功率衰减器及仿真.doc

目 录摘要 iAbstract ii1 绪论 12 功率衰减器的基本性质 42.1 功率衰减器的原理 42.2 功率衰减器的基本构成 42.3 功率衰减器的相关参数 52.4 功率衰减器的技术指标 62.5 功率衰减器的主要用途 73 功率衰减器的设计93.1 功率衰减器的原理 93.2 功率衰减器的设计 93.3 功率衰减器模块的设计制作113.4 功率衰减器模块的性能指标124 功率衰减器的仿真 164.1 ADS简介 164.2 ADS2009的主要特性和新功能 164.3 ADS软件的仿真分析法 16结论 16致谢 18参考文献 19第1章.绪论 1.1 选题的意义及课题来源 功率衰减器是在指定的频率范围内，一种用以引入一预定衰减的电路。一般以所引入衰减的分贝数及其特性阻抗的欧姆数来标明。在有线电视系统里广泛使用衰减器以便满足多端口对电平的要求。如放大器的输入端、输出端电平的控制、分支衰减量的控制。功率衰减器有无源衰减器和有源衰减器两种。有源衰减器与其他热敏元件相配合组成可变衰减器，装置在放大器内用于自动增益或斜率控制电路中。无源衰减器有固定衰减器和可调衰减器功率衰减器是在指定的频率范围内，一种用以引入一预定衰减的电路。一般以所引入衰减的分贝数及其特性阻衰减器抗的欧姆数来标明。在有线电视系统里广泛使用衰减器以便满足多端口对电平的要求。如放大器的输入端、输出端电平的控制、分支衰减量的控制。衰减器有无源衰减器和有源衰减器两种。有源衰减器与其他热敏元件相配合组成可变衰减器，装置在放大器内用于自动增益或斜率控制电路中。构成射频/微波功率衰减器的基本材料是电阻性材料。通常的电阻是衰减器的一大功率衰减器种基本形式，由此形成的电阻衰减器网络就是集总参数衰减器。通过一定的工艺把电阻材料放置到不同波段的射频/微波电路结构中就形成了相应频率的衰减器。如果是大功率衰减器，体积肯定要加大，关键就是散热设计。随着现代电子技术的发展，在许多场合要用到快速调整衰减器。这种衰减器通常有两种实现方式，一是半导体小功率快调衰减器，如PIN管或FET单片集成衰减器；二是开关控制的电阻衰减网络，开关可以是电子开关，也可以是射频继电器。1.2功率衰减器的主要用途 1、控制功率电平：在微波超外差接收机中对本振输出功率进行控制，获得光敏衰减器最佳噪声系数和变频损耗，达到最佳接收效果。在微波接收机中，实现自动增益控制，改善动态范围。 2、去耦元件：作为振荡器与负载之间的去耦合元件。 3、相对标准：作为比较功率电平的相对标准。 4、 用于雷达抗干扰中的跳变衰减器：是一种衰减量能突变的可变衰减器，平时不引入衰减，遇到外界干扰时，突然加大衰减。从微波网络观点看，衰减器是一个二端口有耗微波网络。它属于通过型微波元件。1.3功率衰减器的现状 衰减器的应用十分广泛，在大功率的测量中，往往需要通过衰减器将功率降到适合仪器测量的水平。微带型衰减器因其分布参数很小，频响较好等优点，广泛应用于各微波系统中，但由于其体积小，发热集中，且散热路径收到多方面的限制等原因，承受功率收到很大的限制，因此在研制大功率微带衰减器时，散热成为设计的一个主要难点。 功率衰减器在微波超外差接收机中对输出功率进行控制，获得光敏衰减器最佳噪声系数和变频损耗，达到最佳接受效果。在微波接收机中，实现自动增益控制，改善动态范围，用途广泛。传统的热设计只能根据经验类比或者应用有限的换热公司进行预先估计，生产出成品后再通过实验来检验，若不能满足要求，则要进行修改，再设计，再生产，再检验，如此反复的设计过程，既浪费时间又浪费人力物力。所以，在设计阶段就对其进行有效的仿真是有必要的。热分析软件能够在衰减器的设计阶段对其进行温度场计算，比较真实的模拟出各衰减电阻的热分布状况，确定出最高温度的位置，然后对其进行改进和优化，最终降低温度最高值，并使温度场处于相对平衡的状态，避免出现局部过热现象。1.4 本课题的主要研究内容 本课着眼于功率衰减器教学的设计、仿真、应用。但目前市场上所销售的功率衰减器，过于复杂不适用于实验室。所以，我们自主研制开发了射频实验系统。围绕着射频实验系统的性能要求，主要进行一下方面的工作：1、 针对现有射频人才的紧缺和功率衰减器教学仪器的市场空白，基于功率衰减器原理，研制开发了“射频实验系统”功率衰减器教学仪器。2、 本文介绍了射频实验系统衰减器的各项技术指标和性能指标，并阐述了射频实验系统衰减器的各部分具体实现方案。3、 重点分析了典型的衰减器模块电路，如型功率衰减器、T型功率衰减器、多级衰减器，以及仿真软件ADS。4、 研究射频实验系统衰减器的误差来源及仿真产生的影响。并通过理论分析和实验测量比较，验证了设计和仿真方案的合理性和有效性。 综上所述，本课题的理论研究和应用研究具有重要的意义和广泛的实际应用前景。第2章.功率衰减器的基本性质2.1 功率衰减器的原理 功率衰减器是在指定的频率范围内，一种用以引入一预定衰减的电路。一般以所引入衰减的分贝数及i其特性阻抗的欧姆数来标明。在有线电视系统里广泛使用衰减器以便满足多端口对电平的要求。如放大器的输入端、输出端电平的控制、分支衰减量的控制。功率衰减器有无源衰减器和有源衰减器两种。有源衰减器与其他热敏元件相配合组成可变衰减器，装置在放大器内用于自动增益或斜率控制电路中。无源衰减器有固定衰减器和可调衰减器2.2 功率衰减器的基本构成 构成射频/微波功率衰减器的基本材料是电阻性材料。通常的电阻是衰减器的一大功率衰减器种基本形式，由此形成的电阻衰减器网络就是集总参数衰减器。通过一定的工艺把电阻材料放置到不同波段的射频/微波电路结构中就形成了相应频率的衰减器。如果是大功率衰减器，体积肯定要加大，关键就是散热设计。随着现代电子技术的发展，在许多场合要用到快速调整衰减器。这种衰减器通常有两种实现方式，一是半导体小功率快调衰减器，如PIN管或FET单片集成衰减器；二是开关控制的电阻衰减网络，开关可以是电子开关，也可以是射频继电器。2.3 功率衰减器的相关参数2.3.1衰减：用于描述传输过程中从一端到另一端的信号减少的量值。可用倍数或同轴衰减器分贝数来表达。2.3.2 VSWR：等于特性阻抗与连接在传输线输出端的负载阻抗的比值。2.3.3 最大平均功率：在衰减器输出端接特性阻抗时，在指定的最高工作温度上可长期加到衰减器输入端的最大功率。当工作温度降至20ºC，输入功率降到10mW时，衰减器的其它指标不应该发生变化。 2.3.4 插入损耗的功率系数： 当输入功率从10mW到额定功率时，插入损耗的变化值（dB）。 2.3.5 最大峰值功率： 在衰减器输出端接特性阻抗时，在指定的最高工作温度上，在指定的时间内，加到衰减器输入端的5ms脉冲宽度最大峰值功率。当工作温度降至20ºC，输入功率降到10mW时，衰减器的其它指标不应该发生变化。 2.3.6 温度系数： 在最大工作温度范围内插入损耗的最大变化，用dB/ºC表示。 2.3.7 冲击和振动： 衰减器必须承受三个方向的冲击和振动试验。 2.3.8 插入损耗的频率响应： 在20ºC时，整个频率范围内损耗值的变化量（dB）。 2.3.9 工作温度上限： 衰减器工作在最大输入功率时的最高温度(ºC)。 2.3.10 标称插入损耗的偏差：在20ºC，输入功率10mW时测得的插入损耗和标称值的偏差。 2.3.11 接头寿命： 正常连接/断开的次数；在规定的寿命内所有的电气和机械指标应该满足指标要求。 2.3.12 互调失真： 互调失真由杂散信号组成，它是由于器件中的非线性因素而产生的。尤其需要关注的是三阶互调失真，因为三阶互调产物最大而且不可被滤除。三阶互调电平的测试方法是将二个等幅的纯净信号（f1和f2）注入到被测器件中，三阶互调将出现在输出频谱的2f1-f2和2f2-f1处。三阶互调产物由相对于f1或f2的大小来定义，由-dBc来表示。 2.4 功率衰减器的技术指标 功率衰减器是在指定的频率范围内，一种用以引入一预定衰减的电路。一般以所引入衰减的分贝数及其特性阻衰减器抗的欧姆数来标明。在有线电视系统里广泛使用衰减器以便满足多端口对电平的要求。如放大器的输入端、输出端电平的控制、分支衰减量的控制。衰减器有无源衰减器和有源衰减器两种。有源衰减器与其他热敏元件相配合组成可变衰减器，装置在放大器内用于自动增益或斜率控制电路中。无源衰减器有固定衰减器和可调衰减器。 2.4.1 工作频带 功率衰减器的工作频带是指在给定频率范围内使用衰减器，衰减器才能达到指标值。由于射频/微波数字衰减器结构与频率有关，不同频段的元器件，结构不同，也不能通用。现代同轴结构的衰减器使用的工作频带相当宽，设计或使用中要加以注意。 2.4.2 衰减量 无论形成功率衰减的机理和具体结构如何，总是可以用下图所示的两端口网络来描述衰减器。 信号输入端的功率为P1，而输出端得功率为P2，衰减器的功率衰减量为A（dB）。若P1 、P2 以分贝毫瓦（dBm）表示，则两端功率间的关系为 P2（dBm） P1（dBm） A（dB） 可以看出，衰减量描述功率通过衰减器后功率的变小程度。衰减量的大小由构成衰减器的材料和结构确定。衰减量用分贝作单位，便于整机指标计算。 2.4.3 功率容量 功率衰减器是一种能量消耗元件，功率消耗后变成热量。可以想象，材料结构确定后，衰减器的功率容量就确定了。如果让衰减器承受的功率超过这个极限值，衰减器就会被烧毁。设计和使用时，必须明确功率容量。 2.4.4 回波损耗 回波损耗就是功率衰减器的驻波比，要求衰减器两端的输入输出驻波比应尽可能小。我们希望的衰减器是一个功率消耗元件，不能对两端电路有影响，也就是说，与两端电路都是匹配的。设计衰减器时要考虑这一因素。 2.4.5 功率系数 当输入功率从10mW变化到额定功率时，衰减量的变化系数表示为dB/（dB*W）。衰减量的变化值的具体算法是将系数乘以总衰减量功率（W）。如：一个功率容量50W，标称衰减量为40dB的衰减器的功率系数为0.001dB/（dB*W），意味着输入功率从10mW加到50W时，其衰减量会变化0.001*40*50=2dB之多。2.5 功率衰减器的主要用途2.5.1控制功率电平：衰减器在电路中的作用主要是为二极管提供阻抗匹配，减小电路的驻波比。在微波超外差接收机中对本振输出功率进行控制，获得光敏衰减器最佳噪声系数和变频损耗，达到最佳接收效果。在微波接收机中，实现自动增益控制，改善动态范围。 2.5.2去耦元件： 作为振荡器与负载之间的去耦合元件。 2.5.3相对标准： 作为比较功率电平的相对标准。 2.5.4 用于雷达抗干扰中的跳变衰减器： 是一种衰减量能突变的可变衰减器，平时不引入衰减，遇到外界干扰时，突然加大衰减。从微波网络观点看，衰减器是一个二端口有耗微波网络。它属于通过型微波元件。第3章.功率衰减器的设计3.1 功率衰减器的原理 功率衰减器的原理框图如图3-1所示。功率衰减器 Port-1 Port-2 P1P2 图3-1 功率衰减器的原理框图 其信号输入功率为P1，输出功率为P2。若P1、P2以毫瓦分贝（dBm）表示，并且衰减器的衰减量为AdB,那么输出信号的功率关系可以表示为：(dBm)=(dBm)-AdB即: AdB=-10lg3.2 功率衰减器的设计衰减量固定不变的衰减器称为固定衰减器，衰减量在一定范围内可以调节的衰减器称为可变衰减器。以固定衰减器为例介绍其设计方法。这种衰减器仅由电阻构成。根据其结构可分为T型和型两种。 Rs1 Rs2 Z1 Z2 Rp 图3-2 T型功率衰减器功率衰减器是双端口结构，电路利用型电阻来设计，如图3-3所示。其中Z1、Z2即是电路输入。输出端的特性阻抗。Z1 Z2P1 P2 图3-3 型功率衰减器 其中，Z1、Z2是电路输入、输出端的特性阻抗。根据电路两端阻抗使用的不同，又可分为同阻抗式和异阻抗式。1、 T型同阻抗式（Z1=Z2=Zc）a= , = , = = 2、 型同阻抗式a= , Rs = Zc , = = Zc3、 T型异阻抗式（Z1Z2）a= , = , = Z1， = -4、 型异阻抗式a = , Rs = R R = 衰减器是一个功率耗散元件，可以看成一个四端口网络，如图3-3所示： 衰 减 器 P1 Zc P2 图3-4四端口网络 当输出端匹配负载Zc时，衰减量与功率的关系可以表示为： B=10lg(dB) (1) 其中：P1为输入功率，P2为输出功率。3.3功率衰减器模块的设计制作功率衰减器的计算有同阻式和异阻式两种。在实际应用中，大多采用同阻、输入输出特性阻抗为50的形式。所以在输入输出端相连的传输线的特性阻抗均为50。 功率衰减器是纯电阻网络。电阻的特性是：随着工作频率的升高。电阻的电感效应会逐步明显。因此，功率衰减器在较高频段工作时，实际的衰减量会有部分下降。按照设计公式计算出的电阻，会出现小数的情况，有的电阻值需由两个电阻并联获得。所选电阻与计算值之间的误差应控制在0.5。调试的时候，主要是观察网络的插入损耗S21指（因为是纯电阻网络，且按50输出阻抗设计，S11都能满足要求）。一般情况下，只要计算无误，电路是不需要另行调整的。1、10dB、T型同阻抗式固定衰减器。（Z1=Z2=50）根据上述公司计算得： =35.136 =25.988制作时选用06035%的高频贴片电阻，实际电路如图3-5所示。 30/100 36/10050 50 68/75 图3-5 10dB T型功率衰减器2/15dB、型同阻抗式固定衰减器。（Z1=Z2=50）根据以上述公式计算得： =Zc=127.6， =Zc=73.4制作时选用06035%的高频电阻，实际电路如图3-6所示。 50 150 50 75 75 图3-6 15dB 型功率衰减器3.4 功率衰减器模块的性能指标 该模块的性能指标由美国的Agilent公司的HP8714ES矢量分析仪（频率范围300KkHz-3GHz） 名称适用频率范围 主要特性15dB、型功率衰减器100-1000MHz -10dB =-151dB10dB、T型功率衰减器 100-1000MHz -14dB =-101dB 第4章功率衰减器的仿真4.1 ADS简介ADS是由美国Agilent公司推出的微波电路和通信系统的仿真软件，是当今业界最流行的微波射频电路、通信系统和RFIC设计软件，也是国内高校、科研院所和大型IT公司使用最多的软件之一。其功能强大，仿真手段丰富，可实现包括时域与频域、数字与模拟、线性与非线性、噪声等多种仿真功能，并可对设计结果进行成品率分析和优化，提高复杂电路的设计效率，是优秀的微波射频电路、系统信号链路的设计工具，是射频必备的工具软件之一。4.2 ADS2009的主要特性和新功能ADS2009增强了图形用户操作界面。该界面源于大部分的网际网络软件工具和搜源引擎，所使用的统一界面开发平台包含搜寻和内容关联感知功能。应用于一般和新型设计的新界面，在速度上的提升，可以使软件工具的整合更加流畅。ADS2009改善了专案管理，即时放大和平移，互动式3D布局检视，缩放和剖面显示灯功能；改良了LVS同步设计功能，提供了自动化设计的完整控制功能，以确保布局的正确性；更新了设计规则检查功能，可以快速的将绘图导出和导入，使设计到生产的转移过程更加顺利。另外，ADS2009可以将完整的3D电磁分析功能整合到ADS环境中。整合的电磁设计系统包含了更快速的封装界限绘制操作界面；并且采用最新的多处理器运算架构，包括支持64位处理器；以及更快速的高频暂态模拟功能，以大型电路为例，平均速度提升了6倍之多。4.3 ADS软件的仿真分析法1. 高频SPICE分析和卷积分析（Convolution）高频SPICE分析方法提供如SPICE仿真器般的瞬态分析，可分析线性与非线性电路的瞬态效应。在SPICE仿真器中，无法直接使用的频域分析模型，如微带线带状线等，可于高频SPICE仿真器中直接使用，因为在仿真时可于高频SPICE仿真器会将频域分析模型进行拉式变换后进行瞬态分析，而不需要使用者将该模型转化为等效RLC电路。因此高频SPICE除了可以做低频电路的瞬态分析，也可以分析高频电路的瞬态响应。此外高频SPICE也提供瞬态噪声分析的功能，可以用来仿真电路的瞬态噪声，如振荡器或锁相环的jitter。卷积分析方法为架构在SPICE高频仿真器上的高级时域分析方法，藉由卷积分析可以更加准确的用时域的方法分析于频率相关的元件，如以S参数定义的元件、传输线、微带线等。2.线性分析线性分析为频域的电路仿真分析方法，可以将线性或非线性的射频与微波电路做线性分析。当进行线性分析时，软件会先针对电路中每个元件计算所需的线性参数，如S、Z、Y和H参数、电路阻抗、噪声、反射系数、稳定系数、增益或损耗等（若为非线性元件则计算其工作点之线性参数），在进行整个电路的分析、仿真。3.谐波平衡分析谐波平衡分析提供频域、稳态、大信号的电路分析仿真方法，可以用来分析具有多频输入信号的非线性电路，得到非线性的电路响应，如噪声、功率压缩点、谐波失真等。与时域的SPICE仿真分析相比较，谐波平衡对于非线性的电路分析，可以提供一个比较快速有效的分析方法。谐波平衡分析方法的出现填补了SPICE的瞬态响应分析与线性S参数分析对具有多频输入信号的非线性电路仿真上的不足。尤其在现今的高频通信系统中，大多包含了混频电路结构，使得谐波平衡分析方法的使用更加频繁，也越趋重要。另外针对高度非线性电路，如锁相环中的分频器，ADS也提供了瞬态辅助谐波平衡(Transient Assistant HB)的仿真方法，在电路分析时先执行瞬态分析，并将此瞬态分析的结果作为谐波平衡分析时的初始条件进行电路仿真，藉由此种方法可以有效地解决在高度非线性的电路分析时会发生的不收敛情况。4.射频系统分析电路包络分析包含了时域与频域的分析方法，可以使用于包含调频信号的电路或通信系统中。电路包络分析借鉴了SPICE与谐波平衡两种仿真方法的优点，将较低频的调频信号用时域SPICE仿真方法来分析，而较高频的载波信号则以频域的谐波平衡仿真方法进行分析5.托勒密分析拖勒密分析方法具有可以仿真同时具有数字信号与模拟、高频信号的混合模式系统能力。ADS中分别提供了数字元件模型（如FIR滤波器、IIR滤波器，AND逻辑门、OR逻辑门等）、通信系统元件模型（如QAM调频解调器、Raised Cosine滤波器等）及模拟高频元件模型（如IQ编码器、切比雪夫滤波器、混频器等）可供使用。6.电磁仿真分析ADS软件提供了一个2.5D的平面电磁仿真分析功能Momentum（ADS2005A版本Momentum已经升级为3D电磁仿真器），可以用来仿真微带线、带状线、共面波导等的电磁特性，天线的辐射特性，以及电路板上的寄生、耦合效应。所分析的S参数结果可直接使用于谐波平衡和电路包络等电路分析中，进行电路设计与验证。在Momentum电磁分析中提供两种分析模式：Momentum微波模式即Momentum和Momentum射频模式即Momentum RF；使用者可以根据电路的工作频段和尺寸判断、选择使用。结 论5.1 课题的研究成果随着射频技术在通信领域的飞速发展，射频人才紧缺现象日益增强，对射频人才的要求也日渐提高。为了更好的培养射频人才，增强学生对射频电路设计的制作能力，微波射频教学仪器的研制迫切需要。着眼于此，我们设计开发了“射频实验系统-功率衰