阻器兩端沒有電壓，因此沒有電流通過，電阻器也不會耗散任何功率。
Anaren 的 PD3150J5050S2HF 是兩端口、50 Ω 的威爾金森型功率分配器，頻率范圍為 3.1 GHz 至 5 GHz，最大功率額定值為 2 Ω。該分配器具有 1 dB（典型值）的插入損耗（不包括 3 dB 的功率降低），隔離能力大于 15 dB（典型值）。尺寸為 2.0 x 1.29 x 0.53 mm。
圖 3 所示的混合型功率分配器以使用變壓器為基礎。變壓器 T2 為中心抽頭式，構成一個匝數比為 2:1 的自耦變壓器。整個輸出端的阻抗是從中心抽頭到地面的阻抗的四倍。如果每個輸出端口（端口 2 和端口 3）的阻抗為 50 Ω，則總負載阻抗為 100 Ω。通過變壓器向后反射，在 T2 中心抽頭的阻抗為 25 Ω。要將此負載與輸入（端口 1）進行匹配，就需要使用變壓器 T1，這是一個 25 Ω 至 50 Ω 的阻抗匹配變壓器。
當輸入被應用于端口 1，且端口 2 和端口 3 與 50 Ω 負載端接時，將導致在端口 2 和端口 3 產生電流，相移為 180°。電阻器 R 的阻抗等于端口 2 和端口 3 的阻抗總和（在這種情況下為 100 Ω），通過它的電流相等且相位相反，因而將起到抵消作用。端口 2 不會因端口 3 的信號而產生電壓，反之亦然。從理論上說，隔離作用達到了無窮大。每個輸出端口的功率是輸入功率的一半。
MACOM 的 MAPD-009278-5T1000 是一款混合型功率分配器，頻率范圍為 5 MHz 至 1 GHz。它被配置為兩端口零度分配器。插入損耗（不包括 3 dB 的功率降低）小于 1.4 dB。隔離規格為典型的 20 dB。該分配器能夠處理最高 250 mW 的功率水平，物理尺寸為 4.45 x 4.22 x 3 mm。
需要無損信號分配的應用可以使用有源功率分配器，例如 Analog Devices 的 ADA4304-3ACPZ-R7。它是 75 Ω 的 3:1 功率分配器，帶有內置的放大器，能夠提供 3 dB 增益。帶寬為 2400 MHz，可在 54 至 865 MHz 的頻率范圍內使用。輸入到輸出之間的隔離能力優于 25 dB。這款分配器具有 75 Ω 阻抗和上述頻率范圍，意味著它適用于電視應用，包括多調諧器機頂盒和有線電視。
在上文介紹的器件中，電阻型功率分配器最為簡單，具有最大可能的帶寬和最小的總體尺寸，但它們的插入損耗較高，隔離性較低。威爾金森功率分配器的插入損耗較低，隔離性更高，但帶寬比較有限。它們的物理尺寸隨著所需的特定頻率范圍而變化。混合型功率分配器的插入損耗低，隔離性良好，但物理尺寸較大。有源功率分配器消除了插入損耗，但往往比較昂貴。
雖然功率組合器非常簡單，但如果不正確應用，它們仍然會導致問題。例如，要注意輸入端的直流偏移。使用變壓器的混合型組合器不會產生直流電。
在電阻型功率分配器中，直流電的存在降低了它們的功率額定值。所有無源功率組合器都采用對稱拓撲，設計人員在應用時必須保持這種對稱性。負載必須是匹配和平衡的。使用不匹配的負載阻抗將導致輸出水平不相等。
在需要固定相差的應用中，例如將本地振蕩器饋送到正交調制器或解調器，輸出路徑長度必須相等，以防止混頻器的相位不匹配。
在各種應用中，現代射頻設計都必須組合或分離信號，例如在物聯網、數字通信、汽車駕駛員輔助等各種應用中。功率分配器/組合器可以提供這樣的功能。需要使用功率分配器的設計人員可以從上述三種功率分配器拓撲中選擇一種，每種拓撲都有自身的優缺點。了解與每種拓撲的特性有關的基礎知識，有助于設計人員選擇合適的功率分配器。
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