第4章功率衰减器

1、第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 4.1 功率衰减器的原理功率衰减器的原理4.1.1 4.1.1 衰减器的技术指标衰减器的技术指标 工作频带工作频带 衰减量衰减量 功率容量功率容量 回波损耗回波损耗 衰减精度衰减精度 输入输出阻抗输入输出阻抗第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 )()(lg10)(12mWPmWPdBA（4-1） 衰减量描述功率通过衰减器后功率的变小程度。衰减量描述功率通过衰减器后功率的变小程度。衰减量的大衰减量的大小由构成衰减器的材料和结构确定小由构成衰减器的材料和结构确定。衰减量用分贝作单位。

2、衰减量用分贝作单位。 (1)工作频带。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器的工作频带是指在给定频率范围内使用衰减器,衰减量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。宽。 (2) (2) 衰减量。衰减量。)()()(12dBAdBmpdBmp第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 (3) (3) 功率容量。功率容量。 衰减器是一种能量消耗元件衰减器是一种能量消耗元件, ,功率消耗后变成热量。当功率消耗后变成热量。当 材料结构确定后材料结构确定后, ,衰减器的功率容量就确定了。如果让衰减器衰减器的

3、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承受的功率超过这个极限值, ,衰减器就会被烧毁。衰减器就会被烧毁。 (4) (4) 回波损耗。回波损耗。回波损耗就是衰减器的驻波比回波损耗就是衰减器的驻波比, ,要求衰减器两端的输入输要求衰减器两端的输入输出驻波比应尽可能小。出驻波比应尽可能小。 衰减器是一个功率消耗元件衰减器是一个功率消耗元件, ,不能对两端电路有影响不能对两端电路有影响, , 与与两端电路都是匹配的。两端电路都是匹配的。 第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 4.1.2 4.1.2 衰减器的基本构成衰减器的基本构成电阻电阻是衰减器的一种基本形式是衰减器的一种基本形式,

4、,由此形成的电阻衰减网络由此形成的电阻衰减网络就是就是集总参数衰减器集总参数衰减器。 电阻材料电阻材料被放置到不同波段的射频被放置到不同波段的射频/ /微波电路结构中就形微波电路结构中就形成了相应频率的衰减器。成了相应频率的衰减器。 衰减器设计的衰减器设计的关键关键就是散热设计。就是散热设计。 快速调整衰减器快速调整衰减器有两种实现方式：有两种实现方式： 半导体小功率快调衰减器半导体小功率快调衰减器, ,如如PINPIN管或管或FETFET单片集成单片集成衰减器；衰减器； 开关控制的电阻衰减网络开关控制的电阻衰减网络, ,开关可以是电子开关开关可以是电子开关, , 也可以是射频继电器。也可以是

5、射频继电器。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 4.1.3 4.1.3 衰减器的主要用途衰减器的主要用途(1)(1)控制功率电平控制功率电平: : 在微波超外差接收机中对本振输出在微波超外差接收机中对本振输出功率进行控制功率进行控制, ,获得最佳噪声系数和变频损耗获得最佳噪声系数和变频损耗, ,达到最佳接达到最佳接收效果。在微波接收机中收效果。在微波接收机中, ,实现自动增益控制实现自动增益控制, ,改善动态范改善动态范围。围。(2) (2) 去耦元件去耦元件: : 作为振荡器与负载之间的去耦合元件。作为振荡器与负载之间的去耦合元件。(3) (3) 相对标准相对标准: : 作为比较功率电平的

6、相对标准。作为比较功率电平的相对标准。(4) (4) 用于雷达抗干扰中的跳变衰减器用于雷达抗干扰中的跳变衰减器: : 是一种衰减量能是一种衰减量能突变的可变衰减器突变的可变衰减器, ,平时不引入衰减平时不引入衰减, ,遇到外界干扰时遇到外界干扰时, ,突然突然加大衰减。加大衰减。 第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 4.2 4.2 集总参数衰减器集总参数衰减器 无源衰减器是无源衰减器是利用利用电阻电阻构成的构成的T型型,型型,桥桥T型型网络实现集总参网络实现集总参数衰减器。数衰减器。 通常情况下通常情况下,衰减量是固定的衰减量是固定的,由三个电阻值决定由三个电阻值决定(T型，型，型型)。 电

7、阻网络兼有阻抗匹配或变换作用。电阻网络兼有阻抗匹配或变换作用。图图 4-2 4-2 功率衰减器功率衰减器(a)(a) T T型功率衰减器；型功率衰减器； (b)(b) 型功率衰减器型功率衰减器Rs1Rs2RpZ1Z2RsRp1Z1Z2Rp2(a)(b)33第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 T型衰减器的计算公式：型衰减器的计算公式：31L：衰减量：衰减量第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 型衰减器的计算公式：型衰减器的计算公式：3L：衰减量：衰减量第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 桥式衰减器桥式衰减器(桥桥T型衰减器型衰减器)为电路的特性阻抗020042001110) 110(ZZRZ

8、RLL第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 桥式有源可变衰减器桥式有源可变衰减器第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 1. 21. 41. 61. 81. 02. 0-9-8-7-6-5-10-4f req, G H zdB(S(2, 1)1. 502G-6. 463 m 1m 1f req=dB(S(2, 1)=-6. 4741. 500G H zX1 set to 100mA and X2 set to 0.01mA X1 set to 0.01mA and X2 set to 100mA 1. 21. 41. 61. 81. 02. 0-3. 0-2

9、. 5-2. 0-1. 5-1. 0-3. 5-0. 5f req, G H zdB(S(2, 1)1. 502G-6. 463 m 1m 1f req=dB(S(2, 1)=-1. 7751. 500G H z第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 4.2.3 集总参数衰减器设计实例集总参数衰减器设计实例 例：例：设计一个设计一个5dB5dB的的T T型同阻式（型同阻式（Z Z1 1=Z=Z2 2=50=50）固定衰减器。）固定衰减器。1第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 步骤二步骤二: : 利用利用ADSADS仿真衰减器特性。仿真衰减器特性。图图4-3 T4-3 T型同阻式固定衰减器电路图

10、型同阻式固定衰减器电路图第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 仿真结果如图仿真结果如图4-4所示。所示。 图图 4-44-4仿真结果仿真结果第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 例：例：设计设计10dB10dB型同阻式（型同阻式（Z Z1 1=Z=Z2 2=50=50）固定衰减器。）固定衰减器。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 型同阻式固定衰减器电路图型同阻式固定衰减器电路图 步骤二步骤二: 利用利用ADS仿真衰减器特性。仿真衰减器特性。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 仿真结果如图所示：仿真结果如图所示：仿真结果仿真结果第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 例：例：设计设计10dB1

11、0dB型异阻式（型异阻式（Z Z1 1=50,Z=50,Z2 2=75=75）固定衰减器。）固定衰减器。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 型同阻式固定衰减器电路图型同阻式固定衰减器电路图 步骤二步骤二: 利用利用ADS仿真衰减器特性。仿真衰减器特性。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 仿真结果仿真结果仿真结果如图所示。仿真结果如图所示。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 4.3 4.3 分布参数衰减器分布参数衰减器4.3.1 4.3.1 同轴型衰减器同轴型衰减器1. 1. 吸收式衰减器吸收式衰减器吸收式衰减器的结构有三种形式：吸收式衰减器的结构有三种形式： 内外导体间电阻性介内外导体间

12、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。质填充、内导体串联电阻和带状线衰减器转换为同轴形式。将将电阻材料以一定的形式与传输线结合电阻材料以一定的形式与传输线结合，使电磁波的传播常，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。数的实部增加，来实现对射频微波信号的衰减。(a)(b)(c) （a a）填充）填充 （b b）串联）串联 （c c）带状线）带状线衰减量的大小与电阻材料的衰减量的大小与电阻材料的性质性质和和体积体积有关有关。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 2. 2. 截止式衰减器截止式衰减器截止式衰减器又称截止式衰减器又称“过极限衰减器过极限衰减器”

13、, ,是用截止波导制是用截止波导制成的。当工作波长远大于截止波长成的。当工作波长远大于截止波长c c时时, ,电磁波的幅度在波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。导中按指数规律衰减的特性来实现衰减的。圆 形 截 止 波 导l输 入 同 轴 线输 出 同 轴 线圆 形 截 止 波 导图图 4-104-10截止式衰减器截止式衰减器第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 4.3.2 4.3.2 波导型衰减器波导型衰减器1. 1. 吸收式衰减器吸收式衰减器 波导中波导中平行于电场方向放置有一定衰减量的吸收片平行于电场方向放置有一定衰减量的吸收片组成。组成。 有损耗性薄膜或介质表面有有损

14、耗性薄膜或介质表面有定电阻定电阻, , 沿表面的电磁波电沿表面的电磁波电场切向分量场切向分量, ,将在薄膜或介质上引起传导电流将在薄膜或介质上引起传导电流, ,形成焦耳热损耗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, ,信号经过衰信号经过衰减器后就被减弱到所需电平。减器后就被减弱到所需电平。单 片吸 收 薄 片移 动吸 收 薄 片 (刀 形 )轴转 动双 片(a )(b ) (a) (a) 固定式固定式 (b) (b) 可变式可变式第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 吸收片用陶瓷片、硅酸盐玻璃、云母、纸吸收片用陶瓷片、硅酸盐玻璃、云母

15、、纸( (布布) )胶板等作基片胶板等作基片, ,在上面涂覆或喷镀石墨粉或镍铬合金。在上面涂覆或喷镀石墨粉或镍铬合金。 基片尽可能薄基片尽可能薄, ,要有一定的强度要有一定的强度, ,以保持平整和不变形。以保持平整和不变形。 吸收片移到电场最大处吸收片移到电场最大处, ,吸收的能量最多吸收的能量最多, ,衰减量最大衰减量最大, ,在贴在贴近窄壁时衰减量小。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的

16、传输没有影响, ,输入驻波比接近输入驻波比接近1 1，刀片形状实现衰减量与机械，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。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。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横向移动式和刀片式衰减器都是粗调式，精度都不高精度都不高,需需要校准曲线才有定量衰减。要校准曲线才有定量衰减。 第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 2. 极化吸收式衰减器极化吸收式衰减器 极化吸收式衰减器极化吸收式衰减器是一种精密衰减器，其是一种精密衰减器，其结构如

17、图所示，由三段结构如图所示，由三段波导组成。波导组成。极化吸收式衰减器原理图极化吸收式衰减器原理图12输入段旋转段输出段E入E入E出吸收片1E|cos吸收片2旋转段输出段吸收片3E|cos 两端是固定的矩两端是固定的矩形波导到圆柱波导的形波导到圆柱波导的过渡段过渡段, ,中间是一段中间是一段可以绕纵轴转动的可以绕纵轴转动的圆柱波导。圆柱波导。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 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。的切向电场的吸收片。圆柱波导旋转的角度圆柱波导旋转的角度可以用精密传动系统测量并显示出可以用精密传

18、动系统测量并显示出来来, ,角度的变化也就是极化面的变化。角度的变化也就是极化面的变化。极化衰减器的衰减量为极化衰减器的衰减量为 （4-104-10）)lg(cos20A4.3.3 微带型衰减器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。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。露等。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 波导、同轴和微带匹配负载结构波导、同轴和微带匹配负载结构(a)(b)(c)4.3.4 匹配负载匹配负载匹配负载是单口网络，是全吸收负载，频带足够宽。下图匹

19、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。是波导、同轴和微带三种匹配负载结构的示意图。同轴和微带中同轴和微带中, ,匹配负载的电阻通常是匹配负载的电阻通常是5050，集总元件电，集总元件电阻可以用来实现窄带匹配负载。阻可以用来实现窄带匹配负载。 微波工程中微波工程中, ,用用5151贴片电阻实现微带匹配负载。贴片电阻实现微带匹配负载。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 PINPIN二极管结构示意图二极管结构示意图PIN4.4 PIN二极管电调衰减器二极管电调衰减器 4.4.1 PIN二极管二极管 PIN二极管就是在重掺杂二极管就是在重掺杂P+

20、、 N+之间夹了一段较长的本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。层长度为几到几十微米。1. 1. 直流偏置直流偏置在零偏与反偏下在零偏与反偏下,PIN,PIN管均不能导通管均不能导通, ,呈现大电阻。呈现大电阻。正偏时正偏时,P+,P+、N+N+分别从两端向分别从两端向I I区注入载流子区注入载流子, ,它们到达中间区它们到达中间区域复合。域复合。PINPIN管一直呈现导通状态管一直呈现导通状态, ,偏压偏压( (流流) )越大越大, ,载流子数目越载流子数目越多多, ,正向电阻越小。正向电阻越小。第第4 4章章 功率衰减

21、器功率衰减器 2. 2. 交流信号作用下的阻抗特性交流信号作用下的阻抗特性频率较低时频率较低时, ,正向导电正向导电, ,反向截止反向截止, , 具有整流特性。具有整流特性。频率较高时频率较高时, ,正半周来不及复合正半周来不及复合, ,负半周不能完全抽空负半周不能完全抽空,I,I区区总有一定的载流子维持导通。总有一定的载流子维持导通。小信号时小信号时I I区的载流子少区的载流子少, ,大信号时大信号时I I区的载流子多。区的载流子多。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 3. PIN3. PIN二极管的特性二极管的特性(1) (1) 直流反偏时直流反偏时, ,对微波信号呈现很高的阻抗；对微波

22、信号呈现很高的阻抗； 正偏时呈现很低的阻抗。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可用小的直流（低频）功率控制微波信号的通断, ,用作用作开关、数字移相等。开关、数字移相等。(2) (2) 直流从零到正偏连续增加时，对微波信号呈现一个线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。性电阻，变化范围从几兆欧到几欧姆，用作可调衰减器。(3) (3) 只有微波信号时，只有微波信号时，I I区的信号积累与微波功率有关区的信号积累与微波功率有关, ,微微波功率越大，管子阻抗越大，用作微波限幅器。波功率越大，管子阻抗越大，用作微

23、波限幅器。(4) 大功率低频整流器大功率低频整流器，I I区的存在使得承受功率比普通整区的存在使得承受功率比普通整流管大的多。流管大的多。 第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 图图4-15 4-15 微带单管电调衰减器微带单管电调衰减器输出控制信号输入PIN 管4.4.2 电调衰减器电调衰减器 利用利用PIN管正偏电阻随电流变化这一特点，调节偏流改管正偏电阻随电流变化这一特点，调节偏流改变电阻，可以控制变电阻，可以控制PIN开关插入衰减量，这就是电调衰减器。开关插入衰减量，这就是电调衰减器。单管电调衰减器单管电调衰减器 如图如图, 在微带线中打在微带线中打孔并孔并接一个接一个PIN管，改变控

24、制管，改变控制信号就可改变输出功率的信号就可改变输出功率的大小。这种结构的衰减器大小。这种结构的衰减器输入电压驻波比大。输入电压驻波比大。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 图图4-16 3dB4-16 3dB定向耦合器型衰减器的原理和微带结构定向耦合器型衰减器的原理和微带结构2. 3 dB定向耦合器型衰减器定向耦合器型衰减器 微波功率从微波功率从1口输入，分两路从口输入，分两路从2、3口反射后从口反射后从4口叠加口叠加输出。若输出。若2、3口匹配口匹配(Rf0)，则，则4口无输出。若口无输出。若2、3口全反射口全反射,则则4口输出最大，口输出最大，Z2=Z3=Rf+Z0。同步调节两只管子偏

25、流，可。同步调节两只管子偏流，可以改变以改变4口输出功率。口输出功率。 3分贝定向耦合器偏置输出输入PINPINPoutPin1423Z0Z0RfRf第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 000002ZRRZZRZZRffff（4-11） ffrrL2lg201lg20（4-12） 0ZRrff式中 第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 (a) PIN(a) PIN二极管阵列；二极管阵列； (b) (b) 反偏或零偏；反偏或零偏； (c) (c) 正偏正偏VD1VD2VD3VDn(a)C1C2C3Cn(b)R01R02R03R0n(c)3. 吸收阵列式电调衰减器吸收阵列式电调衰减器 利用多个利用多个PIN管合理布置可制成频带宽、动态范围大、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。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。管等距排列，但偏流不同。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 4.4.3 PIN管限幅器管限幅器 小信号小信号Rj很大，不衰减；信号增大时，很大，不衰减；信号增大时，Rj下降，衰减增加；下降，衰减增加； 当信号很强时，当信号很强时，Rj很小，对信号的衰减也很大，可起自动限很小，对信号的衰减也很大，可起自动限幅作用。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