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1、第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 微波电路西电雷振亚老师的课件4章功率衰减器 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第第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 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4.2 集集总总参数衰减器参数衰减器4.3 分布参数衰减器分布参数衰减器4.4 PIN二极管电调衰减器二极管电调衰减器4.5 步进式衰减器步进式衰减
2、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 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。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 (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。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 图4-1功率衰减器第第4
3、 4章章 功率衰减器功率衰减器 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（4-1）第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 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。(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
4、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。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 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。
5、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。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 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
6、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。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 4.2 4.2 集集总总参数衰减器参数衰减器利用电阻构成的T型或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。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 图 4-2 功率衰减器(a)T型功率衰减器；(b)型功率衰减器第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 4
7、.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Z1Z2,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:第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 Rs1的传输矩阵 Rp的传输矩阵相乘得 （4-2）（4-3）（4-4）第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 转化为S矩阵为第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 对衰减器的要求是衰减量为20lg|s21
8、|(dB),端口匹配10lg|s11|=-。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。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 2.型同阻式（Z1=Z2=Z0）对于图4-2（b）所示型同阻式衰减器,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）第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 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）第第
9、4 4章章 功率衰减器功率衰减器 2.型异阻式（4-9）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 设计实例一：设计一个5dBT型同阻式（Z1=Z2=50）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:第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 步骤二:利用Microwave Office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4-3 T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4-4所示。图 4-4仿真结果第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 设计实例二：设计10dB型同阻式（
10、Z1=Z2=50）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:第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 步骤二:利用Microwave Office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。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 图4-5 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4-6所示。图 4-6仿真结果第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 设计实例三：设计10dB型异阻式（Z1=50,Z2=75）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:第第4 4章章 功率衰
11、减器功率衰减器 步骤二:利用Microwave Office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。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 图4-7 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 图4-8 仿真结果第第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 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。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器
12、图 4-9 三种同轴结构吸收式衰减器（a）填充;（b）串联;（c）带状线第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 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。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 图 4-10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 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
13、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。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 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,
14、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。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 图 4-11 吸收式衰减器结构示意图 (a)固定式；(b)可变式第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 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
15、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。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 图 4-12 极化吸收式衰减器原理图第第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
16、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=20 lg(cos)（4-10）第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 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
17、。图4-13是波导、同轴和微带三种匹配负载结构的示意图。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 图4-13 波导、同轴和微带匹配负载结构第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 同轴和微带中,匹配负载的电阻通常是50,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51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 4.4 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。第第4 4章章 功率衰减器功率
18、衰减器 图 4-14 PIN二极管结构示意第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 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。所以,高频大信号时电阻大,小信号时电阻小。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 3.PIN二极管的特性PIN二极管的特
19、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)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。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 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。1.单管电调衰减器如图4-15
20、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。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 图 4-15微带单管电调衰减器第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 2.3dB定向耦合器型衰减器这是一种匹配型衰减器,如图4-16所示。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(Rf0),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）第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 式中第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 图4-16 3
21、dB定向耦合器型衰减器的原理和微带结构第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 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,如图4-17所示。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（4-13）（4-14）（4-15）第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 图 4-17 阵列式电调衰减器(a)PIN二极管阵列；(b)反偏或零偏；(c)正偏第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器|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
22、较好的性能。4.4.3 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1m）,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。双管限幅器及其特性如图4-18所示。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 图 4-18双管限幅器及其特性第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 4.5 4.5 步进式衰减器步进式衰减器 1.固定衰减器开关
23、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。近年来也有采用这个方法实现的步进衰减器,只要满足使用就是好方案。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 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。随着微电子技术的发展,微波电子开关的用途将越来越广。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。开关的驱动电路是程控衰减器的一个重要组成部分,具体内容可参阅第11章。2.PIN二极管步进衰减器如前所述,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。