03 · 功率分配器测量§
一、目的§
测两路微带功率分配器（Wilkinson 拓扑）的传输特性、各端口幅度偏差与端口隔离度。
二、连接§
按实验书 图 2-10： - VNA 端口 1 → 功分器输入端口 1 - 功分器输出端口 2 → VNA 端口 2 - 功分器输出端口 3 → 50 Ω 匹配负载
测「另一支路」时把端口 2、3 角色对调；测「隔离度」时把功分器输入端口接匹配负载，端口 2/3 分别接 VNA 端口 1/2。
三、步骤§
步骤一 · 复位 + 校准§
步骤二 · 设置激励§
| 项 | 值 |
|---|---|
| 起始频率 | 800 MHz |
| 终止频率 | 1 GHz |
| 源功率 | -20 dBm |
步骤三 · 测端口 1→2 的传输特性§
测量 → S21
格式 → 对数幅度（幅度）+ 相位（相位）
在中心频率 $f_c = 935\,\mathrm{MHz}$ 处读：
| 量 | 端口 2 路 |
|---|---|
| 幅度 $|S_{21}|$ | -3.906 dB |
| 相位 $\arg S_{21}$ | 62.376° |
插入损耗 $L_{12} = -|S_{21}|$（dB）。理想 Wilkinson 在中心频率应有 $|S_{21}| \approx -3\,\mathrm{dB}$（由 1/2 分功率决定）。
图：端口 2 路实测 $S_{21}=-3.906\,\mathrm{dB}$ @ $935\,\mathrm{MHz}$，扣除理论分功率 3 dB 后，附加插损约 $0.906\,\mathrm{dB}$。
步骤四 · 测端口 1→3 的传输特性§
把功分器端口 2 接匹配负载，端口 3 接 VNA 端口 2，重新测 $S_{21}$（仪器把功分器端口 3 当成「2 端口」）。
| 量 | 端口 3 路 |
|---|---|
| 幅度 $|S_{21}|$ | -3.864 dB |
| 相位 $\arg S_{21}$ | 66.310° |
图：端口 3 路实测 $S_{21}=-3.864\,\mathrm{dB}$ @ $935\,\mathrm{MHz}$。两路幅度只差 $0.042\,\mathrm{dB}$。
步骤五 · 算幅度偏差与相位偏差§
$$ \Delta L = \big| L_{12} - L_{13} \big| \,(\mathrm{dB}), \qquad \Delta\varphi = \big| \arg S_{21}^{(2)} - \arg S_{21}^{(3)} \big| \,(°) $$
| 量 | 结果 |
|---|---|
| 幅度偏差 $\Delta L$ | 0.042 dB |
| 相位偏差 $\Delta\varphi$ | 3.934° |
理想对称设计时 $\Delta L \to 0$、$\Delta\varphi \to 0$。
步骤六 · 测端口 2→3 的隔离度§
接法：功分器输入端口 1 接匹配负载，端口 2 接 VNA 端口 1，端口 3 接 VNA 端口 2。
测量 → S21
记录中心频率 $|S_{21}|$（这就是端口 2 → 端口 3 的隔离度）：
| 量 | 读数 |
|---|---|
| 端口 2/3 隔离度 = $-|S_{21}|$ | 20.891 dB |
良好 Wilkinson 在中心频率隔离度应 $\ge 20\,\mathrm{dB}$。
图：端口 2/3 隔离度约 $20.891\,\mathrm{dB}$，达到常见 Wilkinson 功分器的合格区间。
步骤七 · 整理结果§
| 参数 | 公式 | 单位 | 你的结果 |
|---|---|---|---|
| 工作频带 | $|S_{21}|$ 在 $-3\,\mathrm{dB}$ 附近 ±1 dB 的频段 | MHz | 800-1000 MHz 内围绕 935 MHz 读数 |
| 端口 2 路插损 | $-|S_{21,12}|$ | dB | 3.906 |
| 端口 3 路插损 | $-|S_{21,13}|$ | dB | 3.864 |
| 附加插损 | 实测插损 - 3 dB | dB | 0.906 / 0.864 |
| 幅度偏差 | $|L_{12} - L_{13}|$ | dB | 0.042 |
| 相位偏差 | $|\arg(S_{21,12}) - \arg(S_{21,13})|$ | ° | 3.934 |
| 隔离度 | $-|S_{32}|$ | dB | 20.891 |
报告里的结论不要写“插损约 4 dB 所以损耗大”。二等分功分器天生每路少 3 dB，这是功率被分成两半。真正的附加损耗是
$$ L_{\mathrm{extra},2}=3.906-3=0.906\,\mathrm{dB},\qquad L_{\mathrm{extra},3}=3.864-3=0.864\,\mathrm{dB} $$
两路幅度偏差 $0.042\,\mathrm{dB}$ 很小，相位偏差 $3.934^\circ$ 可近似对应约 $1\,\mathrm{mm}$ 的支臂等效长度差，隔离度 $20.891\,\mathrm{dB}$ 说明隔离电阻和对称性基本满足设计要求。
四、易错§
- 理论 3 dB 写成「插损」：3 dB 是「分功率」造成的，所有 1/2 功分器都有；要分清「理论分功率」和「附加插损」
- 测 $S_{32}$ 时漏接端口 1 的匹配负载：会让端口 1 的反射通过功分器多路径回到端口 3，污染 $|S_{32}|$ 读数
- 相位偏差忽略 $\pm 360°$ 跳变：屏幕相位会包绕到 $\pm 180°$，相位差很小但跨过包绕点会读出 359° 而不是 -1°
- 没记中心频率温度：Wilkinson 微带支臂长度 $\lambda/4$ 与介电常数耦合，温度变化会让 $f_c$ 漂移 1–2%
五、Mini 自检§
Q1：测得端口 2 插损 -3.4 dB、端口 3 插损 -3.6 dB、隔离度 22 dB。 （a）幅度偏差？ （b）每条支路的附加插损？ （c）这个功分器质量如何？
（a）$\Delta L = 0.2\,\mathrm{dB}$ （b）端口 2 附加 0.4 dB；端口 3 附加 0.6 dB （c）幅度偏差 0.2 dB（很好，一般要求 ±0.5 以内）；隔离度 22 dB（良好，工业级 Wilkinson 典型 20–25 dB）；附加插损 0.4–0.6 dB（中等，可由微带损耗、隔离电阻精度解释）
Q2：把隔离电阻 R 从 100 Ω 换成 80 Ω，会发生什么？
$R = 2 Z_0$ 是 Wilkinson 完美隔离的设计值。降到 80 Ω： - 端口 2/3 隔离度下降（反相相消条件破坏） - 输入匹配略微变差（输入阻抗的实部偏离 50 Ω） - 插入损耗几乎不变（$R$ 在两输出对称时仍不通过电流） 综上，R 的精度直接决定隔离度；幅度偏差和插损主要由支臂长度对称性决定。