第4章 功率衰减器

第4章 功率衰减器
(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4章 功率衰减器 2. 截止式衰减器 截止式衰减器又称“过极限衰减器”,是用截止波 导制成的。其结构如图 4-10 所示。它是根据当工作 波长远大于截止波长λc 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。
第4章 功率衰减器
Rs1的传输矩阵
1 Rs1 [a] = 0 1
（4-2）
Rp的传输矩阵
1 [a] = 1 / R p
0 1
（4-3）
相乘得
0 1 Rs1 1 Rs1 1 [a] = 0 1 1 / R p 1 0 1 1 + Rs1 / R p 2 Rs1 + R / R p = 1/ R 1 + Rs1 / R p a11 a12 = a21 a22
−1 −1 A 10
第4章 功率衰减器 步骤二: 利用Microwave Office仿真衰减器特性。 由上述计算结果画出电路图,如图4-7所示。
仿真结果如图4-8所示。
第4章 功率衰减器
图4-7 Π型同阻式固定衰减器电路图
第4章 功率衰减器
Graph1 －8 DB(|S[2,1]|) Schematic 1 －9
α +1
= 14.01Ω
第4章 功率衰减器 步骤二: 利用Microwave Office仿真衰减器特 性。由上述计算结果画出电路图,如图进制4-3所示。
图4-3 T型同阻式固定衰减器电路图
第4章 功率衰减器 仿真结果如图4-4所示。
图 4-4仿真结果
第4章 功率衰减器 设计实例二： 设计10dBП型同阻式（Z1=Z2=50Ω）固定衰减器。 步骤一：同阻式集总参数衰减器A=-10dB,由公式 (4-7)计算元件参数:
第4章 功率衰减器
圆刀圆圆圆圆
l 输输输轴输 输输输轴输
圆刀圆圆圆圆
图 4-10截止式衰减器
第4章 功率衰减器 4.3.2 波导型衰减器 1. 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。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。
图4-5 Π型同阻式固定衰减器电路图
第4章 功率衰减器 仿真结果如图4-6所示。
图 4-6仿真结果
第4章 功率衰减器 设计实例三： 设计10dBП型异阻式（Z1=50 Ω,Z2=75Ω）固定 衰减器。 步骤一: 异阻式集总参数衰减器A=-10 dB,由公 式(4-9)计算元件参数:
第4章 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。
A 10
α = 10 = 0.1 α −1 Rp = Z0 = 71.15Ω 2 α α +1
R p1 = R p 2 = Z 0 a −1
= 96.25Ω
第4章 功率衰减器 步骤二: 利用Microwave Office仿真衰减器特性。 由上述计算结果画出电路图,如图4-5所示。
第4章 功率衰减器
A 10
第4章 功率衰减器 2. П型同阻式（Z1=Z2=Z0） 对于图4-2（b）所示П型同阻式衰减器,取Rp1=Rp2, 可 以用上述T型同阻式衰减器的分析和设计方法,过程完全 相同,即利用三个［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, 所得结果由式（4-7）给出。
A 10
α = 10 α −1 Rs = Z 0 2 α α + 1 R p1 = R p 2 = Z 0 α −1
（4-7）
第4章 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
α = 10 2 α Z1 Z 2 Rp = α −1 a +1 Rs1 = Z1 − Rp α −1 a +1 Rs 2 = Z 2 − Rp α −1
A 10
（4-8）
第4章 功率衰减器 2. П型异阻式
α = 10 α − 1 Z1 Z 2 Rp = 2 α −1 −1 1 a +1 1 R p1 = − Z α −1 R s 1 −1 1 a +1 1 Rp2 = − Z α −1 R s 2
第4章 功率衰减器 图4-11给出了最简单的吸收式衰减器: 固定式和可变
式。前者吸收片的位置和面积固定不变,后者可以通过传动 机构来改变衰减片的位置或面积,实现衰减量的改变。吸收 片用陶瓷片、 硅酸盐玻璃、 云母、 纸(布)胶板等作基片, 在上面涂覆或喷镀石墨粉或镍铬合金。基片尽可能薄,要有 一定的强度,以保持平整和不变形。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械微测 装置读出, 它与衰减量的关系不是线性的,有时甚至不是单 调变化的,这与片在不同位置时对横向场型分布影响的程度 来决定。在实际使用这种衰减器前应用实验方法借助于精密 的衰减标准作出定标校正曲线。
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集总参数衰减器 4.2 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。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。
α = 10 = 0.1 α − 1 Z1 Z 2 Rp = = 87.14Ω 2 α
1 a +1 1 R p1 = − = 77.11Ω Z α −1 R s 1 Rp2 1 a +1 1 = − = 207.45Ω Z α −1 R s 2
第4章 功率衰减器 (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 以用图4-1 所示的两端口网络来描述衰减器。
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1 P1
功功功功定 A(dB)
2 P2
图 4-1 功率衰减器
第4章 功率衰减器 图 4-1 中,信号输入端的功率为P1,而输出端的功 率为P2,衰减器的功率衰减量为A（dB）。若P1、P2以分 贝毫瓦（dBm）表示,则两端功率间的关系为 即 P2(dBm)=P1(dBm)-A (dB)
A 10
（4-9）
第4章 功率衰减器 4.2.3 集总参数衰减器设计实例 设计实例一： 设计一个5dBT型同阻式（Z1=Z2=50Ω）固定衰减器。 步骤一: 同阻式集总参数衰减器A=-5dB,由公式(4-6) 计算元件参数:
A 10
α = 10
2 α Rp = Z0 = 82.24Ω α −1 Rs1 = Rs 2 = Z 0 a −1
第4章 功率衰减器 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。
α = 10 2 α Rp = Z0 α −1 α −1 Rs1 = Rs 2 = Z 0 α + 1
第4章 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。
（4-4）
第4章 功率衰减器 转化为［S］矩阵为
a11 + a12 − a21 − a22 s11 = a11 + a12 &3; a12 − a21 + a22 s22 = a11 + a12 + a21 + a22 2 s21 = a11 + a12 + a21 + a22 2(a11a12 − a12 a21 ) s12 = a11 + a12 + a21 + a22
第4章 功率衰减器
Rs1 Z1 Rp
Rs2 Z2
Z1 Rp1
Rs Rp2
Z2
(a)
(b)
图 4-2 功率衰减器 (a) T型功率衰减器； (b) Π型功率衰减器
第4章 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Z1＝Z2,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。 1. T型同阻式（Z1=Z2=Z0） 对于图4-2（a）所示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］网络参数如下: