RF 功率分配器和結合器的基礎知識

隨著物聯網 (IoT)、行動電話和汽車電子產品等應用的無線連線需求增加，越來越多的系統使用 RF 訊號、元件和子系統。設計人員經常需要將這些訊號導到多個目的地，或將多個訊號進行結合。但結合或分離訊號可能會比較困難，因為設計人員需要確保訊號的路徑配置不會因為阻抗不匹配或負載而效能衰退，還要確保始終符合重要的尺寸和成本要求。

RF 功率分配器或結合器能滿足此需求，在多個輸入或輸出之間分離或結合訊號。這些實用的裝置不僅能執行這些任務，同時面對所有訊號來源都能維持適當的負載阻抗，並提供隔離作用。

本文將針對三種常用的 RF 功率分配器／結合器介紹其基礎知識，包括電阻式、混合式和威爾金森式，並使用來自 Susumu、Anaren、MACOM 和 Analog Devices 的產品當作範例說明。文中將探討這些裝置的規格及常見的應用，並提供實作時的考量因素，幫助設計人員做出聰明的裝置選擇。

功率分配器

功率分配器有一個輸入訊號，以及兩個或更多個輸出訊號。輸出訊號的功率位準是輸入功率位準的 1/N，其中 N 是分配器的輸出數。在最常見的功率分配器樣式中，輸出埠的訊號為同相位。有些特殊的功率分配器，能在輸出埠之間提供受控的移相。如上所述，功率分配器的常見 RF 應用，會將共用 RF 來源導到多個裝置 (圖 1)。

圖 1：功率分配器可用來將一個共用 RF 訊號分離至多個裝置，例如相位陣列天線系統或正交解調器中的裝置。(圖片來源：DigiKey)

第一個例子是相位陣列天線，其中 RF 來源分離到兩個天線元件。這種天線一般都有二至八個或更多個元件，每個元件都是由功率分配器的輸出埠所驅動。移相器通常位於分配器外部，因此能讓電子控制來操控場型天線。

第二個例子是正交解調器。局部振盪器需要傳送訊號給兩個混波器，混波器再將 RF 載波解調為同相位 (I) 和正交 (Q) 調變分量。解調 Q 訊號所需的 90° 移相可以在功率分配器的外部達成 (如圖所示)，也可以在內部達成。在這兩種情況下，訊號功率位準都相等。

功率分配器可以「反向」運作，以便將多個輸入結合成單一輸出，變成功率結合器。在結合器模式中，這些裝置能夠根據訊號的振幅和相位值，來執行訊號的向量加減。

功率分配器拓撲

試著將一個訊號分離成兩個減弱的振幅分量時，設計人員或許可以考慮單純將兩個負載放在一個共用來源上形成「T 形」連接 (圖 2)。

圖 2：基本 T 形連接能將單一訊號分離成兩個分量 (振幅相等，相位相同)，但有一些限制。(圖片來源：DigiKey)

此配置可行，但有幾個限制。最明顯的限制就是阻抗不匹配。如果兩個輸出 (埠 2 和埠 3) 都饋入 50 Ω，則輸入埠 (埠 1) 的負載為 25 Ω。如果輸入來源是一個 50 Ω 的裝置，則會出現負載問題。第二個問題是缺乏隔離。例如，如果其中一個輸出埠短路，則另一個輸出埠也會短路。

功率分配器主要有三種電路拓撲，能消除 T 形連接的限制。這三種拓撲分別為電阻式、混合式和威爾金森式 (圖 3)。威爾金森式和混合式分配器屬於同一種類別，皆屬無功分配器。

圖 3：三種常見功率分配器拓撲 (電阻式、威爾金森式和混合式) 的簡化線路圖。(圖片來源：DigiKey)

電阻式功率分配器

電阻式功率分配器使用三個等值電阻，是功率分配器最常見的實作類型，並且最常採用星形配置。因為此裝置具有對稱性，因此沒有指定的輸入埠，任一何埠都可以作為輸入埠。電阻值是功率分配器所用之特徵阻抗的三分之一。若是 50 Ω 的系統，電阻值為 16.67 Ω；若是 75 Ω 的系統，電阻值則為 25 Ω。總體而言，電阻式功率分配器通常擁有最大的頻率頻寬，因為其設計中沒有頻率相關的無功元件。

電阻式功率分配器的主要優點在於簡單，能以最低成本輕易實作。此外，此裝置的體型也最小。主要缺點在於輸出埠之間的串聯電阻會導致功率損耗。這些裝置具有額定的功率規格。電阻式功率分配器大多數的應用都使用相對較低的功率。與 T 形配置相比，連接埠之間的電阻提供更好的隔離能力。

電阻式功率分配器輸出埠的訊號振幅，將是輸入訊號位準的一半 (圖 4)。

圖 4：電阻式功率分配器輸入和輸出的比較圖。輸入訊號為 50 MHz 正弦脈衝，均方根 (rms) 振幅為 179.5 mV (左上方圖形)。輸出訊號 (左中和左下方圖形) 的均方根位準為 91.7 mV (-5.8 dB) 和 88.7 mV (-6.1 dB)。請注意，訊號如預期都是同相位。(圖片來源：DigiKey)

左上方的圖形為輸入訊號，屬於 50 MHz 正弦脈衝，均方根位準為 179.5 mV。左中和左下方的圖形為輸出訊號，均方根位準分別為 91.7 mV (-5.8 dB) 和 88.7 mV (-6.1 dB)，比輸入訊號低。右側三個圖形為水平擴大的圖形，可展示詳細資訊。請注意，訊號如預期都是同相位。

Susumu 的 PS2012GT2-R50-T1 是電阻式功率分配器的一個例子，屬於 50 Ω、雙埠、20 GHz 頻寬的電阻式功率分配器。其額定功率耗散為 125 mW，插入損耗為 6 ±0.5 dB，其中 3 dB 是由內部電阻耗散的功率引起的。此裝置採用表面黏著封裝，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屬於無功分配器，使用兩個並聯、非耦合的四分之一波長傳輸線變壓器。由於使用了傳輸線，威爾金森分配器能藉由標準印刷電路傳輸線輕鬆實作。傳輸線的長度通常會將威爾金森分配器的頻率範圍限制在 500 MHz 以上。輸出埠之間具有電阻，因此這些分配器既具有匹配阻抗，還能提供隔離作用。由於輸出埠中有相同振幅和相位的訊號，電阻上沒有電壓，因此沒有電流流過，電阻不會耗散任何功率。

Anaren 的 PD3150J5050S2HF 屬於雙埠、50 Ω 的威爾金森式功率分配器，頻率範圍介於 3.1 GHz 至 5 GHz，最大功率額定值為 2 Ω。插入損耗 (不包括 3 dB 功率降低值) 為 1 dB (典型值)，且隔離能力大於 15 dB (典型值)。尺寸為 2.0 x 1.29 x 0.53 mm。

混合式功率分配器

圖 3 所示的混合式功率分配器採用變壓器做為基礎。變壓器 T2 使用中心分接頭，形成一個 2:1 匝數比的自耦變壓器。整個輸出側的阻抗，是中心分接頭到接地的阻抗的四倍。如果每個輸出埠 (埠 2 和埠 3) 的阻抗為 50 Ω，則總負載阻抗為 100 Ω。經由變壓器反推回去，T2 中心分接頭處的阻抗就是 25 Ω。將此負載與輸入 (埠 1) 進行匹配需要使用變壓器 T1，這是一種 25 Ω 對 50 Ω 的阻抗匹配變壓器。

當輸入施加到埠 1，而且埠 2 及埠 3 與 50 Ω 負載端接時，會在埠 2 和埠 3 處產生電流，移相為 180°。通過電阻 R 的電流 (等於埠 2 和埠 3 阻抗的總和，在此案例中為 100 Ω) 相等但相位相反，並將相互抵消。埠 2 沒有因為埠 3 的訊號而產生電壓，反之亦然。理論上，隔離能力會無限大。各個輸出埠的功率是輸入功率的一半。

MACOM 的 MAPD-009278-5T1000 是一種頻率範圍介於 5 MHz 至 1 GHz 的混合式功率分配器。此裝置配置成雙埠的零度分配器。其插入損耗 (不包括 3 dB 功率降低值) 小於 1.4 dB。隔離能力指定 20 dB (典型值)。此分配器最多可以處理 250 mW 的功率位準，實體尺寸為 4.45 x 4.22 x 3 mm。

有功功率分配器

若應用需要無損式訊號分配，可以使用 Analog Devices 的 ADA4304-3ACPZ-R7 等有功功率分配器。這款 75 Ω、3:1 功率分離器內建放大器，可提供 3 dB 增益。頻寬為 2400 MHz，可用於 54 至 865 MHz 的頻率範圍。輸出對輸出隔離能力大於 25 dB。由於此分配器具有 75 Ω 的阻抗和上述頻率範圍，因此可用於電視應用，包括多調諧器機上盒和有線電視。

在上述裝置中，電阻式功率分配器最簡單，並具有最大的可能頻寬和最小的總體尺寸，但插入損耗更高並且隔離能力更低。威爾金森功率分配器提供更低的插入損耗和更強的隔離能力，但頻寬較受限制。這些裝置的實體尺寸將根據其所需的特定頻率範圍而有所變化。混合式分配器的插入損耗低，隔離性良好，但實體尺寸較大。有功功率分離器雖然沒有插入損耗的問題，但通常價格更高。

實作上的考量

雖然功率結合器非常簡單，但若使用失當，還是會產生問題。例如，要注意輸入埠的 DC 偏移。使用變壓器的混合式結合器不會產生 DC 直流。

在電阻式功率分配器中，DC 的存在會降低額定功率。所有被動功率結合器都有對稱的拓撲，設計人員在使用時必須保持這種對稱性。負載必須匹配且平衡。使用不匹配的負載阻抗，會導致輸出位準不相等。

在需要固定相位差的應用中 (例如將局部振盪器饋送到正交調變器或解調器)，輸出路徑必須等長，以防止混波器的相位不匹配。

結論

在眾多應用中的現代 RF 設計都必須分離或結合訊號，包括物聯網、數位通訊和汽車駕駛輔助應用。功率分配器／結合器可以提供這樣的功能。需要使用功率分配器的設計人員，可在三種功率分配器拓撲中擇一使用，每種都各有利弊。對每種拓撲的特性有基本的瞭解，有助於設計人員挑選合適的功率分配器。