不同系列功分器、耦合器的特性分析
南京博翔电子有限公司是一个民办的无源部件专业厂，研制、生产移 动通信用的功分器、耦合器、合路器、中功率负载等 多个系列产品。以低损耗、宽频带、高可靠、防水为特点，深受国内外网络商的青睐。
其中功分器、耦合器分为同轴腔体结构和微带、带线结构两大系列。
为便于用户对这些不同系列产品的深入了解，笔者从设计原理、阻抗计算、传输特征等方面分析了不同系列产品的特点，供用户参考。 1、同轴腔体功分器、耦合器
下面以二功分器为例，分析、计算各端口的阻抗关系、传输特征（三功分、四功分数据见表1）
图1：同轴腔体二功分器原理示意图
1.1 功分器的设计原理本质上是一个阻抗变换器，二功分的阻抗变换比为2:1即输入端（A点）阻抗为50Ω，变换到B点，B点阻抗RBA=25 Ω,在B点分路，输出口C1、C2分别端接RL1、RL2用户终端（例如天线，以下简称终端），两个终端并联，正好跟B点匹配。
但是请注意，单个端口C1（或C2）跟B点是不匹配的，其内阻 ZC内等于RBA与另外一个终端负载RL2（或RL1）并联。 即 ZC内=25 Ω || 50 Ω =16.667 Ω
输出端口C1（或C2）的驻波比
ρ=50/16.667=3:1
1.2 信号传输特征
1.2.1 正向传输（下行通道）
下行信号，由输入口A传输到B点，并在B点分路，分别传送到RL1、RL2 两个终端。虽然单个输出口与终端负载不匹配，但是如1.1分析的，当功分器的二个输出口同时端接负载时，A→B的驻波比ρ应该满足技术条件ρ
抗变换段，只可能在RL1-C1-B-C2-RL2之间来回反射，最终达到平衡，下行信号将一分为二，全部送到二个终端。 1.2.2反向传输（上行通道）
来自终端的上行信号，送到端口C1(或C2)，C1口的驻波比ρ =3:1 反射系数Γ= (ρ –1) /(ρ +1) =0.5 反射功率P反=|Γ|2=0.25
即25%的信号功率被反射回去，75%送到B点。 因为B点由RBA，RL2并联
RBA=25Ω 分配得到的上行信号为50%（向A传输的信号为-3dB）
RL2=50Ω 分配得到的上行信号为25%（到达另外一个终端的信号为-6dB。即隔离度） 结论:
1、腔体功分器，反向（上行通道）有效传输信号为-3dB符合对偶传输理论； 2、输出端口C1→C2之间的隔离度为6dB； 3、25%（即-6dB）的信号反射到RL1终端； 4、功分器内部不损耗功率；
5、如果终端不匹配，正向传输的一部分下行信号将反射回来，其分析、计算等效上行通道的反向传输。
表1：腔体功分器输出阻抗、隔离度理论计算数值
*以上数据是假设输入口理想匹配时推算出来的，实际情况输入驻波比≤1.2:1，因此实际数值会上、下有些变化。驻波比越小，越接近理论值。 1.3腔体耦合器
腔体耦合器是不等功率分配器，又称功率取样器（Power Tappers）其特性跟腔
体功分器相似。
1．输入口阻抗按匹配理论设计，驻波比ρ≤1.3:1
2．输出口阻抗近似的匹配：耦合强，驻波大；耦合弱，驻波小 典型值：
5dB 耦合器 ρ≤2.2:1 6dB 耦合器 ρ≤2:1 7dB 耦合器 ρ≤1.8:1 10dB 耦合器 ρ≤1.4:1 15dB 耦合器 ρ≤1.3:1
3．耦合口（或称取样口），则严重失配，耦合度越弱，驻波越大 以10dB耦合器为例，计算耦合口驻波比。
根据对偶传输理论。耦合口反向传输到输入口为10dB （信号的10%），耦合口与输出口的隔离度近似等于耦合度10dB （信号的10%），剩余的80%信号由耦合口反射回去（反射到终端天线） 要求耦合口的反射系数Γ=0.81/2=0.8944 则耦合口驻波比ρ=9.47:1
特别注意：腔体耦合器跟腔体功分器一样，同属无耗传输线段，内部不消耗功率，靠大驻波反射剩余功率，满足对偶传输条件。可见耦合口大驻波比是对偶传输的要求（也是腔体结构功分器、耦合器的一个重要特征）。由于耦合口的驻波比很大，因此，用网络仪测试耦合度时，需在输入电缆接收口加一个20dB（或10dB）固定衰减器，加以隔离，否则会引起较大的测试误差。 （详细请参阅本文第5.2、5.3节内容） 2、微带功分器
图2为微带二功分电原理图
2.1 微带二功分器在输入口A分路，A1，A2分别为100Ω阻抗，经过2:1阻抗变 换到输出口，节点电阻R1、R2、R3参与了反向阻抗匹配，并改善了输出隔离，（R1、R2、R3被称为隔离电阻），微带二功分 器特点是：全部端口阻抗匹配；输出口之间有20dB以上隔离度。
但微带功分器的设计在输入口分路，由高阻抗向50 Ω变换，带线较细，损耗较大。 2.2 信号传输特征 2.2.1 正向传输（下行通道）
节点P1、P2、P3对于正向传输信号满足等幅、同相位条件，因此对正向传
输，隔离电阻是虚浮的，不消耗功率，二个输出口各分得-3dB信号。 2.2.2 反向传输（上行通道）
根据对偶传输原理，上行通道的有效传输，二功分-3dB、三功分-4.8dB、四功分-6dB。 剩余信号由隔离电阻吸收。
通常上行是小信号传输，可以不考虑。
但是下行传输是大功率，终端的反射就不可忽视，微带功分器的额定功率取决于隔离电阻的功率承受能力。要求隔离电阻尺寸小、功率大。如果尺寸大：一、安装困难，二、影响输出隔离度，输出驻波比。功率大、尺寸小，增加设计成本，这是微带功分器设计中的难点。
下面以微带天线驻波1.5:1和2:1二种情况，举例计算微带二功分器功率承受能力。
设：下行传输功率为50W，二个输出口各分得25W功率。
的微带功分器额定50W、100W二个系列是指用户终端的驻波比1.5:1, 如果驻波比超过1.5:1，则应降功率使用。 3、带线结构的定向耦合器 图3为定向耦合器电原理图
3.1定向耦合器传输特征：
1口输入时
4为主线输出口 2为耦合输出口 3为隔离口
本公司生产的定向耦合器，在内部3口位置，配置了一个10W功率负载电阻。耦合器的额定功率200W。 3.2 计算主线输出口抗反射能力
设：耦合口2接理想负载（无反射）
则： 6dB耦合器：允许4口的最大反射功率为40W（即额定功率为200W时，
允许主线输出口的终端负载最大驻波比为2.5:1）
10 dB耦合器：允许4口的最大反射功率为100W（即额定功率为200W时，
允许负载最大驻波比为5.8:1）
3.3 计算耦合口抗反射能力
设：主线输出口接理想负载
则： 6dB耦合器：允许2口的最大反射功率为13W（实际辅线上可能存在的功
率最大为50W，因此允许2口负载最大驻波比为3:1）
10 dB耦合器：允许2口的最大反射功率为11W（实际辅线上可能存在的功
率最大为10W，因此允许2口全反射）
3.4 4口，2口同时失配，进入隔离负载的信号将叠加。
因此对定向耦合器，输入信号不能接错；主线输出口、耦合口不允许开路或短路；用户终端的驻波比必须符合要求，否则会烧坏隔离负载，破坏定向耦合器的性能。
3.5 在正常条件下，用户终端的驻波比≤2:1，定向耦合器的隔离负载是能够安全工作
的。
举例：6dB耦合器，输入功率200W，4口、2口的驻波比同时为2:1
则：1）主线输出口4的反射功率P4反=150×|(2-1)/(2+1)|2=16.67W 进入隔离负载的功率P’4反=4.17W
2）耦合口2的反射功率P2反=50×|(2-1)/(2+1)|2=5.56W
进入隔离负载的功率P’2反=4.17W P’4反+P’2反=8.34W
4、综合分析 4.1 传输特征
腔体功分器、耦合器与微带功分器、耦合器，由于设计原理不一样，决定了它们的各自特点。
正向传输，两者没有本质区别。
反向传输：1、上行信号的有效传输相等（二功分-3dB、三功分-4.8dB、四功分-6dB）
2、剩余信号：腔体功分器、耦合器一部分进入其他输出口，一部分
反射给用户终端。
微带功分器、耦合器则由隔离电阻吸收。
4.2优缺点比较：
5、 腔体结构功分器、耦合器的内、外导体又粗又大，全部是硬连接，加上本公司生产的产品是防水密封结构，因此决定了其高可靠、长寿命、低损耗特点。
有些用户反映，腔体功分器、耦合器的插损超标，这是因为测试系统问题引起的误解。下面进行专题讨论：
5.1 插损的理论分析：
功分器、耦合器，可以看作一段传输线，引起损耗主要有三个方面： （1） 导体损耗 （2） 介质损耗 （3） 回波损耗
5.1.1 导体损耗：
功分器、耦合器外壳体用优质合金铝Ly12-Cz，内腔导电氧化，内导体为 铜 Cu镀银Ag，导体外径＞φ6
金属 导电率δ（姆/米） 银 Ag 6.17×107 铜Cu 5.8×107 铝Al 3.72×107
传输线（包括连接器）最大长度为244mm，从以上数据说明其导电率在108量级以上，可见导体损耗接近为零，可以忽略。 5.1.2介质损耗
功分器、耦合器除了连接器各有一个聚四氟乙烯介质垫圈作支撑外，全部是空
气介质，不存在介质损耗。
5.1.3 回波损耗 IL IL=10log[1-|Γ|2]
Γ=(ρ-1)/(ρ+1) 式中 Γ —输入反射系数
ρ — 输入驻波
腔体功分器的输入驻波比≤1.2:1，按上式计算IL≤0.036dB 腔体耦合器的输入驻波比≤1.3:1 IL≤0.0745dB 5.1.4 综述：
根据以上分析，腔体功分器、耦合器的插损近似等于回波损耗。可见，插损
IL≤0.1dB的指标，是无需怀疑的。 5.2 测试系统出现的问题：
本文1.2、5.1.3节已经介绍功分器输出口分别端接标准负载时，输入口的驻
波比ρ≤1.2：1，回波损耗IL≤0.036dB，≥99%的信号由A点传输到B点，在B点分路，传送到终端负载，功分器自身没有损耗元件，只能全部传送到负载，只要终端负载（二个或三个或四个）对称平衡，信号应该等分。
用网络仪测试各端口插损时，通常是被测端口通过一根长电缆再送到仪器负
载（仪器负载，或者是混频器，或者是检波器），而另外端口接标准负载。其一，这两种负载特性不一样，信号分配就不均匀；其二，仪器的接 收负载，与
测试端口有一段距离，腔体功分器的输出端是不匹配的，沿线出现驻波是必然的。测试时，往往取其波谷点作为功分器的最大插损，使系统测试误差进一步扩大，这是一种假象，引起了误解。 5.3 介绍一种近似测试方法： 5.3.1测试框图
5.3.2测试步骤：
1、选定网络分析仪的测量参量“插损”； 2、设置网络仪工作频率起始值、终止值；
3、认真校正输入电缆接收口C的VSWR，再与固定衰减器连通； 4、A、B之间接短路器，并对网络仪进行直通校正；
5、移去短路器，输出电缆A与被测功分器输入端连通，固定衰减器B与被测功
分器输出1连通，被测功分器输出2接标准负载；
6、络仪工作频率内的最大插损值X1（读得的是dB值，含分配插损并记下该点
频率fx1）；
7、用同样方法在fx1测得输出口2在该频率处的插损值X2； 8、下列公式计算被测功分器的总插损
IL=10log(10-X1/10+10-X2/10)
5.3.3 网络仪接收口（输入电缆C点）欲校正到与标准负载同等水平，实际情况是很难做到的，为了减小沿线驻波的影响，加固定衰减器以达到隔离的目的，固定衰减器的驻波比有严格要求，就是说B点的阻抗越标准，测试就越接近真实。
结束语：本文因用户要求编写，重点介绍了不同系列功分器、耦合器的各自特点—
—阻抗匹配关系；上行、下行信号的传输特征及室内外分配网应用中注意问题，以便用户合理地选用。
由于笔者水平有限，错误在所难免，敬请批评指正。
南京博翔电子有限公司 杨进峰
03.4.12 初稿
不同系列功分器、耦合器的特性分析
南京博翔电子有限公司是一个民办的无源部件专业厂，研制、生产移 动通信用的功分器、耦合器、合路器、中功率负载等 多个系列产品。以低损耗、宽频带、高可靠、防水为特点，深受国内外网络商的青睐。
其中功分器、耦合器分为同轴腔体结构和微带、带线结构两大系列。
为便于用户对这些不同系列产品的深入了解，笔者从设计原理、阻抗计算、传输特征等方面分析了不同系列产品的特点，供用户参考。 1、同轴腔体功分器、耦合器
下面以二功分器为例，分析、计算各端口的阻抗关系、传输特征（三功分、四功分数据见表1）
图1：同轴腔体二功分器原理示意图
1.1 功分器的设计原理本质上是一个阻抗变换器，二功分的阻抗变换比为2:1即输入端（A点）阻抗为50Ω，变换到B点，B点阻抗RBA=25 Ω,在B点分路，输出口C1、C2分别端接RL1、RL2用户终端（例如天线，以下简称终端），两个终端并联，正好跟B点匹配。
但是请注意，单个端口C1（或C2）跟B点是不匹配的，其内阻 ZC内等于RBA与另外一个终端负载RL2（或RL1）并联。 即 ZC内=25 Ω || 50 Ω =16.667 Ω
输出端口C1（或C2）的驻波比
ρ=50/16.667=3:1
1.2 信号传输特征
1.2.1 正向传输（下行通道）
下行信号，由输入口A传输到B点，并在B点分路，分别传送到RL1、RL2 两个终端。虽然单个输出口与终端负载不匹配，但是如1.1分析的，当功分器的二个输出口同时端接负载时，A→B的驻波比ρ应该满足技术条件ρ
抗变换段，只可能在RL1-C1-B-C2-RL2之间来回反射，最终达到平衡，下行信号将一分为二，全部送到二个终端。 1.2.2反向传输（上行通道）
来自终端的上行信号，送到端口C1(或C2)，C1口的驻波比ρ =3:1 反射系数Γ= (ρ –1) /(ρ +1) =0.5 反射功率P反=|Γ|2=0.25
即25%的信号功率被反射回去，75%送到B点。 因为B点由RBA，RL2并联
RBA=25Ω 分配得到的上行信号为50%（向A传输的信号为-3dB）
RL2=50Ω 分配得到的上行信号为25%（到达另外一个终端的信号为-6dB。即隔离度） 结论:
1、腔体功分器，反向（上行通道）有效传输信号为-3dB符合对偶传输理论； 2、输出端口C1→C2之间的隔离度为6dB； 3、25%（即-6dB）的信号反射到RL1终端； 4、功分器内部不损耗功率；
5、如果终端不匹配，正向传输的一部分下行信号将反射回来，其分析、计算等效上行通道的反向传输。
表1：腔体功分器输出阻抗、隔离度理论计算数值
*以上数据是假设输入口理想匹配时推算出来的，实际情况输入驻波比≤1.2:1，因此实际数值会上、下有些变化。驻波比越小，越接近理论值。 1.3腔体耦合器
腔体耦合器是不等功率分配器，又称功率取样器（Power Tappers）其特性跟腔
体功分器相似。
1．输入口阻抗按匹配理论设计，驻波比ρ≤1.3:1
2．输出口阻抗近似的匹配：耦合强，驻波大；耦合弱，驻波小 典型值：
5dB 耦合器 ρ≤2.2:1 6dB 耦合器 ρ≤2:1 7dB 耦合器 ρ≤1.8:1 10dB 耦合器 ρ≤1.4:1 15dB 耦合器 ρ≤1.3:1
3．耦合口（或称取样口），则严重失配，耦合度越弱，驻波越大 以10dB耦合器为例，计算耦合口驻波比。
根据对偶传输理论。耦合口反向传输到输入口为10dB （信号的10%），耦合口与输出口的隔离度近似等于耦合度10dB （信号的10%），剩余的80%信号由耦合口反射回去（反射到终端天线） 要求耦合口的反射系数Γ=0.81/2=0.8944 则耦合口驻波比ρ=9.47:1
特别注意：腔体耦合器跟腔体功分器一样，同属无耗传输线段，内部不消耗功率，靠大驻波反射剩余功率，满足对偶传输条件。可见耦合口大驻波比是对偶传输的要求（也是腔体结构功分器、耦合器的一个重要特征）。由于耦合口的驻波比很大，因此，用网络仪测试耦合度时，需在输入电缆接收口加一个20dB（或10dB）固定衰减器，加以隔离，否则会引起较大的测试误差。 （详细请参阅本文第5.2、5.3节内容） 2、微带功分器
图2为微带二功分电原理图
2.1 微带二功分器在输入口A分路，A1，A2分别为100Ω阻抗，经过2:1阻抗变 换到输出口，节点电阻R1、R2、R3参与了反向阻抗匹配，并改善了输出隔离，（R1、R2、R3被称为隔离电阻），微带二功分 器特点是：全部端口阻抗匹配；输出口之间有20dB以上隔离度。
但微带功分器的设计在输入口分路，由高阻抗向50 Ω变换，带线较细，损耗较大。 2.2 信号传输特征 2.2.1 正向传输（下行通道）
节点P1、P2、P3对于正向传输信号满足等幅、同相位条件，因此对正向传
输，隔离电阻是虚浮的，不消耗功率，二个输出口各分得-3dB信号。 2.2.2 反向传输（上行通道）
根据对偶传输原理，上行通道的有效传输，二功分-3dB、三功分-4.8dB、四功分-6dB。 剩余信号由隔离电阻吸收。
通常上行是小信号传输，可以不考虑。
但是下行传输是大功率，终端的反射就不可忽视，微带功分器的额定功率取决于隔离电阻的功率承受能力。要求隔离电阻尺寸小、功率大。如果尺寸大：一、安装困难，二、影响输出隔离度，输出驻波比。功率大、尺寸小，增加设计成本，这是微带功分器设计中的难点。
下面以微带天线驻波1.5:1和2:1二种情况，举例计算微带二功分器功率承受能力。
设：下行传输功率为50W，二个输出口各分得25W功率。
的微带功分器额定50W、100W二个系列是指用户终端的驻波比1.5:1, 如果驻波比超过1.5:1，则应降功率使用。 3、带线结构的定向耦合器 图3为定向耦合器电原理图
3.1定向耦合器传输特征：
1口输入时
4为主线输出口 2为耦合输出口 3为隔离口
本公司生产的定向耦合器，在内部3口位置，配置了一个10W功率负载电阻。耦合器的额定功率200W。 3.2 计算主线输出口抗反射能力
设：耦合口2接理想负载（无反射）
则： 6dB耦合器：允许4口的最大反射功率为40W（即额定功率为200W时，
允许主线输出口的终端负载最大驻波比为2.5:1）
10 dB耦合器：允许4口的最大反射功率为100W（即额定功率为200W时，
允许负载最大驻波比为5.8:1）
3.3 计算耦合口抗反射能力
设：主线输出口接理想负载
则： 6dB耦合器：允许2口的最大反射功率为13W（实际辅线上可能存在的功
率最大为50W，因此允许2口负载最大驻波比为3:1）
10 dB耦合器：允许2口的最大反射功率为11W（实际辅线上可能存在的功
率最大为10W，因此允许2口全反射）
3.4 4口，2口同时失配，进入隔离负载的信号将叠加。
因此对定向耦合器，输入信号不能接错；主线输出口、耦合口不允许开路或短路；用户终端的驻波比必须符合要求，否则会烧坏隔离负载，破坏定向耦合器的性能。
3.5 在正常条件下，用户终端的驻波比≤2:1，定向耦合器的隔离负载是能够安全工作
的。
举例：6dB耦合器，输入功率200W，4口、2口的驻波比同时为2:1
则：1）主线输出口4的反射功率P4反=150×|(2-1)/(2+1)|2=16.67W 进入隔离负载的功率P’4反=4.17W
2）耦合口2的反射功率P2反=50×|(2-1)/(2+1)|2=5.56W
进入隔离负载的功率P’2反=4.17W P’4反+P’2反=8.34W
4、综合分析 4.1 传输特征
腔体功分器、耦合器与微带功分器、耦合器，由于设计原理不一样，决定了它们的各自特点。
正向传输，两者没有本质区别。
反向传输：1、上行信号的有效传输相等（二功分-3dB、三功分-4.8dB、四功分-6dB）
2、剩余信号：腔体功分器、耦合器一部分进入其他输出口，一部分
反射给用户终端。
微带功分器、耦合器则由隔离电阻吸收。
4.2优缺点比较：
5、 腔体结构功分器、耦合器的内、外导体又粗又大，全部是硬连接，加上本公司生产的产品是防水密封结构，因此决定了其高可靠、长寿命、低损耗特点。
有些用户反映，腔体功分器、耦合器的插损超标，这是因为测试系统问题引起的误解。下面进行专题讨论：
5.1 插损的理论分析：
功分器、耦合器，可以看作一段传输线，引起损耗主要有三个方面： （1） 导体损耗 （2） 介质损耗 （3） 回波损耗
5.1.1 导体损耗：
功分器、耦合器外壳体用优质合金铝Ly12-Cz，内腔导电氧化，内导体为 铜 Cu镀银Ag，导体外径＞φ6
金属 导电率δ（姆/米） 银 Ag 6.17×107 铜Cu 5.8×107 铝Al 3.72×107
传输线（包括连接器）最大长度为244mm，从以上数据说明其导电率在108量级以上，可见导体损耗接近为零，可以忽略。 5.1.2介质损耗
功分器、耦合器除了连接器各有一个聚四氟乙烯介质垫圈作支撑外，全部是空
气介质，不存在介质损耗。
5.1.3 回波损耗 IL IL=10log[1-|Γ|2]
Γ=(ρ-1)/(ρ+1) 式中 Γ —输入反射系数
ρ — 输入驻波
腔体功分器的输入驻波比≤1.2:1，按上式计算IL≤0.036dB 腔体耦合器的输入驻波比≤1.3:1 IL≤0.0745dB 5.1.4 综述：
根据以上分析，腔体功分器、耦合器的插损近似等于回波损耗。可见，插损
IL≤0.1dB的指标，是无需怀疑的。 5.2 测试系统出现的问题：
本文1.2、5.1.3节已经介绍功分器输出口分别端接标准负载时，输入口的驻
波比ρ≤1.2：1，回波损耗IL≤0.036dB，≥99%的信号由A点传输到B点，在B点分路，传送到终端负载，功分器自身没有损耗元件，只能全部传送到负载，只要终端负载（二个或三个或四个）对称平衡，信号应该等分。
用网络仪测试各端口插损时，通常是被测端口通过一根长电缆再送到仪器负
载（仪器负载，或者是混频器，或者是检波器），而另外端口接标准负载。其一，这两种负载特性不一样，信号分配就不均匀；其二，仪器的接 收负载，与
测试端口有一段距离，腔体功分器的输出端是不匹配的，沿线出现驻波是必然的。测试时，往往取其波谷点作为功分器的最大插损，使系统测试误差进一步扩大，这是一种假象，引起了误解。 5.3 介绍一种近似测试方法： 5.3.1测试框图
5.3.2测试步骤：
1、选定网络分析仪的测量参量“插损”； 2、设置网络仪工作频率起始值、终止值；
3、认真校正输入电缆接收口C的VSWR，再与固定衰减器连通； 4、A、B之间接短路器，并对网络仪进行直通校正；
5、移去短路器，输出电缆A与被测功分器输入端连通，固定衰减器B与被测功
分器输出1连通，被测功分器输出2接标准负载；
6、络仪工作频率内的最大插损值X1（读得的是dB值，含分配插损并记下该点
频率fx1）；
7、用同样方法在fx1测得输出口2在该频率处的插损值X2； 8、下列公式计算被测功分器的总插损
IL=10log(10-X1/10+10-X2/10)
5.3.3 网络仪接收口（输入电缆C点）欲校正到与标准负载同等水平，实际情况是很难做到的，为了减小沿线驻波的影响，加固定衰减器以达到隔离的目的，固定衰减器的驻波比有严格要求，就是说B点的阻抗越标准，测试就越接近真实。
结束语：本文因用户要求编写，重点介绍了不同系列功分器、耦合器的各自特点—
—阻抗匹配关系；上行、下行信号的传输特征及室内外分配网应用中注意问题，以便用户合理地选用。
由于笔者水平有限，错误在所难免，敬请批评指正。
南京博翔电子有限公司 杨进峰
03.4.12 初稿