第4讲-功率衰减器

第4章

功率衰减器

4.1功率衰减器的原理4.2集总参数衰减器4.3分布参数衰减器4.4PIN二极管电调衰减器4.5步进式衰减器2023最新整理收集do

something4.1功率衰减器的原理 4.1.1衰减器的技术指标 衰减器的技术指标包括衰减器的工作频带、衰减量、功率容量、回波损耗等。

(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。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。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)衰减量。 无论形成功率衰减的机理和具体结构如何,总是可以用图4-1所示的两端口网络来描述衰减器。图

4-1功率衰减器

图4-1中,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

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。（4-1）

(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。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。

(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。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。

(如匹配式或反射式pin二极管电调衰减器)

4.1.2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。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。下面介绍各种衰减器的原理和设计方法。

4.1.3衰减器的主要用途 衰减器有以下基本用途：

(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。 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。

4.2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。两种电路拓扑如图4-2所示。图中Z1、Z2是电路输入端、输出端的特性阻抗。根据电路两端使用的阻抗不同,可分为同阻式和异阻式两种情况。图4-2功率衰减器(a)T型功率衰减器；(b)Π型功率衰减器 4.2.1同阻式集总参数衰减器 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。

1.T型同阻式（Z1=Z2=Z0） 对于图4-2（a）所示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］网络参数如下:

Rs1的传输矩阵

Rp的传输矩阵 相乘得

（4-2）

（4-3）

（4-4）

转化为［S］矩阵为

（4-5）

对衰减器的要求是衰减量为20lg|s21|(dB),端口匹配10lg|s11|=-∞。工作衰减

衰减器网络自身损耗引起的衰减网络的反射衰减

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。

（4-6） 2.П型同阻式（Z1=Z2=Z0） 对于图4-2（b）所示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,过程完全相同,即利用三个［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,所得结果由式（4-7）给出。（4-7）

4.2.2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。下面分别给出两种衰减器的计算公式。

1.T型异阻式（4-8）

2.П型异阻式（4-9） 4.2.3集总参数衰减器设计实例设计实例一： 设计一个5dBT型同阻式（Z1=Z2=50Ω）固定衰减器。 步骤一:同阻式集总参数衰减器A=-5dB,由公式(4-6)计算元件参数:

步骤二:利用MicrowaveOffice仿真衰减器特性。由上述计算结果画出电路图,如图进制4-3所示。

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

设计实例二： 设计10dBП型同阻式（Z1=Z2=50Ω）固定衰减器。 步骤一：同阻式集总参数衰减器A=-10dB,由公式(4-7)计算元件参数:

步骤二:利用MicrowaveOffice仿真衰减器特性。由上述计算结果画出电路图,如图4-5所示。

图4-5Π型同阻式固定衰减器电路图

仿真结果如图4-6所示。图4-6仿真结果

设计实例三： 设计10dBП型异阻式（Z1=50Ω,Z2=75Ω）固定衰减器。 步骤一:异阻式集总参数衰减器A=-10dB,由公式(4-9)计算元件参数:

步骤二:利用MicrowaveOffice仿真衰减器特性。由上述计算结果画出电路图,如图4-7所示,仿真结果如图4-8所示。图4-7Π型同阻式固定衰减器电路图图4-8仿真结果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 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、内导体串联电阻和带状线衰减器转换为同轴形式,如图4-9所示。衰减量的大小与电阻材料的性质和体积有关。

图4-9三种同轴结构吸收式衰减器（a）填充;（b）串联;（c）带状线 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。其结构如图4-10所示。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。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 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。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。

图4-11给出了最简单的吸收式衰减器:固定式和可变式。前者吸收片的位置和面积固定不变,后者可以通过传动机构来改变衰减片的位置或面积,实现衰减量的改变。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。吸收片沿横向移动的衰减器,在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。片的位移可由外附的机械微测装置读出,它与衰减量的关系不是线性的,有时甚至不是单调变化的,这与片在不同位置时对横向场型分布影响的程度来决定。在实际使用这种衰减器前应用实验方法借助于精密的衰减标准作出定标校正曲线。图4-11吸收式衰减器结构示意图(a)固定式；(b)可变式

刀形旋转片衰减器的衰减量与旋入波导内的面积成正比。这种衰减器的优点是,起始衰减为零分贝,此时对波导内波的传输没有影响。在刀片旋入时,由于不附加任何支撑物于波导内,因此,输入驻波比很接近于1。设计合适的刀片形状可以实现衰减量与机械转角或深度读数之间接近线性关系,保持在全部衰减量可变范围内有足够高的精确度。这种定衰减器的缺点是少量电磁能量从波导中漏出,机械强度上略差。从多方面比较,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。图4-12极化吸收式衰减器原理图 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4-12所示,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。 极化衰减器的衰减量为

A=20lg(cosθ)（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,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。

4.3.4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。图4-13是波导、同轴和微带三种匹配负载结构的示意图。图4-13波导、同轴和微带匹配负载结构

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51Ω贴片电阻实现微带匹配负载。4.4PIN二极管电调衰减器

4.4.1PIN二极管

如图4-14所示,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。

图4-14PIN二极管结构示意

1.直流偏置(零偏压)

PIN管的杂质分布如图4-15(a)所示，它实质上是个双结二极管，由于π层含有少量P型杂质，所以πN+结是一个PN结。零偏压时，扩散作用使N+层的电子向π层扩散，π层空穴向N+层扩散，在πN+结两边形成一个空间电荷层。因为N+层电子浓度远高于π层空穴浓度，故N+层的空间电荷层极薄，而π层得空间电荷层比N+层厚得多，整个πN+结宽度基本上等于π层空间电荷层(即耗尽层)的宽度。在P+π交界面，由于杂质浓度的差异，也会产生一些载流子的扩散运动，但比πN+结小得多，可以忽略不计。这样，PIN管在零偏压时空间电荷分布如图4-15(c)所示，由图可见，整个π层有两部分：一部分为空间电荷层，即耗尽层，其中载流子已耗尽，电阻率很高；另一部分为π层，其中只有少量的载流子。所以零偏压时，PIN管呈高阻抗。图4-15PIN二极管杂质和空间电荷分布图(a)杂质分布(b)零偏压时空间电荷分布(a)(b) 1.直流偏置(反向偏压)

在加反向偏压时，外加电压产生的电场与内建电场方向一致，使总电场增强，πN+结的空间电荷层变宽，且主要向π层展宽。随外加反向电压的增大，π层空间电荷层不断展宽；当反向偏压加大到某一定值时，整个π层变为空间电荷层，呈穿通状态，我们称这时的偏压值为“穿通电压”。因为穿通状态时整个π层变为耗尽层，全部载流子被消除，所以“穿通电压”也称为“耗尽电压”或“扫清电压”。当反向偏压大于扫清电压时，PIN管的空间电荷分布如图4-16所示，由图知，PIN管在反向偏压时的阻抗值比零偏时的阻抗大。图4-16PIN二极管杂质和空间电荷分布图(a)杂质分布(b)反向偏压时空间电荷分布 1.直流偏置（正向偏压）加正向偏压时，P+

层的空穴和N+层的电子在外加电场作用下向π层注入，两者在π层中逐渐复合，但由于电源的存在，载流子源源不断得到补充，注入载流子数目和复合载流子数目相等时，达到平衡，所以，PIN管正向偏压时，呈低阻抗。外加正偏压愈大，通过PIN管电流愈大，π层电阻就越低。因此，改变PIN管正向偏压，可以改变其电阻值，使PIN管变成一个可变电阻器。PIN管正向导电的实质：一是I层中存在大量符号相反数量相等的载流子，使I层呈“等离状态”；而是电源将载流子源源不断地由两边向I层注入，然后再I层中复合消失，恰似电流川流不息地通过PIN管。由上述直流状态下的PIN管的工作原理可见，PIN管在直流状态下，像PN结二极管一样具有不同的正反向特性，且由于PN层间加了I层，在反向偏压时，可承受较之PN结更大的击穿电压，因此可承受加大功率。

2.交流信号作用下的阻抗特性

PIN管对交流信号所呈现的特性与信号频率和幅度有关。在低频段，由于交流信号的周期很大，载流子进出I层的渡越时间与之相比可以忽略。这时，交流信号的正半周的PIN管特性与加直流偏压时相同，呈现低阻抗特性；负半周的特性与加反向直流偏压时相同，呈现高阻抗特性。所以PIN管在低频段与普通PN结二极管相似，具有单向导电性，可做整流元件。进入高频，载流子进出I层的渡越时间与交流信号周期相比不可忽略时，PIN管的整流作用就逐渐减弱。例如：当信号从负半周变为正半周时，正负载流子从I层两侧注入，但扩散需要一定时间，在载流子尚未扩散到I层中间时，外加信号已由正变负，因此在正半周I层尚未真正导通；而当信号由正半周变为负半周时，载流子向I层注入立即停止，I层中正负载流子由于复合作用而减少。但由于载流子寿命比交流信号半周期长时，留在I层中的正负载流子还未全部复合，外加信号就又转到正半周去了，所以在负半周内I层中始终存在一定数量的正负载流子，二极管并未达到截止。因此，在高频时，特别是微波频段，PIN管不能作为整流检波元件使用，即它对微波频率的正半周和负半周的响应已经没有显著区别，可以近似作为线性元件来使用。

3.交直流电压作用下的工作原理

PIN管通常工作在直流和微波信号同时作用状态下。正向偏置时，设正向偏置电流I0，I层中存储电荷为Q0。电荷Q0的数值可这样近似求得：设载流子寿命为τ，Q0以匀速的速度复合，在时间τ内变为零，则复合电流，即Q0的变化率为Q0/τ。为了维持Q0不变，则外加偏置电流I0应和Q0/τ相等，即Q0=I0τ，此式即为I层中存储电荷量和正向偏置电流的关系式，即存储电荷与偏置电流成正比。

若再考虑加入微波信号的情况，如图4-17所示。设微波信号电流i1=I1sinωt，则PIN管上的总瞬时电流为i=I0+I1sinωt。当微波信号小于偏置电流时，无论微波信号处于正半周还是负半周，i始终大于零。因此，小信号工作时，正向偏置的PIN管呈低阻导通状态。大信号工作时，若I1>>I0

，此时从图4-17表面上看，似乎在微波信号的负半周内管子将无电流通过，处于截止状态，其实不然，因为在I0作用下，I层中已存储电荷Q0，只要微波频率足够高，即负半周时间足够短，I层中仍储存有足够的电荷维持管子的导通状态。例如，设f=2GHz(T=0.5ns)，若τ=5μs,I0=0.1A,I1=50A，则因T<<τ,虽然I1>>I0

仍有Q0=I0τ=5e-7A.s，Q1=T/2*I1=1.25e-8A.s，可见Q0/Q1=40,仍满足Q0>>Q1。负半周I层电荷减少量Q1只是正向偏流所对应的I层电荷存储量Q0的很小一部分，因而不影响导通状态。图4-17微波信号与直流偏置共同作用下的PIN二极管

很小的正向偏置电流，可是PIN管在很大幅度的微波电流作用下保持正向低阻的导通状态

若在PIN管反偏时再叠加上微波信号，即使交流幅度很大，致使管子处于正向电压作用下，仍如图4-17所示。但由于如此短暂时间内正向注入载流子很少，而且在I层渡越但尚未来得及构成符合电流时，就因交流电压反向而返回并被“吸出”。因此PIN管I层形成不了大量载流子的积累，而始终维持在由反偏电压所决定的高阻抗状态。

图4-17微波信号与直流偏置共同作用下的PIN二极管

结论：在微波信号与直流偏置同时作用时，PIN管所呈现的阻抗大小决定于直流偏置电压的极性与数值，而与微波信号幅值无关。这就是PIN管可以用很小的直流功率来控制很大的微波功率的基本原理。 4.PIN二极管等效电路

PIN管管芯分为台式（大功率）和平面（小功率）结构。为保证管芯不致环境影响而性能变坏，以及管芯需要机械保护，一般都采用管壳封装。对于大多数控制电路，PIN管均工作在正反两种偏置状态下，对应低阻和高阻状态，所以它的等效电路也分为正向偏置等效电路和反向偏置等效电路。

正向偏置时PIN管等效电路如图4-18所示。Rj为I层正向偏置时的电阻；Rs是P+和N+层的体电阻，其值一般在1Ω左右；Cj为扩散电容，一般为几个pF，即使在微波频段其容抗也远大于Rj，故可将其忽略，把Rj和Rf归并为一个正向电阻Rf。须指出，PIN管简化等效电路的频率范围与偏置电流有关，因为偏流小时，Rj大，满足1/ωCj>>Rj条件的工作频率ω就较低；反之，偏流大时，Rj小，满足1/ωCj>>Rj条件的工作频率ω就比较高4.PIN二极管等效电路（正向偏置）图4-18PIN管正向偏置时的等效电路4.PIN二极管等效电路（反向偏置）图4-19PIN管反向偏置时的等效电路4.PIN二极管等效电路（引入封装）图4-20PIN管反向偏置时的等效电路Cp为管壳电容(零点几pF量级)Ls为引线电感(1nH量级)正向偏置情况反向偏置情况5.PIN二极管的特性小结

PIN二极管的特性如下：

(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)零偏只有微波信号时,I区的信号积累与微波功率有关,微波功率越大,管子阻抗越小，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。 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。

1.单管电调衰减器

如图4-21所示,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4-21微带单管电调衰减器2.3dB定向耦合器型衰减器图4-223dB定向耦合器型衰减器 3dB定向耦合器型衰减器如图4-22所示。若PIN管特性完全相同，则2、3端口具有相同的反射系数

4端口输出功率为衰减器的衰减量为该衰减器优势在于只要定向耦合器设计的好，PIN管特性一致，便能在一定带宽内保持较低的输入驻波比。

若两管特性不一致，设PIN管的正向电阻分别为Rf2和Rf3，2、3端口的反射系数为则2、3端的反射电压大小不等，它们经过定向耦合器传送到输入端的电压为

于是输入端反射系数为可见衰减器输入端反射系数与ΔRj成正比，因此为减小输入驻波比，应尽可能挑选特性相同的PIN管图4-23微带3dB定向耦合器型衰减器 3.吸收阵列式