第十一讲 功率衰减器

衰减量
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。
功率容量
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。
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
第四章 功率衰减器
主要内容
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
功率衰减器基本原理
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。可对RF/MW信号产 生一定的衰减。 若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： P2(dBm)=P1(dBm)-A (dB)
P＋ I N＋
PIN二极管
交流信号作用下的阻抗特性
频率较低时，正向导电，反向截止，具有整流 特性。
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。
小信号时I区的载流子少，大信号时I区的载流子 多。所以，高频大信号时电阻大，小信号时电 阻小。
PIN二极管的特性
10 10
RS Z 0 2
1
71.15
R p1 R p 2 Z 0
1
a 1
96.25
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Ansoft Designer或 Microwave Office上可得仿真结果.
集总参数衰减器设计实例 3
圆形截止波导
l 输入同轴线 输出同轴线
圆形截止波导
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。
1
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Ansoft Designer或 Microwave Office上可得仿真结果.
Graph1 －8 DB(| S[2,1]|) Schem atic 1
－9
－10
－11
－12 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Frequency (GHz)
A 10
10 1 Z1Z 2 Rs 2 1 1 a 1 1 R p1 Z 1 R s 1 1 1 a 1 1 Rp 2 Z 1 R s 2
同阻式 异阻式
Z1、Z2是电路 输入端、输出 端的特性阻抗
Rs1 Z1 Rp Rs2 Z2
(a)
Z1 Rp1 Rs Rp2 Z2
(b)
T型和Π型功率衰减器
集总参数衰减器的设计
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。 异阻式衰减器级联后要考虑阻抗变换，可通 过增加阻抗变换即可利用同阻式衰减器的设 计方法进行设计。
2 Rs1 Rs21 / R p 1 Rs1 / R p
T型同阻式设计（Z1=Z2=Z0）
Leabharlann Baidu
Z0 Rs1 // Rp Rs 2 Z 0
对衰减器的要求是衰减量为 A=20lg|s21|(dB) 端口匹配10lg|s11|=-∞。
T型同阻式设计（Z1=Z2=Z0）
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 微波信号的通断，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。 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。
T型同阻式设计（Z1=Z2=Z0）
[A]矩阵相乘得：
1 Rs1 1 a 0 1 1/ R p 1 Rs1 / R p 1/ R p a11 a12 a21 a22 0 1 Rs1 1 0 1
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)
(b)
(c)
（a） 填充; （b） 串联; （c） 带状线
分布参数衰减器
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。 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。
A 10
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 A 算元件参数：
1010 3.16
2 Rp Z0 82.24 1 Rs1 Rs 2 Z 0 a 1
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50Ω贴片电阻实现微带匹配负载。
(a)
极化吸收式衰减器是一种精密 衰减器，其结构由三段波导组 成。 两端是固定的矩形波导到圆柱 波导的过渡段 中间是一段可以绕纵轴转动的 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，各段中 吸收片的相对位置如图中所示。 圆柱波导旋转的角度θ 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。
2 Ⅲ 输出段
Ⅱ
Ⅰ 输入段 1 E入 吸收片1
旋转段
E入
E|cos
E出
E|cos


吸收片2 吸收片3 旋转段 输出段
A=20 lg (cosθ)
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。
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
转化为［S］矩阵为：
a11 a12 a21 a22 s11 a11 a12 a21 a22 a11 a12 a21 a22 s22 a11 a12 a21 a22 2 s21 a11 a12 a21 a22 2(a11a12 a12a21 ) s12 a11 a12 a21 a22
即衰减量为：
P2 (mW ) A(dB) 10 lg P (mW ) 1
1 P1
功率衰减器 A(dB)
2 P2
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
T型同阻式设计（Z1=Z2=Z0）
Rs1 Rs2 对于T型同阻式衰减器，取 Z1 Z2 Rs1=Rs2。 Rp 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 Rsi的传输矩阵： 1 Rsi 换算成［S］矩阵，就能求 a 0 1 出它的衰减量。 串联电阻和并联电阻的［A］ Rp的传输矩阵： 网络参数如右： 0 1 a 1 / R p 1
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。
移动
单片
吸收薄片 吸收薄片(刀形) 轴 转动
双片
(a)
(b)
极化吸收式衰减器
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
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。
1
14.01
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Ansoft Designer或 Microwave Office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 A 算元件参数： 10
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：
10
A 10
2 Rp Z0 1 Rs1 Rs 2 Z 0
1 1
П型同阻式设计（Z1=Z2=Z0）
对于П型同阻式衰减器，取 Z1 Rs Rp1=Rp2 ，可以用上述T型同 阻式衰减器的分析和设计方 Rp1 法。 利用三个［A］参数矩阵相 A 乘的办法求出衰减器的［A］ 1010 参数矩阵，再换算成［S］ 1 Rs Z 0 矩阵，就能求出它的衰减量。 2
设 计 10dBП 型 异 阻 式 （ Z1=50Ω ， Z2=75Ω ） 固 定衰减器。 解：
异阻式集总参数衰减器 A=10 dB，由设计公式计 算元件参数：
10 10
RS
A 10
1 Z1Z 2
2
87.14
1
1 a 1 1 R p1 77.11 Z 1 R s 1 Rp 2 1 a 1 1 Z 1 R 207.45 s 2
R p1 R p 2 Z 0
Z2 Rp2
1 1
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。
10 2 Z1 Z 2 Rp 1 a 1 Rs1 Z1 Rp 1 a 1 Rs 2 Z 2 Rp 1
衰减器的基本构成
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。通常有两种实现方式：
半导体小功率快调衰减器，如PIN管或FET单片 集成衰减器； 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。
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：
(b)
(c)
波导、同轴和微带匹配负载结构
PIN二极管电调衰减器
PIN二极管
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。
直流偏置
在零偏与反偏下，PIN管均不能导 通，呈现大电阻。 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。