（本页是纯文字版，点此阅读完整版全文）

功率分配器与功率分流器之比较

Jason Yoho、Ameya Ramadurgakar、Madrone Coopwood，HYPERLABS

尽管"功率分配器(divider)"和"功率分流器(splitter)"这两个术语经常被混用，但它们在设计和预期应用上存在根本差异。功率分配器（2路）通常采用三电阻配置，用于将单个输入信号分成多个输出信号，适用于信号分配等应用。功率分流器通常采用两电阻配置，主要用于电平调节和比值测量。功率分配器和功率分流器都可用作功率合成器。

功率分配器

如图1所示的三电阻射频功率分配器是一种无源电路，能将输入的射频信号进行1:2分割，产生两个输出信号。该设计通常使用三个阻值为16.6Ω的电阻，常采用星形或T形配置，以在宽频率范围内（假设所有端口均端接50Ω负载）保持一致的阻抗匹配和信号完整性。这些分配器以其简单性和宽带宽而闻名，但由于电路的电阻特性，也会引入插入损耗。假设所有输出端口均端接50Ω负载，则该射频功率分配器对连接到端口1（输入）的信号源呈现50Ω负载。在这种情况下，设备将输入功率的四分之一（即-6dB）传输到端口2和端口3。其中3dB的损耗来自功率分配，另外3dB的损耗产生于电阻。

图1 1:2三电阻功率分配器原理图。

这些器件可以通过多种方式制造，包括在印刷电路板上使用一系列表面贴装薄膜或厚膜电阻，或者在陶瓷基板上使用一系列由氮化钽（TaN）或镍铬合金（NiCr）制成的薄膜电阻。TaN电阻在经过高温钝化后非常稳定可靠，而NiCr电阻则用于需要低电阻温度系数（TCR）的特殊应用。² 电路的功率处理能力主要取决于电阻的尺寸以及器件控制或散发电阻损耗所产生的热量的能力。

功率分配器通常通过电路的功率处理能力、带宽以及两个输出端口相对于输入端口的幅度和相位平衡度来指定。由于该电路是无源电阻性设计，其工作频率范围从直流到设计的最大截止频率。目前市场上有带宽指定为直流至大于110GHz的产品。

通过级联多个1:2功率分配器或使用更多数量的电阻共享一个公共节点，可以设计出具有两个以上输出端口的功率分配器。图2展示了制造1:4功率分配器的两个示例。图2a采用了五个30Ω电阻呈星形排列。由于设计的物理对称性，这种方法在将输入信号的功率平均分配到其余四个端口方面存在一些缺点。在高频下，进入与输入端口相对端口的能量比进入相邻端口的能量更多。

图2 1:4功率分配器原理图：a)星形模式，b)级联的1:2功率分配器。

更常见的实现方式是使用三个如图1所示的1:2功率分配器，最终得到如图2b所示的原理图。这种拓扑结构确保了功率的均等分配（每个输出相对于输入信号均为-12dB），并且在四个输出端具有相同的群延迟。图2b所示拓扑的主要缺点是功率分配器有一个专用输入端口，并且各输出端口之间的隔离度并不相同。

最后要讨论的功率分配器是一种在两个输出端之间产生不等功率分配的器件。图3显示了一种拓扑结构，其中所有端口都匹配到50Ω，但传输到端口2和端口3的功率不相等。这种组件更常被称为电阻性耦合器或阻抗匹配的拾取T型接头。一个常见的（不等分）分配比会选择四个电阻，使得端口2获得-4dB的功率，而端口3获得-10dB的功率（均相对于端口1），同时保持所有三个端口都匹配到50Ω。

图3 不等分功率分配器原理图。

功率分流器

如图4所示的两电阻射频功率分流器是一种无源电路，能将输入的射频信号进行1:2分割，产生两个输出信号。该设计通常使用两个电阻，每个阻值为50Ω。功率分流器是在射频电路中分割功率的一种简单且常见的方法，特别适用于增益测量和电平控制环路等应用。

图4 1:2 两电阻功率分流器。

当输出端口（端口2和端口3）端接50Ω负载时，端口1的输入阻抗匹配到50Ω。相比之下，当所有端口都端接50Ω负载时，电阻性功率分流器的输出端口呈现83.3Ω的阻抗。

功率分流器的独特特性在端口2和端口3的阻抗不是50Ω和/或不相等时最能体现。在这种情况下，无论负载如何不平衡，功率分流器都能向两个负载提供相等的入射功率。由于无论负载阻抗如何不平衡，相等的入射功率是恒定的，因此两电阻功率分流器用于需要测量输出功率与参考信号之比的场合。要进一步理解这一现象，必须回顾三端口网络理论，并研究功率分配器和功率分流器的散射参数（S参数）。

三端口网络理论

为了更好地理解功率分配器与功率分流器的功能，回顾一下三端口射频器件的S参数会有所帮助。三端口网络可如图5所示进行可视化。

图5 三端口设备流程图。

参考图5，每个端口都用内向（入射）电压波"a_n"和外向（反射）电压波"b_n"表示。下标"n"代表与波相关的端口号。S参数可用于表示端口内部和端口之间的电压传递函数。根据定义，每个没有主动注入入射能量的端口都被假定为端接了50Ω负载。例如，S₁₁是在其他两个端口没有信号输入时，端口1的反射"b"波（b₁）与端口1的入射"a"波（a₁）之比。

类似地，S₂₁是在其他两个端口没有信号输入时，端口2的外向"b"波（b₂）与端口1的入射"a"波（a₁）之比。

公式3所示的完整线性矩阵可用于描述三端口器件的入射波和反射波关系，如下所示。

功率分配器与功率分流器的S参数

三电阻功率分配器和两电阻功率分流器之间的根本差异已被充分理解并在文献中有所记载。¹ B. Smith的工作阐述了两者之间的差异，并推导了两种器件的散射参数。¹ 这些结果已总结在表1中。

表1 电阻性功率分配器与电阻性功率分流器的S参数¹

三电阻功率分配器具有阻抗匹配特性，因此所有端口无反射（S₁₁=S₂₂=S₃₃=0），输出端口之间有6dB的隔离度（S₂₃=S₃₂=0.5）。相比之下，功率分流器的输出端口有12dB的回波损耗（S₂₂=S₃₃=0.25），输出端口之间有12dB的隔离度（S₂₃=S₃₂=0.25）。这使得功率分流器在驱动不平衡负载时具有明显优势。如果能量从不匹配的负载反射回来并到达功率分流器的输出端，其中四分之一的能量被再次反射，四分之一传输到相对的输出端。这保持了两个端口输出功率的相等。¹ 这种情况如图6所示。

图6 带有不匹配负载的功率分流器示例。

在检查前向波和反射波时，公式3和4中的参数就变得清晰了。

使用表1中的数据，通过观察公式6和7中的表达式，现在可以看出功率分流器的优势。这些方程表明，从端口3的不匹配负载反射回来的能量被相等地再次反射到端口2和端口3，从而保持两个输出端的比值恒定。

功率分流器——应用

功率分流器的一种应用是比值测量，如图7所示。此设置将提供通过被测设备（DUT）的传输信号与功率分流器第二个输出端检测到的信号之间的比值。此测量将得出DUT的增益。

图7 使用功率分流器进行DUT传输比值测量。

之前的S参数计算表明，功率分流器的两个输出是相同的（S₂₁=S₃₁），并且来自DUT的反射被均等地分配到设备的两个输出端。有了这个认识，可以确保测量到的只是DUT的增益，而与驱动DUT的功率分流器输出端所呈现的阻抗无关。

功率分配器——应用

功率分配器的一个标准应用是将其用于时钟信号分配（图8）。在此应用中，功率分配器由射频合成器产生的时钟信号驱动。一旦时钟信号被分成两个相同的信号，一个信号可用于驱动DUT，另一个可用于驱动等效时间采样示波器的相位参考模块。

图8 用作时钟扇出的功率分配器。

在任何需要复制时钟信号的应用中，功率分配器将产生两个或多个同相的时钟源副本。

结论

功率分配器和功率分流器都是将输入信号分割/分成多个输出信号的设备，但它们在设计和预期用途上有所不同。三电阻功率分配器用于在多个输出端口之间均匀分配功率，而两电阻功率分流器可为各种功率分配比和应用而设计。

本文旨在通过介绍区分功率分配器和功率分流器的S参数，来阐述它们之间的差异。并为每种设备提供了具体的应用示例，以帮助进一步理解所指出的差异。