詳解Wilkinson功分器與Gysel功分器

在射頻和微波系統(tǒng)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中，功分器扮演著不可或缺的關(guān)鍵角色，它就像是一個(gè)智能的 “信號分流樞紐” ，承擔(dān)著將一路輸入信號能量按照特定比例，精準(zhǔn)分配到兩路或多路輸出端口的重任，讓不同的設(shè)備或系統(tǒng)能夠共享同一個(gè)信號源。功分器的分配比例可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)，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(jī)發(fā)出的信號功率，均勻地分配到多個(gè)天線，從而增強(qiáng)信號的覆蓋范圍和強(qiáng)度；在衛(wèi)星通信領(lǐng)域，功分器能夠?qū)⑿l(wèi)星接收到的信號，合理分配給不同的接收設(shè)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(shí)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(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，從常見的通信、廣播，到高端的雷達(dá)、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(shí)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(gè)發(fā)射天線，擴(kuò)大信號覆蓋范圍；在雷達(dá)系統(tǒng)中，它協(xié)助將雷達(dá)信號分配到多個(gè)接收天線，提升雷達(dá)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(gè)發(fā)射天線，增強(qiáng)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(dú)特的性能和特點(diǎn)，成為了射頻和微波領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和應(yīng)用重點(diǎn)，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(jīng)典之作

威爾金森功分器作為射頻和微波領(lǐng)域的經(jīng)典結(jié)構(gòu)，由 Ernest Wilkinson 在 20 世紀(jì) 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(shè)計(jì)和卓越的性能，使其迅速成為該領(lǐng)域的重要組成部分。

它的基本原理是利用電阻網(wǎng)絡(luò)和四分之一波長傳輸線來實(shí)現(xiàn)功率的分配。當(dāng)輸入信號進(jìn)入功分器后，會(huì)通過四分之一波長傳輸線被分成兩路，分別傳輸?shù)絻蓚€(gè)輸出端口。在這個(gè)過程中，電阻網(wǎng)絡(luò)起著關(guān)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(jī)制。在偶模激勵(lì)下，電阻兩端電壓相等，無電流流過，端口 1 的兩個(gè)傳輸線輸入之間短路；在奇模激勵(lì)下，電阻起到匹配作用，使得端口 2 和端口 3 實(shí)現(xiàn)匹配，并且端口 2 和 3 之間相互隔離。這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)，使得威爾金森功分器在實(shí)現(xiàn)功率分配的同時(shí)，還能保證良好的端口匹配和隔離性能 。

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

威爾金森功分器通常采用三端口結(jié)構(gòu)，包含一個(gè)輸入端口和兩個(gè)輸出端口 。三個(gè)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(gè)輸出端口的傳輸線長度均為四分之一波長。在兩個(gè)輸出端口之間，跨接著一個(gè)隔離電阻，這個(gè)電阻是實(shí)現(xiàn)端口隔離的關(guān)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(shè)計(jì)為 70.7 歐姆，而隔離電阻的阻值一般為 100 歐姆。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得功分器在工作時(shí)能夠有效地將輸入信號功率等分到兩個(gè)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(jié)構(gòu)緊湊，易于集成到各種電路中，這也是它在實(shí)際應(yīng)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(dá)到很低的水平，一般情況下，輸入端口的回波損耗可以達(dá)到 - 20dB 以上，輸出端口的回波損耗也能達(dá)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，通常可以達(dá)到 20dB 以上，這使得一個(gè)輸出端口的信號幾乎不會(huì)影響到另一個(gè)輸出端口，保證了信號的獨(dú)立性和穩(wěn)定性。它還能實(shí)現(xiàn)較為精確的等功率分配，兩個(gè)輸出端口的功率差異一般可以控制在 0.1dB 以內(nèi)，滿足大多數(shù)應(yīng)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(wǎng)絡(luò)的存在導(dǎo)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(gè)倍頻程左右，在一些對帶寬要求較高的應(yīng)用場景中，可能無法滿足需求。

1.3 應(yīng)用領(lǐng)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(jī)的信號功率均勻地分配到各個(gè)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(shè)備還是終端設(shè)備，威爾金森功分器都能幫助實(shí)現(xiàn)信號的高效處理和傳輸，提升通信質(zhì)量和穩(wěn)定性；在雷達(dá)系統(tǒng)中，它能夠?qū)⒗走_(dá)發(fā)射機(jī)的信號分配到多個(gè)接收天線，增強(qiáng)雷達(dá)的探測能力和抗干擾能力，為目標(biāo)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(lǐng)域的后起之秀，它主要基于反射技術(shù)來實(shí)現(xiàn)信號功率的分配 。在 Gysel 功分器中，通過精心設(shè)計(jì)不同的反射系數(shù)，巧妙地對輸入信號的功率進(jìn)行分配。當(dāng)輸入信號進(jìn)入功分器后，會(huì)遇到不同特性的傳輸線和負(fù)載，這些傳輸線和負(fù)載的參數(shù)被精確設(shè)計(jì)，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?qū)⑤斎胄盘柕墓β拾凑疹A(yù)定的比例分配到各個(gè)輸出端口。例如，通過調(diào)整傳輸線的長度、特性阻抗以及負(fù)載的阻值等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)不同的功率分配比例，滿足各種不同的應(yīng)用需求。這種基于反射技術(shù)的功率分配方式，為 Gysel 功分器帶來了獨(dú)特的性能優(yōu)勢。

2.1 獨(dú)特構(gòu)造

Gysel 功分器的結(jié)構(gòu)主要由三個(gè)分支組成，呈現(xiàn)出一種獨(dú)特的布局 。其中兩個(gè)分支是串聯(lián)的，第三個(gè)分支則與前兩個(gè)分支并聯(lián)。當(dāng)輸入信號首先進(jìn)入第一個(gè)分支后，一部分信號會(huì)沿著第二個(gè)分支繼續(xù)傳輸，進(jìn)而進(jìn)入第三個(gè)分支；而另一部分信號則會(huì)被反射回第一個(gè)分支 。第三個(gè)分支起到關(guān)鍵的信號分配作用，其中的信號最終會(huì)被均勻地分配到各個(gè)輸出端口。

以常見的微帶線 Gysel 功分器為例，這三個(gè)分支通常由微帶線構(gòu)成，通過合理設(shè)計(jì)微帶線的寬度、長度以及它們之間的連接方式，可以實(shí)現(xiàn)功分器的各項(xiàng)性能指標(biāo)。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得 Gysel 功分器在實(shí)現(xiàn)功率分配的同時(shí)，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(diǎn)

Gysel 功分器具有一系列令人矚目的性能亮點(diǎn) 。它具有出色的寬帶特性，能夠在較寬的頻率范圍內(nèi)保持良好的功率分配性能，一般情況下，其相對帶寬可以達(dá)到 30% 以上，甚至在一些優(yōu)化設(shè)計(jì)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(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和負(fù)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(shí)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(shè)計(jì)，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_(dá)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(gè)輸出端口信號的獨(dú)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(dá)到 - 20dB 以下，輸出端口的回波損耗也能達(dá)到 - 15dB 以下，確保了信號的高效傳輸 。

2.3 應(yīng)用場景

Gysel 功分器在微波通信、雷達(dá)系統(tǒng)等對功率容量和帶寬要求高的領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用 。在微波通信系統(tǒng)中，隨著通信技術(shù)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(jī)的大功率信號分配到多個(gè)天線，Gysel 功分器可以有效地實(shí)現(xiàn)這一功能，保證信號的穩(wěn)定傳輸和覆蓋范圍 。在雷達(dá)系統(tǒng)中，雷達(dá)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(jī)的信號功率分配到多個(gè)天線單元，提高雷達(dá)的探測能力和抗干擾能力 。在相控陣?yán)走_(dá)中，通過使用 Gysel 功分器，可以實(shí)現(xiàn)對天線陣列的精確饋電，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)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(dá)到 30% 以上，這使得它在多頻段通信系統(tǒng)中能夠輕松應(yīng)對不同頻段信號的功率分配任務(wù)，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(gè)倍頻程左右，在需要處理寬頻段信號的場景中，可能會(huì)顯得力不從心 。在插入損耗上，威爾金森功分器由于電阻網(wǎng)絡(luò)的存在，會(huì)導(dǎo)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(dá)系統(tǒng)等對功率要求較高的應(yīng)用場景；威爾金森功分器的功率容量相對較小，在高功率應(yīng)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(dá)到較高的水平，輸出端口之間的隔離度通常都能達(dá)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(dú)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(shí)，性能可能會(huì)有所下降 。

3.2 結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)區(qū)別

從結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，包含一個(gè)輸入端口和兩個(gè)輸出端口，輸入端口到兩個(gè)輸出端口的傳輸線長度均為四分之一波長，兩個(gè)輸出端口之間跨接著一個(gè)隔離電阻，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)主要由三個(gè)分支組成，其中兩個(gè)分支串聯(lián)，第三個(gè)分支與前兩個(gè)分支并聯(lián)，結(jié)構(gòu)相對復(fù)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(shí)現(xiàn)功率分配和端口匹配；Gysel 功分器則通過精心設(shè)計(jì)不同的反射系數(shù)，利用傳輸線和負(fù)載的組合來實(shí)現(xiàn)功率分配 ，其傳輸線的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)輸出端口之間的隔離，確保一個(gè)輸出端口的信號不會(huì)影響到另一個(gè)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)，Gysel 功分器和威爾金森功分器適用于不同的應(yīng)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(yīng)用在對帶寬和功率容量要求較高的領(lǐng)域，如 5G 通信基站、相控陣?yán)走_(dá)等 。在 5G 通信中，需要支持多個(gè)頻段的信號傳輸，Gysel 功分器能夠在較寬的頻率范圍內(nèi)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?yán)走_(dá)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(jī)的信號功率分配到多個(gè)天線單元，提高雷達(dá)的探測能力和抗干擾能力 。威爾金森功分器則更適合應(yīng)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?qū)l(fā)射機(jī)的信號功率均勻地分配到各個(gè)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(jìn)步，Gysel 功分器和威爾金森功分器在技術(shù)創(chuàng)新方面正朝著多個(gè)方向發(fā)展 。在提高性能方面，研究人員致力于進(jìn)一步降低插入損耗，通過優(yōu)化傳輸線的材料和結(jié)構(gòu)，減少信號在傳輸過程中的能量損失 。同時(shí)，不斷提升隔離度，采用更先進(jìn)的電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，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(jìn)的電磁仿真軟件，對功分器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化，進(jìn)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(jié)構(gòu)，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(shù)，如采用分布式功率合成技術(shù)，將功率分散到多個(gè)傳輸線和負(fù)載上，從而提高功分器的功率容量 。

小型化和集成化也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn) 。通過使用集總參數(shù)元件替代部分傳輸線，或者采用先進(jìn)的工藝將功分器的阻抗變換器進(jìn)行蜿蜒、多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(zhuǎn)換為集總參數(shù)電路，再結(jié)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(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景 。在 5G 通信中，隨著 5G 網(wǎng)絡(luò)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(yùn)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(shè)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?yán)走_(dá)領(lǐng)域，相控陣?yán)走_(dá)通過控制天線陣列中各個(gè)天線單元的相位和幅度，實(shí)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(guān)鍵組成部分，能夠?qū)l(fā)射機(jī)的信號功率精確地分配到各個(gè)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?yán)走_(dá)的探測能力、分辨率和抗干擾能力 。隨著相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)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(jìn)一步推動(dòng) Gysel 功分器和威爾金森功分器的技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用拓展 。

衛(wèi)星通信領(lǐng)域，隨著衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的興起，對衛(wèi)星通信設(shè)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(yīng)用于衛(wèi)星通信的地面終端設(shè)備和衛(wèi)星平臺上，實(shí)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(diǎn)，以滿足衛(wèi)星通信的需求 。隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，如高通量衛(wèi)星、毫米波通信等技術(shù)的應(yīng)用，Gysel 功分器和威爾金森功分器將在衛(wèi)星通信領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用 。

?總結(jié)?

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(dú)特的優(yōu)勢在射頻和微波領(lǐng)域占據(jù)著重要地位。威爾金森功分器作為經(jīng)典之作，以其簡單緊湊的結(jié)構(gòu)、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(dú)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(lǐng)域大顯身手，成為 5G 通信基站和相控陣?yán)走_(dá)等系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。

隨著科技的不斷進(jìn)步，二者在技術(shù)創(chuàng)新的推動(dòng)下，性能不斷提升，應(yīng)用領(lǐng)域也將持續(xù)拓展。它們不僅是實(shí)現(xiàn)信號功率分配與合成的關(guān)鍵元件，更是推動(dòng)射頻和微波系統(tǒng)發(fā)展的重要力量，為通信、雷達(dá)、衛(wèi)星通信等眾多領(lǐng)域的技術(shù)突破和應(yīng)用創(chuàng)新提供了堅(jiān)實(shí)支撐，在未來的科技發(fā)展中必將發(fā)揮更加重要的作用 。