第十一讲 功率衰减器

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
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
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。
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
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。
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
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
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。
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 R 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。
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
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
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
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。
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。
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
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：
2 Rs1 Rs21 / R p 1 Rs1 / R p
T型同阻式设计（Z1=Z2=Z0）
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）
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
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
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
(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。