2功率衰减器

2. 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。
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3. PIN二极管的特性 (1) 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。
A 10
（4-8）
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2. П型异阻式
10 1 Z 1Z 2 Rs 2 1 1 1 1 R p1 Z 1 Rs 1 1 1 1 1 R p2 Z 1 Rs 2
i j 2 Z 0Y D 2 j 1 Z Y 0 D
移动
单片
吸收 薄片 转动
吸 收 薄 片 (刀 形 ) 轴
双片
(a )
(b )
图 4-11 吸收式衰减器结构示意图 (a) 固定式； (b) 可变式
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2. 极化吸收式衰减器
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。 极化衰减器的衰减量为 A=20 lg (cosθ) （4-10）
7 7 .1 1
1
R p2
1 1 1 Z 1 Rs 2
2 0 7 .4 5
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步骤二: 利用ADS仿真。
图4-7 Π型同阻式固定衰减器电路图
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图4-8 仿真结果
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4.3 分布参数衰减器
– 优缺点：优点是频带宽，精度高，起始衰减量小， 缺点是结构复杂，较昂贵。
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2 Ⅲ
Ⅱ
输出 段
Ⅰ 输入 段 1 吸收 片1
入
旋转 段
E
E入
E |co s
E出
E |co s


吸收 片2 吸收 片3 旋转 段 输出 段
图 4-12 极化吸收式衰减器原理图
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P in 1 4 P out 输出
P IN 3分 贝 定向 耦合器 偏置 2 3 P IN Z0 Z0 输入
图4-16 3dB定向耦合器型衰减器的原理和微带结构
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3. 吸收阵列式电调衰减器
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。PIN管等距排列，但偏流不同。单节 衰减器的反射系数和衰减分别为
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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。
10 10 2 Rp Z0 1 1 R s1 R s 2 Z 0 1
A
1
R s1 R s 2 Z 0
1
1 4 .0 1
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步骤二: 利用ADS仿真衰减器特性。
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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:
（4-7）
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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。
1. T型异阻式
10 2 Z 1Z 2 Rp 1 1 R s1 Z 1 Rp 1 1 Rs2 Z 2 Rp 1
4.3.3 微带型衰减器

4.3.4 匹配负载
(a )
(b )
(c)
同轴和微带中,匹配负载的电阻通常是50 Ω, 可以用电阻表测量。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。
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4.4 PIN二极管电调衰减器
4.4.1 PIN二极管
相乘得
1 R s 1 / R p 1/ Rp a1 1 a 21 a1 2 a 22
2 R s1 R s1 / R p 1 R s1 / R p
（4-4）
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转化为［S］矩阵为
s1 1 s 22 s 21 s1 2 a1 1 a1 2 a 2 1 a 2 2 a1 1 a1 2 a 2 1 a 2 2 a1 1 a1 2 a 2 1 a 2 2 a1 1 a1 2 a 2 1 a 2 2 2 a1 1 a1 2 a 2 1 a 2 2 2 ( a1 1 a 2 2 a1 2 a 2 1 ) a1 1 a1 2 a 2 1 a 2 2
A 10
（4-9）
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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
1 0 1 0 3 .1 6 2
Rp Z0 2 8 2 .2 4 a 1
A
1 0 1 0 0 .1
Rs Z 0
1
2
7 1 .1 5
R p1 R p 2 Z 0
1
a 1
9 6 .2 5
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步骤二: 利用ADS仿真衰减器特性。
图4-5 Π型同阻式固定衰减器电路图
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图 4-6仿真结果
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(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
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2. 截止式衰减器
又称“过极限衰减器”,用截止波导制成， 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。
– 工作波长范围
– 衰减量
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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，可分为同阻 式和异阻式。
R s1 Z
1
R s2 Z Rp
2
Z1
Rs
Z2
R p1
R p2
(a )
(b )
(a) T型功率衰减器； (b) Π型功率衰减器 Z1、Z2为特性阻抗
c
dB
L 2 l 8 . 686
– 优缺点：优点是频带宽，精度高，可用作标准衰减 器。缺点是起始衰减量太大。
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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
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4.3.2 波导型衰减器
1. 吸收式衰减器
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可快速调整的衰减器： 1、半导体小功率快调衰减器,如PIN管或 FET单片集成衰减器； 2、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。
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4.1.3 衰减器的主要用途
(1) 控制功率电平 (2) 去耦元件 (3) 相对标准 (4) 用于雷达抗干扰中的跳变衰减器
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2. П型同阻式（Z1=Z2=Z0）
如图4-2（b）,取Rp1=Rp2, 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。
A
10 10
Rs Z 0
1
2
R p1 R p 2 Z 0
1 1
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1 a 0 R s1 1
Rs1的转移矩阵
（4-2）
Rp的转移矩阵
1 a 0
1 a 1 / R p
R s1 1 1 1 / R p 0 1
0 1
1 0
2
（4-3）
R s1 1
工作频带相当宽。
(2) 衰减量。
图衰减器的功率衰减量设为A（dB）。若 P1、P2以分贝毫瓦（dBm）表示,则
A ( dB ) 10 lg P2 amp;MW
(3) 功率容量。 衰减器是一种能量消耗元件,功率消耗后变 成热量。为免烧坏，设计和使用时,必须明确 功率容量。 (4) 回波损耗。 反映衰减器的驻波比。衰减器应与两端电 路都是匹配的。
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:
A
1 0 1 0 0 .1
Rs
1
Z 1Z 2
2
8 7 .1 4
1
R p1
1 1 1 Z 1 Rs 1
R L 2 0 lg S 2 0 lg S 1 1
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其他指标：
衰减量动态范围
在控制参量的变化范围内，衰减量的 变化范围，针对可变衰减器
衰减量频带特性
要求在宽的频率范围内，在控制参量一定 时，衰减量变动很小
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4.1.2 衰减器的基本构成
基本材料是电阻性材料。电阻衰减网络是衰 减器的一种基本形式, 也是集总参数衰减器。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,体积要加大,关键是散热设计。
4.3.1 同轴型衰减器
1. 吸收式衰减器
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 阻和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。
优缺点：优点是频带宽，功率容量大，
起始衰减量小，稳定性好，缺点是精度 较差。
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第4章 功率衰减器
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 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
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4.1 功率衰减器的原理
4.1.1 衰减器的技术指标
工作频带、 衰减量、 功率容量、 回波损耗等
(1) 工作频带。现代同轴结构的衰减器使用的
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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）
如图4-2（a）所示, 取Rs1=Rs2，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:
(2) 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。
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4.4.2 电调衰减器
利用PIN管正偏电阻随电流变化这一特点， 调节偏流改变电阻，实现电调衰减器。
1. 单管电调衰减器
在微带线中打孔接一个PIN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。
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P IN 管 输入 输出
控制 信号
图 4-15微带单管电调衰减器
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2. π型衰减器
可变衰减器的一个重要特性是 它的输入阻抗 可保持不变，使得衰减器在整个工作频率范围内 保持匹配。
可由pin管的特性产生需要的电阻值
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2. 3dB定向耦合器型衰减器
PIN二极管是在重掺杂P+、 N+之间夹 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。
P＋
I
N＋
图 4-14 PIN二极管结构示意
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1. 直流特性
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。