功分器、定向耦合器及应用简介

6、不等功分比功分器
在工程中，有时还需要使用一些不等功分比 二功分器。如在赋形基站天线阵中，需要用不 同功率给各辐射单元馈电，对不等功分比功分 器，按照端口之间的功分比与端口之间馈线特 性阻抗成反比的原则来设计相应的不等阻抗匹 配网络，来满足所需要的不等功分比。图1.14 为三端口微带不等功分器的结构示意图，信号 由端口1输入，由端口2、3按不等功分比输出。
有许多方法可以用来消除隔离电阻寄 生电抗带来的不良影响，例如采用由两 对传输线组成的补偿网络来抵消掉隔离 电阻所带来的寄生电抗。 如图1.8所示，把两对传输线A、B插进 普通Wilkinson功分器中。 / 4 线是作为输入与包括补偿线在内输 出端间的阻抗变换器，在这个布局中， 输入、输出端均与Z0匹配。
图 1.4
多段功分器级联后，输入/输出端口的 最大VSWR的频率特性如图1.4所示。 由图1.4看出，3段级联功分器最有用的 带宽可以到4：1，4段级联，可以实现5.5： 1的带宽。 功分器可以用微带电路制作，也可以 用同轴线制作。也可以在输出端口2、3 分别用并联长度小于λ/4短路支节的办法 来展宽带宽，如图1.5所示。
2.5.1双分支线定向耦合器
双分支线定向耦合器是由周长为λ的方形环 状传输线构成的分支线定向耦合器，如图2.7所 示。也可以看成主要是由两根传输线组成，主 线传输线1-3利用两个间隔λ/4且λ/4长的分支线 耦合到辅助传输线2-4上，耦合系数由串联臂和 并联臂的阻抗比Z2/Z1决定，输入输出端均有相 同的特性阻抗Z0。
图中T1是阻抗变换变压器，按照理想 变压器阻抗与匝数的平方成正比，可以 求出T1变压器初次级匝数之比等于 2 （7/5=1.4≈ 2 ）。T2是匝数相同的分配变 压器，实际电路中还并联了几只电容， 它与T1、T2变压器的漏感构成谐振回路， 以改善高频特性。 图1.12和1.13分别为四功分器和三功分 器。
图2.14
2.6微带电路形式功分器/合成器主 要性能的比较
2.7功分器传输线的特性阻抗值
第三部分
功分器和定向耦合器 应用简介
3.1 作三频段4波束天线的 馈电网络
在城区，传统的水平面宽波束基站天 线会带来严重的多路径和射频干扰，严 重影响通信质量，为了减小多路径效应 和射频干扰，增加通信系统的容量，需 要用几个窄波束天线来代替一个宽波束 天线，使用宽频带多波束天线就能满足 这些要求 。
由于平行耦合导体之间的电磁场的相互作用， 使耦合信号传播的方向正好与入射信号的传播 方向相反，因而把这种定向耦合器叫反向定向 耦合器。 图2.14（a）为窄边带线耦合器，图2.14（b） 为宽边带线耦合器。对上述两种单节反向定向 耦合器，假定信号由端口1输入，由端口2、3 输出，端口4无信号输出，为隔离端。值得注 意的是输出信号相差90º ，端口2的相位超前端 口3 90º 。 经常用独立的偶模和奇模来分析和表示定向 耦合器，把两个模叠加就能得到最后结果，详 细分析可参看有关资料，这里只给出设计用公 式。
集总参数分支线定向耦合器如图2.10— 2.13所示，虽然耦合元件有所不同，但都 适合在MF—HF频段作为窄带90º 混合电 路使用。 Maxwell电桥 在MF—HF频段，最好的90º 混合电路 是如图2.13所示Maxwell电桥，具有特别 宽的带宽。
2.6 平行耦合线定向耦合器
与分支线定向耦合器相比，平行耦合 线定向耦合器有更宽的带宽。最常用的 平行耦合线定向耦合器是TEM模单节反 向（Backward-Wave）定向耦合器。图 2.14为单节反向定向耦合器的结构图。由 图看出，平行耦合线定向耦合器是由两 个等宽平行耦合带线构成，最大耦合发 生在耦合线长度为λ /4的区段内（λ为导 波波长）。
西安海天天线科技股份有限公司
专题讲座
功分器、定向耦合器及应用简介
编写:俱新德
西安海天天线技术支持部天线部 2005年12月
第一部分
功分器
1、T型功分器
图1.1所示为T型功分器，端口1为输入 端，端口2、3为输出端。如果输入、输 出端口的负载阻抗均为Z0，为了使输入、 输出端口均匹配，如图1.1（b）所示，必 须加一段特性阻抗Z01=Z0/ ，长度为 λ/4 2 的阻抗变换段。
4、大功率RF功分器
Wilkinson功分器输出端所加隔离电阻 为输出端提供了很高的隔离度。但在高 频应用中，隔离电阻的寄生电抗将造成 严重问题。因为隔离电阻的几何尺寸和 波长相比拟，在大功率应用中，为了承 受大的功率，电阻的几何尺寸也必须很 大，电阻的寄生电抗则降低了功分器的 性能，不仅使隔离度、电压驻波比变坏， 而且增加了插损。
2.2 用途
在那些微波器件中会使用定向耦合器， 定向耦合器在如下所示许多微波器件中 都有应用。 平衡混频器 平衡放大器 功分器/合成器 移相器 衰减器 调制器 鉴频器（鉴相器）（Discriminators） 天线阵的馈电网络
2.3定向耦合器参数的定义
如图2.1（a）所示，定向耦合器是一个 四端口网络。假定从端口1为输入端，端 口3为输出端，端口4为耦合端，端口2为 隔离端。假定P1为端口1的输入功率, P1’ 是从端口1反射回来的功率。P2、P3、P4 分别是输出端口3、耦合端口4、隔离端 口2的输出功率。
T型功分器由于结构简单，既可以用同 轴线，也可以用微带线实现，因而在基 站天线阵中，大量用它作为馈电网络。T 型功分器的缺点是输出端口彼此不隔离， 因此也把T型功分器叫无隔离功分器。
2、Wilkinson功分器
图1.2所示为匹配Wilkinson功分器的结构 示意图。
信号由端口1输入，由端口2、3输出。所有 端口的负载阻抗均为Z0，当Z1=Z2= 2 Z0，R= 2Z0时，由端口1输入的功率，由端口2、3同相 等功率输出。 在中心工作频率，Wilkinson功分器具有以下 特性： 输入、输出端口完全匹配； 端口2、3彼此隔离，隔离度在20dB以上； 宽频带，VSWR≤1.22的带宽为1.44：1。
图1.6
为了比较，图1.6（a）为同频常规3dB 功分器的形状和大小。相对图1.6（a）常 规设计，图1.6（b）所示3dB功分器等效 矩形面积比图（a）减少40%，图1.6（c） 则减少37% 。 为了减少功分器的尺寸，可以采用电 容加载技术，图1.7就是缩短尺寸2功分器 的一种结构形式。图中功分臂的特性阻 抗Z01及加载电容C1、C2可由下式求出：
5、由传输线变压器构成的功分器
在MF~HF频段，广泛采用由传输线变 压器构成的功分器（或功率合成器）。 图1.10为2功分器，信号由端口1输入， 由端口2、3等辐同相输出，端口4为隔离 端，隔离电阻R=2Z0。两个线圈可以按照 传输线变压器的原理，绕在一个磁环上， 以实现宽频带。
由传输线变压器构成的功分器有以下 特点： 端口1、4隔离，端口2、3也隔离。 隔离端与输入端反相，输入与输出端 同相。 由图1.10所示2等功分器看出，端口1的 阻抗不为Z0，而为Z0/2，为使输入阻抗与 输出阻抗均相同，可使用如图1.11所示二 等功分器。
Wilkinson功分器也可以作为功率合成器使用。 当端口2、3输入等辐同相信号，则合成信号由 端口1输出。假定只在端口2（或端口3）输入 功率，那么只有一半功率由端口1输出，另一 半输入功率损耗在隔离电阻R中。 把Wilkinson功分器级联，可以进一步展宽它 的带宽。 对图1.3所示2级联功分器，在倍频程带宽内， 在端口1，VSWR≤1.1，在端口2、3， VSWR≤1.01，端口2、3之间的最小隔离度为 27.3dB。
第二部分
定向耦合器
2.1 分类
定向耦合器的对称性是定向耦合器的 重要特性，在分析和计算中经常利用对 称性。按对称性对称 2类：沿X轴对称——部分对称 3类：沿Y轴对称——部分对称 按输出端口的相位差也分成三类： （1）90° 如分支线定向耦合器、耦合 线定向耦合器 （2）0° 环形定向耦合器 （3）180° 环形定向耦合器
2.4 环形定向耦合器 （Ring Couplers）
2.4.1 周长为6 /4的环形定向耦合器
图2.2是由周长为6 /4微带线构成的环 形定向耦合器（ 应为导波波长）。
图2.2
（巴伦）
2.4.2宽带级联定向耦合器
图2.3
2.4.3 宽带周长为 的环形定向耦 合器
图3.1是为4波束方向图馈电用的Butler矩阵波 束形成网络（BFN）(Beam Forming Network)。 为了在1710~2200MHz的3G频段工作，用宽带 分支线定向耦合器作为90°混合电路。辐射单 元为宽带板型对称阵子，距接地板λ/4高，如图 3.2所示。其阵列分布为4×2。4波束（±12º 、 ±40º ）水平面方向图如图3.3(a)所示，每个波 束的垂直面方向图如图3.3(b)所示。
在第3代移动通信中，传输高速率数据是其 中最主要的特点之一，无线传播环境将变得非 常恶劣，所以自适应天线则成为移动通信系统 的关键技术之一。对以高bit速率通信系统的移 动终端，瑞利（Rayleigh）衰落则成为最严重 的问题。由于瑞利衰落，假定每个天线单元中 接收的信号都很小，那么自适应天线也不能正 常工作。但采用定向分集 （Directive Diversity）能有效解决这些难题。
功分器必须满足以下要求： ①输出端口2、3的功率比可以相等，也 2 2 k k 可以为任意值，例如P3= P2， 是端口2、 3的功分比。 ②输出端口的电压相等，当功率从端口1 输入时，只有V2=V3，才能保证在隔离电 阻R上无压降。由于隔离电阻R的存在， 才使得3个端口能同时实现阻抗匹配，端 口2、3也才彼此隔离。 ③端口1无反射。
图2.4
2.4.4 由环形定向耦合器构成的宽 带不等功分器
图2.5
2.4.4.1 环形不等功分器的 工程设计
2.5 分支线定向耦合器（Branch Coupler）
分支线定向耦合器是由周长为λ的方环 构成的分支线耦合器。分支线定向耦合 器为四端口网络。分支线定向耦合器有 双分支线定向耦合器和三分支线定向耦 合器。分支线定向耦合器的带宽随着分 支线的增加而增加。
λ/4
3、缩小尺寸的3dB Wilkinson功分器
普通的3dB Wilkinson功分器由两段λ/4 传输线组成。在RF的低频段，为了减少 普通2Wilkinson功分器轨迹（footprint） 围成的面积，基于折叠传输线能减少传 输线几何长度且能维持未折叠传输线在 中心频率电性能的原理。用一个C段和两 个C段级联制成的小型3dB Wilkinson功分 器分别如图1.6（a）(b) (c)所示。
由图看出，波束下倾7º ，每个波束天线在 1950MHz的增益为：12º 波束，G=11.5dBi;40º 波束，G=11dBi;-12º 波束，G=12.3dBi;-40º 波束， G=10dBi。由于波束下倾，必须按表3.1所示单 元之间的相位进行设计。
3.2在空间波束圆形智能天线阵中 的应用
2.5.2 三分支线定向耦合器 （Three-Branch Coupler）
图2.8为三分支线定向耦合器。三分支 线定向耦合器的带宽比双分支线定向耦 合器宽，相对带宽为20%。 三分支线定向耦合器也有图2.1 1类定 向耦合器的理想方向性。 S12=S21=0
2.5.3 集总参数分支线定向耦合器
在定向分集中，同时形成几个窄波束，且选择 最大功率的波束，或者把波束与最大比组合算法 (MRC）（Maximum Ratio Combining）组合。在 更先进的系统，对波束加权，并和自适应阵算法 相结合。例如采用最小均方误差 (MMSE)(Minimum Mean Square Error)，把这种自 适应天线阵称作空间波束自适应天线阵。 图3.4为均布在直径为0.5λ圆周上由4个全向天 线和馈电网络构成的智能天线阵。由图看出，馈 电网络仅由4个宽带90º 混合电路组成。由于没有 移相器，没有延迟线，也没有放大器，所以馈电 网络具有宽带特性，而且RF损耗很小。