功率衰减器介绍.ppt

第4章功率衰减器 4 1功率衰减器的原理 4 1 1衰减器的技术指标 工作频带衰减量功率容量回波损耗衰减精度输入输出阻抗 4 1 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 1 工作频带 衰减器的工作频带是指在给定频率范围内使用衰减器 衰减量才能达到指标值 现代同轴结构的衰减器使用的工作频带相当宽 2 衰减量 3 功率容量 衰减器是一种能量消耗元件 功率消耗后变成热量 当材料结构确定后 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 4 回波损耗 回波损耗就是衰减器的驻波比 要求衰减器两端的输入输出驻波比应尽可能小 衰减器是一个功率消耗元件 不能对两端电路有影响 与两端电路都是匹配的 4 1 2衰减器的基本构成 电阻是衰减器的一种基本形式 由此形成的电阻衰减网络就是集总参数衰减器 电阻材料被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 衰减器设计的关键就是散热设计 快速调整衰减器有两种实现方式 半导体小功率快调衰减器 如PIN管或FET单片集成衰减器 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 4 1 3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 4 2集总参数衰减器 无源衰减器是利用电阻构成的T型 型 桥T型网络实现集总参数衰减器 通常情况下 衰减量是固定的 由三个电阻值决定 T型 型 电阻网络兼有阻抗匹配或变换作用 图4 2功率衰减器 a T型功率衰减器 b 型功率衰减器 T型衰减器的计算公式 3 1 L 衰减量 型衰减器的计算公式 L 衰减量 桥式衰减器 桥T型衰减器 桥式有源可变衰减器 X1setto100mAandX2setto0 01mA X1setto0 01mAandX2setto100mA 4 2 3集总参数衰减器设计实例例 设计一个5dB的T型同阻式 Z1 Z2 50 固定衰减器 1 步骤二 利用ADS仿真衰减器特性 图4 3T型同阻式固定衰减器电路图 仿真结果如图4 4所示 图4 4仿真结果 例 设计10dB 型同阻式 Z1 Z2 50 固定衰减器 型同阻式固定衰减器电路图 步骤二 利用ADS仿真衰减器特性 仿真结果如图所示 仿真结果 例 设计10dB 型异阻式 Z1 50 Z2 75 固定衰减器 型同阻式固定衰减器电路图 步骤二 利用ADS仿真衰减器特性 仿真结果 仿真结果如图所示 4 3分布参数衰减器 4 3 1同轴型衰减器 1 吸收式衰减器 吸收式衰减器的结构有三种形式 内外导体间电阻性介质填充 内导体串联电阻和带状线衰减器转换为同轴形式 将电阻材料以一定的形式与传输线结合 使电磁波的传播常数的实部增加 来实现对射频 微波信号的衰减 a 填充 b 串联 c 带状线 衰减量的大小与电阻材料的性质和体积有关 2 截止式衰减器 截止式衰减器又称 过极限衰减器 是用截止波导制成的 当工作波长远大于截止波长 c时 电磁波的幅度在波导中按指数规律衰减的特性来实现衰减的 图4 10截止式衰减器 4 3 2波导型衰减器 1 吸收式衰减器 波导中平行于电场方向放置有一定衰减量的吸收片组成 有损耗性薄膜或介质表面有 定电阻 沿表面的电磁波电场切向分量 将在薄膜或介质上引起传导电流 形成焦耳热损耗并以热能的形式散发掉 只要控制衰减器衰减量 信号经过衰减器后就被减弱到所需电平 吸收片用陶瓷片 硅酸盐玻璃 云母 纸 布 胶板等作基片 在上面涂覆或喷镀石墨粉或镍铬合金 基片尽可能薄 要有一定的强度 以保持平整和不变形 吸收片移到电场最大处 吸收的能量最多 衰减量最大 在贴近窄壁时衰减量小 刀形旋转片衰减器的衰减量与旋入波导内的面积成正比 刀片形状衰减器优点是起始衰减为零分贝 此时对波导内波的传输没有影响 输入驻波比接近1 刀片形状实现衰减量与机械转角或深度读数之间的线性关系 具有很高的精确度 缺点是少量电磁能量从波导中漏出 机械强度上略差 横向移动式和刀片式衰减器都是粗调式 精度都不高 需要校准曲线才有定量衰减 2 极化吸收式衰减器 极化吸收式衰减器是一种精密衰减器 其结构如图所示 由三段波导组成 极化吸收式衰减器原理图 两端是固定的矩形波导到圆柱波导的过渡段 中间是一段可以绕纵轴转动的圆柱波导 每段波导中部沿轴向放置厚度极薄的能完全吸收与其平行的切向电场的吸收片 圆柱波导旋转的角度 可以用精密传动系统测量并显示出来 角度的变化也就是极化面的变化 极化衰减器的衰减量为 4 10 4 3 3微带型衰减器 在微带线的表面镀膜一层电阻材料即可实现衰减 常用吸波橡胶材料消除高次模 谐杂波影响 控制组件泄露等 波导 同轴和微带匹配负载结构 4 3 4匹配负载 匹配负载是单口网络 是全吸收负载 频带足够宽 下图是波导 同轴和微带三种匹配负载结构的示意图 同轴和微带中 匹配负载的电阻通常是50 集总元件电阻可以用来实现窄带匹配负载 微波工程中 用51 贴片电阻实现微带匹配负载 PIN二极管结构示意图 4 4PIN二极管电调衰减器 4 4 1PIN二极管PIN二极管就是在重掺杂P N 之间夹了一段较长的本征半导体所形成的半导体器件 中间I层长度为几到几十微米 1 直流偏置 在零偏与反偏下 PIN管均不能导通 呈现大电阻 正偏时 P N 分别从两端向I区注入载流子 它们到达中间区域复合 PIN管一直呈现导通状态 偏压 流 越大 载流子数目越多 正向电阻越小 2 交流信号作用下的阻抗特性 频率较低时 正向导电 反向截止 具有整流特性 频率较高时 正半周来不及复合 负半周不能完全抽空 I区总有一定的载流子维持导通 小信号时I区的载流子少 大信号时I区的载流子多 3 PIN二极管的特性 1 直流反偏时 对微波信号呈现很高的阻抗 正偏时呈现很低的阻抗 可用小的直流 低频 功率控制微波信号的通断 用作开关 数字移相等 2 直流从零到正偏连续增加时 对微波信号呈现一个线性电阻 变化范围从几兆欧到几欧姆 用作可调衰减器 3 只有微波信号时 I区的信号积累与微波功率有关 微波功率越大 管子阻抗越大 用作微波限幅器 4 大功率低频整流器 I区的存在使得承受功率比普通整流管大的多 图4 15微带单管电调衰减器 4 4 2电调衰减器 利用PIN管正偏电阻随电流变化这一特点 调节偏流改变电阻 可以控制PIN开关插入衰减量 这就是电调衰减器 单管电调衰减器如图 在微带线中打孔并接一个PIN管 改变控制信号就可改变输出功率的大小 这种结构的衰减器输入电压驻波比大 图4 163dB定向耦合器型衰减器的原理和微带结构 2 3dB定向耦合器型衰减器微波功率从1口输入 分两路从2 3口反射后从4口叠加输出 若2 3口匹配 Rf 0 则4口无输出 若2 3口全反射 则4口输出最大 Z2 Z3 Rf Z0 同步调节两只管子偏流 可以改变4口输出功率 4 11 4 12 式中 a PIN二极管阵列 b 反偏或零偏 c 正偏 3 吸收阵列式电调衰减器 利用多个PIN管合理布置可制成频带宽 动态范围大 驻波比小 功率容量大的阵列式电调衰减器 如下图 PIN管等距排列 但偏流不同 4 4 3PIN管限幅器 小信号Rj很大 不衰减 信号增大时 Rj下降 衰减增加 当信号很强时 Rj很小 对信号的衰减也很大 可起自动限幅作用 当输入功率达到限幅功率时 输入功率再大 输出功率也不会增加 在微波接收机的前端都放置有PIN限幅器 以保护低噪放不被意外信号烧毁 图4 18双管限幅器及其特性 4 5步进式衰减器 1 固定衰减器 开关 手动步进衰减器就是扳动开关 控制不同的衰减量 电控开关大多数都是继电器形式 如调整HP的信号源输出功率可以听到继电器的动作声音 固定衰减器是电阻网络 开关也可用PIN二极管实现或使用FET单片集成开关 特点是速度快 寿命长 缺点是承受功率小 数字程控衰减器 需要把数字信号进行功率放大 以推动继电器或PIN管 2 PIN二极管步进衰减器 PIN二极管电调衰减器的控制电流的改变 能够连续地改变衰减量 将这一控制信号按照一定的规律离散化 实现衰减量的步进调整 近代电子仪器中大量使用这个方案实现步进衰减器 3 集成数字衰减器 同轴衰减器 固定衰减器