第3讲-功率衰减器

1、第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 4.1 功率衰减器的原理功率衰减器的原理4.2 集总参数衰减器集总参数衰减器4.3 分布参数衰减器分布参数衰减器4.4 PIN二极管电调衰减器二极管电调衰减器4.5 步进式衰减器步进式衰减器第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 4.1 功率衰减器的原理功率衰减器的原理4.1.1 衰减器的技术指标衰减量无论形成功率衰减的机理和具体结构如何,总是可以用图4-1 所示的两端口网络来描述衰减器。图 4-1 功率衰减器 功率衰减器A(dB)P1P212若P1、P2以分贝毫瓦（dBm）表示,则两端功率间的关系为P2(dBm)=P1

2、(dBm)-A (dB)即)()(lg10)(12mWPmWPdBA第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 4.1.1 衰减器的技术指标工作频带、功率容量、回波损耗 工作频带工作频带是指在给定频率范围内使用衰减器,衰减量才能达到指标值。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。 衰减器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。 回波损耗回波损耗就是衰减器的驻波比

3、,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。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 4.1.2 衰减器的基本构成 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种基本形式,由此形成的电阻衰减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

4、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。下面介绍各种衰减器的原理和设计方法。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 4.1.3 衰减器的主要用途衰减器有以下基本用途： (1)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。(2)去耦元件: 作为振荡器与负载之间的去耦合元件。(3)相对标准: 作为比较功率电平的相对标准。(4)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

5、时,突然加大衰减。 (5)有效抑制天线副瓣：在自适应阵列天线中，每路信号的幅度和相位通过放置在功率放大器前的衰减器和移相器独立调节和控制，从而天线波束能够实现电扫描的功能。 第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 4.2 4.2 集总参数衰减器集总参数衰减器利用电阻构成的T型或型网络实现集总参数衰减器,通常情况下,衰减量是固定的,由三个电阻值决定。电阻网络兼有阻抗匹配或变换作用。两种电路拓扑如图4-2所示。图中Z1、 Z2是电路输入端、 输出端的特性阻抗。根据电路两端使用的阻抗不同,可分为同阻式和异阻式两种情况。 Rs1Rs2RpZ1Z2RsRp1Z1Z2Rp2(a)(b)图 4-2 功率衰减器

6、(a) T型功率衰减器； (b) 型功率衰减器第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 4.2.1 同阻式集总参数衰减器同阻式衰减器两端的阻抗相同,即Z1Z2,不需要考虑阻抗变换。 直接应用网络级联的办法求出衰减量与各电阻值的关系。我们可以利用三个可以利用三个A参数矩阵相乘的办法求出参数矩阵相乘的办法求出衰减器的衰减器的A参数矩阵参数矩阵,再换算成再换算成S矩阵矩阵,再利用衰再利用衰减量为减量为20lg|s21|(dB),端口匹配端口匹配10lg|s11|=-的关系，就能得的关系，就能得到衰减量与各电阻值的关系。到衰减量与各电阻值的关系。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 10111sRRaS

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

8、功率衰减器 2. 型同阻式（Z1=Z2=Z0，取Rp1=Rp2）112110021010ZRRZRppsA第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 4.2.2 异阻式集总参数衰减器设计异阻式集总参数衰减器时,级联后要考虑阻抗变换。下面分别给出两种衰减器的计算公式。 1. T型异阻式pspspARaZRRaZRZZR1111121022112110（4-8） 第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 2. 型异阻式1221112110111111112110spsppARaZRRaZRZZR（4-9）第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 4.2.3 集总参数衰减器设计实例 设计一个5dB T型同阻式（Z

9、1=Z2=50）固定衰减器。步骤一: 同阻式集总参数衰减器A=-5dB,计算元件参数:01.141124.821210021010aZRRZRsspA第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 步骤二: 画出电路图,仿真衰减器特性。 第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 产品效果图第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 课堂练习验证同阻式衰减器的计算公式第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 扇形电阻衰减器研究*注：何小兵等. 扇形电阻衰减器研究. 仪器仪表学报. 2010.31(8s)扇元结构扇形衰减网络结构第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 在大衰减比小的加工优势：第第4 4章章 功率衰减器功率衰

10、减器 4.3 4.3 分布参数衰减器分布参数衰减器4.3.1 同轴型衰减器1. 吸收式衰减器：内外导体间电阻性介质填充填充、内导体串联串联电阻和带状线带状线衰减器转换为同轴形式。衰减量的大小与电阻材料的性质和体积有关。(a)(b)(c) 图 4-9 三种同轴结构吸收式衰减器 （a） 填充; （b） 串联; （c） 带状线第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 2. 截止式衰减器：用截止波导制成，它是根据当工作波长远大于截止波长c时,电磁波的幅度在波导中按指数规律衰减的特性来实现衰减的。圆形截止波导l输入同轴线输出同轴线圆形截止波导图 4-10截止式衰减器第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 4.

11、3.2 波导型衰减器 1. 吸收式衰减器 在波导中平行于电场方向放置平行于电场方向放置具有一定衰减量的吸收片组成的。 有损耗性薄膜或介质表面有定电阻,所以沿其表面的电磁波电场切向分量,将在其上引起传导电流引起传导电流,形成焦耳热损耗并以热能的形式散发掉。 只要控制衰减器衰减量控制衰减器衰减量,信号经过衰减器后就被减弱到所需电平。 分为固定式固定式和可变式可变式。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 吸收片的位置和面积固定不变通过传动机构来改变衰减片的位置或面积,实现衰减量的改变吸收片沿横向移动的衰减器,在吸收片移到电场最大处,吸收的能量最多,衰减量最大,在贴近窄壁时衰减量小片的位移可由外附的机

12、械微测装置读出, 它与衰减量的关系需应用实验方法借助于精密的衰减标准作出定标校正曲线。衰减量与旋入波导内的面积成正比。起始衰减为零分贝,此时不影响波导内波的传输。在刀片旋入时,由于不附加任何支撑物于波导内,因此,输入驻波比很接近于1。设计合适的刀片形状可以实现衰减量与机械转角或深度读数之间接近线性关系。少量电磁能量从波导中漏出。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 刀型衰减器*沈长圣等. 高功率矩形波导可调衰减器的仿真设计与实验. 东南大学学报. 2008,38(4)第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 不同形状聚四氟乙烯外壳的衰减器对电压驻波比的影响第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 衰减

13、量与插入深度的仿真曲线电压驻波比与插入深度的仿真曲线第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 高功率微波衰减器装置第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 衰减量与插入深度的实验曲线电压驻波比与插入深度的实验曲线第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 2. 极化吸收式衰减器： 是一种精密衰减器,由三三段波导段波导组成。两端是固定的过渡段,中间是可以转动的圆柱波导。 在每段波导中部沿轴向放置厚度极薄的能完全吸收与其平行的切向电场的吸收片吸收片。 圆柱波导旋转的角度旋转的角度可以用精密传动系统测量并显示出来,角度的变化也就是极化面的变化。12输入段旋转段输出段E入E入E出吸收片1E|cos吸收片2旋转段输出

14、段吸收片3E|cos第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 4.3.3 微带型衰减器在微带线的表面镀膜一层电阻材料即可实现衰减,也可用涂覆方法实现衰减。近代常用吸波橡胶材料,将其裁剪至合适尺寸,用胶粘到电路上。在微波有源电路的调整中,会用到吸波材料消除高次模、 谐杂波影响, 控制组件泄露等。4.3.4 匹配负载匹配负载是个单口网络,实现匹配的原理与衰减的原理相同。通常,衰减器是部分吸收能量,匹配负载是全吸收负载,而且频带足够宽。图4-13是波导、同轴和微带三种匹配负载结构的示意图。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 图4-13 波导、 同轴和微带匹配负载结构(a)(b)(c)第第4 4章章 功

15、率衰减器功率衰减器 高功率微波矩形波导衰减器*赵紫正等.高功率微波矩形波导衰减器的设计与实验. 电子测量与仪器学报. 2010,24(9)衰减原理衰减原理：将微波功率通过衰减材料的吸收而转化为热量,因此衰减材料的选择决定功率衰减量的大小。衰减液的选择主要应该考虑以下几个因素:1)衰减液介电特性能满足大衰减量要求;2)波段内稳定的频响特性,以满足宽频带定量衰减;3)具备良好的热传导性能,能迅速将微波衰减所产生的热量及时从波导中传导出去。4)对金属的腐蚀性小。选择1%浓度硫酸钠溶液作为波导衰减器的衰减液。第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 衰减器CST计算模型衰减量计算结果第第4 4章章 功率衰

16、减器功率衰减器 8为波导衰减器9为温度传感器10为直流水泵11为流量传感器12为螺旋板式换热器13为水箱14为控制电路15为硅胶管第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 4.4 PIN4.4 PIN二极管电调衰减器二极管电调衰减器 4.4.1 PIN二极管 如图4-14所示,PIN二极管就是在重掺杂P+、 N+之间夹了一段较长的本征半导体所形成的半导体器件,中间I层长度为几到几十微米。图 4-14 PIN二极管结构示意PIN第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 1. 直流偏置在零偏与反偏零偏与反偏下,PIN管均不能导通,呈现大电阻。正偏正偏时,P+、N+分别从两端向I区注入载流子,它们到达中间区

17、域复合。PIN管一直呈现导通状态,偏压（流）越大,载流子数目越多,正向电阻越小。2. 交流信号作用下的阻抗特性频率较低频率较低时,正向导电,反向截止, 具有整流特性。频率较高频率较高时,正半周来不及复合,负半周不能完全抽空,I区总有一定的载流子维持导通。小信号小信号时I区的载流子少,大信号大信号时I区的载流子多。 所以,高频大信号时电阻大高频大信号时电阻大, ,小信号时电阻小小信号时电阻小。 第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 3. PIN二极管的特性 直流反偏时，对微波信号呈现很高的阻抗，正偏时呈现很低的阻抗。可用小的直流（低频）功率控制微波信号可用小的直流（低频）功率控制微波信号的通断的

18、通断，用作开关、 数字移相等。 直流从零到正偏连续增加时,对微波信号呈现一个线性电对微波信号呈现一个线性电阻阻，变化范围从几兆欧到几欧姆，用作可调衰减器。 只有微波信号时,I区的信号积累与微波功率有关，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。 大功率低频整流器大功率低频整流器，I区的存在使得承受功率比普通整流管大的多。 第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 4.4.2 电调衰减器利用利用PINPIN管正偏电阻随电流变化这一特点管正偏电阻随电流变化这一特点,调节偏流改变电阻,可以控制PIN开关插入衰减量。输出控制信号输入PIN 管1. 单管电调衰减器： 在微带线中打孔并接一个P

19、IN管,改变控制信号就可改变输出功率的大小。这种结构的衰减器输入电压驻波比大。 图 4-15微带单管电调衰减器第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 2. 3dB定向耦合器型衰减器微波功率从1口输入,分两路从2、3口反射后从4口叠加输出。若2、3口匹配，则4口无输出。若2、3口全反射,则4口输出最大。同步调节两只管子偏流,可以改变4口输出功率。 3分贝定向耦合器偏置输出输入PINPINPoutPin1423Z0Z0图4-16 3dB定向耦合器型衰减器的原理和微带结构第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器 3. 吸收阵列式电调衰减器 利用多个PIN管合理布置可制成频带宽、 动态范围大、驻波比小、功率容量大的阵列式电调衰减器,如图4-17所示。图 4-17 阵列式电调衰减器(a) PIN二极管阵列； (b) 反偏或零偏； (c) 正偏VD1VD2VD3VDn(a)C1C2C3Cn(b)R01R02R03R0n(c)第第4 4章章 功率衰减器功率衰减器