功分器、耦合器、电桥原理与分析

本文主要介绍通信链路上的部分无源器件，介绍器件的外观、作用、种类、主要技术指标定义和范围等。

1功分器

1）功分器的作用：是将功率信号平均地分成几份，给不同的覆盖区使用。
2）种类：功分器一般有二功分、三功分和四功分3种。
功分器从结构上分一般分为：微带和腔体2种。腔体功分器内部是一条直径由粗到细程多个阶梯递减的铜杆构成,从而实现阻抗的变换,二微带的则是几条微带线和几个电阻组成,从而实现阻抗变换.
3）主要指标：包括分配损耗、插入损耗、隔离度、输入输出驻波比、功率容限、频率范围和带内平坦度。

以下对各项指标进行说明:
l 分配损耗：指的是信号功率经过理想功率分配后和原输入信号相比所减小的量。此值是理论值，比如二功分3dB，三功分是4.8dB,四功分是6dB。（因功分器输出端阻抗不同，应使用端口阻抗匹配的网络分析仪能够测得与理论值接近的分配损耗）   

分配损耗的理论计算方法:比如有一个30dBm的信号，转换成毫瓦是1000毫瓦，将此信号通过理想3功分器分成3份的话，每份功率＝1000÷3＝333.33毫瓦，将333.33毫瓦转换成dBm＝10lg333.33=25.2dBm, 那么理想分配损耗＝输入信号－输出功率＝30－25.2=4.8dB,同样可以算出2功分是3dB，4功分是6dBl 插入损耗：指的是信号功率通过实际功分器后输出的功率和原输入信号相比所减小的量再减去分配损耗的实际值，（也有的地方指的是信号功率通过实际功分器后输出的功率和原输入信号相比所减小的量）。插入损耗的取值范围一般腔体是：0.1dB以下；微带的则根据二、三、四功分器不同而不同约为：0.4~0.2dB、0.5~0.3dB、0.7~0.4dB。

插损的计算方法：通过网络分析仪可以测出输入端A到输出端B、C、D的损耗，假设3功分是5.3dB,那么，插损＝实际损耗－理论分配损耗＝5.3dB-4.8dB=0.5dB.
微带功分器的插损略大于腔体功分器,一般为0.5dB左右,腔体的一般为0.1dB左右。由于插损不能使用网络分析仪直接测出，所以一般都以整个路径上的损耗来表示（即分配损耗＋插损）：3.5dB/5.5dB/6.5dB等来表示二/三/四功分器的插损。

l 隔离度：指的是功分器输出各端口之间的隔离，通常也会根据二、三、四功分器不同而不同约为：18～22dB、19～23dB、20～25dB。
隔离度可通过网络分析仪测，直接测出各个输出端口之间的损耗，如上图淡蓝色曲线所示，BC间，及CD间的损耗。
l 输入/输出驻波比：指的是输入/输出端口的匹配情况，由于腔体功分器的输出端口不是50欧姆，所有对于腔体功分器没有输出端口的驻波要求，输入端口要求则一般为：1.3~1.4 甚至有1.15的；微带功分器则每个端口都有要求，一般范围为输入：1.2~1.3 输出：1.3~1.4。
l 功率容限：指的是可以在此功分器上长期（不损坏的）通过的最大工作功率容限，一般微带功分器为：30～70W平均功率，腔体的则为：100～500W平均功率。
l 频率范围：一般标称都是写800～2200MHz，实际上要求的频段是：824－960MHz加上1710～2200MHz，中间频段不可用。有些功分器还存在800～2000MHz和800～2500MHz频段
l 带内平坦度：指的是在整个可用频段内插损含分配损耗的最大值和最小值之间的差值，一般为：0.2~0.5dB。

2耦合器

1) 耦合器的作用是将信号不均匀地分成2分(称为主干端和耦合端，也有的称为直通端和耦合端)
2)种类:耦合器型号较多如5 dB、10 dB、15 dB、20 dB、25 dB、30 dB等。
从结构上分一般分为：微带和腔体2种。腔体耦合器内部是2条金属杆,组成的一级耦合.
微带耦合器内部是2条微带线,组成的一个类似于多级耦合的网络.
3主要指标：耦合度、隔离度、方向性、插入损耗、输入输出驻波比、功率容限、频段范围、带内平坦度。

以下对各项指标进行说明:
l 耦合度：信号功率经过耦合器，从耦合端口输出的功率和输入信号功率直接的差值。（一般都是理论值如：6dB、10dB、30dB等）
耦合度的计算方法：是信号功率C-A的值。比如输入信号A为30dBm 而耦合端输出信号C为24dBm 则耦合度＝C-A＝30-24＝6dB，所以此耦合器为6dB耦合器。因为耦合度实际上没有这么理想，一般有个波动的范围，比如标称为6dB的耦合器，实际耦合度可能为：5.5~6.5之间波动。

l 隔离度：指的是输出端口和耦合端口之间的隔离；一般此指标仅用于衡量微带耦合器。并且根据耦合度的不同而不同：如：5－10dB为18～23dB，15dB为20～25dB，20dB（含以上）为：25～30dB；腔体耦合器的隔离度非常好所以没有此指标要求。

计算方法：如上图指的是图中的淡蓝色曲线上的损耗，使用网络分析仪将信号由B输入，测C处减小的量即为隔离度。

l 方向性：指的是输出端口和耦合端口之间的隔离度的值再减去耦合度的值所得的值，由于微带的方向性随着耦合度的增加逐渐减小最后30dB以上基本没有方向性，所以微带耦合器没有此指标要求，腔体耦合器的方向性一般为：1700～2200MHz时：17～19dB，824～960MHz时：18～22dB。
计算方法：方向性＝隔离度－耦合度
例如6dB的隔离度是38dB，耦合度实测是6.5dB，则方向性＝隔离度－耦合度＝38－6.5=31.5dB。

l 插入损耗：指的是信号功率经过耦合器至输出端出来的信号功率减小的值再减去分配损耗的值所得的数值。一般插损对于微带耦合器则根据耦合度不同而不同，一般为：10dB以下的：0.35~0.5dB,10dB以上的：0.2~0.5dB。
计算方法：由于实际上耦合器的内导体是有损耗的，如上图所示以6dB耦合器为例，在实际测试中假设输入A是：30dBm，耦合度实测是：6.5dB，输出端的理想值是28.349dBm（根据实测的输入信号，和耦合度可以计算得出），再实测输出端的信号，假设是27.849dBm,那么插损＝理论输出功率－实测输出功率＝28.349-27.849=0.5dB；

l 输入/输出驻波比：指的是输入/输出端口的匹配情况，各端口要求则一般为：1.2~1.4；
l 功率容限：指的是可以在此耦合器上长期（不损坏的）通过的最大工作功率容限，一般微带耦合器为：30～70W平均功率，腔体的则为：100～200W平均功率。
l 频率范围：一般标称都是写800～2200MHz，实际上要求的频段是：824－960MHz加上1710～2200MHz，中间频段不可用。有些功分器还存在800～2000MHz和800～2500MHz频段
l 带内平坦度：指的是在整个可用频段耦合度的最大值和最小值之间的差值，微带一般为：0.5~0.2dB。腔体：由于耦合度是一条曲线，所以没有此要求。

耦合损耗：理想的耦合器输入信号为A，耦合一部分到B，则输出端口C必定就要有所减少。耦合器和功分器均为无源器件，在工作中不使用电源（即不消耗能源），没有功率补充，因为能量是守恒的，输入信号与多个输出信号之和相等（不计插入损耗）。

计算方法是：首先将所以端口的“dBm”功率转换成“毫瓦”为单位表示，比如A输入端的功率原来是30dBm，转换成“毫瓦”是1000毫瓦，而耦合端的输出是25.5dBm（先假设用的是6dB耦合器，并且6dB耦合器实际耦合度是6.5dB）,将25.5dBm转换成毫瓦是：316.23毫瓦。再假设此耦合器没有其它损耗，那么剩下的功率应该是1000－316.23=683.77毫瓦，全部由输出端输出。将683.77毫瓦转换成“dBm”＝28.349, 那么此耦合器的耦合损耗就等于输入端的功率（dBm）－输出端的功率（dBm）＝30dBm－28.349dBm＝1.651dB，这个值指的是耦合器没有额外损耗（器件损耗）的情况下的耦合损耗。

微带耦合器平坦度: 10dB以下一般为0.5dB,10~20dB一般为1.5dB,20~30一般为2.0dB
腔体耦合器的平坦度:由于腔体耦合器的耦合度是一条类似于抛物线的曲线,所以平坦度非常差.实际使用中表示起来比较困难可以参考下表:

3合路器和电桥
1） 作用：合路器的主要作用是将几路信号合成起来.
2）种类：合路器分为双频合路器和电桥合路器2种。双频合路器分为GSM/CDMA两网合路器和GSM/DCS两网合路器。
3）工作机理说明：双频合路器的工作原理类似于双工器,但要求被合成的信号不在同一频段范围内,比如G网和C网,G网和D网，有C网和D网之间的合路均可以才用双工合路器,而且双频合路器具有插损低(有的只有零点几dB)隔离度大(大于70~90dB) 等特点。由于C网二次谐波落在D网内,因此,C网和D网的隔离度比其他种类的小约10 dB。
当被合路的信号在同一频段内是就只能采用电桥合路器了.电桥合路器有合路损耗,比如2合1有3dB的合路损耗,而且电桥合路器的隔离度远远低于双工合路器,一般只有20dB左右。