第3讲-功率衰减器

响,也就是说,与两端电路都是匹配的。设计衰减器时要考虑这一因素。
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
Rs1 Z1 Rp Rs2 Z2 Z1 Rp 1 Rs Rp 2 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。
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 ,再利用衰 减量为20lg|s21|(dB),端口匹配10lg|s11|=-∞的关系，就能得 到衰减量与各电阻值的关系。
第4章 功率衰减器
1. T型同阻式（Z1=Z2=Z0，取Rs1=Rs2 ）
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
设计一个5dB T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,计算元件参
数:
10
A 10
2 Rp Z0 82.24 1 Rs1 Rs 2 Z 0 a 1
第4章 功率衰减器
4.4 PIN二极管电调衰减器
4.4.1 PIN二极管
如图4-14所示,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
第4章 功率衰减器
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。
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。
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。
1
14.01
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第4章 功率衰减器
步骤二: 画出电路图,仿真衰减器特性。
第4章 功率衰减器
产品效果图
第4章 功率衰减器 课堂练习
验证同阻式衰减器的计算公式
第4章 功率衰减器
扇形电阻衰减器研究*
扇元结构
扇形衰减网络结构
注：何小兵等. 扇形电阻衰减器研究. 仪器仪表学报. 2010.31(8s)
第4章 功率衰减器
2. П型同阻式（Z1=Z2=Z0，取Rp1=Rp2）
A 10 10 1 Rs Z 0 2 1 R p1 R p 2 Z 0 1
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
第4章 功率衰减器
(a )
(b )
( c)
图4-13 波导、 同轴和微带匹配负载结构
第4章 功率衰减器
高功率微波矩形波导衰减器* 衰减原理：将微波功率通过衰减材料的吸收而转化为热量,因 此衰减材料的选择决定功率衰减量的大小。衰减液的选择主 要应该考虑以下几个因素: 1)衰减液介电特性能满足大衰减量要求; 2)波段内稳定的频响特性,以满足宽频带定量衰减; 3)具备良好的热传导性能,能迅速将微波衰减所产生的热量及 时从波导中传导出去。 4)对金属的腐蚀性小。 选择1%浓度硫酸钠溶液作为波导衰减器的衰减液。
第4章 功率衰减器
在大衰减比小的加工优势：
第4章 功率衰减器
4.3 分布参数衰减器
4.3.1 同轴型衰减器 1. 吸收式衰减器：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。
(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：用截止波导制成，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。
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
第4章 功率衰减器
4.3.2 波导型衰减器 1. 吸收式衰减器 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。
损耗
工作频带是指在给定频率范围内使用衰减器,衰减量才能达到指标值。 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。现代同轴结构的衰减器使用的工作频带相当宽 ,设计或使用中要
加以注意。 衰减器是一种能量消耗元件,功率消耗后变成热量。可以想象,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。设计和使用时,必须明确功率容量。 回波损耗就是衰减器的驻波比,要求衰减器两端的输入输出驻波比应尽 可能小。我们希望的衰减器是一个功率消耗元件 ,不能对两端电路有影
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。 分为固定式和可变式。
第4章 功率衰减器
吸收片的位置和面积固定不变
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 与衰减量的关系需应用实验方法借助于精密 的衰减标准作出定标校正曲线。 衰减量与旋入波导内的面积成正比。 起始衰减为零分贝,此时不影响波导内波的 传输。 在刀片旋入时,由于不附加任何支撑物于波 导内,因此,输入驻波比很接近于1。 设计合适的刀片形状可以实现衰减量与机械 转角或深度读数之间接近线性关系。 少量电磁能量从波导中漏出。
赵紫正等.高功率微波矩形波导衰减器的设计与实验. 电子测量与仪器学报. 2010,24(9)
第4章 功率衰减器
衰减器CST计算模型
衰减量计算结果
第4章 功率衰减器
8为波导衰 减器 9为温度传 感器 10为直流 水泵 11为流量 传感器 12为螺旋 板式换热 器 13为水箱 14为控制 电路 15为硅胶 管
第4章 功率衰减器
刀型衰减器*
*沈长圣等. 高功率矩形波导可调衰减器的仿真设计与实验. 东南大学学报. 2008,38(4)
第4章 功率衰减器
不同形状聚四氟乙烯外壳的衰减器对电压驻波比的影响
第4章 功率衰减器
衰减量与插入深度的仿真曲线
电压驻波比与插入深度的仿真曲线
第4章 功率衰减器
高功率微波衰减器装置
第4章 功率衰减器
第4章 功率衰减器
4.1 功率衰减器的原理 4.2 集总参数衰减器
4.3 分布参数衰减器
4.4 PIN二极管电调衰减器 4.5 步进式衰减器
第4章 功率衰减器
4.1 功率衰减器的原理
4.1.1 衰减器的技术指标——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。
若 P1 、 P2 以分贝毫瓦（ dBm ）表
示,则两端功率间的关系为
1 P1 功率衰减器 A(dB ) 2 P2
P2(dBm)=P1(dBm)-A (dB) 即
图 4-1 功率衰减器
P2 (m W) A(dB) 10 lg P 1 ( m W)
第4章 功率衰减器
4.1.1 衰减器的技术指标——工作频带、功率容量、回波
10 2 Z1 Z 2 Rp 1 a 1 Rs1 Z1 Rp 1 a 1 Rs 2 Z 2 Rp 1
A 10
（4-8）
第4章 功率衰减器
2. П型异阻式
10 1 Z1 Z 2 Rp 2 1 1 a 1 1 R p1 Z 1 R s 1 1 1 a 1 1 Rp2 Z 1 R s 2
1 E入 吸收片1 E入 E|cos E出 E|cos 2 Ⅲ Ⅱ 输出段
Ⅰ 输入段
旋转段


吸收片2 旋转段 吸收片3 输出段
第4章 功率衰减器
4.3.3 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。 4.3.4 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。图4-13是波导、同轴和 微带三种匹配负载结构的示意图。
第4章 功率衰减器
衰减量与插入深度的实验曲线
电压驻波比与插入深度的实验曲线
第4章 功率衰减器
2. 极化吸收式衰减器： 是一种精密衰减器,由三 段波导组成。两端是固 定的过渡段,中间是可以 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。 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)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。
(5)有效抑制天线副瓣：在自适应阵列天线中，每路信 号的幅度和相位通过放置在功率放大器前的衰减器和移相器 独立调节和控制，从而天线波束能够实现电扫描的功能。
第4章 功率衰减器
a11 a12 a21 a22 s11 a11 a12 a21 a22
衰减量为 20lg|s21|(dB), A 端口匹配 10 a11 a12 a21 a22 10 10lg|s11|=-∞ s22 a11 a12 a21 a22 2 R p Z 0 1 2 s21 a11 a12 a21 a22 1 Rs1 Rs 2 Z 0 2(a11a22 a12 a21 ) 1 s12 a11 a12 a21 a22
aR
a P
S1
1 Rs1 0 1
0 1
a衰减器
1 1 / R p
0 1 Rs1 1 Rs1 1 1 / R 1 0 1 0 1 p 1 Rs1 / R p 2 Rs1 Rs21 / R p 1 Rs1 / R p 1/ Rp s11 s12 a11 a12 s s 21 22 a21 a22