详解Wilkinson功分器与Gysel功分器

在射频和微波系统的复杂网络中，功分器扮演着不可或缺的关键角色，它就像是一个智能的 “信号分流枢纽” ，承担着将一路输入信号能量按照特定比例，精准分配到两路或多路输出端口的重任，让不同的设备或系统能够共享同一个信号源。功分器的分配比例可根据实际需求进行灵活设计，分为等分功分器和不等分功分器。例如，在通信基站中，功分器可以将基站发射机发出的信号功率，均匀地分配到多个天线，从而增强信号的覆盖范围和强度；在卫星通信领域，功分器能够将卫星接收到的信号，合理分配给不同的接收设备，确保信息的有效传输 。此外，功分器还能反向工作，将多路信号能量合成一路输出，此时它又被称为合路器，在信号的整合与优化传输中发挥着重要作用。

随着科技的飞速发展，功分器的应用领域不断拓展，从常见的通信、广播，到高端的雷达、电子对抗等，都离不开功分器的支持。在通信系统中，它助力实现信号的高效分配与合成，保障通信的稳定与畅通；在广播系统里，它将广播信号合理分配到各个发射天线，扩大信号覆盖范围；在雷达系统中，它协助将雷达信号分配到多个接收天线，提升雷达的探测能力和抗干扰能力；在电子对抗系统中，它把干扰信号分配到多个发射天线，增强干扰效果。

而在众多功分器类型中，威尔金森功分器和Gysel 功分器凭借其独特的性能和特点，成为了射频和微波领域的研究热点和应用重点，接下来我们将深入探索它们的奥秘。

⭐No.1⭐

 威尔金森功分器：经典之作

威尔金森功分器作为射频和微波领域的经典结构，由 Ernest Wilkinson 在 20 世纪 60 年代初提出 。它的诞生，为信号功率的分配与处理带来了全新的解决方案，其巧妙的设计和卓越的性能，使其迅速成为该领域的重要组成部分。

它的基本原理是利用电阻网络和四分之一波长传输线来实现功率的分配。当输入信号进入功分器后，会通过四分之一波长传输线被分成两路，分别传输到两个输出端口。在这个过程中，电阻网络起着关键作用，它不仅确保了输入和输出之间的匹配，还能减少信号的反射和干扰。具体来说，通过奇偶模分析方法可以深入理解其工作机制。在偶模激励下，电阻两端电压相等，无电流流过，端口 1 的两个传输线输入之间短路；在奇模激励下，电阻起到匹配作用，使得端口 2 和端口 3 实现匹配，并且端口 2 和 3 之间相互隔离。这种独特的设计，使得威尔金森功分器在实现功率分配的同时，还能保证良好的端口匹配和隔离性能 。

1.1 结构特点

威尔金森功分器通常采用三端口结构，包含一个输入端口和两个输出端口 。三个端口之间通过特定阻抗的传输线连接，其中输入端口到两个输出端口的传输线长度均为四分之一波长。在两个输出端口之间，跨接着一个隔离电阻，这个电阻是实现端口隔离的关键元件。

以常见的 50 欧姆系统为例，输入端口的特性阻抗一般为 50 欧姆，从输入端口到输出端口的四分之一波长传输线的特性阻抗通常设计为 70.7 欧姆，而隔离电阻的阻值一般为 100 欧姆。这种结构设计，使得功分器在工作时能够有效地将输入信号功率等分到两个输出端口，并且保证输出端口之间的隔离度，从而满足各种射频和微波系统的需求。 此外，威尔金森功分器的结构紧凑，易于集成到各种电路中，这也是它在实际应用中广泛使用的原因之一。

1.2 性能剖析

威尔金森功分器具有良好的端口匹配性能，其输入端口和输出端口的反射系数通常都能达到很低的水平，一般情况下，输入端口的回波损耗可以达到 - 20dB 以上，输出端口的回波损耗也能达到 - 15dB 以上 ，这意味着信号在端口处的反射很小，能够有效地传输。输出端口之间具有较高的隔离度，通常可以达到 20dB 以上，这使得一个输出端口的信号几乎不会影响到另一个输出端口，保证了信号的独立性和稳定性。它还能实现较为精确的等功率分配，两个输出端口的功率差异一般可以控制在 0.1dB 以内，满足大多数应用对功率分配精度的要求。然而，威尔金森功分器也存在一些局限性，例如它存在一定的插入损耗，一般在 0.5dB - 1dB 之间，这是由于电阻网络的存在导致信号能量的损耗；其工作带宽相对较窄，一般只能覆盖一个倍频程左右，在一些对带宽要求较高的应用场景中，可能无法满足需求。

1.3 应用领域

威尔金森功分器在天线阵列馈电系统中发挥着重要作用，它可以将发射机的信号功率均匀地分配到各个天线单元，确保天线阵列的辐射性能均匀一致，提高天线的增益和方向性 。在射频电路中，常用于信号的分配与合成，为不同的功能模块提供合适的信号功率。在通信系统中，无论是基站设备还是终端设备，威尔金森功分器都能帮助实现信号的高效处理和传输，提升通信质量和稳定性；在雷达系统中，它能够将雷达发射机的信号分配到多个接收天线，增强雷达的探测能力和抗干扰能力，为目标检测和跟踪提供有力支持。

⭐No.2⭐

 Gysel 功分器：后起之秀

Gysel 功分器是微波领域的后起之秀，它主要基于反射技术来实现信号功率的分配 。在 Gysel 功分器中，通过精心设计不同的反射系数，巧妙地对输入信号的功率进行分配。当输入信号进入功分器后，会遇到不同特性的传输线和负载，这些传输线和负载的参数被精确设计，使得一部分信号被反射，另一部分信号则继续传输 。通过对反射系数的精确控制，能够将输入信号的功率按照预定的比例分配到各个输出端口。例如，通过调整传输线的长度、特性阻抗以及负载的阻值等参数，可以实现不同的功率分配比例，满足各种不同的应用需求。这种基于反射技术的功率分配方式，为 Gysel 功分器带来了独特的性能优势。

2.1 独特构造

Gysel 功分器的结构主要由三个分支组成，呈现出一种独特的布局 。其中两个分支是串联的，第三个分支则与前两个分支并联。当输入信号首先进入第一个分支后，一部分信号会沿着第二个分支继续传输，进而进入第三个分支；而另一部分信号则会被反射回第一个分支 。第三个分支起到关键的信号分配作用，其中的信号最终会被均匀地分配到各个输出端口。

以常见的微带线 Gysel 功分器为例，这三个分支通常由微带线构成，通过合理设计微带线的宽度、长度以及它们之间的连接方式，可以实现功分器的各项性能指标。这种独特的结构设计，使得 Gysel 功分器在实现功率分配的同时，还能有效地控制信号的传输和反射，从而提高功分器的性能。

2.2 性能亮点

Gysel 功分器具有一系列令人瞩目的性能亮点 。它具有出色的宽带特性，能够在较宽的频率范围内保持良好的功率分配性能，一般情况下，其相对带宽可以达到 30% 以上，甚至在一些优化设计中，能够覆盖更宽的频段 。这使得它在多频段通信系统中具有很大的应用潜力，能够满足不同频段信号的功率分配需求。它还具备高功率承受能力，由于其结构设计和负载的合理配置，使得它能够承受较大的输入功率。在连续波情况下，采用带状线或微带线实现的 Gysel 功分器，其耐功率水平主要受限于传输线的击穿电压以及热耗散能力，而通过优化设计，可以有效提高其功率容量 。输出端口间有良好的隔离度，通常可以达到 20dB 以上，这意味着输出端口之间的信号相互干扰较小，能够保证各个输出端口信号的独立性和稳定性 。端口匹配也较好，输入端口和输出端口的反射系数都能控制在较低水平，一般输入端口的回波损耗可以达到 - 20dB 以下，输出端口的回波损耗也能达到 - 15dB 以下，确保了信号的高效传输 。

2.3 应用场景

Gysel 功分器在微波通信、雷达系统等对功率容量和带宽要求高的领域有着广泛的应用 。在微波通信系统中，随着通信技术的不断发展，对信号传输的带宽和功率要求越来越高。Gysel 功分器的宽带特性和高功率承受能力，使其能够满足微波通信系统中多频段、大功率信号的分配需求 。在 5G 通信基站中，需要将基站发射机的大功率信号分配到多个天线，Gysel 功分器可以有效地实现这一功能，保证信号的稳定传输和覆盖范围 。在雷达系统中，雷达需要发射和接收大功率的射频信号，Gysel 功分器可以将发射机的信号功率分配到多个天线单元，提高雷达的探测能力和抗干扰能力 。在相控阵雷达中，通过使用 Gysel 功分器，可以实现对天线阵列的精确馈电，从而实现对目标的快速探测和跟踪 。

⭐No.3⭐

两种功分器的对比

3.1 性能差异

在性能方面，Gysel 功分器和威尔金森功分器各有千秋 。Gysel 功分器的突出优势在于其宽带特性，一般相对带宽能达到 30% 以上，这使得它在多频段通信系统中能够轻松应对不同频段信号的功率分配任务，确保信号的稳定传输和高效处理 。而威尔金森功分器的工作带宽相对较窄，通常只能覆盖一个倍频程左右，在需要处理宽频段信号的场景中，可能会显得力不从心 。在插入损耗上，威尔金森功分器由于电阻网络的存在，会导致一定的信号能量损耗，插入损耗一般在 0.5dB - 1dB 之间 ；Gysel 功分器则在这方面表现较好，其插入损耗相对较低，能够更有效地减少信号能量的损失 。功率容量上，Gysel 功分器具备高功率承受能力，能够满足雷达系统等对功率要求较高的应用场景；威尔金森功分器的功率容量相对较小，在高功率应用中可能无法满足需求 。在隔离度和端口匹配方面，两者都能达到较高的水平，输出端口之间的隔离度通常都能达到 20dB 以上，输入端口和输出端口的反射系数也都能控制在较低范围，保证了信号的独立性和高效传输 ，但 Gysel 功分器在宽带条件下仍能较好地保持这些性能，而威尔金森功分器在带宽增加时，性能可能会有所下降 。

3.2 结构与设计区别

从结构和设计角度来看，两者也存在明显的区别 。威尔金森功分器采用三端口结构，包含一个输入端口和两个输出端口，输入端口到两个输出端口的传输线长度均为四分之一波长，两个输出端口之间跨接着一个隔离电阻，这种结构设计相对较为简单、紧凑 ，易于集成到各种电路中 。而 Gysel 功分器的结构主要由三个分支组成，其中两个分支串联，第三个分支与前两个分支并联，结构相对复杂一些 。在传输线的使用上，威尔金森功分器主要依赖四分之一波长传输线来实现功率分配和端口匹配；Gysel 功分器则通过精心设计不同的反射系数，利用传输线和负载的组合来实现功率分配 ，其传输线的设计和布局更为灵活 。电阻在两者中的作用也有所不同，威尔金森功分器中的隔离电阻主要用于实现输出端口之间的隔离，确保一个输出端口的信号不会影响到另一个输出端口；Gysel 功分器中虽然也可能使用电阻，但电阻的位置和作用与威尔金森功分器有所差异，它更多地是参与到反射系数的控制和信号功率的分配过程中 。

3.3 适用场景探讨

基于它们的性能和结构特点，Gysel 功分器和威尔金森功分器适用于不同的应用场景 。Gysel 功分器由于其宽带特性和高功率承受能力，更适合应用在对带宽和功率容量要求较高的领域，如 5G 通信基站、相控阵雷达等 。在 5G 通信中，需要支持多个频段的信号传输，Gysel 功分器能够在较宽的频率范围内保持良好的性能，满足多频段信号的功率分配需求 ；在相控阵雷达中，需要发射和接收大功率的射频信号，Gysel 功分器的高功率容量使其能够有效地将发射机的信号功率分配到多个天线单元，提高雷达的探测能力和抗干扰能力 。威尔金森功分器则更适合应用在对端口匹配和隔离度要求较高，且工作带宽相对较窄的场景，如天线阵列馈电系统、一些传统的射频电路等 。在天线阵列馈电系统中，威尔金森功分器能够将发射机的信号功率均匀地分配到各个天线单元，并且保证输出端口之间的隔离度，从而确保天线阵列的辐射性能均匀一致，提高天线的增益和方向性 ；在一些射频电路中，威尔金森功分器的良好端口匹配性能能够减少信号的反射和干扰，保证信号的稳定传输 。

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发展趋势与展望

随着科技的不断进步，Gysel 功分器和威尔金森功分器在技术创新方面正朝着多个方向发展 。在提高性能方面，研究人员致力于进一步降低插入损耗，通过优化传输线的材料和结构，减少信号在传输过程中的能量损失 。同时，不断提升隔离度，采用更先进的电阻网络设计和布局，提高输出端口之间的隔离性能，减少信号干扰 。拓展带宽也是重要的创新方向之一，通过采用新型的阻抗变换器结构，如多级阶梯阻抗变换器等，能够有效拓宽功分器的工作带宽 。还可以利用先进的电磁仿真软件，对功分器的结构进行精细化设计和优化，进一步提升其宽带性能 。

在增加功率容量方面，一方面研究新型的散热材料和散热结构，提高功分器在高功率工作下的散热能力，以保证其性能的稳定性 ；另一方面，探索新的功率分配和合成技术，如采用分布式功率合成技术，将功率分散到多个传输线和负载上，从而提高功分器的功率容量 。

小型化和集成化也是当前的研究热点 。通过使用集总参数元件替代部分传输线，或者采用先进的工艺将功分器的阻抗变换器进行蜿蜒、多层结构设计，能够有效减小功分器的尺寸 。在 CMOS 工艺下，利用传输线 T 型等效将传统 Wilkinson 功分器的四分之一波长阻抗变换器转换为集总参数电路，再结合有源电感器作为集总参数电感，可大大减小电路面积 。将功分器与其他射频器件，如滤波器、放大器等集成在一起，形成多功能的射频模块，不仅可以减小系统的体积和重量，还能降低成本，提高系统的性能和可靠性 。

展望未来，Gysel 功分器和威尔金森功分器在众多领域有着广阔的应用前景 。在 5G 通信中，随着 5G 网络的不断普及和发展，对射频前端器件的性能要求越来越高 。Gysel 功分器的宽带特性和高功率容量，使其能够满足 5G 基站中多频段、大功率信号的分配需求，为 5G 通信的稳定运行提供有力支持 。威尔金森功分器良好的端口匹配和隔离性能，在 5G 终端设备的射频电路中也将发挥重要作用，确保信号的稳定传输和高效处理 。

在相控阵雷达领域，相控阵雷达通过控制天线阵列中各个天线单元的相位和幅度，实现波束的快速扫描和指向控制 。Gysel 功分器和威尔金森功分器作为天线阵列馈电系统的关键组成部分，能够将发射机的信号功率精确地分配到各个天线单元，并且保证输出端口之间的隔离度，从而提高相控阵雷达的探测能力、分辨率和抗干扰能力 。随着相控阵雷达技术的不断发展，对功分器的性能和可靠性要求也将越来越高，这将进一步推动 Gysel 功分器和威尔金森功分器的技术创新和应用拓展 。

卫星通信领域，随着卫星互联网的兴起，对卫星通信设备的性能和小型化要求日益提高 。Gysel 功分器和威尔金森功分器可以应用于卫星通信的地面终端设备和卫星平台上，实现信号的分配和合成 。在低轨卫星通信系统中，功分器需要具备宽带、高功率容量和小型化等特点，以满足卫星通信的需求 。随着卫星通信技术的不断进步，如高通量卫星、毫米波通信等技术的应用，Gysel 功分器和威尔金森功分器将在卫星通信领域发挥更加重要的作用 。

⭐总结⭐

Gysel 功分器和威尔金森功分器作为功分器家族中的重要成员，各自凭借独特的优势在射频和微波领域占据着重要地位。威尔金森功分器作为经典之作，以其简单紧凑的结构、良好的端口匹配和隔离性能，在对带宽要求不高、注重信号独立性和稳定性的场景中表现出色，如传统的天线阵列馈电系统和射频电路。Gysel 功分器作为后起之秀，凭借宽带特性和高功率承受能力，在多频段通信和高功率需求的领域大显身手，成为 5G 通信基站和相控阵雷达等系统的关键组成部分。

随着科技的不断进步，二者在技术创新的推动下，性能不断提升，应用领域也将持续拓展。它们不仅是实现信号功率分配与合成的关键元件，更是推动射频和微波系统发展的重要力量，为通信、雷达、卫星通信等众多领域的技术突破和应用创新提供了坚实支撑，在未来的科技发展中必将发挥更加重要的作用 。

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