芯耀
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在射頻和微波系統(tǒng)的復雜網絡中，功分器扮演著不可或缺的關鍵角色，它就像是一個智能的 “信號分流樞紐” ，承擔著將一路輸入信號能量按照特定比例，精準分配到兩路或多路輸出端口的重任，讓不同的設備或系統(tǒng)能夠共享同一個信號源。功分器的分配比例可根據(jù)實際需求進行靈活設計，分為等分功分器和不等分功分器。例如，在通信基站中，功分器可以將基站發(fā)射機發(fā)出的信號功率，均勻地分配到多個天線，從而增強信號的覆蓋范圍和強度；在衛(wèi)星通信領域，功分器能夠將衛(wèi)星接收到的信號，合理分配給不同的接收設備，確保信息的有效傳輸 。此外，功分器還能反向工作，將多路信號能量合成一路輸出，此時它又被稱為合路器，在信號的整合與優(yōu)化傳輸中發(fā)揮著重要作用。
隨著科技的飛速發(fā)展，功分器的應用領域不斷拓展，從常見的通信、廣播，到高端的雷達、電子對抗等，都離不開功分器的支持。在通信系統(tǒng)中，它助力實現(xiàn)信號的高效分配與合成，保障通信的穩(wěn)定與暢通；在廣播系統(tǒng)里，它將廣播信號合理分配到各個發(fā)射天線，擴大信號覆蓋范圍；在雷達系統(tǒng)中，它協(xié)助將雷達信號分配到多個接收天線，提升雷達的探測能力和抗干擾能力；在電子對抗系統(tǒng)中，它把干擾信號分配到多個發(fā)射天線，增強干擾效果。
而在眾多功分器類型中，威爾金森功分器和Gysel 功分器憑借其獨特的性能和特點，成為了射頻和微波領域的研究熱點和應用重點，接下來我們將深入探索它們的奧秘。
?No.1?威爾金森功分器：經典之作
威爾金森功分器作為射頻和微波領域的經典結構，由 Ernest Wilkinson 在 20 世紀 60 年代初提出 。它的誕生，為信號功率的分配與處理帶來了全新的解決方案，其巧妙的設計和卓越的性能，使其迅速成為該領域的重要組成部分。
它的基本原理是利用電阻網絡和四分之一波長傳輸線來實現(xiàn)功率的分配。當輸入信號進入功分器后，會通過四分之一波長傳輸線被分成兩路，分別傳輸?shù)絻蓚€輸出端口。在這個過程中，電阻網絡起著關鍵作用，它不僅確保了輸入和輸出之間的匹配，還能減少信號的反射和干擾。具體來說，通過奇偶模分析方法可以深入理解其工作機制。在偶模激勵下，電阻兩端電壓相等，無電流流過，端口 1 的兩個傳輸線輸入之間短路；在奇模激勵下，電阻起到匹配作用，使得端口 2 和端口 3 實現(xiàn)匹配，并且端口 2 和 3 之間相互隔離。這種獨特的設計，使得威爾金森功分器在實現(xiàn)功率分配的同時，還能保證良好的端口匹配和隔離性能 。
1.1 結構特點
威爾金森功分器通常采用三端口結構，包含一個輸入端口和兩個輸出端口 。三個端口之間通過特定阻抗的傳輸線連接，其中輸入端口到兩個輸出端口的傳輸線長度均為四分之一波長。在兩個輸出端口之間，跨接著一個隔離電阻，這個電阻是實現(xiàn)端口隔離的關鍵元件。
以常見的 50 歐姆系統(tǒng)為例，輸入端口的特性阻抗一般為 50 歐姆，從輸入端口到輸出端口的四分之一波長傳輸線的特性阻抗通常設計為 70.7 歐姆，而隔離電阻的阻值一般為 100 歐姆。這種結構設計，使得功分器在工作時能夠有效地將輸入信號功率等分到兩個輸出端口，并且保證輸出端口之間的隔離度，從而滿足各種射頻和微波系統(tǒng)的需求。 此外，威爾金森功分器的結構緊湊，易于集成到各種電路中，這也是它在實際應用中廣泛使用的原因之一。
1.2 性能剖析
威爾金森功分器具有良好的端口匹配性能，其輸入端口和輸出端口的反射系數(shù)通常都能達到很低的水平，一般情況下，輸入端口的回波損耗可以達到 - 20dB 以上，輸出端口的回波損耗也能達到 - 15dB 以上 ，這意味著信號在端口處的反射很小，能夠有效地傳輸。輸出端口之間具有較高的隔離度，通?？梢赃_到 20dB 以上，這使得一個輸出端口的信號幾乎不會影響到另一個輸出端口，保證了信號的獨立性和穩(wěn)定性。它還能實現(xiàn)較為精確的等功率分配，兩個輸出端口的功率差異一般可以控制在 0.1dB 以內，滿足大多數(shù)應用對功率分配精度的要求。然而，威爾金森功分器也存在一些局限性，例如它存在一定的插入損耗，一般在 0.5dB - 1dB 之間，這是由于電阻網絡的存在導致信號能量的損耗；其工作帶寬相對較窄，一般只能覆蓋一個倍頻程左右，在一些對帶寬要求較高的應用場景中，可能無法滿足需求。
1.3 應用領域
威爾金森功分器在天線陣列饋電系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，它可以將發(fā)射機的信號功率均勻地分配到各個天線單元，確保天線陣列的輻射性能均勻一致，提高天線的增益和方向性 。在射頻電路中，常用于信號的分配與合成，為不同的功能模塊提供合適的信號功率。在通信系統(tǒng)中，無論是基站設備還是終端設備，威爾金森功分器都能幫助實現(xiàn)信號的高效處理和傳輸，提升通信質量和穩(wěn)定性；在雷達系統(tǒng)中，它能夠將雷達發(fā)射機的信號分配到多個接收天線，增強雷達的探測能力和抗干擾能力，為目標檢測和跟蹤提供有力支持。
?No.2?Gysel 功分器：后起之秀
Gysel 功分器是微波領域的后起之秀，它主要基于反射技術來實現(xiàn)信號功率的分配 。在 Gysel 功分器中，通過精心設計不同的反射系數(shù)，巧妙地對輸入信號的功率進行分配。當輸入信號進入功分器后，會遇到不同特性的傳輸線和負載，這些傳輸線和負載的參數(shù)被精確設計，使得一部分信號被反射，另一部分信號則繼續(xù)傳輸 。通過對反射系數(shù)的精確控制，能夠將輸入信號的功率按照預定的比例分配到各個輸出端口。例如，通過調整傳輸線的長度、特性阻抗以及負載的阻值等參數(shù)，可以實現(xiàn)不同的功率分配比例，滿足各種不同的應用需求。這種基于反射技術的功率分配方式，為 Gysel 功分器帶來了獨特的性能優(yōu)勢。
2.1 獨特構造
Gysel 功分器的結構主要由三個分支組成，呈現(xiàn)出一種獨特的布局 。其中兩個分支是串聯(lián)的，第三個分支則與前兩個分支并聯(lián)。當輸入信號首先進入第一個分支后，一部分信號會沿著第二個分支繼續(xù)傳輸，進而進入第三個分支；而另一部分信號則會被反射回第一個分支 。第三個分支起到關鍵的信號分配作用，其中的信號最終會被均勻地分配到各個輸出端口。
以常見的微帶線 Gysel 功分器為例，這三個分支通常由微帶線構成，通過合理設計微帶線的寬度、長度以及它們之間的連接方式，可以實現(xiàn)功分器的各項性能指標。這種獨特的結構設計，使得 Gysel 功分器在實現(xiàn)功率分配的同時，還能有效地控制信號的傳輸和反射，從而提高功分器的性能。
2.2 性能亮點
Gysel 功分器具有一系列令人矚目的性能亮點 。它具有出色的寬帶特性，能夠在較寬的頻率范圍內保持良好的功率分配性能，一般情況下，其相對帶寬可以達到 30% 以上，甚至在一些優(yōu)化設計中，能夠覆蓋更寬的頻段 。這使得它在多頻段通信系統(tǒng)中具有很大的應用潛力，能夠滿足不同頻段信號的功率分配需求。它還具備高功率承受能力，由于其結構設計和負載的合理配置，使得它能夠承受較大的輸入功率。在連續(xù)波情況下，采用帶狀線或微帶線實現(xiàn)的 Gysel 功分器，其耐功率水平主要受限于傳輸線的擊穿電壓以及熱耗散能力，而通過優(yōu)化設計，可以有效提高其功率容量 。輸出端口間有良好的隔離度，通?？梢赃_到 20dB 以上，這意味著輸出端口之間的信號相互干擾較小，能夠保證各個輸出端口信號的獨立性和穩(wěn)定性 。端口匹配也較好，輸入端口和輸出端口的反射系數(shù)都能控制在較低水平，一般輸入端口的回波損耗可以達到 - 20dB 以下，輸出端口的回波損耗也能達到 - 15dB 以下，確保了信號的高效傳輸 。
2.3 應用場景
Gysel 功分器在微波通信、雷達系統(tǒng)等對功率容量和帶寬要求高的領域有著廣泛的應用 。在微波通信系統(tǒng)中，隨著通信技術的不斷發(fā)展，對信號傳輸的帶寬和功率要求越來越高。Gysel 功分器的寬帶特性和高功率承受能力，使其能夠滿足微波通信系統(tǒng)中多頻段、大功率信號的分配需求 。在 5G 通信基站中，需要將基站發(fā)射機的大功率信號分配到多個天線，Gysel 功分器可以有效地實現(xiàn)這一功能，保證信號的穩(wěn)定傳輸和覆蓋范圍 。在雷達系統(tǒng)中，雷達需要發(fā)射和接收大功率的射頻信號，Gysel 功分器可以將發(fā)射機的信號功率分配到多個天線單元，提高雷達的探測能力和抗干擾能力 。在相控陣雷達中，通過使用 Gysel 功分器，可以實現(xiàn)對天線陣列的精確饋電，從而實現(xiàn)對目標的快速探測和跟蹤 。
?No.3?兩種功分器的對比
3.1 性能差異
在性能方面，Gysel 功分器和威爾金森功分器各有千秋 。Gysel 功分器的突出優(yōu)勢在于其寬帶特性，一般相對帶寬能達到 30% 以上，這使得它在多頻段通信系統(tǒng)中能夠輕松應對不同頻段信號的功率分配任務，確保信號的穩(wěn)定傳輸和高效處理 。而威爾金森功分器的工作帶寬相對較窄，通常只能覆蓋一個倍頻程左右，在需要處理寬頻段信號的場景中，可能會顯得力不從心 。在插入損耗上，威爾金森功分器由于電阻網絡的存在，會導致一定的信號能量損耗，插入損耗一般在 0.5dB - 1dB 之間 ；Gysel 功分器則在這方面表現(xiàn)較好，其插入損耗相對較低，能夠更有效地減少信號能量的損失 。功率容量上，Gysel 功分器具備高功率承受能力，能夠滿足雷達系統(tǒng)等對功率要求較高的應用場景；威爾金森功分器的功率容量相對較小，在高功率應用中可能無法滿足需求 。在隔離度和端口匹配方面，兩者都能達到較高的水平，輸出端口之間的隔離度通常都能達到 20dB 以上，輸入端口和輸出端口的反射系數(shù)也都能控制在較低范圍，保證了信號的獨立性和高效傳輸 ，但 Gysel 功分器在寬帶條件下仍能較好地保持這些性能，而威爾金森功分器在帶寬增加時，性能可能會有所下降 。
3.2 結構與設計區(qū)別
從結構和設計角度來看，兩者也存在明顯的區(qū)別 。威爾金森功分器采用三端口結構，包含一個輸入端口和兩個輸出端口，輸入端口到兩個輸出端口的傳輸線長度均為四分之一波長，兩個輸出端口之間跨接著一個隔離電阻，這種結構設計相對較為簡單、緊湊 ，易于集成到各種電路中 。而 Gysel 功分器的結構主要由三個分支組成，其中兩個分支串聯(lián)，第三個分支與前兩個分支并聯(lián)，結構相對復雜一些 。在傳輸線的使用上，威爾金森功分器主要依賴四分之一波長傳輸線來實現(xiàn)功率分配和端口匹配；Gysel 功分器則通過精心設計不同的反射系數(shù)，利用傳輸線和負載的組合來實現(xiàn)功率分配 ，其傳輸線的設計和布局更為靈活 。電阻在兩者中的作用也有所不同，威爾金森功分器中的隔離電阻主要用于實現(xiàn)輸出端口之間的隔離，確保一個輸出端口的信號不會影響到另一個輸出端口；Gysel 功分器中雖然也可能使用電阻，但電阻的位置和作用與威爾金森功分器有所差異，它更多地是參與到反射系數(shù)的控制和信號功率的分配過程中 。
3.3 適用場景探討
基于它們的性能和結構特點，Gysel 功分器和威爾金森功分器適用于不同的應用場景 。Gysel 功分器由于其寬帶特性和高功率承受能力，更適合應用在對帶寬和功率容量要求較高的領域，如 5G 通信基站、相控陣雷達等 。在 5G 通信中，需要支持多個頻段的信號傳輸，Gysel 功分器能夠在較寬的頻率范圍內保持良好的性能，滿足多頻段信號的功率分配需求 ；在相控陣雷達中，需要發(fā)射和接收大功率的射頻信號，Gysel 功分器的高功率容量使其能夠有效地將發(fā)射機的信號功率分配到多個天線單元，提高雷達的探測能力和抗干擾能力 。威爾金森功分器則更適合應用在對端口匹配和隔離度要求較高，且工作帶寬相對較窄的場景，如天線陣列饋電系統(tǒng)、一些傳統(tǒng)的射頻電路等 。在天線陣列饋電系統(tǒng)中，威爾金森功分器能夠將發(fā)射機的信號功率均勻地分配到各個天線單元，并且保證輸出端口之間的隔離度，從而確保天線陣列的輻射性能均勻一致，提高天線的增益和方向性 ；在一些射頻電路中，威爾金森功分器的良好端口匹配性能能夠減少信號的反射和干擾，保證信號的穩(wěn)定傳輸 。
?No.4?發(fā)展趨勢與展望
隨著科技的不斷進步，Gysel 功分器和威爾金森功分器在技術創(chuàng)新方面正朝著多個方向發(fā)展 。在提高性能方面，研究人員致力于進一步降低插入損耗，通過優(yōu)化傳輸線的材料和結構，減少信號在傳輸過程中的能量損失 。同時，不斷提升隔離度，采用更先進的電阻網絡設計和布局，提高輸出端口之間的隔離性能，減少信號干擾 。拓展帶寬也是重要的創(chuàng)新方向之一，通過采用新型的阻抗變換器結構，如多級階梯阻抗變換器等，能夠有效拓寬功分器的工作帶寬 。還可以利用先進的電磁仿真軟件，對功分器的結構進行精細化設計和優(yōu)化，進一步提升其寬帶性能 。
在增加功率容量方面，一方面研究新型的散熱材料和散熱結構，提高功分器在高功率工作下的散熱能力，以保證其性能的穩(wěn)定性 ；另一方面，探索新的功率分配和合成技術，如采用分布式功率合成技術，將功率分散到多個傳輸線和負載上，從而提高功分器的功率容量 。
小型化和集成化也是當前的研究熱點 。通過使用集總參數(shù)元件替代部分傳輸線，或者采用先進的工藝將功分器的阻抗變換器進行蜿蜒、多層結構設計，能夠有效減小功分器的尺寸 。在 CMOS 工藝下，利用傳輸線 T 型等效將傳統(tǒng) Wilkinson 功分器的四分之一波長阻抗變換器轉換為集總參數(shù)電路，再結合有源電感器作為集總參數(shù)電感，可大大減小電路面積 。將功分器與其他射頻器件，如濾波器、放大器等集成在一起，形成多功能的射頻模塊，不僅可以減小系統(tǒng)的體積和重量，還能降低成本，提高系統(tǒng)的性能和可靠性 。
展望未來，Gysel 功分器和威爾金森功分器在眾多領域有著廣闊的應用前景 。在 5G 通信中，隨著 5G 網絡的不斷普及和發(fā)展，對射頻前端器件的性能要求越來越高 。Gysel 功分器的寬帶特性和高功率容量，使其能夠滿足 5G 基站中多頻段、大功率信號的分配需求，為 5G 通信的穩(wěn)定運行提供有力支持 。威爾金森功分器良好的端口匹配和隔離性能，在 5G 終端設備的射頻電路中也將發(fā)揮重要作用，確保信號的穩(wěn)定傳輸和高效處理 。
在相控陣雷達領域，相控陣雷達通過控制天線陣列中各個天線單元的相位和幅度，實現(xiàn)波束的快速掃描和指向控制 。Gysel 功分器和威爾金森功分器作為天線陣列饋電系統(tǒng)的關鍵組成部分，能夠將發(fā)射機的信號功率精確地分配到各個天線單元，并且保證輸出端口之間的隔離度，從而提高相控陣雷達的探測能力、分辨率和抗干擾能力 。隨著相控陣雷達技術的不斷發(fā)展，對功分器的性能和可靠性要求也將越來越高，這將進一步推動 Gysel 功分器和威爾金森功分器的技術創(chuàng)新和應用拓展 。
衛(wèi)星通信領域，隨著衛(wèi)星互聯(lián)網的興起，對衛(wèi)星通信設備的性能和小型化要求日益提高 。Gysel 功分器和威爾金森功分器可以應用于衛(wèi)星通信的地面終端設備和衛(wèi)星平臺上，實現(xiàn)信號的分配和合成 。在低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，功分器需要具備寬帶、高功率容量和小型化等特點，以滿足衛(wèi)星通信的需求 。隨著衛(wèi)星通信技術的不斷進步，如高通量衛(wèi)星、毫米波通信等技術的應用，Gysel 功分器和威爾金森功分器將在衛(wèi)星通信領域發(fā)揮更加重要的作用 。
?總結?
Gysel 功分器和威爾金森功分器作為功分器家族中的重要成員，各自憑借獨特的優(yōu)勢在射頻和微波領域占據(jù)著重要地位。威爾金森功分器作為經典之作，以其簡單緊湊的結構、良好的端口匹配和隔離性能，在對帶寬要求不高、注重信號獨立性和穩(wěn)定性的場景中表現(xiàn)出色，如傳統(tǒng)的天線陣列饋電系統(tǒng)和射頻電路。Gysel 功分器作為后起之秀，憑借寬帶特性和高功率承受能力，在多頻段通信和高功率需求的領域大顯身手，成為 5G 通信基站和相控陣雷達等系統(tǒng)的關鍵組成部分。
隨著科技的不斷進步，二者在技術創(chuàng)新的推動下，性能不斷提升，應用領域也將持續(xù)拓展。它們不僅是實現(xiàn)信號功率分配與合成的關鍵元件，更是推動射頻和微波系統(tǒng)發(fā)展的重要力量，為通信、雷達、衛(wèi)星通信等眾多領域的技術突破和應用創(chuàng)新提供了堅實支撐，在未來的科技發(fā)展中必將發(fā)揮更加重要的作用 。
