RF Circuit design(Topic 14)常見射頻元件課件

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TheoryandApplicationTOPIC14常見射頻/微波器件衰減器（Attenuator

）功率衰減器的原理集總參數(shù)衰減器分布參數(shù)衰減器PIN二極管電調(diào)衰減器步進(jìn)式衰減器衰減器的主要用途控制功率電平在微波超外差接收機(jī)中對本振輸出功率進(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)自動增益控制，改善動態(tài)范圍。去耦元件作為振蕩器與負(fù)載之間的去耦合元件。相對標(biāo)準(zhǔn)作為比較功率電平的相對標(biāo)準(zhǔn)。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，平時不引入衰減，遇到外界干擾時，突然加大衰減。衰減器的技術(shù)指標(biāo)工作頻帶衰減量功率容量承受功率不能超過這個極限值，否則會燒毀。回波損耗兩端的輸入輸出駐波比應(yīng)盡可能小，以避免對兩端電路有影響，即兩端電路都是匹配的衰減器的基本構(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)集總參數(shù)衰減器利用電阻構(gòu)成的T型或П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，由三個電阻值決定。電阻網(wǎng)絡(luò)兼有阻抗匹配或變換作用。根據(jù)電路兩端使用的阻抗不同，可分為：同阻式異阻式Z1、Z2是電路輸入端、輸出端的特性阻抗T型和Π型功率衰減器T型同阻式設(shè)計(jì)（Z1=Z2=Z0）對于T型同阻式衰減器，取Rs1=Rs2。我們可以利用三個［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)如右：Rs1的傳輸矩陣：Rp的傳輸矩陣：T型同阻式設(shè)計(jì)（Z1=Z2=Z0）對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阻值。下面就是這種衰減器的設(shè)計(jì)公式：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，級聯(lián)后要考慮阻抗變換。T型異阻式П型異阻式集總參數(shù)衰減器設(shè)計(jì)實(shí)例1設(shè)計(jì)一個5dBT型同阻式（Z1=Z2=50Ω）固定衰減器。解：同阻式集總參數(shù)衰減器A=5dB，由設(shè)計(jì)公式計(jì)算元件參數(shù)：集總參數(shù)衰減器設(shè)計(jì)實(shí)例1仿真結(jié)果分析：由上述計(jì)算結(jié)果畫出電路圖，在AnsoftDesigner或MicrowaveOffice上可得仿真結(jié)果.集總參數(shù)衰減器設(shè)計(jì)實(shí)例2設(shè)計(jì)10dBП型同阻式（Z1=Z2=50Ω）固定衰減器。解：同阻式集總參數(shù)衰減器A=10dB，由設(shè)計(jì)公式計(jì)算元件參數(shù)：集總參數(shù)衰減器設(shè)計(jì)實(shí)例2仿真結(jié)果分析：由上述計(jì)算結(jié)果畫出電路圖，在AnsoftDesigner或MicrowaveOffice上可得仿真結(jié)果.集總參數(shù)衰減器設(shè)計(jì)實(shí)例3仿真結(jié)果分析：由上述計(jì)算結(jié)果畫出電路圖，在AnsoftDesigner或MicrowaveOffice上可得仿真結(jié)果.分布參數(shù)衰減器同軸型衰減器在同軸系統(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)電阻帶狀線衰減器轉(zhuǎn)換為同軸形式（a）填充;（b）串聯(lián);（c）帶狀線波導(dǎo)型衰減器吸收式衰減器最簡單的波導(dǎo)吸收式衰減器是在波導(dǎo)中平行于電場方向放置具有一定衰減量的吸收片組成的。根據(jù)能夠改變吸收片的位置和面積，可分為固定式和可變式。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，信號經(jīng)過衰減器后就被減弱到所需電平。吸收式衰減器刀形旋轉(zhuǎn)吸收片衰減器比橫向移動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便。這種形式的衰減器結(jié)構(gòu)簡單加工容易，適于成批生產(chǎn)。橫向移動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。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，會用到吸波材料消除高次模、諧雜波影響，控制組件泄露等。匹配負(fù)載匹配負(fù)載是個單口網(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ＭS和微帶中，匹配負(fù)載的電阻通常是50Ω，可以用電阻表測量。因此，集總元件電阻可以用來實(shí)現(xiàn)窄帶匹配負(fù)載。微波工程中，用51Ω貼片電阻實(shí)現(xiàn)微帶匹配負(fù)載。波導(dǎo)、同軸和微帶匹配負(fù)載結(jié)構(gòu)功率分配器功率分配器的基本原理

集總參數(shù)功率分配器分布參數(shù)功率分配器功率分配器的技術(shù)指標(biāo)插入損耗定義：Ai=A-Ad其中，A是實(shí)際測量值。在其他支路端口接匹配負(fù)載，測量主路到某一支路間的傳輸損耗。駐波比每個端口的電壓駐波比越小越好。隔離度支路端口間的隔離度是功率分配器的另一個重要指標(biāo)。如果從每個支路端口輸入功率只能從主路端口輸出，而不應(yīng)該從其他支路輸出，這就要求支路之間有足夠的隔離度。在主路和其他支路都接匹配負(fù)載的情況下，i口和j口的隔離度定義為：功率分配器的原理一分為二功率分配器是三端口網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。信號輸入端的功率為P1，而其他兩個輸出端口的功率分別為P2和P3。由能量守恒定律可知P1=P2+P3。如果P2(dBm)=P3(dBm)，三端功率間的關(guān)系可寫成：P2(dBm)=P3(dBm)=Pin(dBm)-3dB功率分配器可分為等分型(P2=P3)和比例型(P2=kP3)兩種類型。集總參數(shù)等分型功率分配器根據(jù)電路使用元件的不同，可分為電阻式和L-C式兩種情況。電阻式電路僅利用電阻設(shè)計(jì)，按結(jié)構(gòu)可分成：△形Y形電阻式二等分功率分配器Z0是電路特性阻抗，確定了Z0后根據(jù)上圖所標(biāo)識的電阻即可設(shè)計(jì)出相應(yīng)的電阻式功分器。優(yōu)點(diǎn)：頻寬大，布線面積小，設(shè)計(jì)簡單；缺點(diǎn)：功率衰減較大(6dB)集總參數(shù)等分型功率分配器L-C式為了減少衰減，利用電感及電容進(jìn)行設(shè)計(jì)。按結(jié)構(gòu)可分成高通型和低通型。比例型功率分配器比例型功率分配器的兩個輸出口的功率不相等。假定一個支路端口與主路端口的功率比為k，可按照下面公式低通式L-C式集總參數(shù)比例功率分配器。集總參數(shù)功率分配器的設(shè)計(jì)方法集總參數(shù)功率分配器的設(shè)計(jì)就是要計(jì)算出各個電感、電容或電阻的值?？梢允褂矛F(xiàn)成軟件如AnsoftDesigner、MicrowaveOffice或MathCAD。也可以查手冊或手工解析計(jì)算。Wilkinson（威爾金森）功率分配器傳輸線結(jié)構(gòu)和應(yīng)用微帶線制作的功率分配器如右圖。其S參量為：P2=P3=P1-3dB，Z0是特性阻抗，λ是信號的波導(dǎo)波長。Wilkinson（威爾金森）功率分配器品質(zhì)因數(shù)：(在端口1和2的回波損耗)端口1和端口2之間的耦合度：端口2和端口3之間的隔離度：Wilkinson（威爾金森）功率分配器考慮一般情況(比例分配輸入功率)，設(shè)端口3和端口2的輸出功率比為k2，即：由于端口1到端口2與端口1到端口3的線長度相等，故端口2的電壓U2與端口3的電壓U3相等，即U2=U3。端口2和端口3的輸出功率與電壓的關(guān)系為：代入比例關(guān)系，可得：威爾金森功率分配器由U2=U3可得：Z2=k2Z3式中，Z2、Z3為端口2和端口3的輸入阻抗。若選，則可以滿足上式。為了保證端口1匹配，應(yīng)有：威爾金森功率分配器同時考慮到：則：所以：威爾金森功率分配器為了實(shí)現(xiàn)端口2和端口3隔離，即端口2或端口3的反射波不會進(jìn)入端口3或端口2，可選：在等功率分配的情況下，即P2=P3，k=1，于是：Wilkinson（威爾金森）功率分配器Wilkinson（威爾金森）功率分配器定向耦合器定向耦合器的基本原理

集總參數(shù)定向耦合器耦合微帶定向耦合器分支線型定向耦合器環(huán)形橋定向耦合器定向耦合器的技術(shù)指標(biāo)工作頻帶定向耦合器的功能實(shí)現(xiàn)主要依靠波程相位的關(guān)系，也就是說與頻率有關(guān)。工作頻帶確定后才能設(shè)計(jì)滿足指標(biāo)的定向耦合器。插入損耗：主路輸出端和主路輸入端的功率比值，包括耦合損耗和導(dǎo)體介質(zhì)的熱損耗。定向耦合器的技術(shù)指標(biāo)耦合度:描述耦合輸出端口與主路輸入端口的比例關(guān)系，通常用分貝表示，dB值越大，耦合端口輸出功率越小。耦合度的大小由定向耦合器的用途決定。方向性:描述耦合輸出端口與耦合支路隔離端口的比例關(guān)系。理想情況下，方向性為無限大。隔離度:描述主路輸入端口與耦合支路隔離端口的比例關(guān)系。理想情況下，隔離度為無限大。描述定向耦合器特性的三個指標(biāo)間有嚴(yán)格的關(guān)系，即方向性＝耦合度-隔離度。定向耦合器的原理定向耦合器是個四端口網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。若P1、P2、P3、P4皆用毫瓦（mW）來表示，定向耦合器的四大參數(shù)則可定義為：信號輸入端1的功率為P1，信號傳輸端2的功率為P2，信號耦合端3的功率為P3，信號隔離端4的功率為P4。集總參數(shù)定向耦合器設(shè)計(jì)方法常用的集總參數(shù)定向耦合器是電感和電容組成的分支線耦合器。其基本結(jié)構(gòu)有兩種：低通L-C式高通L-C式集總參數(shù)定向耦合器設(shè)計(jì)方法集總參數(shù)定向耦合器的設(shè)計(jì)步驟如下：確定耦合器的指標(biāo)，包括耦合系數(shù)C(dB)、端口的等效阻抗Z0(Ω)、電路的工作頻率fc。利用下列公式計(jì)算出k、Z0s及Z0p：集總參數(shù)定向耦合器設(shè)計(jì)方法利用下列公式計(jì)算出元件值：低通L-C式：高通L-C式：利用模擬軟件檢驗(yàn)，再經(jīng)過微調(diào)以滿足設(shè)計(jì)要求。耦合微帶定向耦合器平行耦合線耦合器基本原理通常，平行耦合線定向耦合器由主線和輔線構(gòu)成，兩條平行微帶的長度為四分之一波長。信號由1口輸入，2口輸出，4口是耦合口，3口是隔離端口。因?yàn)樵谳o線上耦合輸出的方向與主線上波傳播的方向相反，故這種形式的定向耦合器也稱為“反向定向耦合器”。分支線型定向耦合器原理各個支線在中心頻率上是四分之一波導(dǎo)波長，由于微帶的波導(dǎo)波長還與阻抗有關(guān)，故圖中支線與主線的長度不等，阻抗越大，尺寸越長。如果分支線耦合器的各個端口接匹配負(fù)載，信號從1口輸入，4口沒有輸出，為隔離端，2口和3口的相位差為90°，功率大小由主線和支線的阻抗決定。環(huán)形橋定向耦合器混合環(huán)又稱環(huán)形橋，它的功能與分支線耦合器相似，不同的是兩個輸出端口的相位差為180°。當(dāng)信號從端口1輸入時，端口4是隔離端，端口2和端口3功率按一定比例反相輸出，也就是相位差為180°。當(dāng)信號從端口4輸入時，端口1是隔離端，端口3和端口2功率按一定比例反相輸出。同樣地，端口2和端口3也是隔離的，無論從哪個口輸入信號，