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长春建筑学院电气信息学院通信工程专业本科毕业设计第1章 绪论1.1 课题研究的背景和意义1.1.1 课题研究的背景近几十年来，随着无线电子通信行业的迅猛兴起和高速发展，各类无源电子器件等一大类电子产品蜂拥出现。无源器件和有源器件作为各类电子信息产品的基础，是集成电路的核心部件。多路通讯衰耗器作为一种能量损耗性元件，广泛应用于无源网络，它可以用于调节电路的信号电平保证通信质量，模拟长距离传输的线路损耗，在微波接收机中实现自动增益，改善动态范围，还可以用来缓冲阻抗变化的影响和改善阻抗匹配。衰耗器接于信号源和负载之间，衰耗器是由电阻元件组成的四端网络，它的特性阻抗、衰减都是与频率无关的常数，相位等于零。衰耗器通常用在通信通路中，以提供一定大小的衰减或变换网络的阻抗，一般用影像参数来表示它们的特性比较方便。实际应用中，有固定衰耗器和可变衰耗器两大类。衰减器是一种能量消耗元件，功率消耗后变成热量。故衰减器材料结构一旦确定后，它的功率容量也就确定了。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。本次多路通讯衰耗器设计和使用时，必须明确功率容量。对于衰耗器设计中出现的问题也提出了有效可行的解决办法。1.1.2 课题研究的意义衰耗器是由电阻组成的纯电阻四端网络，是一种提供衰减损耗的电子元器件，广泛地应用于电子设备中，具有非常重要的现实意义：（1）调节电路的信号电平。在长途载波机中，为了使各部分在正常电平下工作以保证通信质量，有时要用衰耗器来调节电平。（2）衰耗器还可以用来缓冲阻抗变化的影响和改善阻抗匹配4。（3）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。（4）去耦元件：作为振荡器与负载之间的去耦合元件。（5）用于雷达抗干扰中的跳变衰减器：是一种衰减器能突变的可变衰减器，平时不引入衰减，遇到外界干扰时，突然加大衰减。1.2 国内外研究现状长期以来，衰耗器一直停留在机械式水平，虽然有良好的特性、成熟的技术、较高的可靠性等优点；但同时也具有体积大、响应速度慢、不利于集成、分辨率低等缺点。随着多路通讯衰耗器对便捷性、响应速度的要求，尤其是对线路中阻抗匹配的日益迫切，促使国内外学者致力于研究和开发体积小、利于集成、响应速度快、高可靠性的多路通讯衰耗器。国内外对于多路通讯衰耗器的研究设计已经有很多，各项性能指标已经达到了一定的技术水平。国外的生产厂家主要有：3M、Furukawa、Lightconnect、Sekio Ins、Zenphonics、OzIns、Avanex、Antri、Amp等。在国内，中国科学院、吉林大学、电子部23所、上海交通大学、光讯科技股份有限公司等单位一直致力于多路通讯衰耗器的研究。1.3 本文研究的方向随着微电子技术，计算机技术的发展，微波无源组件作为无线通信及雷达系统的核心器件之一，要向小型化、轻量化、高性能和高可靠性的方向发展。多路通讯衰耗器设计是实现这些目标的有效途径。作为常用的微波无源器件之一，用来调节电路的信号电平保证通信质量，模拟长距离传输的线路损耗，在微波接收机中，实现自动增益，改善动态范围，还可以用来缓冲阻抗变化的影响和改善阻抗匹配。1.4 本文研究的内容本文具体研究内容如下：（1）了解四端网络的相关概念。（2）熟练掌握四端网络的相关内容。（3）利用衰耗器的影像参数及其电路结构进行分析研究。（4）对衰耗器设计中出现的问题提出有效可行的解决办法。（5）根据目前所掌握的知识与技巧对衰耗器进行分类研究设计。1.5 本文研究的方案本文共分为两大章节，综上所述论文研究方案可以制定如下：（1）开篇为本设计摘要，简要介绍本文研究背景和意义、衰耗器技术概述。（2）第一章绪论概述了本文的研究目的、研究意义、研究方向以及研究内容。（3）第二章概述了四端网络的概念、特性、阻抗以及影像参数。（4）第三章概述了四端网络的匹配链接以及常用的四端网络的影像参数。（5）第四章详细论述了衰耗器的相关理论知识。主要分析了衰耗器电阻四端网络、衰耗器设计中的问题。（6）第五章概述了衰耗器的计算。其中包括中分定理和等效四端网络等。衰耗器通常用在通信通路中，主要用于调节电路的信号电平保证通信质量，模拟长距离传输的线路损耗。由于衰减器是一种能量消耗元件，功率消耗后变成热量。故衰减器材料结构一旦确定后，它的功率容量也就确定了。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。第2章 四端网络2.1 四端网络的概念2.1.1 有源四端网络在载波机中，大量的使用着各种无源网络，如滤波器、衰耗器、变压器、均衡器等。它们都有一个共同点，即都有两对用来连接其他电路的端子，它们被称为“四端网络”（更确切的叫法是“两端对网络”），统一用图21的符号来表示。在载波机中，还大量的使用着含有电子管或晶体管的四端网络（如放大器），它们叫做有源四端网络。关于它们的分析和讨论可参看电子电路方面的有关资料，这里仅讨论只含有电感、电容、电阻、变压器及互感等的无源线性四端网络。在有源网络综合电路中，负阻抗变换器几乎是不可缺少的一种有源四端网络，这种负阻抗变换器常与无源四端网络链接在一起，或者链接后再与其它无缘四端网络联接来实现某种网络函数，因而负阻抗变换器与无源网络链接的等效参数是有源网络综合电路运算的基本组成部分。负阻抗交换器与无源网络的联接型式也是多种多样的。要求实现的函数也不同，有的是转移函数，有的是策动点阻抗或导纳。图21 四端网络2.1.2 四端网络的特性一部载波机，通常是由许多各式各样的四端网络链接组成，因此我们将逐个地分析研究各个网络的特性，各个网络的特性都研究清楚了，整体的传输规律就容易弄清楚了。对于一个四端网络而言，总可以把它前面的所有电路用一个等效电源来代表，叫做电源网络，而把它后面的全部电路用一个等效负载阻抗来代表，叫做负载网络，与电源网络联接的一对端子称为四端网络的输入端，而与负载网络联接的一对端子叫做四端网络的输出端。当然对一个具体的四端网络来说，其输入端和输出端并不是固定的，即电源接左端时，左端叫输入端；当电源接右端时，右端就该叫做输入端了。常用四端网络有型、T型和型1。四端网络的结构有对称的和不对称的，平衡和不平衡的。其结构对中心垂直轴左右对称的网络叫做对称网络，否则，为不对称网络；在结构上对中心水平轴上下对称的叫做平衡网络，否则，叫做不平衡网络。我们把顺着信号传输方向的支路叫做串臂，跨界在上下两串臂之间的支路称为并臂。“纯电抗四端网络的最大可得功率增益G或为1；或为0。当网络确能传输功率时，G=1；当网络根本不能传输功率时，即输出端与输入端无耦合时，G=0。”“对于确能传输功率的纯电抗四端网络，当其输出阻抗与负载达到共轭匹配时，输入阻抗亦必与信号源内阻抗达到共轭匹配；反之亦然。”应用这两大定理的概念，在处理若干问题时，较为方便。2.2 四端网络的输入阻抗和开、短路阻抗2.2.1 四端网络的输入阻抗在实际运用中，一个四端网络往往要和其他网络相连接，即其前后通常都连着其他网络。因此，由它的输入端看进去的阻抗又成为前一个网络的负载，而由其输入端看进去的阻抗又是后一个网络的电源内阻。这个由四端网络输入端（或输出端）看进去的阻抗就叫做四端网络的输入阻抗，它表示了该四端网络对前后相接网络的影响，所以是一个很重要的量。下面作比较详细的讨论。四端网络输出端接上任意负载时，输入端电压与电流的比值，称为四端网络的输入阻抗，通常用Zsr1表示。Zsri = / （21） 对于电源来说，输入阻抗相对于是它的负载阻抗。输入阻抗值可以用测量的方法确定，也可以用计算的方法求得.如果测得输入端的电压值与电流值，那么就可以按式21求出输入阻抗值。如果网络和负载阻抗都给定时，也可以用求电路总阻抗的方法求出输入阻抗值。2.2.2 四端网络的开路阻抗和短路阻抗当负载短路时，四端网络的输入阻抗称为短路输入阻抗（简称短路阻抗），通常用符号Z0来表示。例如图22的型网络，当22端负载短路，即ZL=0时，11端的短路阻抗Z01为： Z01 = Z1 当11端的负载短路，即Zi=0时，22端的短路阻抗Z02为： Z02 = Z1Z2/Z1+Z2负载开路时的输入阻抗称为开路输入阻抗（简称为开路阻抗），通常用符号“Z”来表示。也以图22的型网络为例，当22端负载开路，即ZL=时，11端的开路阻抗Z1为：Z1 = Z1+Z2同样22端的开路阻抗Z2为：Z1 = Z2 图22 型网络由上面的例子可以清楚地看出，开路阻抗Z和短路阻抗Z0之值只取决于四端网络本身。换句话说当四端网络给定后，其开路阻抗和短路阻抗的数值就决定了。在上例中，若Z1 =200，Z2 =800则Z01 = 200，Z02 = 160Z1 = 1000，Z2 = 800由于开路阻抗和短路阻抗只决定于网络本身，它可以充分表征一个网络的性质，所以称它们为四端网络的“参数”。由于它便于测量和计算，在网络分析中用的很多，有时也叫作四端网络的“实验参数”。还要指出，对于无源线性四端网络这四个参数之间存在如下关系：Z0/Z1 = Z02/Z2可见一个无源线性四端网络实际上只有三个独立参数。2.3 四端网络的影像（特性）参数 2.3.1 四端网络的影像参数四端网络的影像参数（又称特性参数）包括特性阻抗（或影像阻抗）ZC和固有传输常数g0,它们是又一种四端网络参数，也是间接代表四端网络内部各臂阻抗值的量，它们的数值也是仅由四端网络本身决定，即四端网络给定后，就可以求出它们来2。2.3.2 四端网络的特性（影像）阻抗1.特性阻抗的意义由前面的讨论我们知道，一个滤波器在其通带内，应具有尽可能小的衰减，这就要求滤波器的输入阻抗与电源内阻尽可能相等。另外与传输线相接的四端网络，也要求其输入阻抗要尽可能等于传输线的阻抗（以减少串话）。这就引出了这样一个问题，当给定一个四端网络后，是否存在这样两个阻抗，把它们分别接到四端网络的输入端和输出端时，入端和出端都是匹配的，如图23所示，即：Zsr1=Zc1,Zsr2=Zc2。只要四端网络给定后，就可以算出这两个特殊的阻抗值Zc1和Zc2。通常我们将这两个特殊的阻抗值称为四端网络的特性阻抗，用符号Zc表示，在11端的记为Zc1，叫11，端的特性阻抗，在22端的记为Zc2,叫22端的特性阻抗。 图23 四端网络的特性阻抗示意图总的来说，四端网络的特性阻抗Zc1和Zc2是四端网络的两个“指标”，它表明要使该四端网络两端都处于匹配状态时，在两端分别应该联接的阻抗值。2.特性阻抗值的计算当四端网络已给定时，可以用下式来计算其阻抗特性： ZC1 = ZC2 = （22）式中，Z01Z1分别为11端的短路和开路阻抗；Z02Z2分别为22端的短路和开路阻抗。即，四端网络的特性阻抗等于其短路阻抗和开路阻抗的几何平均值。现在以图24,25为例，计算其特性阻抗值。 图24 型四端网络对图24的型四端网络有： Z01 = 200, Z=800 Z02 = Z2 = 600可得 即，这个型四端网络的特性阻抗分别为400和300。它表明要使该网络两端都匹配时，11就应接上400电阻而在22端应接上300电阻。 图25 对称T型四端网络对图25的对称T型有：可得 即该对称T型四端网络两侧的特性阻抗都是600。由于四端网络的开路阻抗和短路阻抗计算和测量都很方便，所以公式22是计算或测量四端网络特性阻抗的常用公式。2.3.3 四端网络的固有传输常数在讨论四端网络的固有传输常数以前，先介绍一下四端网络的工作传输常数，因为二者是紧密相关的，固有传输常数就是特定负载情况下的工作传输常数3。1.四端网络的工作传输常数四端网络的工作传输常数是工作衰减和工作相移的总称。在图26，27中，将电源内阻和四端网络的负载推广为一般的阻抗Zi和ZL。则工作衰减的定义仍然是式中，Pm=I0U0,为电源终接相等负载时电源所供出的功率；P2=I2U2,为经过四端网络后负载上所得到的功率。我们知道，工作衰减的数值除了与四端网络本身有关以外，还与电源内阻Zi和负载电阻ZL有关，即Zi、ZL的数值不同时，其值也不同。 图26 四端网络工作衰减图 图27 四端网络工作相移图如果在式23中，包括进电流电压的相角，即用复数的电流和电压，就叫做工作传输常数g，它的实部就是工作衰减a，其虚部就是工作相移b，即 （23）相移b的意义是，四端网络负载ZL上电流I2和电压U2的平均相位比和的落后了多少。如果电源内阻和负载电阻都是纯电阻和，则工作相移的意义就更明显了，注意到这时与是同相的，即另外与也是同相的，而且也与电源电势同相，即所以，这时工作相移的意义就是输出电压的相位比电源电势的相位落后了多少，即 也就是说信号经过四端网络后，其电压或电流的相位比入端电势的相位落后了多少。 一般来说，描述一个传输系统传输效果的是工作传输常数，但对载波电话来说，由于人耳对相移的反应迟钝，所以在载波电话通信中，一般对工作相移考虑不多，只着重考虑工作衰减性。2.四端网络的固有传输常数我们知道，一个网络的传输特性通常是用工作传输常数（包括工作衰减和工作相移）来衡量，而且工作传输常数除了与四端网络有关以外还与电源内阻和负载阻抗有关。前面还谈到，一些四端网络（如滤波器等）在信号传输的频带内应尽可能地与电源内阻和负载阻抗相匹配，即电源内阻应等于或接近于特性阻抗Zc1，而负载阻抗应等于或接近于特性阻抗Zc2。所以计算和了解四端网络在两端都匹配时的工作传输常数就有特别重要的意义。为此，就把四端网络在两端都匹配时（即电源内阻等于Zc1，负载阻抗等于Zc2时）的工作传输常数定名为固有传输常数，用符号g0表示，与工作传输常数一样，其实部叫固有衰减，用a0表示，其虚部叫固有相移，用符号b0表示。即或 由上可知，固有传输常数g0就是两端都匹配时的工作传输常数，固有衰减a0就是两端都匹配时的工作衰减，固有相移b0就是两端都匹配时的工作相移。固有传输常数g0也可以直接用电流电压的形式来表示，在图28中，令 图28 四端网络的固有传输常数图Zi=Zc1和ZL=Zc2则有 由于匹配四端网络11端的输入阻抗Zsr1就等于Zc1，所以有I1=I0 ，U1=U0因此g0又可以写作： 这也是比较常用的表示式，许多书上就直接用该式来定义固有传输常数。由上式还可以看到，求四端网络的g0时只需要负载一端影像匹配（即ZL=Zc2）就可以了。式中的电流电压应是四端网络负载端或两端都影像匹配时的电流电压。3.固有传输常数g0的计算当四端网络给出以后就可以计算出它的固有传输常数g0。这也是容易理解的，因为虽然工作传输常数g与四端网络本身以及电源内阻和负载阻抗都有关系，不能仅仅由四端网络本身来决定，但是g0是两端都匹配时的工作传输常数，这时的电源内阻就等于Zc1，负载阻抗就等于Zc2 ，注意到Zc1，Zc2都是由四端网络本身所决定的，所以归根结蒂，g0只决定于四端网络本身。这就为g0的计算提供了极大的方便，这也是为什么要专门引出g0的一个重要原因9。与特性阻抗的计算一样，比较方便的方法仍然是通过网络的开路阻抗和短路阻抗来计算，可以证明网络的固有传输常数： （24）式中Z0和Z分别为四端网络11端的短路和开路阻抗。第3章 四端网络的匹配链接及影像参数3.1 匹配链接网络的影像参数四端网络的链接在实际上极为常见，如衰减器，滤波器，均衡器等四端网络通常都要链接起来使用。特别是后面要介绍的用影响参数法设计的滤波器本身，就是由许多简单的滤波电路（称为基本节）链接组成的。现在要回答的问题是，如果各个单个的四端网络的影像参数都已知道，把它们链接起来以后总网络的影像参数应等于多少？这个问题的答案在一般情况下是比较复杂的，但是当满足一定条件时（链接点两侧的特性阻抗相等），答案就非常简单。3.2 常用四端网络的影像参数3.2.1 型四端网络图31中11端的特性阻抗通常用ZT(因是T型侧)表示；22端的特性阻抗通常用Z(因是型侧)表示；固有传输常数用g0r=a0r+jb0r表示。 图31 型的平衡电路先求出其开路阻抗为：Z01 = Z1带入式22和24中得： 这些公式对型的平衡电路同样有效。3.2.2 对称T型四端网络 对称T型四端网络的四端网络影像参数可以用上面同样的方法来求出，即先求出开短路阻抗，在带入式22和24求得。但是更简单的方法是把对称T型看作是两个相同的型四端网络在侧匹配链接组成，可得的影像参数为：上式对T型平衡电路同样适用。3.2.3 对称型四端网络求图32对称型四端网络的四端网络影像参数的方法，仍然是把看成是两个相同的型四端网络在侧匹配链接组成，可看出其特性阻抗和固有传输常数分别为： 图32 对称型四端网络3.2.4 桥型四端网络桥型四端网络其开短路阻抗为： .带入式22和24得： 3.2.5 对称桥T型四端网络图33为一个对称桥T型四端网络。在实用中，这种电路往往选择阻抗Z1和Z2，使满足： 关系。下面就来求该网络的影像参数。 图33 对称T型四端网络这里直接用影像参数的定义来求比较方便。很明显，当负载阻抗时，此时11端的输入阻抗为： 由于当时，有的关系，所以该桥T型网络的特性阻抗就等于R，即 固有传输常数g0为： （31）这种桥T型网络的一个特殊优点，就是它的特性阻抗是一个不随频率变的纯电阻R，极便于多个网络的匹配链接。它是幅度均衡器的主要结构形式。由于它的特性阻抗为定值R，所以又叫做定阻型网络。式31对平衡电路同样有效。第4章 衰耗器4.1 衰耗器电阻四端网络4.1.1 衰耗器的用途目前使用的衰减器通常由无源电阻网络构成，高频时存在寄生参数、匹配等问题，无源电阻网络构成的衰减器无法适用于UW 电路B。因此，提出了有源衰减器9。目前，大多数有源衰减器都是基于CMOS工艺。一种以SiGe HBT为有源器件的有源可调衰减器，它利用SiGe HBT频率特性好、增益大且线性可调、线性度高等特点，在超宽带内实现了宽增益调节范围和高线性度。详细分析了有源衰减器的最小插入损耗（IL）和 最 大 衰 减 量，通 过 选 择 合 适 的SiGe HBT有源器件，采用Jazz 0.35SiGe HBT工艺，完成了超宽带有源可调衰减器的设计10。衰耗器是由电阻组成的纯电阻四端网络，虽然比较简单，但是在电信技术中应用很广泛。其主要用途是：（1）调节电路的信号电平。在长途载波机中，为了使各部件在正常电平下工作以保证通信质量，有时要用衰耗器来调节电平。（2）衰耗器还可以用来缓冲阻抗变化的影响和改善阻抗匹配4。（3）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。（4）去耦元件: 作为振荡器与负载之间的去耦合元件。（5）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器,平时不引入衰减,遇到外界干扰时,突然加大衰减。 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,必须明确功率容量5。衰减器是在指定的频率范围内，一种用以引入一预定衰减的电路。一般以所引入衰减的分贝数及其特性阻抗的欧姆数来标明。在有线电视系统里广泛使用衰减器以便满足多端口对电平的要求。如放大器的输入端、输出端电平的控制、分支衰减量的控制。衰减器有无源衰减器和有源衰减器两种。有源衰减器与其他热敏元件相配合组成可变衰减器，装置在放大器内用于自动增益或斜率控制电路中。无源衰减器有固定衰减器和可调衰减器。衰减器的工作频带是指在给定频率范围内使用衰减器，衰减器才能达到指标值。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。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。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，必须明确功率容量。完全用纯电阻组成的四端网络叫衰减器、衰耗器或匹配衰减器。它只有固有衰减,没有固有相移,其衰减常数和特性阻抗都不随频率而变化。4.1.2 衰耗器的影像参数衰耗器通常用在通信通路中，以提供一定大小的衰减或变换网络的阻抗，一般用影响参数来表示它们的特性比较方便它们常用的结构有T型、型、型和桥T型几种。4.1.3 衰耗器元件值的计算在实际工作中常常碰到这样的问题，要求在内阻为Ri的电源和负载RL之间加一个衰耗器，以提供某一数值的工作衰减，应如何来设计这个衰耗器。由上面的讨论可知，比较方便的方法就是衰耗器的特性阻抗分别等于Ri和RL即Zc1=Ri， Zc2=RL和使衰耗器的固有衰减a0等于所要求的工作衰减值。所以这个问题就转化为按要求的影像参数求电路元件值的问题了。其推导过程以T型衰减器为例来说明。 (41) (42) 将42改写成 或 (43) 令41和43两式相乘得： (44) 以式41除式43得： (45) 将式44代入45并整理可得： (46) 式44和式46就是T型衰减器的元件计算公式。 4.2 衰耗器设计中的一些问题4.2.1 电路结构形式的选择对于给定的特性阻抗和固有衰减的要求，可以用不同的电路来实现。究竟选用哪一个比较好，应由哪些因素来考虑，这就是要讨论的问题。1.平衡式和不平衡式的选用一般要根据与衰减器相连接的网络来确定，如果其前后的网络都是平衡的，则衰减器也要用平衡结构。如果其前后的网络都是不平衡的，则衰减器也要用不平衡的，否则就容易受到外界的干扰6。2.T型和型电路的选择由上面例子可以看出，特性阻抗和固有衰减相同的T型、型衰减器，T型平衡电路需有五个元件，型平衡电路只需四个元件；其不平衡电路虽然元件数目相同，但T型的元件值比型的要小，故在实用电路中，为了经济起见，平衡电路的衰减器大多选用型结构。不平衡电路的衰减器，如果用线绕电阻元件时，大多选用T型结构。若用其他类型的电阻，则T型和型都可以。集总参数衰减器： T型衰减器 型衰减器4.2.2 型衰减器的设计问题型衰减器的特性阻抗和固有衰减计算公式为： 如果已知数是ZT、Z和a0，待求量是R1和R2，根据代数学知识，由于方程式数目多于未知量的数目，这个方程组不可解，即得不出能同时满足这三个方程R1和R2值。因此，我们只能按两个要求来确定R1和R2的值。一般是根据特性阻抗的要求即由指定的ZT和Z去求R1和R2。联立前两个式子可得： =其固有衰减a0就由所求出的R1R2决定了，其值为：所以，型衰减器主要作阻抗变换用。一般对它只提特性阻抗要求，不提固有衰减要求。如果既要求不同的特性阻抗ZT，Z。又要求一定数值的固有衰减a0，一般可以这样来处理，先按ZT，Z的要求，算出一个型衰减器，并算出其固有衰减值a。在计算一个T型衰减器其特性阻抗为ZT，其固有衰减为aT。将这两个衰减器在端匹配链接，得出所要求的衰减器如图41所示。当然也可以直接用不对称T型衰减器来实现。 图41 型衰减器4.2.3 高衰减值衰减器的构成当衰减值愈大时，衰减器的串臂电阻也愈大，而并臂电阻就愈小（这由降压分流的概念也容易理解）。电阻数值太小了，就不容易作准确。所以衰减值较大的衰减器，通常由两个以上的衰减器链接起来使用。图42为Zc=600欧，a0=11奈的T型衰减器，其并臂电阻只有0.02欧，就不易做准确。为此可用两个Zc=600欧，a0=5.5奈的T型衰减器匹配链接起来组成如图43,这时并臂电阻就增大到49欧了。 图42 T型衰减器的匹配链接 图43 T型衰减器的匹配链接4.2.4 可变衰耗器的概念衰减值可以改变的衰减器，称为可变衰减器。它通常用在载波机中需要调节信号电平的地方和仪表中。对它的要求是固有衰减值可以改变，但特性阻抗应保持不变（这样才能保证与外电路的匹配链接）。 可变光衰减器（Variable Optical AttenuatorVOA）广泛应用于光纤通信系统、有线电视、工业、军事及航天等各领域中，其作用是通过对电场的控制快速实现输出激光光功率的控制。 现有的可变光衰减技术主要有可调衍射光栅技术、MEMS 技术、液晶技术、磁光技术平面光波导技术等。随着光通信技术的快速发展，新的密集波分复用（DWDM）高速通信系统对可变光衰减器提出了快速响应和集成阵列化等一系列新的要求。 目前不管是已经商品化的还是研发成功的衰减器，响应速度大都约为微秒量级7。 图44是T型可变衰减器的原理图。当要求它的特性阻抗Zc=600，固有衰减为0.1N、0.2N、0.3N、0.4N、0.5N时，其电阻R1和R2/2之值如表41所示。这种电路需要三个可变元件。表41 电阻R1和R2/2之值档12345a(N)0.10.20.30.40.5R1（）3059.8289.34118.44146.94R2（）59892980194914611151 图44 T型可变衰减器的原理图桥T型可变衰减器，在固定衰减器中由于它比T型（或型）多需要一个元件，一般很少采用。但因为桥T型的特性阻抗ZC(=R)保持不变的情况下，如要改变其固有衰减值，只需改变R1和R2就可以了，比T型（或型）少一个可变元件。所以在实验室中用的，许多是采用这种结构。 采用这种可变衰减器电路的优点是，电路中只有两个可变化部分，而R为固定电阻，可以避免因旋钮换档时，由于旋钮触点接触不良而引起电路中断现象。 4.2.5 功率衰减器的构成构成射频/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大功率衰减器种基本形式，由此形成的电阻衰减器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。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。其用途是在微波超外差接收机中对本振输出功率进行控制，获得光敏衰减器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；作为振荡器与负载之间的去耦合元件；作为比较功率电平的相对标准；是一种衰减量能突变的可变衰减器，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。1功率衰减器的技术指标：功率衰减器是在指定的频率范围内，一种用以引入一预定衰减的电路。一般以所引入衰减的分贝数及其特性阻衰减器抗的欧姆数来标明。在有线电视系统里广泛使用衰减器以便满足多端口对电平的要求。如放大器的输入端、输出端电平的控制、分支衰减量的控制。衰减器有无源衰减器和有源衰减器两种。有源衰减器与其他热敏元件相配合组成可变衰减器，装置在放大器内用于自动增益或斜率控制电路中。无源衰减器有固定衰减器和可调衰减器。（1）工作频带：功率衰减器的工作频带是指在给定频率范围内使用衰减器，衰减器才能达到指标值。由于射频/微波数字衰减器结构与频率有关，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。（2）衰减量：无论形成功率衰减的机理和具体结构如何，总是可以用下图所示的两端口网络来描述衰减器。 信号输入端的功率为P1，而输出端得功率为P2，衰减器的功率衰减量为A。若P1 ，P2 以分贝毫瓦表示，则两端功率间的关系为：P2P1A（dB），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：功率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，必须明确功率容量。（4）回波损耗：回波损耗就是功率衰减器的驻波比，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。（5）功率系数：当输入功率从10mW变化到额定功率时，衰减量的变化系数表示为dB/（dB*W）。衰减量的变化值的具体算法是将系数乘以总衰减量功率（W）。如：一个功率容量50W，标称衰减量为40dB的衰减器的功率系数为0.001dB/（dB*W），意味着输入功率从10mW加到50W时，其衰减量会变化0.001*40*50=2dB之多。2.功率衰减器的相关参数：（1）衰减：用于描述传输过程中从一端到另一端的信号减少的量值。可用倍数或同轴衰减器分贝数来表达。（2）VSWR：等于特性阻抗与连接在传输线输出端的负载阻抗的比值。（3）最大平均功率：在衰减器输出端接特性阻抗时，在指定的最高工作温度上可长期加到衰减器输入端的最大功率。当工作温度降至20&C，输入功率降到10mW时，衰减器的其它指标不应该发生变化。（4）插入损耗的功率系数：当输入功率从10mW到额定功率时，插入损耗的变化值（dB）。（5）最大峰值功率：在衰减器输出端接特性阻抗时，在指定的最高工作温度上，在指定的时间内，加到衰减器输入端的5ms脉冲宽度最大峰值功率。当工作温度降至20摄氏度，输入功率降到10mW时，衰减器的其它指标不应该发生变化。（6）温度系数：在最大工作温度范围内插入损耗的最大变化，用摄氏度表示。 （7）冲击和振动：衰减器必须承受三个方向的冲击和振动试验。（8）插入损耗的频率响应：在20摄氏度时，整个频率范围内损耗值的变化量（dB）。（9）工作温度上限：衰减器工作在最大输入功率时的最高温度。（10）标称插入损耗的偏差：在20摄氏度，输入功率10mW时测得的插入损耗和标称值的偏差。（11）接头寿命： 正常连接/断开的次数；在规定的寿命内所有的电气和机械指标应该满足指标要求。（12）互调失真：互调失真由杂散信号组成，它是由于器件中的非线性因素而产生的。尤其需要关注的是三阶互调失真，因为三阶互调产物最大而且不可被滤除。三阶互调电平的测试方法是将二个等幅的纯净信号（f1和f2）注入到被测器件中，三阶互调将出现在输出频谱的2f1f2和2f2f1处。三阶互调产物由相对于f1或f2的大小来定义。第5章 衰减器的传输计算5.1 中分定理和等效四端网络5.1.1 中分定理如图45的对称型四端网络，可以看成是两个完全相同的半节网络的链接。由于这两个半节四端网络是匹配链接的，所以根据四端网络匹配链接时分网络与总网络间影像参数之间的关系，可求得型网络的影像参数为：其中，和为型半节的短路和开路阻抗。图45 对称型四端网络以上的方法还可以推广到一般的对称四端网络，这时公式将写作：式中，为半节网络的短路阻抗；为半节网络的开路阻抗。一个对称网络的影像参数，可以由中分出的半节网络的开路阻抗和短路阻抗按式求得。应用中分定理时应注意，必须是对称的四端网络才能应用中分定理。如果中剖处有交叉连接线时，还要要求网络是平衡的，并且交叉通过网络中心点。5.1.2 等效四端网络按某种要求设计出来的四端网络，有时由于其电路结构形式不好或者元件值过小或过大，不易实现，因而需要将它变换成为另一种结构形式的四端网络，但是经变换后的四端网络应该保持原四端网络的特性，即将它代替原四端网络接到电路中时，外电路中的电流电压分布不会改变。这种结构及元件值不同，但特性相同的四端网络就是原四端网络的等效四端网络。当然，等效是相互的，也可以说原四端网络是变换后的等效四端网络8。例如在前面讲过的衰减器设计中，当给出对称衰减器的特性阻抗Zc和它的固有衰减a0后，可以设计成T型、型或桥T型。它们的电路结构，元件值都不相同，但是它们的特性是相同的，可以相互代用，它们互为等效四端网络。因为四端网络的影像参数就是表征四端网络特性的量，所以两个四端网络的影像参数相同，其特性也必然相同。因此两个四端网络等效的条件就是它们的影像参数相同。当然两个四端网络的实验参数相同也是等效的，因为实验参数相同时，其影像参数也必然相同。对于一般的四端网络，如何求它的等效网络？参数是和四端网络各臂阻抗有关的。因为等效网络的参数要相同，所以可以找出两个等效网络各臂阻抗之间的关系，求出互相等效的条件。如图46所示T型网络的各臂阻抗Z1、Z2、Z3为已知，求等效型网络的各臂阻抗Za、Zb、Zc。根据一套参数相等，来找他们之间的关系，由于开、短路阻抗和各臂阻抗之间的关系较简单，所以通过开、短路阻抗这套参数相等来求二者等效的条件。由Z01相等可得: 由相等可得: 由Z02相等可得: 由相等可得: 这四个式子中有三个是独立的可以解出三个未知数得： 图46 对称四端网络5.2 四端网络的传输方程和参数5.2.1 四端网络的传输方程式和A参数与二端网络的情况相似，对图47所示的四端网络，我们主要关心的也是其外部端子上的电流电压关系。不论四端网络内部结构是复杂还是简单，其外部端子上的电流电压之间总具有如下简单的关系式。式中的ABCD系数，只决定于四端网络本身的结构与元件阻抗值，叫做四端网络的A参数（或链参数）。当四端网络给出后，就可以把它们求出来。图47 四端网络图48 对称T型的四端网络在图48中，该不对称T型四端网络连接在内阻为、电动势为的电源和负载阻抗之间。设输入端（11端）的电压为，电流为，输出端（22端）的电压为，电流为，则可以写出下列回路方程式： （47）因为将它带入式47，整理后得，将方程中、前的系数用A、B、C、D表示，即令 （48） 就得出了： 方程式中的系数叫做四端网络参数，由式48可知它的数值只和四端网络内部结构及各元件阻抗有关，即只由四端网络本身所决定。用参数来表示网络特性的优点就在于它具有比较简单的表达形式，也就是说，不管四端网络有多复杂，他都可以只用几个参数来代表其特性，这样就可以使四端网络的研究大为简化。5.2.2 求A参数的方法求不对称型四端网络的A参数。将不对称型四端网络接在内阻为，电势为的电源和负载之间，如图49所示。 图49 不对称型四端网络根据回路方程式可写出： （49） 将，及 带入式49中，可得：不对称型四端网络的A参数为：对于对称型四端网络而言，由Z2=Z3可得：用开、短路求A参数的方法是由分析四端网络传输方程式得出，对于图49：当22端开路时，, 当22端短路时，, 由上可知，A参数的物理意义为：A开路电压比B短路转移阻抗C开路转移导纳D短路电流比四端网络的A参数可以直接用网络开短路的方法来求。下面举例说明。如图所示四端网络，将22端开路，这时， ， 再将22端短路，这时， =0。即对于只有串臂Z1的四端网络其A参数为：A1=1， B1=Z1， C1=0， D1=1同理可求得只有并臂Z2的四端网络的A参数为：A2=1， B2=0， C2=1/Z2， D2=15.2.3 A参数与实验参数，以及用影像参数表示的传输方程式A参数与实验参数之间的关系如下：， ， （410）可以用A参数表示的传输方程来求出这关系。如图410所示四端网络，其用A参数表示的传输方程式为：由传输方程式知，当网络的22端短路时，即时有： 当网络22端开路时，有：当网络11端开路时，有：当网络11端开路时，有： （411）以上就是用A参数表示开、短路阻抗公式。图410 四端网络将式410代入实验参数与影像参数的关系式，就可得出A参数与影像参数的关系： 由ADBC=1，这就是用A参数表示影像参数的公式。结 论近几十年来，随着电子通信行业的迅猛兴起和高速发展，个累无源电子器件产品蜂拥出现。无源器件和有源器件作为各类电子信息产品的基础，是集成电路的核心部件。多路通信衰耗器作为一种能量损耗性元件，广泛应用于无源网络，它可以用于调节电路的信号电平保证通信质量，模拟长距离传输的线路损耗，在微波接收机中实现自动增益，改善动态范围，还可以用来缓冲阻抗变化的影像和改善阻抗匹配。衰耗器接于信号源和负载之间，衰耗器是由电阻元件组成的四端网络，它的特性阻抗、衰减都是与频率无关的常数，相位等于零。衰耗器通常用在通信通路中，以提供一定大小的衰减或变换网络的阻抗，一般用影像参数来表示它们的特性比较方便。在实际应用中，有固定衰耗器和可变衰耗器两大类。衰减器是一种能量