第3講-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 步進式衰減器步進式衰減器第第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)指標衰減量無論形成功率衰減的機理和具體結(jié)構(gòu)如何,總是可以用圖4-1 所示的兩端口網(wǎng)絡(luò)來描述衰減器。圖 4-1 功率衰減器 功率衰減器A(dB)P1P212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

2、(dBm)-A (dB)即)()(lg10)(12mWPmWPdBA第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 4.1.1 衰減器的技術(shù)指標工作頻帶、功率容量、回波損耗 工作頻帶工作頻帶是指在給定頻率范圍內(nèi)使用衰減器,衰減量才能達到指標值。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,也不能通用。現(xiàn)代同軸結(jié)構(gòu)的衰減器使用的工作頻帶相當寬,設(shè)計或使用中要加以注意。 衰減器衰減器是一種能量消耗元件,功率消耗后變成熱量。可以想象,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這個極限值,衰減器就會被燒毀。設(shè)計和使用時,必須明確功率容量。 回波損耗回波損耗就是衰減器的駐波比

3、,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功率消耗元件,不能對兩端電路有影響,也就是說,與兩端電路都是匹配的。設(shè)計衰減器時要考慮這一因素。第第4 4章章 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。 隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展,在許多場合要用到快速調(diào)整衰減器。這種衰減器通常有兩種實現(xiàn)方式,一是半導(dǎo)體小功率

4、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)計方法。第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 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中對本振輸出功率進行控制,獲得最佳噪聲系數(shù)和變頻損耗,達到最佳接收效果。在微波接收機中,實現(xiàn)自動增益控制,改善動態(tài)范圍。(2)去耦元件: 作為振蕩器與負載之間的去耦合元件。(3)相對標準: 作為比較功率電平的相對標準。(4)用于雷達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

5、時,突然加大衰減。 (5)有效抑制天線副瓣：在自適應(yīng)陣列天線中，每路信號的幅度和相位通過放置在功率放大器前的衰減器和移相器獨立調(diào)節(jié)和控制，從而天線波束能夠?qū)崿F(xiàn)電掃描的功能。 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)衰減器利用電阻構(gòu)成的T型或型網(wǎng)絡(luò)實現(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。兩種電路拓撲如圖4-2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。 Rs1Rs2RpZ1Z2RsRp1Z1Z2Rp2(a)(b)圖 4-2 功率衰減器

6、(a) T型功率衰減器； (b) 型功率衰減器第第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)級聯(lián)的辦法求出衰減量與各電阻值的關(guān)系。我們可以利用三個可以利用三個A參數(shù)矩陣相乘的辦法求出參數(shù)矩陣相乘的辦法求出衰減器的衰減器的A參數(shù)矩陣參數(shù)矩陣,再換算成再換算成S矩陣矩陣,再利用衰再利用衰減量為減量為20lg|s21|(dB),端口匹配端口匹配10lg|s11|=-的關(guān)系，就能得的關(guān)系，就能得到衰減量與各電阻值的關(guān)系。到衰減量與各電阻值的關(guān)系。第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 10111sRRaS

7、1/101pPRa 222112111211111/1/1/2/11011/101101aaaaRRRRRRRRRRRapsppsspssps衰減器1. T型同阻式（Z1=Z2=Z0，取Rs1=Rs2 ）22211211ssss第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 2221121121122211122221121121222112112221121122222112112221121111)(22aaaaaaaasaaaasaaaaaaaasaaaaaaaas111210021010ZRRZRsspA衰減量為20lg|s21|(dB),端口匹配10lg|s11|=-第第4 4章章 功率衰減器

8、功率衰減器 2. 型同阻式（Z1=Z2=Z0，取Rp1=Rp2）112110021010ZRRZRppsA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)計異阻式集總參數(shù)衰減器時,級聯(lián)后要考慮阻抗變換。下面分別給出兩種衰減器的計算公式。 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)計實例 設(shè)計一個5dB T型同阻式（Z

9、1=Z2=50）固定衰減器。步驟一: 同阻式集總參數(shù)衰減器A=-5dB,計算元件參數(shù):01.141124.821210021010aZRRZRsspA第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 步驟二: 畫出電路圖,仿真衰減器特性。 第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 產(chǎn)品效果圖第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 課堂練習(xí)驗證同阻式衰減器的計算公式第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 扇形電阻衰減器研究*注：何小兵等. 扇形電阻衰減器研究. 儀器儀表學(xué)報. 2010.31(8s)扇元結(jié)構(gòu)扇形衰減網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 在大衰減比小的加工優(yōu)勢：第第4 4章章 功率衰減器功率衰

10、減器 4.3 4.3 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：內(nèi)外導(dǎo)體間電阻性介質(zhì)填充填充、內(nèi)導(dǎo)體串聯(lián)串聯(lián)電阻和帶狀線帶狀線衰減器轉(zhuǎn)換為同軸形式。衰減量的大小與電阻材料的性質(zhì)和體積有關(guān)。(a)(b)(c) 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） 帶狀線第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 2. 截止式衰減器：用截止波導(dǎo)制成，它是根據(jù)當工作波長遠大于截止波長c時,電磁波的幅度在波導(dǎo)中按指數(shù)規(guī)律衰減的特性來實現(xiàn)衰減的。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)圖 4-10截止式衰減器第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 4.

11、3.2 波導(dǎo)型衰減器 1. 吸收式衰減器 在波導(dǎo)中平行于電場方向放置平行于電場方向放置具有一定衰減量的吸收片組成的。 有損耗性薄膜或介質(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。 分為固定式固定式和可變式可變式。第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 吸收片的位置和面積固定不變通過傳動機構(gòu)來改變衰減片的位置或面積,實現(xiàn)衰減量的改變吸收片沿橫向移動的衰減器,在吸收片移到電場最大處,吸收的能量最多,衰減量最大,在貼近窄壁時衰減量小片的位移可由外附的機

12、械微測裝置讀出, 它與衰減量的關(guān)系需應(yīng)用實驗方法借助于精密的衰減標準作出定標校正曲線。衰減量與旋入波導(dǎo)內(nèi)的面積成正比。起始衰減為零分貝,此時不影響波導(dǎo)內(nèi)波的傳輸。在刀片旋入時,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)計合適的刀片形狀可以實現(xiàn)衰減量與機械轉(zhuǎn)角或深度讀數(shù)之間接近線性關(guān)系。少量電磁能量從波導(dǎo)中漏出。第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 刀型衰減器*沈長圣等. 高功率矩形波導(dǎo)可調(diào)衰減器的仿真設(shè)計與實驗. 東南大學(xué)學(xué)報. 2008,38(4)第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 不同形狀聚四氟乙烯外殼的衰減器對電壓駐波比的影響第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 衰減

13、量與插入深度的仿真曲線電壓駐波比與插入深度的仿真曲線第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 高功率微波衰減器裝置第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 衰減量與插入深度的實驗曲線電壓駐波比與插入深度的實驗曲線第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 2. 極化吸收式衰減器： 是一種精密衰減器,由三三段波導(dǎo)段波導(dǎo)組成。兩端是固定的過渡段,中間是可以轉(zhuǎn)動的圓柱波導(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的吸收片吸收片。 圓柱波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)的角度旋轉(zhuǎn)的角度可以用精密傳動系統(tǒng)測量并顯示出來,角度的變化也就是極化面的變化。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

14、段吸收片3E|cos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現(xiàn)衰減,也可用涂覆方法實現(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。4.3.4 匹配負載匹配負載是個單口網(wǎng)絡(luò),實現(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,匹配負載是全吸收負載,而且頻帶足夠?qū)?。圖4-13是波導(dǎo)、同軸和微帶三種匹配負載結(jié)構(gòu)的示意圖。第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 圖4-13 波導(dǎo)、 同軸和微帶匹配負載結(jié)構(gòu)(a)(b)(c)第第4 4章章 功

15、率衰減器功率衰減器 高功率微波矩形波導(dǎo)衰減器*趙紫正等.高功率微波矩形波導(dǎo)衰減器的設(shè)計與實驗. 電子測量與儀器學(xué)報. 2010,24(9)衰減原理衰減原理：將微波功率通過衰減材料的吸收而轉(zhuǎn)化為熱量,因此衰減材料的選擇決定功率衰減量的大小。衰減液的選擇主要應(yīng)該考慮以下幾個因素:1)衰減液介電特性能滿足大衰減量要求;2)波段內(nèi)穩(wěn)定的頻響特性,以滿足寬頻帶定量衰減;3)具備良好的熱傳導(dǎo)性能,能迅速將微波衰減所產(chǎn)生的熱量及時從波導(dǎo)中傳導(dǎo)出去。4)對金屬的腐蝕性小。選擇1%濃度硫酸鈉溶液作為波導(dǎo)衰減器的衰減液。第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 衰減器CST計算模型衰減量計算結(jié)果第第4 4章章 功率衰

16、減器功率衰減器 8為波導(dǎo)衰減器9為溫度傳感器10為直流水泵11為流量傳感器12為螺旋板式換熱器13為水箱14為控制電路15為硅膠管第第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二極管就是在重摻雜P+、 N+之間夾了一段較長的本征半導(dǎo)體所形成的半導(dǎo)體器件,中間I層長度為幾到幾十微米。圖 4-14 PIN二極管結(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零偏與反偏下,PIN管均不能導(dǎo)通,呈現(xiàn)大電阻。正偏正偏時,P+、N+分別從兩端向I區(qū)注入載流子,它們到達中間區(qū)

17、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. 交流信號作用下的阻抗特性頻率較低頻率較低時,正向?qū)щ?反向截止, 具有整流特性。頻率較高頻率較高時,正半周來不及復(fù)合,負半周不能完全抽空,I區(qū)總有一定的載流子維持導(dǎo)通。小信號小信號時I區(qū)的載流子少,大信號大信號時I區(qū)的載流子多。 所以,高頻大信號時電阻大高頻大信號時電阻大, ,小信號時電阻小小信號時電阻小。 第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 3. PIN二極管的特性 直流反偏時，對微波信號呈現(xiàn)很高的阻抗，正偏時呈現(xiàn)很低的阻抗。可用小的直流（低頻）功率控制微波信號可用小的直流（低頻）功率控制微波信號的通斷的

18、通斷，用作開關(guān)、 數(shù)字移相等。 直流從零到正偏連續(xù)增加時,對微波信號呈現(xiàn)一個線性電對微波信號呈現(xiàn)一個線性電阻阻，變化范圍從幾兆歐到幾歐姆，用作可調(diào)衰減器。 只有微波信號時,I區(qū)的信號積累與微波功率有關(guān)，微波功率越大，管子阻抗越大，用作微波限幅器用作微波限幅器。 大功率低頻整流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)衰減器利用利用PINPIN管正偏電阻隨電流變化這一特點管正偏電阻隨電流變化這一特點,調(diào)節(jié)偏流改變電阻,可以控制PIN開關(guān)插入衰減量。輸出控制信號輸入PIN 管1. 單管電調(diào)衰減器： 在微帶線中打孔并接一個P

19、IN管,改變控制信號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。 圖 4-15微帶單管電調(diào)衰減器第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 2. 3dB定向耦合器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，則4口無輸出。若2、3口全反射,則4口輸出最大。同步調(diào)節(jié)兩只管子偏流,可以改變4口輸出功率。 3分貝定向耦合器偏置輸出輸入PINPINPoutPin1423Z0Z0圖4-16 3dB定向耦合器型衰減器的原理和微帶結(jié)構(gòu)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PIN管合理布置可制成頻帶寬、 動態(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。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