Splitter之一：电阻功分器 留言

低频电路功分器

低频电子线路里面，将一个信号分成多路，或者将多路信号混成一路，简单，所有信号都连接到一个网络接点就行，例如下图的三路同相加法器：

 

由于运算放大器同名端输入阻抗为无穷大（虚断概念），Ri1/Ri2/Ri3混联结构确定的阻抗就是运放同名端的终端并联匹配阻抗，所以低频电路基本上不需要考虑运放阻抗匹配，所以Ri1/Ri2/Ri3的取值范围（自由度）可以很宽。

 

射频PCB的贴片电阻功分器

在射频微波领域中，是要考虑阻抗匹配的，所以如果一路信号分成几路，那么电阻取值不但是唯一的，且还限制了分路功率。

看下图的一分二电阻功分器：

至少要满足输入端的阻抗匹配，所以从Pin向右看过去的阻抗必须为50欧，得到如下所示的方程式①：

方程式②是如何来的？

如果还要求分路端P1端不产生二次反射，则要求P1向左看电阻功分器的阻抗也必须是50欧。

讲一下吸收二次反射原理：如果P1阻抗不是50欧，则产生一次反射到达电阻功分器，被电阻功分器、Pin内阻、P2内阻构成的网络完全吸收。自然地，P1向左看这个网络构成的等效阻抗也必须是50欧。

同理式③也是这么来的。

三个等式三个未知数，存在唯一解。

如此对称的式子，很明显解出来R1 = R2 = R3 = 50/3  = 16.67欧。

这个电阻功分器的本身损耗有3dB。则到达任一分路端的等功率是-6dB。

如果需要不同的功分比，则会产生第④个式子：

第④个式子，岛主在直播课程《毫米波雷达阵列天线中的串馈功分器》中也讲过一次，参见：https://edu.eda365.com/course/316.html

显然用四个方程式解三个未知数，是无解的。

所以如果需要不同的功分比，那么前三个方程式必须丢弃一个，也就是说必须有一个端口不能保证完美匹配。

星形转三角形的原理，在射频微波领域仍然适用：

转换公式就不列出来了，大家在百度里面查。

如果也要满足三端完美匹配50欧，可以算出三角形接法的三个电阻阻值为50欧。

理论上电阻功分器没有频率限制，但由于电阻封装和布局面积有大小，所以不能用于毫米波频段。

在射频微波领域内，当频率不太高（例如小于5GHz）时，可以用贴片电阻做这个功分器，多半采用星形接法：

注意贴片电阻的封装，在《004_微带线上串联RLC的最佳封装》中讲过：贴片电阻本身寄生参数效应，可能呈感性，也可能呈容性，最佳封装宽度与50欧线宽对比约为1.2倍。

上面左图中的贴片电阻封装宽度比线宽小，就会呈感性，所以要象右图那样增加铜皮电容匹配。

还要注意一点，布局时这三个电阻必须尽可能靠近在一起。

因为这种贴片电阻功分器的高频特征还取决于整个功分器的大小与工作波长相比拟的程度，或者说在PCB上的布局面积越小越好，如果要进一步提高工作频率，只好采用“无封装”的薄膜电阻功分器，以进一步减小布局面积：

 

薄膜电阻功分器

薄膜电阻就是氧化铝陶瓷基底上通过真空沉积形成镍化铬薄膜，通常只有0.1um厚，只有厚膜电阻的千分之一，然后通过光刻工艺将薄膜蚀刻成一定的形状。光刻工艺十分精确，可以形成复杂的形状，因此，薄膜电容的性能可以控制得很好。

如下图所示的蓝色区域，根本区分不出来单个的电阻：

您觉得这种厚膜或薄膜电阻功分器，是三角形接法还是星形接法？请在留言中回复。

指定合适的电阻率（或方块电阻值），就能得到较佳的三端匹配。

用HFSS设计图形不难，岛主随意用了一个蓝色六角形，就得到如下所示的匹配指标（回波损耗）：

可用于20GHz以内。如果要继续提高工作频率，可对图形和电阻率做些微调，是可行的。

 

射频PCB多路电阻功分器

射频PCB上的多路电阻功分器，设计上稍微有些麻烦，主要是端口的阻抗匹配、插入损耗等指标不能兼顾，要具体问题具体分析，要看电路更看重哪个指标来做设计。

一分N电阻功分器，如果N较大，则要采用1/4波长阻抗变换器，从而使得宽带电阻功分器变为窄带功分器：

指标如下：

上图黑线是回波损耗，可以看出这是一个频率为2GHz的窄带电阻功分器。

这种1分N电阻功分器的最大优点是只需一级即可，布局面积远小于一分二、再做二分四的威尔金森功分器。

其次优点是N可以任意取值，而威尔金森功分器必须是2的N次方、也就是2、4、8、16路才行。

 

原文始发于微信公众号（看图说RF）：011_Splitter之一：电阻功分器