第十一讲功率衰减器

第十一讲功率衰减器第一页，共三十九页，2022年，8月28日主要内容功率衰减器的原理集总参数衰减器分布参数衰减器PIN二极管电调衰减器步进式衰减器第二页，共三十九页，2022年，8月28日功率衰减器基本原理从微波网络观点看，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。可对RF/MW信号产生一定的衰减。若信号输入端的功率为P1，而输出端的功率为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)即衰减量为：第三页，共三十九页，2022年，8月28日衰减器的主要用途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。去耦元件作为振荡器与负载之间的去耦合元件。相对标准作为比较功率电平的相对标准。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。第四页，共三十九页，2022年，8月28日衰减器的技术指标工作频带由于射频/微波结构与频率有关，不同频段的元器件，结构不同，也不能通用。衰减量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。功率容量材料结构确定后，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。回波损耗两端的输入输出驻波比应尽可能小，以避免对两端电路有影响，即两端电路都是匹配的第五页，共三十九页，2022年，8月28日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。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，关键就是散热设计第六页，共三十九页，2022年，8月28日衰减器的基本构成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。通常有两种实现方式：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。第七页，共三十九页，2022年，8月28日集总参数衰减器利用电阻构成的T型或П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。电阻网络兼有阻抗匹配或变换作用。根据电路两端使用的阻抗不同，可分为：同阻式异阻式Z1、Z2是电路输入端、输出端的特性阻抗T型和Π型功率衰减器第八页，共三十九页，2022年，8月28日集总参数衰减器的设计同阻式衰减器两端的阻抗相同，即Z1＝Z2，不需要考虑阻抗变换，直接应用网络级联的办法求出衰减量与各电阻值的关系。异阻式衰减器级联后要考虑阻抗变换，可通过增加阻抗变换即可利用同阻式衰减器的设计方法进行设计。第九页，共三十九页，2022年，8月28日T型同阻式设计（Z1=Z2=Z0）对于T型同阻式衰减器，取Rs1=Rs2。我们可以利用三个［A］参数矩阵相乘的办法求出衰减器的［A］参数矩阵，再换算成［S］矩阵，就能求出它的衰减量。串联电阻和并联电阻的［A］网络参数如右：Rsi的传输矩阵：Rp的传输矩阵：第十页，共三十九页，2022年，8月28日T型同阻式设计（Z1=Z2=Z0）[A]矩阵相乘得：转化为［S］矩阵为：第十一页，共三十九页，2022年，8月28日T型同阻式设计（Z1=Z2=Z0）对衰减器的要求是衰减量为A=20lg|s21|(dB)端口匹配10lg|s11|=-∞。第十二页，共三十九页，2022年，8月28日T型同阻式设计（Z1=Z2=Z0）求解联立方程组就可解得各个阻值。下面就是这种衰减器的设计公式：第十三页，共三十九页，2022年，8月28日П型同阻式设计（Z1=Z2=Z0）对于П型同阻式衰减器，取Rp1=Rp2，可以用上述T型同阻式衰减器的分析和设计方法。利用三个［A］参数矩阵相乘的办法求出衰减器的［A］参数矩阵，再换算成［S］矩阵，就能求出它的衰减量。第十四页，共三十九页，2022年，8月28日异阻式集总参数衰减器设计异阻式集总参数衰减器时，级联后要考虑阻抗变换。T型异阻式П型异阻式第十五页，共三十九页，2022年，8月28日集总参数衰减器设计实例1设计一个5dBT型同阻式（Z1=Z2=50Ω）固定衰减器。解：同阻式集总参数衰减器A=5dB，由设计公式计算元件参数：第十六页，共三十九页，2022年，8月28日集总参数衰减器设计实例1仿真结果分析：由上述计算结果画出电路图，在AnsoftDesigner或MicrowaveOffice上可得仿真结果.第十七页，共三十九页，2022年，8月28日集总参数衰减器设计实例2设计10dBП型同阻式（Z1=Z2=50Ω）固定衰减器。解：同阻式集总参数衰减器A=10dB，由设计公式计算元件参数：第十八页，共三十九页，2022年，8月28日集总参数衰减器设计实例2仿真结果分析：由上述计算结果画出电路图，在AnsoftDesigner或MicrowaveOffice上可得仿真结果.第十九页，共三十九页，2022年，8月28日集总参数衰减器设计实例3设计10dBП型异阻式（Z1=50Ω，Z2=75Ω）固定衰减器。解：异阻式集总参数衰减器A=10dB，由设计公式计算元件参数：第二十页，共三十九页，2022年，8月28日集总参数衰减器设计实例3仿真结果分析：由上述计算结果画出电路图，在AnsoftDesigner或MicrowaveOffice上可得仿真结果.第二十一页，共三十九页，2022年，8月28日分布参数衰减器同轴型衰减器在同轴系统中，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带状线衰减器转换为同轴形式（a）填充;（b）串联;（c）带状线第二十二页，共三十九页，2022年，8月28日分布参数衰减器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。它是根据当工作波长远大于截止波长λc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。第二十三页，共三十九页，2022年，8月28日波导型衰减器吸收式衰减器最简单的波导吸收式衰减器是在波导中平行于电场方向放置具有一定衰减量的吸收片组成的。根据能够改变吸收片的位置和面积，可分为固定式和可变式。因为有损耗性薄膜或介质表面有—定电阻，所以沿其表面的电磁波电场切向分量，将在其上引起传导电流，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。第二十四页，共三十九页，2022年，8月28日吸收式衰减器刀形旋转吸收片衰减器比横向移动吸收片衰减器显得优越，在结构、安装等方面也比较简便。这种形式的衰减器结构简单加工容易，适于成批生产。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。第二十五页，共三十九页，2022年，8月28日极化吸收式衰减器极化吸收式衰减器是一种精密衰减器，其结构由三段波导组成。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。在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，各段中吸收片的相对位置如图中所示。圆柱波导旋转的角度θ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。A=20lg(cosθ)第二十六页，共三十九页，2022年，8月28日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，也可用涂覆方法实现衰减。近代常用吸波橡胶材料，将其裁剪至合适尺寸，用胶粘到电路上。在微波有源电路的调整中，会用到吸波材料消除高次模、谐杂波影响，控制组件泄露等。第二十七页，共三十九页，2022年，8月28日匹配负载匹配负载是个单口网络，实现匹配的原理与衰减的原理相同。通常，衰减器是部分吸收能量，匹配负载是全吸收负载，而且频带足够宽。同轴和微带中，匹配负载的电阻通常是50Ω，可以用电阻表测量。因此，集总元件电阻可以用来实现窄带匹配负载。微波工程中，用50Ω贴片电阻实现微带匹配负载。波导、同轴和微带匹配负载结构第二十八页，共三十九页，2022年，8月28日PIN二极管电调衰减器PIN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。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。第二十九页，共三十九页，2022年，8月28日PIN二极管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。所以，高频大信号时电阻大，小信号时电阻小。第三十页，共三十九页，2022年，8月28日PIN二极管的特性直流反偏时，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。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。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。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。第三十一页，共三十九页，2022年，8月28日电调衰减器利用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。

第三十二页，共三十九页，2022年，8月28日3dB定向耦合器型衰减器3dB定向耦合器型衰减器是一种匹配型衰减器。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。第三十三页，共三十九页，2022年，8月28日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。PIN管等距排列，但偏流不同。单节衰减器的影像反射系数和衰减分别为：第三十四页，共三十九页，2022年，8月28日

阵列式电调衰减器(a)PIN二极管阵列；(b)反偏或零偏；(c)正偏吸收阵列式电调衰减器|YD|小（Rf大），反射小，衰减小，驻波比小|YD|大（Rf小），反射大，衰减大，驻波比大。所以，由左到右，Rf依次递减，可得到较好的性能。第三十五页，共三十九页，2022年，8月28日PIN管限幅器由于PIN工作区载流子数目在零偏时与微波信号幅度成正比，小信号时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很大，对信号的衰减也很大，可起自动限幅作用。限幅用的PIN管工层较薄（约1μm），对功率反应灵敏。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。第三十六页，共三十九页，2022年，8月28日双管限幅器及其特性PIN管限幅器第三十七页，共三十九页，2022年，8月28日步进式衰减器固定衰减器＋开关早期的步进衰减器大量使用这种方案。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，专门设计加工的射频继电器，性能相当稳定。如调整HP的信号源输出功率可以听到继电器的动作声音。固定衰减器是前面所学的电阻网络。