无源功率分配器件(功分器和耦合器) 的工作原理和关键参数
2026-01-04 10:48:15
第一部分:器件参数列表
功分器
二公分(2路功分器):总损耗 3.2 dB。
理论上,完美2功分器,每路功率减半,分配损耗(差损)是 10lg(2) ≈ 3.01 dB。这里的 3.2 dB 比理论值多了 0.19 dB,这多出来的部分就是器件本身的插入损耗(由导体、介质损耗引起)。
三公分(3路功分器):总损耗 5 dB。
理论分配损耗(差损)是 10lg(3) ≈ 4.77 dB。实际 5 dB,插入损耗为 0.23 dB。
定向耦合器
不同耦合度(5dB, 6dB, 7dB, 10dB, 15dB, 20dB)耦合器的 直通端损耗:
5dB耦合器 直通端差损 1.8dBm
6dB耦合器 直通端差损 1.4dBm
7dB耦合器 直通端差损 1.2dBm
10dB耦合器 直通端差损 0.5dBm
15dB耦合器 直通端差损 0.3dBm
20dB耦合器 直通端差损 0.2dBm
耦合度:指从耦合端输出的功率比输入功率低多少dB。耦合端输出功率 = 输入功率 - 耦合度。
直通端损耗:指信号从输入端传到直通端所产生的损耗。这个损耗不等于耦合度,而是更小。
耦合度越大,直通端损耗越小。比如:5dB耦合器,直通损耗1.8dB;20dB耦合器,直通损耗仅0.2dB。
第二部分:核心原理解释
损耗的根本原因是能量守恒定律。
功分器的损耗构成
分配损耗:这是由物理定律决定的。把功率完美地、无损耗地平均分成N份,每份的功率就是输入的1/N。用dB表示就是 10lg(1/N) = -10lg(N)。所以从输入到任何一个输出端口的理论最小损耗就是 10lg(N) dB。
插入损耗:这是器件(PCB线路、电阻、连接器)不理想导致的额外损耗。所以 实际插入损耗 = 理论分配损耗 + 器件自身损耗。
定向耦合器的工作原理与损耗
输入功率 P_in 被分成两部分:耦合端功率 P_c 和 直通端功率 P_t。根据能量守恒:P_in ≈ P_c + P_t (忽略微小损耗)。
耦合度定义:耦合度 (dB) = 10lg(P_in / P_c)。例如:
3dB耦合器:10lg(P_in / P_c) = 3 dB ⇒ P_in / P_c ≈ 2 ⇒ P_c 占输入功率的 50%。那么剩下的 P_t 也约占 50%。所以直通端损耗理论上是 10lg(P_in / P_t) = 10lg(2) ≈ 3dB。
10dB耦合器:10lg(P_in / P_c) = 10 dB ⇒ P_in / P_c ≈ 10 ⇒ P_c 仅占输入功率的 10%。那么剩下的 P_t 则占约 90%。所以直通端损耗理论上是 10lg(P_in / P_t) = 10lg(1/0.9) ≈ 0.46 dB。
结论:这就完美解释了列表中的现象——耦合度越大,意味着从耦合端“拿走”的功率比例越小,绝大部分功率都从直通端通过,因此直通端的损耗就越小。
列表给出的直通端损耗(如10dB耦合器为0.5dB)比理论计算值(0.46dB)略大,这多出的部分同样是器件的插入损耗。
总结与图示
假设输入功率为 1W (0 dBm)。
器件类型 | 耦合度 | 功率分配比例 (直通端 : 耦合端) | 直通端理论输出功率 | 直通端理论损耗 | 实际损耗 |
3dB耦合器 | 3 dB | ≈ 50% : 50% | 0.5W (-3 dBm) | 3.01 dB | (未列出) |
10dB耦合器 | 10 dB | ≈ 90% : 10% | 0.9W (-0.46 dBm) | 0.46 dB | 0.5 dB |
20dB耦合器 | 20 dB | ≈ 99% : 1% | 0.99W (-0.04 dBm) | 0.04 dB | 0.2 dB |
简单来说:
功分器的目标是平均分配功率,所以支路越多,每个端口分到的功率越少,基础损耗 (10lgN) 就越大。
耦合器的目标是采样一小部分功率(耦合端),同时让大部分功率无干扰地通过(直通端)。耦合度越大,采样比例越小,主路(直通端)的通过效率就越高,损耗自然越小。
文末的结论 “耦合度越大,插损越小” 特指的是耦合器的直通端插入损耗。这是由能量守恒和耦合器的工作原理所决定的必然结果。


