第4章 功率衰減器

1、第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 4.1 功率衰減器的原理功率衰減器的原理4.2 集總參數(shù)衰減器集總參數(shù)衰減器4.3 分布參數(shù)衰減器分布參數(shù)衰減器4.4 PIN二極管電調(diào)衰減器二極管電調(diào)衰減器4.5 步進(jìn)式衰減器步進(jìn)式衰減器第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 4.1 功率衰減器的原理功率衰減器的原理4.1.1 衰減器的技術(shù)指標(biāo)衰減器的技術(shù)指標(biāo)包括衰減器的工作頻帶、 衰減量、 功率容量、 回波損耗等。(1) 工作頻帶。衰減器的工作頻帶是指在給定頻率范圍內(nèi)使用衰減器,衰減量才能達(dá)到指標(biāo)值。由于射頻/微波結(jié)構(gòu)與頻率有關(guān),不同頻段的元器件,結(jié)構(gòu)不同,也不能通

2、用?，F(xiàn)代同軸結(jié)構(gòu)的衰減器使用的工作頻帶相當(dāng)寬,設(shè)計(jì)或使用中要加以注意。 第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 (2) 衰減量。無(wú)論形成功率衰減的機(jī)理和具體結(jié)構(gòu)如何,總是可以用圖4-1 所示的兩端口網(wǎng)絡(luò)來(lái)描述衰減器。第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 圖 4-1 功率衰減器 功率衰減器A(dB)P1P212第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 圖 4-1 中,信號(hào)輸入端的功率為P1,而輸出端的功率為P2,衰減器的功率衰減量為A（dB）。若P1、P2以分貝毫瓦（dBm）表示,則兩端功率間的關(guān)系為P2(dBm)=P1(dBm)-A (dB)即)()(lg10)(12mWPmWPdBA（4-1） 第

3、第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 可以看出,衰減量描述功率通過(guò)衰減器后功率的變小程度。衰減量的大小由構(gòu)成衰減器的材料和結(jié)構(gòu)確定。衰減量用分貝作單位,便于整機(jī)指標(biāo)計(jì)算。(3) 功率容量。 衰減器是一種能量消耗元件,功率消耗后變成熱量?？梢韵胂?材料結(jié)構(gòu)確定后,衰減器的功率容量就確定了。如果讓衰減器承受的功率超過(guò)這個(gè)極限值,衰減器就會(huì)被燒毀。 設(shè)計(jì)和使用時(shí),必須明確功率容量。(4) 回波損耗。回波損耗就是衰減器的駐波比,要求衰減器兩端的輸入輸出駐波比應(yīng)盡可能小。我們希望的衰減器是一個(gè)功率消耗元件,不能對(duì)兩端電路有影響,也就是說(shuō),與兩端電路都是匹配的。設(shè)計(jì)衰減器時(shí)要考慮這一因素。 第第4 4章章

4、功率衰減器功率衰減器 4.1.2 衰減器的基本構(gòu)成構(gòu)成射頻/微波功率衰減器的基本材料是電阻性材料。通常的電阻是衰減器的一種基本形式,由此形成的電阻衰減網(wǎng)絡(luò)就是集總參數(shù)衰減器。通過(guò)一定的工藝把電阻材料放置到不同波段的射頻/微波電路結(jié)構(gòu)中就形成了相應(yīng)頻率的衰減器。如果是大功率衰減器,體積肯定要加大,關(guān)鍵就是散熱設(shè)計(jì)。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展,在許多場(chǎng)合要用到快速調(diào)整衰減器。這種衰減器通常有兩種實(shí)現(xiàn)方式,一是半導(dǎo)體小功率快調(diào)衰減器,如PIN管或FET單片集成衰減器； 二是開關(guān)控制的電阻衰減網(wǎng)絡(luò),開關(guān)可以是電子開關(guān), 也可以是射頻繼電器。下面介紹各種衰減器的原理和設(shè)計(jì)方法。第第4 4章章 功率衰減器功率

5、衰減器 4.1.3 衰減器的主要用途衰減器有以下基本用途： (1)控制功率電平: 在微波超外差接收機(jī)中對(duì)本振輸出功率進(jìn)行控制,獲得最佳噪聲系數(shù)和變頻損耗,達(dá)到最佳接收效果。在微波接收機(jī)中,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制,改善動(dòng)態(tài)范圍。(2) 去耦元件: 作為振蕩器與負(fù)載之間的去耦合元件。(3) 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn): 作為比較功率電平的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)。(4) 用于雷達(dá)抗干擾中的跳變衰減器: 是一種衰減量能突變的可變衰減器,平時(shí)不引入衰減,遇到外界干擾時(shí),突然加大衰減。 從微波網(wǎng)絡(luò)觀點(diǎn)看,衰減器是一個(gè)二端口有耗微波網(wǎng)絡(luò)。它屬于通過(guò)型微波元件。 第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 4.2 4.2 集總參數(shù)衰減器集總參數(shù)衰減器利

6、用電阻構(gòu)成的T型或型網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)集總參數(shù)衰減器,通常情況下,衰減量是固定的,由三個(gè)電阻值決定。電阻網(wǎng)絡(luò)兼有阻抗匹配或變換作用。兩種電路拓?fù)淙鐖D4-2所示。圖中Z1、 Z2是電路輸入端、 輸出端的特性阻抗。根據(jù)電路兩端使用的阻抗不同,可分為同阻式和異阻式兩種情況。 第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 圖 4-2 功率衰減器(a) T型功率衰減器； (b) 型功率衰減器Rs1Rs2RpZ1Z2RsRp1Z1Z2Rp2(a)(b)第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 4.2.1 同阻式集總參數(shù)衰減器同阻式衰減器兩端的阻抗相同,即Z1Z2,不需要考慮阻抗變換,直接應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)的辦法求出衰減量與各電阻值的

7、關(guān)系。1. T型同阻式（Z1=Z2=Z0）對(duì)于圖4-2（a）所示T型同阻式衰減器,取Rs1=Rs2。我們可以利用三個(gè)A參數(shù)矩陣相乘的辦法求出衰減器的A參數(shù)矩陣,再換算成S矩陣,就能求出它的衰減量。串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻的A網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如下:第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 Rs1的傳輸矩陣 Rp的傳輸矩陣相乘得 1011sRa 1/101pRa（4-2） （4-3） 2221121111111/1/1/2/11011/101101aaaaRRRRRRRRRRRapspspssps （4-4） 第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 轉(zhuǎn)化為S矩陣為222112112112121112222112112

8、1222112112221121122222112112221121111)(22aaaaaaaasaaaasaaaaaaaasaaaaaaaas第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 對(duì)衰減器的要求是衰減量為20lg|s21|(dB),端口匹配10lg|s11|=-。求解聯(lián)立方程組就可解得各個(gè)阻值。下面就是這種衰減器的設(shè)計(jì)公式。111210021010ZRRZRsspA第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 2. 型同阻式（Z1=Z2=Z0）對(duì)于圖4-2（b）所示型同阻式衰減器,取Rp1=Rp2, 可以用上述T型同阻式衰減器的分析和設(shè)計(jì)方法,過(guò)程完全相同,即利用三個(gè)A參數(shù)矩陣相乘的辦法求出衰減器

9、的A參數(shù)矩陣,再換算成S矩陣,就能求出它的衰減量, 所得結(jié)果由式（4-7）給出。 112110021010ZRRZRppsA（4-7） 第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 4.2.2 異阻式集總參數(shù)衰減器設(shè)計(jì)異阻式集總參數(shù)衰減器時(shí),級(jí)聯(lián)后要考慮阻抗變換。下面分別給出兩種衰減器的計(jì)算公式。 1. T型異阻式pspspARaZRRaZRZZR1111121022112110（4-8） 第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 2. 型異阻式1221112110111111112110spsppARaZRRaZRZZR（4-9）第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 4.2.3 集總參數(shù)衰減器設(shè)計(jì)實(shí)例

10、設(shè)計(jì)實(shí)例一： 設(shè)計(jì)一個(gè)5dBT型同阻式（Z1=Z2=50）固定衰減器。步驟一: 同阻式集總參數(shù)衰減器A=-5dB,由公式(4-6)計(jì)算元件參數(shù):01.141124.821210021010aZRRZRsspA第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 步驟二: 利用Microwave Office仿真衰減器特性。由上述計(jì)算結(jié)果畫出電路圖,如圖進(jìn)制4-3所示。 圖4-3 T型同阻式固定衰減器電路圖第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 仿真結(jié)果如圖4-4所示。 圖 4-4仿真結(jié)果第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 設(shè)計(jì)實(shí)例二：設(shè)計(jì)10dB型同阻式（Z1=Z2=50）固定衰減器。步驟一：同阻式集總參數(shù)衰

11、減器A=-10dB,由公式(4-7)計(jì)算元件參數(shù):25.961115.71211 . 010021010aZRRZRpppA第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 步驟二: 利用Microwave Office仿真衰減器特性。由上述計(jì)算結(jié)果畫出電路圖,如圖4-5所示。 第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 圖4-5 型同阻式固定衰減器電路圖第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 仿真結(jié)果如圖4-6所示。圖 4-6仿真結(jié)果第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 設(shè)計(jì)實(shí)例三：設(shè)計(jì)10dB型異阻式（Z1=50 ,Z2=75）固定衰減器。步驟一: 異阻式集總參數(shù)衰減器A=-10 dB,由公式(4-9)計(jì)算元

12、件參數(shù): 45.207111111.77111114.87211 . 0101221112110spsppARaZRRaZRZZR第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 步驟二: 利用Microwave Office仿真衰減器特性。由上述計(jì)算結(jié)果畫出電路圖,如圖4-7所示。仿真結(jié)果如圖4-8所示。第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 圖4-7 型同阻式固定衰減器電路圖第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 圖4-8 仿真結(jié)果DB(|S2,1|)Schematic21.41.61.82Frequency(GHz)Graph1第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 4.3 4.

13、3 分布參數(shù)衰減器分布參數(shù)衰減器4.3.1 同軸型衰減器1. 吸收式衰減器在同軸系統(tǒng)中,吸收式衰減器的結(jié)構(gòu)有三種形式： 內(nèi)外導(dǎo)體間電阻性介質(zhì)填充、內(nèi)導(dǎo)體串聯(lián)電阻和帶狀線衰減器轉(zhuǎn)換為同軸形式,如圖4-9所示。衰減量的大小與電阻材料的性質(zhì)和體積有關(guān)。第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 圖 4-9 三種同軸結(jié)構(gòu)吸收式衰減器 （a） 填充; （b） 串聯(lián); （c） 帶狀線(a)(b)(c)第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 2. 截止式衰減器截止式衰減器又稱“過(guò)極限衰減器”,是用截止波導(dǎo)制成的。其結(jié)構(gòu)如圖 4-10 所示。它是根據(jù)當(dāng)工作波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于截止波長(zhǎng)c時(shí),電磁波的幅度在波導(dǎo)中按指數(shù)規(guī)律衰減的特

14、性來(lái)實(shí)現(xiàn)衰減的。 第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 圖 4-10截止式衰減器圓形截止波導(dǎo)l輸入同軸線輸出同軸線圓形截止波導(dǎo)第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 4.3.2 波導(dǎo)型衰減器1. 吸收式衰減器最簡(jiǎn)單的波導(dǎo)吸收式衰減器是在波導(dǎo)中平行于電場(chǎng)方向放置具有一定衰減量的吸收片組成的。因?yàn)橛袚p耗性薄膜或介質(zhì)表面有定電阻,所以沿其表面的電磁波電場(chǎng)切向分量,將在其上引起傳導(dǎo)電流,形成焦耳熱損耗并以熱能的形式散發(fā)掉。只要控制衰減器衰減量,信號(hào)經(jīng)過(guò)衰減器后就被減弱到所需電平。第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 圖4-11給出了最簡(jiǎn)單的吸收式衰減器: 固定式和可變式。前者吸收片的位置和面積固定不變,

15、后者可以通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)改變衰減片的位置或面積,實(shí)現(xiàn)衰減量的改變。吸收片用陶瓷片、 硅酸鹽玻璃、 云母、 紙(布)膠板等作基片,在上面涂覆或噴鍍石墨粉或鎳鉻合金。基片盡可能薄,要有一定的強(qiáng)度,以保持平整和不變形。吸收片沿橫向移動(dòng)的衰減器,在吸收片移到電場(chǎng)最大處,吸收的能量最多,衰減量最大,在貼近窄壁時(shí)衰減量小。片的位移可由外附的機(jī)械微測(cè)裝置讀出, 它與衰減量的關(guān)系不是線性的,有時(shí)甚至不是單調(diào)變化的,這與片在不同位置時(shí)對(duì)橫向場(chǎng)型分布影響的程度來(lái)決定。在實(shí)際使用這種衰減器前應(yīng)用實(shí)驗(yàn)方法借助于精密的衰減標(biāo)準(zhǔn)作出定標(biāo)校正曲線。第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 圖 4-11 吸收式衰減器結(jié)構(gòu)示意圖 (

16、a) 固定式； (b) 可變式單片吸收薄片移動(dòng)吸收薄片(刀形)軸轉(zhuǎn)動(dòng)雙片(a)(b)第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 刀形旋轉(zhuǎn)片衰減器的衰減量與旋入波導(dǎo)內(nèi)的面積成正比。這種衰減器的優(yōu)點(diǎn)是, 起始衰減為零分貝,此時(shí)對(duì)波導(dǎo)內(nèi)波的傳輸沒(méi)有影響。在刀片旋入時(shí),由于不附加任何支撐物于波導(dǎo)內(nèi),因此,輸入駐波比很接近于1。設(shè)計(jì)合適的刀片形狀可以實(shí)現(xiàn)衰減量與機(jī)械轉(zhuǎn)角或深度讀數(shù)之間接近線性關(guān)系,保持在全部衰減量可變范圍內(nèi)有足夠高的精確度。這種定衰減器的缺點(diǎn)是少量電磁能量從波導(dǎo)中漏出,機(jī)械強(qiáng)度上略差。從多方面比較,刀形旋轉(zhuǎn)吸收片衰減器比橫向移動(dòng)吸收片衰減器顯得優(yōu)越,在結(jié)構(gòu)、 安裝等方面也比較簡(jiǎn)便。這種形式的衰

17、減器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單加工容易,適于成批生產(chǎn)。橫向移動(dòng)式和刀片式衰減器都是粗調(diào)式,精度都不高,需要校準(zhǔn)曲線才有定量衰減。 第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 圖 4-12 極化吸收式衰減器原理圖12輸入段旋轉(zhuǎn)段輸出段E入E入E出吸收片1E|cos吸收片2旋轉(zhuǎn)段輸出段吸收片3E|cos第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 2. 極化吸收式衰減器極化吸收式衰減器是一種精密衰減器,其結(jié)構(gòu)如圖4-12所示,由三段波導(dǎo)組成。兩端是固定的矩形波導(dǎo)到圓柱波導(dǎo)的過(guò)渡段,中間是一段可以繞縱軸轉(zhuǎn)動(dòng)的圓柱波導(dǎo)。在每段波導(dǎo)中部沿軸向放置厚度極薄的能完全吸收與其平行的切向電場(chǎng)的吸收片,各段中吸收片的相對(duì)位置如圖中所示。圓柱波導(dǎo)

18、旋轉(zhuǎn)的角度可以用精密傳動(dòng)系統(tǒng)測(cè)量并顯示出來(lái),角度的變化也就是極化面的變化。極化衰減器的衰減量為A=20 lg (cos) （4-10）第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 4.3.3 微帶型衰減器在微帶線的表面鍍膜一層電阻材料即可實(shí)現(xiàn)衰減,也可用涂覆方法實(shí)現(xiàn)衰減。近代常用吸波橡膠材料,將其裁剪至合適尺寸,用膠粘到電路上。在微波有源電路的調(diào)整中,會(huì)用到吸波材料消除高次模、 諧雜波影響, 控制組件泄露等。4.3.4 匹配負(fù)載匹配負(fù)載是個(gè)單口網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)匹配的原理與衰減的原理相同。通常,衰減器是部分吸收能量,匹配負(fù)載是全吸收負(fù)載,而且頻帶足夠?qū)挕D4-13是波導(dǎo)、 同軸和微帶三種匹配負(fù)載結(jié)構(gòu)的示意圖。

19、第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 圖4-13 波導(dǎo)、 同軸和微帶匹配負(fù)載結(jié)構(gòu)(a)(b)(c)第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 同軸和微帶中,匹配負(fù)載的電阻通常是50 ,可以用電阻表測(cè)量。因此,集總元件電阻可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)窄帶匹配負(fù)載。微波工程中,用51貼片電阻實(shí)現(xiàn)微帶匹配負(fù)載。第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 4.4 PIN4.4 PIN二極管電調(diào)衰減器二極管電調(diào)衰減器 4.4.1 PIN二極管如圖4-14所示,PIN二極管就是在重?fù)诫sP+、 N+之間夾了一段較長(zhǎng)的本征半導(dǎo)體所形成的半導(dǎo)體器件,中間I層長(zhǎng)度為幾到幾十微米。第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 圖 4-14 PIN二極

20、管結(jié)構(gòu)示意PIN第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 1. 直流偏置在零偏與反偏下,PIN管均不能導(dǎo)通,呈現(xiàn)大電阻。正偏時(shí),P+、N+分別從兩端向I區(qū)注入載流子,它們到達(dá)中間區(qū)域復(fù)合。PIN管一直呈現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài),偏壓（流）越大,載流子數(shù)目越多,正向電阻越小。2. 交流信號(hào)作用下的阻抗特性頻率較低時(shí),正向?qū)щ?反向截止, 具有整流特性。頻率較高時(shí),正半周來(lái)不及復(fù)合,負(fù)半周不能完全抽空,I區(qū)總有一定的載流子維持導(dǎo)通。小信號(hào)時(shí)I區(qū)的載流子少,大信號(hào)時(shí)I區(qū)的載流子多。所以,高頻大信號(hào)時(shí)電阻大,小信號(hào)時(shí)電阻小。 第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 3. PIN二極管的特性PIN二極管的特性如下：(1)

21、直流反偏時(shí),對(duì)微波信號(hào)呈現(xiàn)很高的阻抗,正偏時(shí)呈現(xiàn)很低的阻抗?？捎眯〉闹绷鳎ǖ皖l）功率控制微波信號(hào)的通斷,用作開關(guān)、 數(shù)字移相等。(2) 直流從零到正偏連續(xù)增加時(shí),對(duì)微波信號(hào)呈現(xiàn)一個(gè)線性電阻,變化范圍從幾兆歐到幾歐姆,用作可調(diào)衰減器。(3) 只有微波信號(hào)時(shí),I區(qū)的信號(hào)積累與微波功率有關(guān),微波功率越大,管子阻抗越大，用作微波限幅器。(4) 大功率低頻整流器,I區(qū)的存在使得承受功率比普通整流管大的多。 第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 4.4.2 電調(diào)衰減器利用PIN管正偏電阻隨電流變化這一特點(diǎn),調(diào)節(jié)偏流改變電阻,可以控制PIN開關(guān)插入衰減量,這就是電調(diào)衰減器。1. 單管電調(diào)衰減器如圖4-15所

22、示, 在微帶線中打孔并接一個(gè)PIN管,改變控制信號(hào)就可改變輸出功率的大小。這種結(jié)構(gòu)的衰減器輸入電壓駐波比大。 第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 圖 4-15微帶單管電調(diào)衰減器輸出控制信號(hào)輸入PIN 管第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 2. 3 dB定向耦合器型衰減器這是一種匹配型衰減器, 如圖4-16所示。微波功率從1口輸入,分兩路從2、 3口反射后從4口疊加輸出。若2、 3口匹配(Rf0),則4口無(wú)輸出。若2、 3口全反射,則4口輸出最大,Z2=Z3=Rf+Z0。同步調(diào)節(jié)兩只管子偏流,可以改變4口輸出功率。 000002ZRRZZRZZRffff（4-11） ffrrL2lg201l

23、g20（4-12） 第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 式中 0ZRrff第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 圖4-16 3dB定向耦合器型衰減器的原理和微帶結(jié)構(gòu)3分貝定向耦合器偏置輸出輸入PINPINPoutPin1423Z0Z0第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 3. 吸收陣列式電調(diào)衰減器 利用多個(gè)PIN管合理布置可制成頻帶寬、 動(dòng)態(tài)范圍大、駐波比小、功率容量大的陣列式電調(diào)衰減器,如圖4-17所示。PIN管等距排列,但偏流不同。單節(jié)衰減器的影像反射系數(shù)和衰減分別為iiDDiDDiYZYZjLYZjYZj11212lg20212200200（4-13） （4-14） （4-15） 第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 圖 4-17 陣列式電調(diào)衰減器(a) PIN二極管陣列； (b) 反偏或零偏； (c) 正偏VD1VD2VD3VDn(a)C1C2C3Cn(b)R01R02R03R0n(c)第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 |YD|小（Rf大）, 反射小,衰減小,駐波比??；|YD|大