引言
在射频通信系统中,双工器、三工器和四工器是一些重要的无源微波设备。它们都可以实现在一个天线端口同时有发送和接收信号,但在具体工作原理和性能参数上有所不同。
本文将详细探讨射频双工器、三工器和四工器在以下方面的区别:
- 工作原理
- 关键性能参数
- 频带范围
- insertion loss和isolation
- 返回损耗
- 组成元件
- 应用场景
通过理解这些无源微波设备的区别,可以根据实际需求选择最佳解决方案,实现天线端口的接收和发送信号隔离。
射频双工器
工作原理
射频双工器利用频率域的方法在一个天线端口同时实现发射和接收。它由低通滤波器、高通滤波器和相位匹配电路组成。
低通滤波器只允许接收信号通过,高通滤波器只允许发送信号通过。相位匹配电路补偿双工器在发送和接收信号线路上的相位差异。
关键参数
- 频率范围:根据cutoff频率范围确定
- Insertion loss: 0.2 – 0.5 dB
- Isolation: 40 – 60 dB
- VSWR: < 1.5:1
- 反向隔离: ≥ 40 dB
- 功率处理:高达数百瓦
应用
- 移动通信基站
- 射频收发模块
- 低功率短距离无线设备
双工器优点是频带隔离度高,insertion loss低。但体积大,频带窄。 主要用于中低频微波系统。
射频三工器
工作原理
三工器利用磁铁提供的偏置磁场和位移介质产生非反向效应,打破洛伦兹互易定律,实现定向信号传输和端口隔离。
进入1端口的信号会传输到2端口,但无法从2端口传回1端口,从而实现隔离。
关键参数
- 工作频带:较宽频带
- Insertion loss: 0.5 – 1 dB
- Isolation: 15 – 20 dB
- VSWR: < 1.3:1
- 反向隔离: ≥ 15 dB
- 功率处理:较低,数十瓦级
应用
- 射频收发模块的RX/TX隔离
- 放大器和其他易受损设备的保护
- 射频测试设备内部信号传输
优点是工作频带宽,体积较小。但isolation较弱,功率处理有限。用于低功率宽频带应用。
射频四工器
工作原理
四工器结合频率滤波和非反向传输实现四端口之间的定向信号流动,以及每个端口之间的隔离。
它结合双工器的频率滤波功能和三工器的循环隔离功能,实现四个端口之间的联络与隔离。
关键参数
- 频率范围:多个带宽范围
- Insertion loss: 0.2 – 0.8 dB
- Isolation: 40 – 80 dB
- VSWR: < 1.5:1
- 反向隔离: ≥ 45 dB
- 功率处理:中等,数十瓦至上百瓦
应用
- 多频段基站的接收和发送信号分波合波
- 射频测试设备的多通路信号交换
综合双工器隔离和三工器宽带的优点。用于多频段基站等场景。
射频双三四工器比较
| 参数 | 双工器 | 三工器 | 四工器 |
|---|---|---|---|
| 工作原理 | 频率域滤波 | 非反向效应 | 频率滤波 + 非反向效应 |
| 频带范围 | 窄 | 宽 | 多个离散频带 |
| Insertion Loss | 很低<0.5dB | 中等 0.5-1dB | 低 0.2-0.8dB |
| Isolation | 高40-60dB | 中 15-20dB | 高 40-80dB |
| 反向隔离 | 高≥40dB | 中≥15dB | 高 ≥45dB |
| 功率处理 | 高数百瓦 | 低数十瓦 | 中等数十至上百瓦 |
| 组成元件 | 滤波器、相移线路 | 磁铁、非反向材料 | 滤波器、磁铁、非反向材料 |
| 应用场景 | 移动通信基站 | 射频收发模块保护 | 基站多个频段的信号合分 |
总结
- 射频双工器利用频率滤波实现发射和接收信号的隔离。具有insertion loss低、isolation高的优点,适用于基站等对隔离程度要求高的场景。
- 射频三工器利用非反向效应实现循环隔离和定向信号传输。频带宽,体积小,用于宽带低功率射频收发模块。
- 射频四工器结合两者优点,同时具有频带隔离和循环隔离功能。应用于对频带隔离和循环隔离要求均高的多频段基站等场景中。
- 根据实际使用场景的频率范围、发射功率、insertion loss、isolation、尺寸要求,选择双工器、三工器或四工器最为合适。
常见问题
问题1: 射频双工器和四工器的区别主要有哪些?
双工器只依赖频率滤波,因此Isolation和频带宽度有局限;四工器结合滤波和非反向技术,可以实现宽带、Isolation高的性能。但四工器组件更复杂,成本更高。
问题2:为什么三工器的Isolation不如双工器和四工器?
三工器主要依靠磁偏置产生的非反向效应。但该效应有天然的Isolation极限,难以像滤波方法那样实现极高的Isolation。这是三工器的内在局限。
问题3: 什么情况下适合使用三工器?
三工器适合低功率宽带场景,例如混合器、放大器和信号发生器之间的隔离保护,以及宽带射频收发模块的内部循环。
问题4:如何提高三工器的Isolation?
可以采用叠层三工器,使用多块磁铁增加非反向相移,并精心调整 matching network,以一定程度提升Isolation。但增加的体积和复杂度可能会带来其他问题。
问题5: 四工器的Insertion Loss原因是什么?
四工器Insertion Loss主要来源是频率滤波器组件。相比双工器,四工器需要更复杂的窄带带通滤波器才能实现多个频段的隔离,这提高了Insertion Loss。
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