由于物聯(lián)網(wǎng) (IoT)、移動(dòng)電話、汽車(chē)電子設(shè)備等應(yīng)用的無(wú)線連接需求增加，各種系統(tǒng)越來(lái)越多地采用射頻信號(hào)、元器件和子系統(tǒng)。設(shè)計(jì)人員經(jīng)常需要將這些信號(hào)定向至多個(gè)目的地，或者組合多個(gè)信號(hào)。但是，組合或分離信號(hào)可能比較困難，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員需要確保不會(huì)由于阻抗不匹配或負(fù)載而導(dǎo)致信號(hào)路由效果減弱，同時(shí)還要始終符合關(guān)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(gè)輸入或輸出之間分離或組合信號(hào)的這種需求。這些實(shí)用器件在執(zhí)行這些任務(wù)的同時(shí)，還能對(duì)所有信號(hào)源保持適當(dāng)?shù)呢?fù)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(chǔ)知識(shí)：電阻型、混合型和威爾金森，并使用來(lái)自 Susumu、Anaren、MACOM 和 Analog Devices 的產(chǎn)品實(shí)例。它將討論這些器件的規(guī)范和常見(jiàn)應(yīng)用，并提出實(shí)現(xiàn)考慮因素，幫助設(shè)計(jì)人員做出明智的器件選擇。
功率分配器
功率分配器有一個(gè)輸入信號(hào)以及兩個(gè)或更多的輸出信號(hào)。輸出信號(hào)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(shù)。在最常見(jiàn)的功率分配器中，輸出端的信號(hào)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(jiàn)射頻應(yīng)用是要將一個(gè)共用射頻源定向到多個(gè)器件（圖 1）。
圖 1：功率分配器用于將一個(gè)共用射頻信號(hào)分離到多個(gè)器件，例如在相控陣天線系統(tǒng)或正交解調(diào)器中的器件。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）
第一個(gè)實(shí)例是相控陣天線，其中的射頻源在兩個(gè)天線元素之間分離。這種天線通常有兩至八個(gè)甚至更多元素，每個(gè)元素都由功率分配器輸出端口驅(qū)動(dòng)。移相器通常位于功率分配器外部，以實(shí)現(xiàn)電子控制，操控場(chǎng)型天線。
第二個(gè)實(shí)例是正交解調(diào)器。本地振蕩器需要為兩個(gè)混頻器提供信號(hào)，混頻器進(jìn)而將射頻載波解調(diào)為同相 (I) 和正交 (Q) 調(diào)制分量。解調(diào) Q 信號(hào)所需的 90° 相移可以在功率分配器外部實(shí)現(xiàn)（如圖中所示），也可以在功率分配器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。在這兩種情況下，信號(hào)功率水平是相等的。
如果功率分配器“反向”運(yùn)行，就會(huì)將多個(gè)輸入合并為一個(gè)輸出，搖身變?yōu)楣β式M合器。在組合器模式下，這些器件能夠根據(jù)信號(hào)的振幅和相位值，執(zhí)行信號(hào)的向量加減。
功率分配器拓?fù)?/h2>
在試圖將一個(gè)信號(hào)分離為兩個(gè)減弱的振幅分量時(shí)，設(shè)計(jì)人員考慮得可能比較簡(jiǎn)單，將兩個(gè)負(fù)載放在一個(gè)共同的信號(hào)源上構(gòu)成“T”形連接（圖 2）。
圖 2：基本 T 形連接可將一個(gè)信號(hào)分離為兩個(gè)振幅相等、相位相同的分量，但有一些限制。（圖片來(lái)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(wèn)題是阻抗不匹配。如果兩個(gè)輸出（端口 2 和端口 3）均饋入 50 ohms (?)，則輸入端口（端口 1）的負(fù)載將為 25 ?。如果輸入源為 50 ? 器件，則會(huì)帶來(lái)負(fù)載問(wèn)題。第二個(gè)問(wèn)題是缺少隔離。例如，如果其中一個(gè)輸出短路，則另一個(gè)端口也會(huì)短路。
功率分配器的三種主要電路拓?fù)淇梢韵?T 形連接的限制。這三種拓?fù)浞謩e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(wú)源分配器。
圖 3：三種常見(jiàn)功率分配器拓?fù)洌娮栊汀⑼柦鹕⒒旌闲停┑暮?jiǎn)化原理圖。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）
電阻型功率分配器
作為最常用的功率分配器，電阻型功率分配器使用了三個(gè)等值的電阻器，最常見(jiàn)于星型配置中。由于器件的對(duì)稱性，沒(méi)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(duì)于 50 Ω 系統(tǒng)，該值為 16.67 Ω；對(duì)于 75 Ω 系統(tǒng)，該值則為 25 Ω。總體而言，由于設(shè)計(jì)中沒(méi)有與頻率相關(guān)的無(wú)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(yōu)勢(shì)是簡(jiǎn)單；使用最低成本即可輕松實(shí)現(xiàn)。它還是體積最小的器件。主要缺點(diǎn)是輸出端口之間串聯(lián)電阻器的功率損耗。這些器件具有額定功率規(guī)格。電阻型功率分配器的大多數(shù)應(yīng)用都使用相對(duì)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(hào)振幅為輸入信號(hào)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(hào)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(hào)（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(qǐng)注意，所有信號(hào)都是同相的，正如我們預(yù)期的那樣。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）
左上角網(wǎng)格的跡線表示輸入信號(hào)，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(wǎng)格的跡線表示輸出信號(hào)，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(hào)低。右側(cè)的三條跡線是水平放大的結(jié)果，展示了詳細(xì)的信息。請(qǐng)注意，所有信號(hào)都是同相的，正如我們預(yù)期的那樣。
電阻型功率分配器的一個(gè)實(shí)例是 Susumu 的 PS2012GT2-R50-T1。這個(gè) 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(nèi)部電阻器中的功率耗散導(dǎo)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
威爾金森功率分配器是一種無(wú)源分配器，使用兩個(gè)并行且非耦合的四分之一波長(zhǎng)傳輸線變壓器。由于使用了傳輸線，因而借助標(biāo)準(zhǔn)印刷電路傳輸線即可輕松實(shí)現(xiàn)威爾金森分配器的功能。傳輸線的長(zhǎng)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(hào)，電阻器兩端沒(méi)有電壓，因此沒(méi)有電流通過(guò)，電阻器也不會(huì)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。
混合型功率分配器
圖 3 所示的混合型功率分配器以使用變壓器為基礎(chǔ)。變壓器 T2 為中心抽頭式，構(gòu)成一個(gè)匝數(shù)比為 2:1 的自耦變壓器。整個(gè)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(gè)輸出端口（端口 2 和端口 3）的阻抗為 50 Ω，則總負(fù)載阻抗為 100 Ω。通過(guò)變壓器向后反射，在 T2 中心抽頭的阻抗為 25 Ω。要將此負(fù)載與輸入（端口 1）進(jìn)行匹配，就需要使用變壓器 T1，這是一個(gè) 25 Ω 至 50 Ω 的阻抗匹配變壓器。
當(dāng)輸入被應(yīng)用于端口 1，且端口 2 和端口 3 與 50 Ω 負(fù)載端接時(shí)，將導(dǎo)致在端口 2 和端口 3 產(chǎn)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(guò)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(huì)因端口 3 的信號(hào)而產(chǎn)生電壓，反之亦然。從理論上說(shuō)，隔離作用達(dá)到了無(wú)窮大。每個(gè)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(guī)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。
有源功率分配器
需要無(wú)損信號(hào)分配的應(yīng)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(nèi)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(nèi)使用。輸入到輸出之間的隔離能力優(yōu)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(yīng)用，包括多調(diào)諧器機(jī)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(jiǎn)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。
實(shí)現(xiàn)考慮因素
雖然功率組合器非常簡(jiǎn)單，但如果不正確應(yīng)用，它們?nèi)匀粫?huì)導(dǎo)致問(wèn)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(huì)產(chǎn)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(wú)源功率組合器都采用對(duì)稱拓?fù)洌O(shè)計(jì)人員在應(yīng)用時(shí)必須保持這種對(duì)稱性。負(fù)載必須是匹配和平衡的。使用不匹配的負(fù)載阻抗將導(dǎo)致輸出水平不相等。
在需要固定相差的應(yīng)用中，例如將本地振蕩器饋送到正交調(diào)制器或解調(diào)器，輸出路徑長(zhǎng)度必須相等，以防止混頻器的相位不匹配。
總結(jié)
在各種應(yīng)用中，現(xiàn)代射頻設(shè)計(jì)都必須組合或分離信號(hào)，例如在物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字通信、汽車(chē)駕駛員輔助等各種應(yīng)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(shè)計(jì)人員可以從上述三種功率分配器拓?fù)渲羞x擇一種，每種拓?fù)涠加凶陨淼膬?yōu)缺點(diǎn)。了解與每種拓?fù)涞奶匦杂嘘P(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，有助于設(shè)計(jì)人員選擇合適的功率分配器。
