第十一講功率衰減器

第十一講功率衰減器第一頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日主要內(nèi)容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)式衰減器第二頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日功率衰減器基本原理從微波網(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?？蓪?duì)RF/MW信號(hào)產(chǎn)生一定的衰減。若信號(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)即衰減量為：第三頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日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(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。去耦元件作為振蕩器與負(fù)載之間的去耦合元件。相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)作為比較功率電平的相對(duì)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(shí)不引入衰減，遇到外界干擾時(shí)，突然加大衰減。第四頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日衰減器的技術(shù)指標(biāo)工作頻帶由于射頻/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，也不能通用。衰減量衰減量的大小由構(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。功率容量材料結(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?；夭〒p耗兩端的輸入輸出駐波比應(yīng)盡可能小，以避免對(duì)兩端電路有影響，即兩端電路都是匹配的第五頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日衰減器的基本構(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)第六頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日衰減器的基本構(gòu)成隨著現(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。通常有兩種實(shí)現(xiàn)方式：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；開(kāi)關(guān)控制的電阻衰減網(wǎng)絡(luò)，開(kāi)關(guān)可以是電子開(kāi)關(guān)，也可以是射頻繼電器。第七頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日集總參數(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(gè)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型功率衰減器第八頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日集總參數(shù)衰減器的設(shè)計(jì)同阻式衰減器兩端的阻抗相同，即Z1＝Z2，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關(guān)系。異阻式衰減器級(jí)聯(lián)后要考慮阻抗變換，可通過(guò)增加阻抗變換即可利用同阻式衰減器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。第九頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日T型同阻式設(shè)計(jì)（Z1=Z2=Z0）對(duì)于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)如右：Rsi的傳輸矩陣：Rp的傳輸矩陣：第十頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日T型同阻式設(shè)計(jì)（Z1=Z2=Z0）[A]矩陣相乘得：轉(zhuǎn)化為［S］矩陣為：第十一頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日T型同阻式設(shè)計(jì)（Z1=Z2=Z0）對(duì)衰減器的要求是衰減量為A=20lg|s21|(dB)端口匹配10lg|s11|=-∞。第十二頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日T型同阻式設(shè)計(jì)（Z1=Z2=Z0）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：第十三頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日П型同阻式設(shè)計(jì)（Z1=Z2=Z0）對(duì)于П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。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。第十四頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日異阻式集總參數(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。T型異阻式П型異阻式第十五頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日集總參數(shù)衰減器設(shè)計(jì)實(shí)例1設(shè)計(jì)一個(gè)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)：第十六頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日集總參數(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(huà)出電路圖，在AnsoftDesigner或MicrowaveOffice上可得仿真結(jié)果.第十七頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日集總參數(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)：第十八頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日集總參數(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(huà)出電路圖，在AnsoftDesigner或MicrowaveOffice上可得仿真結(jié)果.第十九頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日集總參數(shù)衰減器設(shè)計(jì)實(shí)例3設(shè)計(jì)10dBП型異阻式（Z1=50Ω，Z2=75Ω）固定衰減器。解：異阻式集總參數(shù)衰減器A=10dB，由設(shè)計(jì)公式計(jì)算元件參數(shù)：第二十頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日集總參數(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(huà)出電路圖，在AnsoftDesigner或MicrowaveOffice上可得仿真結(jié)果.第二十一頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日分布參數(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）帶狀線第二十二頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日分布參數(shù)衰減器截止式衰減器截止式衰減器又稱(chēng)“過(guò)極限衰減器”，是用截止波導(dǎo)制成的。它是根據(jù)當(dāng)工作波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于截止波長(zhǎng)λc時(shí)，電磁波的幅度在波導(dǎo)中按指數(shù)規(guī)律衰減的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)衰減的。第二十三頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日波導(dǎo)型衰減器吸收式衰減器最簡(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。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(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。第二十四頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日吸收式衰減器刀形旋轉(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。第二十五頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日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)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)旋轉(zhuǎn)的角度θ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。A=20lg(cosθ)第二十六頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日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。第二十七頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日匹配負(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(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50Ω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)第二十八頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日PIN二極管電調(diào)衰減器PIN二極管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。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。第二十九頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日PIN二極管交流信號(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。第三十頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日PIN二極管的特性直流反偏時(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(kāi)關(guān)、數(shù)字移相等。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。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。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。第三十一頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日電調(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(kāi)關(guān)插入衰減量，這就是電調(diào)衰減器。單管電調(diào)衰減器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。

第三十二頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日3dB定向耦合器型衰減器3dB定向耦合器型衰減器是一種匹配型衰減器。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(Rf≈0)，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。第三十三頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日吸收陣列式電調(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。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：第三十四頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日

陣列式電調(diào)衰減器(a)PIN二極管陣列；(b)反偏或零偏；(c)正偏吸收陣列式電調(diào)衰減器|YD|?。≧f大），反射小，衰減小，駐波比小|YD|大（Rf小），反射大，衰減大，駐波比大。所以，由左到右，Rf依次遞減，可得到較好的性能。第三十五頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日PIN管限幅器由于PIN工作區(qū)載流子數(shù)目在零偏時(shí)與微波信號(hào)幅度成正比，小信號(hào)時(shí)Rj很大，不衰減；信號(hào)增大時(shí)，Rj下降，衰減增加；當(dāng)信號(hào)很強(qiáng)時(shí)，Rj很大，對(duì)信號(hào)的衰減也很大，可起自動(dòng)限幅作用。限幅用的PIN管工層較薄（約1μm），對(duì)功率反應(yīng)靈敏。當(dāng)輸入功率達(dá)到限幅功率時(shí)，輸入功率再大，輸出功率也不會(huì)增加。在微波接收機(jī)的前端都放置有PIN限幅器，以保護(hù)低噪放不被意外信號(hào)燒毀。第三十六頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日雙管限幅器及其特性PIN管限幅器第三十七頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日步進(jìn)式衰減器固定衰減器＋開(kāi)關(guān)早期的步進(jìn)衰減器大量使用這種方案。手動(dòng)步進(jìn)衰減器就是扳動(dòng)開(kāi)關(guān)，控制不同的衰減量。電控開(kāi)關(guān)大多數(shù)都是繼電器形式，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)加工的射頻繼電器，性能相當(dāng)穩(wěn)定。如調(diào)整HP的信號(hào)源輸出功率可以聽(tīng)到繼電器的動(dòng)作聲音。固定衰減器是前面所學(xué)的電阻網(wǎng)絡(luò)。