射频功率分配器和组合器的基础知识

　　由于物联网 (IoT)、蜂窝通信、汽车电子等应用的无线连接需求增加，各种系统越来越多地采用射频信号、元器件和子系统。设计人员经常需要将这些信号定向至多个目的地，或者组合多个信号。但是，组合或分离信号可能比较困难，因为设计人员需要确保不会由于阻抗不匹配或负载而导致信号路由效果减弱，同时还要始终符合关键尺寸和成本要求。
　　射频功率分配器和组合器能够满足在多个输入或输出之间分离或组合信号的这种需求。这些实用器件在执行这些任务的同时，还需要让所有信号源保持适当负载阻抗，以及提供隔离。
　　本文将介绍以下三类常用的射频功率分配器/组合器的基础知识：电阻型、混合型和威尔金森，并使用来自 Susumu、Anaren、MACOM 和 Analog Devices 的产品实例。它将讨论这些器件的规范和常见应用，帮助设计人员做出明智的器件选择，包括提出了实现考虑因素。
　　功率分配器
　　功率分配器有单个输入信号以及两个或更多的输出信号。输出信号的功率水平是输入功率水平的 1/N，其中 N 是分配器的输出数。在常见的功率分配器中，输出端的信号是同相位的。有些特殊的功率分配器可在输出端之间提供受控相移。如上文所述，功率分配器的常见射频应用是要将一个共用射频源定向到多个器件（图 1）。
　　图 1：功率分配器用于将一个共用射频信号分离到多个器件，例如在相控阵天线系统或正交解调器中的器件。（图片-Key Electronics）

　　个实例是相控阵天线，其中的射频源在两个天线元素之间分离。这种类型的天线通常有两至八个甚至更多元素，每个元素都由功率分配器输出端口驱动。移相器通常位于功率分配器外部，以实现电子控制，引导场方向图天线。
　　第二个实例是正交解调器。本地振荡器需要为两个混频器提供信号，混频器进而将射频载波解调为同相 (I) 和正交 (Q) 调制分量。解调 Q 信号所需的 90° 相移可以在功率分配器外部实现（如图中所示），也可以在功率分配器内部实现。在这两种情况下，信号功率水平是相等的。
　　如果功率分配器“反向”运行，就会将多个输入合并为单个输出，摇身变为功率组合器。在组合器模式下，这些器件能够根据信号的振幅和相位值，执行信号的向量加减。
　　功率分配器拓扑
　　在试图将一个信号分离为两个减弱的振幅分量时，设计人员考虑得可能比较简单，即采用“T”形连接将两个负载放在一个共同的信号源上（图 2）。

　　图 2：基本 T 形连接可将一个信号分离为两个具有相同的振幅和相位的分量，但有诸多限制。（图片-Key Electronics）
　　这种配置看似可以工作，但受到诸多限制。明显的问题是阻抗不匹配。如果两个输出（端口 2 和端口 3）均馈入 50 ohms (W)，则输入端口（端口 1）的负载将为 25 W。如果输入源为 50 W 器件，则会带来负载问题。第二个问题是缺少隔离。例如，如果其中一个输出短路，则另一个端口也会短路。
　　功率分配器的三种主要电路拓扑可以消除 T 形连接的限制。这三种拓扑分别为：电阻型、混合型和威尔金森（图 3）。威尔金森功率分配器和混合型功率分配器属于同一类分配器，称为无源分配器。

　　图 3：三种常见功率分配器拓扑（电阻型、威尔金森、混合型）的简化原理图。（图片-Key Electronics）
　　电阻型功率分配器
　　作为常用的功率分配器，电阻型功率分配器使用了三个等值的电阻器，常见于星型配置中。 由于器件的对称性，没有指定的输入端口，任何端口都可用作输入端口。电阻器的值是功率分配器所使用的特征阻抗的三分之一。对于 50 W 系统，该值为 16.67 W；对于 75 W 系统，该值则为 25 W。作为一个组，由于设计中没有与频率相关的无源分量，因而电阻型功率分配器通常具有宽的频带宽度。
　　电阻型功率分配器的主要优势是简单；使用成本即可轻松实现。它还是体积的器件。主要缺点是穿过输出端口之间的串联电阻器的功率损耗。这些器件具有额定功率规格。电阻型功率分配器的大多数应用都使用相对较低的功耗。与 T 形配置相比，端口间的电阻器提供的隔离效果有所增强。
　　电阻型功率分配器输出端口的信号振幅为输入信号水平的一半（图 4）。
　　图 4：电阻型功率分配器的输入和输出比较。输入信号是 50 MHz 的正弦脉冲，均方根 (rms) 振幅为 179.5 mV（左上角迹线）。输出信号（左中和左下角迹线）的均方根振幅分别为 91.7 mV (-5.8 dB) 和 88.7 mV (-6.1 dB)。请注意，所有信号都是同相的，正如我们预期的那样。（图片-Key Electronics）
　　左上角网格的迹线表示输入信号，为 50 MHz 的正弦脉冲，均方根 (rms) 振幅为 179.5 mV。左中和左下角网格的迹线表示输出信号，均方根振幅分别为 91.7 mV 和 88.7 mV，比输入信号低，为 -5.8 dB 和 -6.1 dB。右侧的三条迹线是水平放大的结果，展示了详细的信息。请注意，所有信号都是同相的，正如我们预期的那样。
　　电阻型功率分配器的一个实例是 Susumu 的 PS2012GT2-R50-T1。这个 50 W、两端口的功率分配器提供 20 GHz 的带宽，额定功率耗散为 125 mW，插入损耗为 6 ± 0.5 dB，其中的 3 dB 为内部电阻器中的功率耗散导致的。该器件采用表面贴装封装，尺寸为 2 x 1.25 x 0.4 mm。
　　威尔金森功率分配器
　　威尔金森功率分配器是一种无源分配器，使用两个并行且非耦合的四分之一波长传输线路变压器。由于使用了传输线路，因而使用标准印刷电路传输线路即可轻松实现威尔金森分配器的功能。传输线路的长度通常将威尔金森分配器的频率范围限定为 500 MHz 以上。输出端口之间的电阻器让这些分配器不仅能拥有匹配的阻抗，还能提供隔离。由于输出端口包含具有相同振幅和相位的信号，电阻器两端没有电压，因此没有电流通过，电阻器也不会产生任何功率耗散。
　　Anaren 的 PD3150J5050S2HF 是两端口、50 W 的威尔金森型功率分配器，频率范围为 3.1 GHz 至 5 GHz，功率额定值为 2 W。该分配器具有 1 dB（典型值）的插入损耗（不包括 3 dB 的功率降低），隔离大于 15 dB（典型值）。尺寸为 2.0 x 1.29 x 0.53 mm。
　　混合型功率分配器
　　图 3 所示的混合型功率分配器以使用变压器为基础。变压器 T2 为中心抽头式，构成一个匝数比为 2:1 的自耦变压器。整个输出端的阻抗是从中心抽头到地面的阻抗的四倍。如果每个输出端口（端口 2 和端口 3）的阻抗为 50 W，则总负载阻抗为 100 W。通过变压器向后反射，在 T2 中心抽头的阻抗为 25 W。要将此负载与输入（端口 1）匹配，就需要变压器 T1，这是一个 25 W 至 50 W 的阻抗匹配变压器。
　　当输入被应用于端口 1，且端口 2 和端口 3 使用 50 W 负载端接时，将导致在端口 2 和端口 3 产生电流，相移为 180°。电阻器 R 的阻抗等于端口 2 和端口 3 的阻抗总和（在这种情况下为 100 W），通过它的电流相等且相位相反，因而将起到抵消作用。端口 2 上没有来自端口 3 的信号的电压，反之亦然。从理论上说，隔离达到了无穷大。每个输出端口的功率是输入功率的一半。
　　MACOM 的 MAPD-009278-5T1000 是一款混合型功率分配器，频率范围为 5 MHz 至 1 GHz。它被配置为两端口零度分配器。它的插入损耗（不包括 3 dB 的功率降低）小于 1.4 dB。隔离规格为典型的 20 dB。该分配器能够处理 250 mW 的功率水平，物理尺寸为 4.45 x 4.22 x 3 mm。
　　有源功率分配器
　　需要无损信号分配的应用可以使用有源功率分配器，例如 Analog Devices 的 ADA4304-3ACPZ-R7。它是 75 W 的 3:1 功率分配器，带有内置的放大器，能够提供 3 dB 增益。该器件的带宽为 2400 MHz，可在 54 至 865 MHz 的频率范围内使用。输入与输出隔离优于 25 dB。75 W 阻抗和频率范围决定了这款分配器适用于电视应用，包括多调谐器机顶盒和预接有线电视。
　　在上文介绍的器件中，电阻型功率分配器为简单，可能提供的带宽，而且通常尺寸，但它们的插入损耗较高，隔离较低。威尔金森功率分配器的插入损耗较低，隔离更高，但带宽比较有限。它们的物理尺寸随着所需的特定频率范围而变化。混合型功率分配器的插入损耗很低，提供很好的隔离，但物理尺寸较大。有源功率分配器消除了插入损耗，但往往比较昂贵。
　　实现考虑因素
　　虽然功率分配器非常简单，但如果不正确应用，它们仍然会导致问题。例如，要注意输入端的直流偏移。使用变压器的混合型组合器不会产生直流电。
　　在电阻型功率分配器中，直流电的存在降低了它们的功率额定值。所有无源功率组合器都采用对称拓扑，设计人员在应用时必须保持这种对称性。必须匹配和平衡负载。使用不匹配的负载阻抗将导致输出水平不相等。
　　在需要固定相差的应用中，例如将本地振荡器馈送到正交调制器或解调器，输出路径长度必须相等，以防止混频器的相位不匹配。
　　总结
　　在现代射频设计中，各种应用都需要组合或分离信号，例如在物联网、数字通信、汽车驾驶员辅助等各种应用中。功率分配器/组合器可以提供这样的功能。需要使用功率分配器的设计人员可以从上述三种功率分配器拓扑中选择一种，每种拓扑都有自身的优缺点。了解与每种拓扑的特性有关的基础知识，有助于设计人员选择合适的功率分配器。