RF Circuit design(Topic 14)常见射频元件课件

RFCircuitDesign:

TheoryandApplicationTOPIC14常见射频/微波器件衰减器（Attenuator

）功率衰减器的原理集总参数衰减器分布参数衰减器PIN二极管电调衰减器步进式衰减器衰减器的主要用途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。去耦元件作为振荡器与负载之间的去耦合元件。相对标准作为比较功率电平的相对标准。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。衰减器的技术指标工作频带衰减量功率容量承受功率不能超过这个极限值，否则会烧毁。回波损耗两端的输入输出驻波比应尽可能小，以避免对两端电路有影响，即两端电路都是匹配的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，关键就是散热设计集总参数衰减器利用电阻构成的T型或П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。根据电路两端使用的阻抗不同，可分为：同阻式异阻式Z1、Z2是电路输入端、输出端的特性阻抗T型和Π型功率衰减器T型同阻式设计（Z1=Z2=Z0）对于T型同阻式衰减器，取Rs1=Rs2。我们可以利用三个［A］参数矩阵相乘的办法求出衰减器的［A］参数矩阵，再换算成［S］矩阵，就能求出它的衰减量。串联电阻和并联电阻的［A］网络参数如右：Rs1的传输矩阵：Rp的传输矩阵：T型同阻式设计（Z1=Z2=Z0）对衰减器的要求是衰减量为20lg|s21|(dB)，端口匹配10lg|s11|=-∞。求解联立方程组就可解得各个阻值。下面就是这种衰减器的设计公式：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。T型异阻式П型异阻式集总参数衰减器设计实例1设计一个5dBT型同阻式（Z1=Z2=50Ω）固定衰减器。解：同阻式集总参数衰减器A=5dB，由设计公式计算元件参数：集总参数衰减器设计实例1仿真结果分析：由上述计算结果画出电路图，在AnsoftDesigner或MicrowaveOffice上可得仿真结果.集总参数衰减器设计实例2设计10dBП型同阻式（Z1=Z2=50Ω）固定衰减器。解：同阻式集总参数衰减器A=10dB，由设计公式计算元件参数：集总参数衰减器设计实例2仿真结果分析：由上述计算结果画出电路图，在AnsoftDesigner或MicrowaveOffice上可得仿真结果.集总参数衰减器设计实例3仿真结果分析：由上述计算结果画出电路图，在AnsoftDesigner或MicrowaveOffice上可得仿真结果.分布参数衰减器同轴型衰减器在同轴系统中，吸收式衰减器的结构有三种形式：内外导体间电阻性介质填充内导体串联电阻带状线衰减器转换为同轴形式（a）填充;（b）串联;（c）带状线波导型衰减器吸收式衰减器最简单的波导吸收式衰减器是在波导中平行于电场方向放置具有一定衰减量的吸收片组成的。根据能够改变吸收片的位置和面积，可分为固定式和可变式。因为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，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，信号经过衰减器后就被减弱到所需电平。吸收式衰减器刀形旋转吸收片衰减器比横向移动吸收片衰减器显得优越，在结构、安装等方面也比较简便。这种形式的衰减器结构简单加工容易，适于成批生产。横向移动式和刀片式衰减器都是粗调式，精度都不高，需要校准曲线才有定量衰减。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。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。同轴和微带中，匹配负载的电阻通常是50Ω，可以用电阻表测量。因此，集总元件电阻可以用来实现窄带匹配负载。微波工程中，用51Ω贴片电阻实现微带匹配负载。波导、同轴和微带匹配负载结构功率分配器功率分配器的基本原理

集总参数功率分配器分布参数功率分配器功率分配器的技术指标插入损耗定义：Ai=A-Ad其中，A是实际测量值。在其他支路端口接匹配负载，测量主路到某一支路间的传输损耗。驻波比每个端口的电压驻波比越小越好。隔离度支路端口间的隔离度是功率分配器的另一个重要指标。如果从每个支路端口输入功率只能从主路端口输出，而不应该从其他支路输出，这就要求支路之间有足够的隔离度。在主路和其他支路都接匹配负载的情况下，i口和j口的隔离度定义为：功率分配器的原理一分为二功率分配器是三端口网络结构。信号输入端的功率为P1，而其他两个输出端口的功率分别为P2和P3。由能量守恒定律可知P1=P2+P3。如果P2(dBm)=P3(dBm)，三端功率间的关系可写成：P2(dBm)=P3(dBm)=Pin(dBm)-3dB功率分配器可分为等分型(P2=P3)和比例型(P2=kP3)两种类型。集总参数等分型功率分配器根据电路使用元件的不同，可分为电阻式和L-C式两种情况。电阻式电路仅利用电阻设计，按结构可分成：△形Y形电阻式二等分功率分配器Z0是电路特性阻抗，确定了Z0后根据上图所标识的电阻即可设计出相应的电阻式功分器。优点：频宽大，布线面积小，设计简单；缺点：功率衰减较大(6dB)集总参数等分型功率分配器L-C式为了减少衰减，利用电感及电容进行设计。按结构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两个输出口的功率不相等。假定一个支路端口与主路端口的功率比为k，可按照下面公式低通式L-C式集总参数比例功率分配器。集总参数功率分配器的设计方法集总参数功率分配器的设计就是要计算出各个电感、电容或电阻的值。可以使用现成软件如AnsoftDesigner、MicrowaveOffice或MathCAD。也可以查手册或手工解析计算。Wilkinson（威尔金森）功率分配器传输线结构和应用微带线制作的功率分配器如右图。其S参量为：P2=P3=P1-3dB，Z0是特性阻抗，λ是信号的波导波长。Wilkinson（威尔金森）功率分配器品质因数：(在端口1和2的回波损耗)端口1和端口2之间的耦合度：端口2和端口3之间的隔离度：Wilkinson（威尔金森）功率分配器考虑一般情况(比例分配输入功率)，设端口3和端口2的输出功率比为k2，即：由于端口1到端口2与端口1到端口3的线长度相等，故端口2的电压U2与端口3的电压U3相等，即U2=U3。端口2和端口3的输出功率与电压的关系为：代入比例关系，可得：威尔金森功率分配器由U2=U3可得：Z2=k2Z3式中，Z2、Z3为端口2和端口3的输入阻抗。若选，则可以满足上式。为了保证端口1匹配，应有：威尔金森功率分配器同时考虑到：则：所以：威尔金森功率分配器为了实现端口2和端口3隔离，即端口2或端口3的反射波不会进入端口3或端口2，可选：在等功率分配的情况下，即P2=P3，k=1，于是：Wilkinson（威尔金森）功率分配器Wilkinson（威尔金森）功率分配器定向耦合器定向耦合器的基本原理

集总参数定向耦合器耦合微带定向耦合器分支线型定向耦合器环形桥定向耦合器定向耦合器的技术指标工作频带定向耦合器的功能实现主要依靠波程相位的关系，也就是说与频率有关。工作频带确定后才能设计满足指标的定向耦合器。插入损耗：主路输出端和主路输入端的功率比值，包括耦合损耗和导体介质的热损耗。定向耦合器的技术指标耦合度:描述耦合输出端口与主路输入端口的比例关系，通常用分贝表示，dB值越大，耦合端口输出功率越小。耦合度的大小由定向耦合器的用途决定。方向性:描述耦合输出端口与耦合支路隔离端口的比例关系。理想情况下，方向性为无限大。隔离度:描述主路输入端口与耦合支路隔离端口的比例关系。理想情况下，隔离度为无限大。描述定向耦合器特性的三个指标间有严格的关系，即方向性＝耦合度-隔离度。定向耦合器的原理定向耦合器是个四端口网络结构。若P1、P2、P3、P4皆用毫瓦（mW）来表示，定向耦合器的四大参数则可定义为：信号输入端1的功率为P1，信号传输端2的功率为P2，信号耦合端3的功率为P3，信号隔离端4的功率为P4。集总参数定向耦合器设计方法常用的集总参数定向耦合器是电感和电容组成的分支线耦合器。其基本结构有两种：低通L-C式高通L-C式集总参数定向耦合器设计方法集总参数定向耦合器的设计步骤如下：确定耦合器的指标，包括耦合系数C(dB)、端口的等效阻抗Z0(Ω)、电路的工作频率fc。利用下列公式计算出k、Z0s及Z0p：集总参数定向耦合器设计方法利用下列公式计算出元件值：低通L-C式：高通L-C式：利用模拟软件检验，再经过微调以满足设计要求。耦合微带定向耦合器平行耦合线耦合器基本原理通常，平行耦合线定向耦合器由主线和辅线构成，两条平行微带的长度为四分之一波长。信号由1口输入，2口输出，4口是耦合口，3口是隔离端口。因为在辅线上耦合输出的方向与主线上波传播的方向相反，故这种形式的定向耦合器也称为“反向定向耦合器”。分支线型定向耦合器原理各个支线在中心频率上是四分之一波导波长，由于微带的波导波长还与阻抗有关，故图中支线与主线的长度不等，阻抗越大，尺寸越长。如果分支线耦合器的各个端口接匹配负载，信号从1口输入，4口没有输出，为隔离端，2口和3口的相位差为90°，功率大小由主线和支线的阻抗决定。环形桥定向耦合器混合环又称环形桥，它的功能与分支线耦合器相似，不同的是两个输出端口的相位差为180°。当信号从端口1输入时，端口4是隔离端，端口2和端口3功率按一定比例反相输出，也就是相位差为180°。当信号从端口4输入时，端口1是隔离端，端口3和端口2功率按一定比例反相输出。同样地，端口2和端口3也是隔离的，无论从哪个口输入信号，