第八章_微波控制電路

1、 開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān) 構(gòu)成開(kāi)關(guān)的器件有鐵氧體、構(gòu)成開(kāi)關(guān)的器件有鐵氧體、PINPIN管、管、 FETFET或或BJTBJT。鐵氧體和。鐵氧體和PINPIN是經(jīng)典的開(kāi)關(guān)器件是經(jīng)典的開(kāi)關(guān)器件, ,鐵鐵氧體的特點(diǎn)是功率大、插損小氧體的特點(diǎn)是功率大、插損小,PIN,PIN的特點(diǎn)是的特點(diǎn)是快速快速, ,成本低。成本低。FETFET或或BJTBJT有增益有增益, ,已經(jīng)成為中、已經(jīng)成為中、小功率開(kāi)關(guān)的主要器件。小功率開(kāi)關(guān)的主要器件。開(kāi)關(guān)與移相器開(kāi)關(guān)與移相器表表1 1 開(kāi)關(guān)器件的性能比較開(kāi)關(guān)器件的性能比較1. 1. 開(kāi)關(guān)的基本原理開(kāi)關(guān)的基本原理 1) 1) 開(kāi)關(guān)器件原理開(kāi)關(guān)器件原理 鐵氧體開(kāi)關(guān)的原理是改變偏置磁場(chǎng)方向鐵

2、氧體開(kāi)關(guān)的原理是改變偏置磁場(chǎng)方向, ,實(shí)現(xiàn)導(dǎo)磁率的改變實(shí)現(xiàn)導(dǎo)磁率的改變, ,以改變信號(hào)的傳輸常數(shù)以改變信號(hào)的傳輸常數(shù), , 達(dá)到開(kāi)關(guān)目的。達(dá)到開(kāi)關(guān)目的。PINPIN管在正反向低頻信號(hào)作用管在正反向低頻信號(hào)作用下下, ,對(duì)微波信號(hào)有開(kāi)關(guān)作用。正向偏置時(shí)對(duì)微對(duì)微波信號(hào)有開(kāi)關(guān)作用。正向偏置時(shí)對(duì)微波信號(hào)的衰減很?。úㄐ盘?hào)的衰減很?。?.5dB0.5dB）, ,反向偏置時(shí)對(duì)微反向偏置時(shí)對(duì)微波信號(hào)的衰減很大（波信號(hào)的衰減很大（25dB25dB）。）。BJTBJT和和FETFET開(kāi)關(guān)以基極（柵極）的控制信開(kāi)關(guān)以基極（柵極）的控制信號(hào)決定集電極（漏極）和發(fā)射極（源極）號(hào)決定集電極（漏極）和發(fā)射極（源極）的通斷

3、。放大器有增益的通斷。放大器有增益, ,反向隔離大反向隔離大, ,特別特別適合于適合于MMICMMIC開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)。MEMSMEMS微機(jī)電器件也可以用作開(kāi)關(guān)器件。微機(jī)電器件也可以用作開(kāi)關(guān)器件。2) 2) 微波開(kāi)關(guān)電路微波開(kāi)關(guān)電路開(kāi)關(guān)器件與微波傳輸線(xiàn)的結(jié)合構(gòu)成微波開(kāi)關(guān)組開(kāi)關(guān)器件與微波傳輸線(xiàn)的結(jié)合構(gòu)成微波開(kāi)關(guān)組件。以件。以PINPIN和和MESFETMESFET為例。其中為例。其中MESFETMESFET工作在無(wú)源工作在無(wú)源模式。開(kāi)關(guān)按照接口數(shù)量定義模式。開(kāi)關(guān)按照接口數(shù)量定義, ,代號(hào)為代號(hào)為PT,PT,如單刀如單刀單擲單擲(SPST)(SPST)、單刀雙擲（、單刀雙擲（SPDTSPDT）、雙刀雙擲

4、）、雙刀雙擲（DPDTDPDT）、單刀六擲（）、單刀六擲（SP6TSP6T）等。）等。 封裝后封裝后pinpin二極管等效電路二極管等效電路G Ga aA As s MESFET MESFET 在低阻時(shí)（柵極在低阻時(shí)（柵極0 0偏）偏）G Ga aA As s MESFET MESFET 在高阻時(shí)（柵極偏壓不低于夾斷電壓）在高阻時(shí)（柵極偏壓不低于夾斷電壓）無(wú)源模式無(wú)源模式MESFETMESFET的器件結(jié)構(gòu)和高阻態(tài)等效電路的器件結(jié)構(gòu)和高阻態(tài)等效電路無(wú)源模式無(wú)源模式MESFETMESFET的高阻態(tài)等效電路和簡(jiǎn)化電路的高阻態(tài)等效電路和簡(jiǎn)化電路典型值：典型值：C Coffoff 0.2pF 0.2pF

5、R Roffoff 2k 2k開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)：開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)：串聯(lián)結(jié)構(gòu)和等效電路串聯(lián)結(jié)構(gòu)和等效電路22000111()()44RRXILZZZ 插入損耗和隔離度插入損耗和隔離度注：鍵合帶有電感注：鍵合帶有電感并聯(lián)結(jié)構(gòu)和等效電路并聯(lián)結(jié)構(gòu)和等效電路22000111()()44GGBILYYZ 插入損耗和隔離度插入損耗和隔離度舉例：舉例：0.05ILdBMA47892MA47892：工作在：工作在3.18GHz3.18GHz時(shí)，正向偏置為時(shí)，正向偏置為0.4+j60.4+j6; ; 反向偏置為反向偏置為0.5-j440.5-j44串聯(lián)時(shí)：串聯(lián)時(shí)：并聯(lián)時(shí)：并聯(lián)時(shí)：0.805IdB1.26ILdB12.75IdBM

6、A47899MA47899：工作在：工作在3.18GHz3.18GHz時(shí)，正向偏置為時(shí)，正向偏置為1+j61+j6; ; 反向偏置為反向偏置為4-j4944-j4940.1ILdB串聯(lián)時(shí)：串聯(lián)時(shí)：并聯(lián)時(shí)：并聯(lián)時(shí)：14.06IdB0.029ILdB12.84IdB器件電抗補(bǔ)償器件電抗補(bǔ)償以并聯(lián)安裝為例，以并聯(lián)安裝為例，在高阻態(tài)下，可以在高阻態(tài)下，可以一高阻和一小電容一高阻和一小電容并聯(lián)來(lái)等效，總導(dǎo)并聯(lián)來(lái)等效，總導(dǎo)納可用一感性電納納可用一感性電納來(lái)降低來(lái)降低20011()4GGILYY 插入損耗和隔離度改插入損耗和隔離度改寫(xiě)為：寫(xiě)為：注：這種補(bǔ)償是容易的，因?yàn)樵诼┰撮g注：這種補(bǔ)償是容易的，因?yàn)樵诼?/p>

7、源間沒(méi)有直流電位差沒(méi)有直流電位差舉例：舉例：0.0563ILdBMA47892MA47892：未補(bǔ)償時(shí)：未補(bǔ)償時(shí)：補(bǔ)償時(shí)：補(bǔ)償時(shí)：1.26ILdB 柵極柵極GaAs MESFET GaAs MESFET ：工作在：工作在10GHz10GHz時(shí)，時(shí)，R Roffoff=3k=3k, C, Coffoff=0.25pF=0.25pF0.69ILdB21 1000 m0.0721ILdB未補(bǔ)償時(shí)：未補(bǔ)償時(shí)：補(bǔ)償時(shí)：補(bǔ)償時(shí)：(a) (a) 并聯(lián)型并聯(lián)型; (b) ; (b) 串聯(lián)型串聯(lián)型 單刀雙擲（單刀雙擲（SPDTSPDT）開(kāi)關(guān)：）開(kāi)關(guān)：利用利用MESFETMESFET作為并聯(lián)安裝作為并聯(lián)安裝SPD

8、TSPDT開(kāi)關(guān)的一個(gè)例子，開(kāi)關(guān)的一個(gè)例子，頻率頻率10GHz10GHz串、并聯(lián)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)串、并聯(lián)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)圖示為圖示為SP3TSP3T開(kāi)關(guān)的微帶結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)的微帶結(jié)構(gòu)注：注：“通通”態(tài)時(shí)，態(tài)時(shí)，Z Zsese為低阻為低阻Z Zl l，Z Zshsh為高阻為高阻Z Zh h； 反之，反之，“斷斷”態(tài)時(shí)，態(tài)時(shí)， Z Zsese為高阻為高阻Z Zh h，Z Zshsh為低阻為低阻Z Zl l最簡(jiǎn)串并聯(lián)復(fù)合開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)及最簡(jiǎn)串并聯(lián)復(fù)合開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)及等效電路等效電路2000()()122hlhZZZZILZ Z插入損耗：插入損耗：2000()()122hllZZZZZ Z隔離度隔離度：隔離度：注：串、并聯(lián)開(kāi)關(guān)在隔離度上

9、有了很大改善，在插損注：串、并聯(lián)開(kāi)關(guān)在隔離度上有了很大改善，在插損上比串聯(lián)開(kāi)關(guān)好是因?yàn)樗档土朔瓷鋼p耗上比串聯(lián)開(kāi)關(guān)好是因?yàn)樗档土朔瓷鋼p耗寬帶串并開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)寬帶串并開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)通態(tài)時(shí)像低通濾波器，斷態(tài)時(shí)像高通濾波器通態(tài)時(shí)像低通濾波器，斷態(tài)時(shí)像高通濾波器如上圖示，對(duì)于通態(tài)如上圖示，對(duì)于通態(tài)對(duì)于斷態(tài)對(duì)于斷態(tài)仿真練習(xí)：設(shè)計(jì)一開(kāi)關(guān)仿真練習(xí)：設(shè)計(jì)一開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)：開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)： SPDT 駐波比：駐波比： 1.25頻率：頻率： 5-6GHz 插入損耗：插入損耗： 2dB隔離度：隔離度： 40dB開(kāi)關(guān)速度：開(kāi)關(guān)速度：測(cè)量開(kāi)關(guān)速度的實(shí)驗(yàn)設(shè)備測(cè)量開(kāi)關(guān)速度的實(shí)驗(yàn)設(shè)備開(kāi)通延時(shí)、開(kāi)通開(kāi)關(guān)、關(guān)斷延時(shí)、關(guān)斷開(kāi)關(guān)開(kāi)通延時(shí)、開(kāi)通開(kāi)關(guān)、

10、關(guān)斷延時(shí)、關(guān)斷開(kāi)關(guān)各項(xiàng)有關(guān)開(kāi)關(guān)速度的術(shù)語(yǔ)各項(xiàng)有關(guān)開(kāi)關(guān)速度的術(shù)語(yǔ)影響開(kāi)關(guān)速度的因素影響開(kāi)關(guān)速度的因素1 1、開(kāi)關(guān)器件、開(kāi)關(guān)器件 本征層寬度、載流子遷移率、耐功率能力本征層寬度、載流子遷移率、耐功率能力 2 2、偏置網(wǎng)絡(luò)、偏置網(wǎng)絡(luò) 移相器移相器 在通信系統(tǒng)中在通信系統(tǒng)中, ,調(diào)相是對(duì)微波信號(hào)相位的控制調(diào)相是對(duì)微波信號(hào)相位的控制, ,在雷達(dá)系統(tǒng)中在雷達(dá)系統(tǒng)中, ,相控陣天線(xiàn)是要控制送入天線(xiàn)陣每相控陣天線(xiàn)是要控制送入天線(xiàn)陣每個(gè)單元信號(hào)的相位個(gè)單元信號(hào)的相位, ,實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)波束的調(diào)整。這些相實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)波束的調(diào)整。這些相位控制電路就是移相器。鐵氧體、位控制電路就是移相器。鐵氧體、PINPIN、BJTBJT、F

11、ETFET或或MEMSMEMS器件都可以構(gòu)成相移器。器件都可以構(gòu)成相移器。移相器的主要技術(shù)指標(biāo)移相器的主要技術(shù)指標(biāo)1. 工作頻帶工作頻帶 移相器工作頻帶是指移相器的技術(shù)指標(biāo)下降到允許界限值移相器工作頻帶是指移相器的技術(shù)指標(biāo)下降到允許界限值時(shí)的頻率范圍。時(shí)的頻率范圍。 2. 相移量相移量 移相器是兩端口網(wǎng)絡(luò)，相移量是指不同控制狀態(tài)時(shí)的輸出移相器是兩端口網(wǎng)絡(luò)，相移量是指不同控制狀態(tài)時(shí)的輸出信號(hào)相對(duì)于參考狀態(tài)時(shí)輸出信號(hào)的相對(duì)相位差。信號(hào)相對(duì)于參考狀態(tài)時(shí)輸出信號(hào)的相對(duì)相位差。 3. 相位誤差相位誤差 相位誤差指標(biāo)有時(shí)采用最大相移偏差來(lái)表示，也就是各頻點(diǎn)相位誤差指標(biāo)有時(shí)采用最大相移偏差來(lái)表示，也就是各頻

12、點(diǎn)的實(shí)際相移和理論相移之間的最大偏差值；有時(shí)給出的是均方的實(shí)際相移和理論相移之間的最大偏差值；有時(shí)給出的是均方根（根（RMS）相位誤差，是指各位相位誤差的均方根值。）相位誤差，是指各位相位誤差的均方根值。 傳輸線(xiàn)上相鄰的波腹點(diǎn)和波谷點(diǎn)的電壓振幅之比為電壓駐傳輸線(xiàn)上相鄰的波腹點(diǎn)和波谷點(diǎn)的電壓振幅之比為電壓駐波比波比，用，用VSWR表示。表示。 5. 電壓駐波比電壓駐波比4. 插入損耗插入損耗 插入損耗定義為傳輸網(wǎng)絡(luò)未插入前負(fù)載吸收功率與傳輸網(wǎng)插入損耗定義為傳輸網(wǎng)絡(luò)未插入前負(fù)載吸收功率與傳輸網(wǎng)絡(luò)插入后負(fù)載吸收功率之比的分貝數(shù)。絡(luò)插入后負(fù)載吸收功率之比的分貝數(shù)。 6. 開(kāi)關(guān)時(shí)間和功率容量開(kāi)關(guān)時(shí)間和功

13、率容量 開(kāi)關(guān)元件的通斷轉(zhuǎn)換，有一個(gè)變化的過(guò)程，需要一定的時(shí)間，開(kāi)關(guān)元件的通斷轉(zhuǎn)換，有一個(gè)變化的過(guò)程，需要一定的時(shí)間，這就是開(kāi)關(guān)時(shí)間。移相器的開(kāi)關(guān)時(shí)間主要取決于驅(qū)動(dòng)器和所采這就是開(kāi)關(guān)時(shí)間。移相器的開(kāi)關(guān)時(shí)間主要取決于驅(qū)動(dòng)器和所采用的開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)時(shí)間。移相器的功率容量主要是指開(kāi)關(guān)元用的開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)時(shí)間。移相器的功率容量主要是指開(kāi)關(guān)元件所能承受的最大微波功率。開(kāi)關(guān)的安全工作取決于開(kāi)關(guān)導(dǎo)通件所能承受的最大微波功率。開(kāi)關(guān)的安全工作取決于開(kāi)關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)允許通過(guò)的最大導(dǎo)通電流和截止?fàn)顟B(tài)時(shí)兩端能夠承受的狀態(tài)時(shí)允許通過(guò)的最大導(dǎo)通電流和截止?fàn)顟B(tài)時(shí)兩端能夠承受的最大電壓。最大電壓。各種微波移相器類(lèi)型各種微波移相器

14、類(lèi)型 開(kāi)關(guān)線(xiàn)型移相器開(kāi)關(guān)線(xiàn)型移相器 等效電路等效電路 )(221llg加載線(xiàn)型移相器加載線(xiàn)型移相器 引入電納引入電納B B，透射波與入射波相比，相位延遲，缺點(diǎn)，透射波與入射波相比，相位延遲，缺點(diǎn)是有反射，是有反射，b b為歸一化電納為歸一化電納 1-(1+jb)-jb=1+(1+jb)2+jb4522.5說(shuō)明加載型移相器基本機(jī)理的電路說(shuō)明加載型移相器基本機(jī)理的電路加載線(xiàn)型移相器常用于對(duì) 和 移相設(shè)計(jì)。由b引起的反射為：電壓傳輸系數(shù)T 則可以寫(xiě)成：TIRII212VVVTVVjb 112III2241() exptan224TVTVVVjbjbb所引入的相位差為： 11tan2b改進(jìn)：改進(jìn)： 3

15、126ettBZBZ等效傳輸線(xiàn)電長(zhǎng)度：等效傳輸線(xiàn)電長(zhǎng)度：加載線(xiàn)型移相器結(jié)構(gòu)加載線(xiàn)型移相器結(jié)構(gòu) 主線(xiàn)安裝類(lèi)型加載線(xiàn)移相器主線(xiàn)安裝類(lèi)型加載線(xiàn)移相器短截線(xiàn)安裝類(lèi)型加載線(xiàn)移相器短截線(xiàn)安裝類(lèi)型加載線(xiàn)移相器接 地 孔Y0輸 入Y01Y02Y02Y0輸 出偏 置(a)(b)22.54590180反射型移相器反射型移相器 通過(guò)環(huán)流器或混通過(guò)環(huán)流器或混合接頭將單端口合接頭將單端口轉(zhuǎn)換成二端口轉(zhuǎn)換成二端口混合接頭優(yōu)于環(huán)形器：混合接頭優(yōu)于環(huán)形器：1.1.在在MICMIC和和MMICMMIC中更容易集中更容易集成成 2.2.用了兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件，耐功率能力提高用了兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件，耐功率能力提高2 2倍倍2t3 dB 耦 合

16、 器outoutinin2tSPST 開(kāi) 關(guān)短 路 端(a)(b)開(kāi)關(guān)網(wǎng)開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)型移絡(luò)型移相器相器用于開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)移相器用于開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)移相器的低通和高通濾波器的低通和高通濾波器開(kāi)關(guān)線(xiàn)型移相器是開(kāi)關(guān)線(xiàn)型移相器是開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)移相器的開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)移相器的特殊情況，但開(kāi)關(guān)特殊情況，但開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)移相器能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)移相器能實(shí)現(xiàn)更寬的頻帶或獲得更寬的頻帶或獲得希望的頻率響應(yīng)。希望的頻率響應(yīng)。移相移相若用若用型結(jié)構(gòu)代替型結(jié)構(gòu)代替前面前面T T型結(jié)構(gòu)，則型結(jié)構(gòu)，則假定匹配和無(wú)損耗，假定匹配和無(wú)損耗，可得可得21nnnnnn22tan2(1)BXB XB Xn1=tan4Xn1sin2Bn1=sin2Xn1tan4B采用六只采用六

17、只MESFETMESFET的開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)移相器網(wǎng)絡(luò)移相器放大器型移相器1. 調(diào)諧雙柵MESFET移相器 1GgisC 在這種設(shè)計(jì)中，雙柵MESFET的第二柵（靠近漏極）用作信號(hào)輸入柵極，而第一柵（靠源級(jí)較近）用作控制柵。像MESFET放大器設(shè)計(jì)情況一樣，在輸入和輸出二極管上兩端都需要匹配電路。調(diào)諧電抗接在第一柵 和地之間?？刂戚敵鲂盘?hào)和輸入信號(hào)之間相移的控制電壓加在柵極1上，由于改變器件參數(shù)（如柵極1至源極電容 ）和外接調(diào)諧阻抗（它可能是串聯(lián)電感）之間相互作用就獲得相位控制。 2. 采用可切換SPDT放大器有源移相器 這類(lèi)移相器結(jié)構(gòu)如下所示，輸入信號(hào)在兩個(gè)相同放大器之間切換。在其中一個(gè)放大器

18、輸出端附加一線(xiàn)段長(zhǎng)度產(chǎn)生所需的相位 。這兩路信號(hào)在功率合成電路中相加。Wilkinson功率合成器引入3dB損耗，但從放大器有用增益看，這3dB損耗認(rèn)為是不嚴(yán)重的，這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是電路移相部分與其它設(shè)計(jì)無(wú)關(guān)。 利用利用SPDT放大器的移相器方框圖放大器的移相器方框圖 功率衰減器 1 1 功率衰減器的原理功率衰減器的原理2 2 集總參數(shù)衰減器集總參數(shù)衰減器3 3 分布參數(shù)衰減器分布參數(shù)衰減器4 PIN4 PIN二極管電調(diào)衰減器二極管電調(diào)衰減器5 5 步進(jìn)式衰減器步進(jìn)式衰減器功率衰減器的原理 衰減器的技術(shù)指標(biāo)衰減器的技術(shù)指標(biāo)工作頻帶、工作頻帶、 衰減量、衰減量、 功率容量、功率容量、 回波損耗等回

19、波損耗等(1)(1) 工作頻帶。工作頻帶。現(xiàn)代同軸結(jié)構(gòu)的衰減器使用的現(xiàn)代同軸結(jié)構(gòu)的衰減器使用的工作頻帶相當(dāng)寬。工作頻帶相當(dāng)寬。 (2)(2) 衰減量。衰減量。圖衰減器的功率衰減量設(shè)為圖衰減器的功率衰減量設(shè)為A（dB）。若）。若P1、P2以分貝毫瓦（以分貝毫瓦（dBm）表示，則）表示，則)()(lg10)(12mWPmWPdBA (3)(3) 功率容量。功率容量。 衰減器是一種能量消耗元件，功率消耗后衰減器是一種能量消耗元件，功率消耗后變成熱量。為免燒壞，設(shè)計(jì)和使用時(shí)，必須變成熱量。為免燒壞，設(shè)計(jì)和使用時(shí)，必須明確功率容量。明確功率容量。 (4)(4) 回波損耗。回波損耗。 反映衰減器的駐波比。

20、衰減器應(yīng)與兩端電反映衰減器的駐波比。衰減器應(yīng)與兩端電路都是匹配的。路都是匹配的。1120lg20lgSRLS 衰減量動(dòng)態(tài)范圍衰減量動(dòng)態(tài)范圍 在控制參量的變化范圍內(nèi)，衰減量的在控制參量的變化范圍內(nèi)，衰減量的 變化范圍，針對(duì)可變衰減器變化范圍，針對(duì)可變衰減器 衰減量頻帶特性衰減量頻帶特性 要求在寬的頻率范圍內(nèi)，在控制參量一定要求在寬的頻率范圍內(nèi)，在控制參量一定時(shí)，衰減量變動(dòng)很小時(shí)，衰減量變動(dòng)很小其他指標(biāo)：其他指標(biāo)： 衰減器的基本構(gòu)成衰減器的基本構(gòu)成 基本材料是電阻性材料。電阻衰減網(wǎng)絡(luò)是衰減基本材料是電阻性材料。電阻衰減網(wǎng)絡(luò)是衰減器的一種基本形式，也是集總參數(shù)衰減器。通過(guò)一器的一種基本形式，也是集總

21、參數(shù)衰減器。通過(guò)一定的工藝把電阻材料放置到不同波段的射頻定的工藝把電阻材料放置到不同波段的射頻/微波電微波電路結(jié)構(gòu)中就形成了相應(yīng)頻率的衰減器。如果是大功路結(jié)構(gòu)中就形成了相應(yīng)頻率的衰減器。如果是大功率衰減器，體積要加大，關(guān)鍵是散熱設(shè)計(jì)。率衰減器，體積要加大，關(guān)鍵是散熱設(shè)計(jì)。 可快速調(diào)整的衰減器：可快速調(diào)整的衰減器： 1、半導(dǎo)體小功率快調(diào)衰減器，如、半導(dǎo)體小功率快調(diào)衰減器，如PIN管或管或FET單片集成衰減器；單片集成衰減器； 2、開(kāi)關(guān)控制的電阻衰減網(wǎng)絡(luò)，開(kāi)關(guān)可以是電、開(kāi)關(guān)控制的電阻衰減網(wǎng)絡(luò)，開(kāi)關(guān)可以是電子開(kāi)關(guān)，也可以是射頻繼電器。子開(kāi)關(guān)，也可以是射頻繼電器。 衰減器的主要用途衰減器的主要用途(1

22、) (1) 控制功率電平控制功率電平(2)(2) 去耦元件去耦元件 (3)(3) 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn) (4)(4) 用于雷達(dá)抗干擾中的跳變衰減器用于雷達(dá)抗干擾中的跳變衰減器集總參數(shù)衰減器利用電阻構(gòu)成的利用電阻構(gòu)成的T型或型或型網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)集總參數(shù)型網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)集總參數(shù)衰減器，通常衰減量是固定的，由三個(gè)電阻值決衰減器，通常衰減量是固定的，由三個(gè)電阻值決定。電阻網(wǎng)絡(luò)兼有阻抗匹配或變換作用，可分為定。電阻網(wǎng)絡(luò)兼有阻抗匹配或變換作用，可分為同阻式和異阻式。同阻式和異阻式。(a) T型功率衰減器； (b) 型功率衰減器 Z1、Z2為特性阻抗Rs1Rs2RpZ1Z2RsRp1Z1Z2Rp2(a)(b)1 1 同阻式

23、集總參數(shù)衰減器同阻式集總參數(shù)衰減器同阻式衰減器兩端的阻抗相同，即同阻式衰減器兩端的阻抗相同，即Z1Z2，不，不需要考慮阻抗變換，直接應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)的辦法求需要考慮阻抗變換，直接應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)的辦法求出衰減量與各電阻值的關(guān)系。出衰減量與各電阻值的關(guān)系。1.1. T型同阻式（型同阻式（Z1=Z2=Z0）如上圖（如上圖（a）所示，）所示， 取取Rs1=Rs2，利用三個(gè)，利用三個(gè)A參數(shù)矩陣相乘的辦法求出衰減器的參數(shù)矩陣相乘的辦法求出衰減器的A參數(shù)參數(shù)矩陣，再換算成矩陣，再換算成S矩陣，就能求出它的衰減量矩陣，就能求出它的衰減量。串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻的。串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻的A網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如下網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如下:Rs1的

24、轉(zhuǎn)移矩陣的轉(zhuǎn)移矩陣 Rp的轉(zhuǎn)移矩陣的轉(zhuǎn)移矩陣相乘得相乘得 1011sRa 1/101pRa 11211111112212210111/101011/2/1/1/sspspssppspRRaRRRRRRRRRaaaa轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為S矩陣為矩陣為111221221111122122111221222211122122211112212211221221121112212222()aaaasaaaaaaaasaaaasaaaaa aa asaaaa 對(duì)衰減器的要求是衰減量為對(duì)衰減器的要求是衰減量為A=20lg|s21|(dB)，端口匹配端口匹配10lg|s11|=-。求解聯(lián)立方程組就可解得各個(gè)阻值。求

25、解聯(lián)立方程組就可解得各個(gè)阻值。111210021010ZRRZRsspA2.2. 型同阻式（型同阻式（Z1=Z2=Z0）如上圖（如上圖（b），?。?，取Rp1=Rp2， 利用三個(gè)利用三個(gè)A參參數(shù)矩陣相乘的辦法求出衰減器的數(shù)矩陣相乘的辦法求出衰減器的A參數(shù)矩陣，參數(shù)矩陣，再換算成再換算成S矩陣，就能求出它的衰減量。矩陣，就能求出它的衰減量。 112110021010ZRRZRppsA2 2 異阻式集總參數(shù)衰減器異阻式集總參數(shù)衰減器設(shè)計(jì)異阻式集總參數(shù)衰減器時(shí)，級(jí)聯(lián)后要設(shè)計(jì)異阻式集總參數(shù)衰減器時(shí)，級(jí)聯(lián)后要考慮阻抗變換。考慮阻抗變換。 1.1. T型異阻式型異阻式1012112210211111Apsp

26、spZ ZRRZRRZR2.2. 型異阻式型異阻式1012111122101211111111AspspsZ ZRRZRRZR 3 3 集總參數(shù)衰減器設(shè)計(jì)實(shí)例集總參數(shù)衰減器設(shè)計(jì)實(shí)例 設(shè)計(jì)實(shí)例一：設(shè)計(jì)實(shí)例一： 設(shè)計(jì)一個(gè)設(shè)計(jì)一個(gè)5dBT型同阻式（型同阻式（Z1=Z2=50）固）固定衰減器。定衰減器。步驟一步驟一: 同阻式集總參數(shù)衰減器同阻式集總參數(shù)衰減器A=-5dB，由，由公式計(jì)算元件參數(shù)公式計(jì)算元件參數(shù):100120103.162282.241114.011ApssRZaRRZ步驟二步驟二: 利用利用ADS仿真衰減器特性。仿真衰減器特性。設(shè)計(jì)實(shí)例二：設(shè)計(jì)實(shí)例二：設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)10dB型同阻式（型同阻式

27、（Z1=Z2=50）固定衰減）固定衰減器。器。步驟一：同阻式集總參數(shù)衰減器步驟一：同阻式集總參數(shù)衰減器A=-10dB，由，由公式計(jì)算元件參數(shù)：公式計(jì)算元件參數(shù)：100120100.1171.152196.251AsppRZRRZa 步驟二步驟二: 利用利用ADS仿真衰減器特性。仿真衰減器特性。設(shè)計(jì)實(shí)例三：設(shè)計(jì)實(shí)例三：設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)10dB型異阻式（型異阻式（Z1=50 ，Z2=75）固定）固定衰減器。衰減器。步驟一步驟一: 異阻式集總參數(shù)衰減器異阻式集總參數(shù)衰減器A=-10 dB： 1012111122100.1187.14211177.111111207.451AspspsZ ZRRZRRZR 步

28、驟二步驟二: 利用利用ADS仿真。仿真。3 分布參數(shù)衰減器1 1 同軸型衰減器同軸型衰減器1.1. 吸收式衰減器吸收式衰減器在同軸系統(tǒng)中，吸收式衰減器的結(jié)構(gòu)有三種在同軸系統(tǒng)中，吸收式衰減器的結(jié)構(gòu)有三種形式：內(nèi)外導(dǎo)體間電阻性介質(zhì)填充、內(nèi)導(dǎo)體串聯(lián)形式：內(nèi)外導(dǎo)體間電阻性介質(zhì)填充、內(nèi)導(dǎo)體串聯(lián)電阻和帶狀線(xiàn)衰減器轉(zhuǎn)換為同軸形式。衰減量的電阻和帶狀線(xiàn)衰減器轉(zhuǎn)換為同軸形式。衰減量的大小與電阻材料的性質(zhì)和體積有關(guān)。大小與電阻材料的性質(zhì)和體積有關(guān)。 優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬，功率容量大，起始衰優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬，功率容量大，起始衰減量小，穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)是精度較差。減量小，穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)是精度較差。三種同軸結(jié)構(gòu)吸收式

29、衰減器 （a） 填充; （b） 串聯(lián); （c） 帶狀線(xiàn)(a)(b)(c)2.2. 截止式衰減器截止式衰減器 又稱(chēng)又稱(chēng)“過(guò)極限衰減器過(guò)極限衰減器”，用截止波導(dǎo)制成，用截止波導(dǎo)制成，根據(jù)當(dāng)工作波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于截止波長(zhǎng)根據(jù)當(dāng)工作波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于截止波長(zhǎng)c時(shí)，電磁波的幅時(shí)，電磁波的幅度在波導(dǎo)中按指數(shù)規(guī)律衰減的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)。度在波導(dǎo)中按指數(shù)規(guī)律衰減的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)。 工作波長(zhǎng)范圍 衰減量 優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬，精度高，可用作標(biāo)準(zhǔn)衰減器。缺點(diǎn)是起始衰減量太大。c686. 82lLdB截止式衰減器圓形截止波導(dǎo)l輸入同軸線(xiàn)輸出同軸線(xiàn)圓形截止波導(dǎo)波導(dǎo)型衰減器波導(dǎo)型衰減器1.1. 吸收式衰減器吸收式衰減器吸收式衰減器結(jié)構(gòu)示意圖 (

30、a) 固定式； (b) 可變式單片吸收薄片移動(dòng)吸收薄片(刀形)軸轉(zhuǎn)動(dòng)雙片(a)(b)2.2. 極化吸收式衰減器極化吸收式衰減器圓柱波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)的角度圓柱波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)的角度可以用精密傳動(dòng)系統(tǒng)測(cè)量可以用精密傳動(dòng)系統(tǒng)測(cè)量并顯示出來(lái)，角度的變化也就是極化面的變化。并顯示出來(lái)，角度的變化也就是極化面的變化。極化衰減器的衰減量為極化衰減器的衰減量為A=20 lg (cos) 優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬，精度高，起始衰減量小優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬，精度高，起始衰減量小，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，較昂貴。，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，較昂貴。極化吸收式衰減器原理圖12輸 入 段旋 轉(zhuǎn) 段輸 出 段E入E入E出吸 收 片 1E|cos吸 收 片 2

31、旋 轉(zhuǎn) 段輸 出 段吸 收 片 3E|cos微帶型衰減器微帶型衰減器匹配負(fù)載匹配負(fù)載(a)(b)(c)同軸和微帶中，匹配負(fù)載的電阻通常是同軸和微帶中，匹配負(fù)載的電阻通常是50 ，可以用電阻表測(cè)量。集總元件電阻可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)窄可以用電阻表測(cè)量。集總元件電阻可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)窄帶匹配負(fù)載。微波工程中，用帶匹配負(fù)載。微波工程中，用51貼片電阻實(shí)現(xiàn)微貼片電阻實(shí)現(xiàn)微帶匹配負(fù)載。帶匹配負(fù)載。PIN二極管電調(diào)衰減器 PIN二極管二極管 PIN二極管是在重?fù)诫s二極管是在重?fù)诫sP+、 N+之間夾之間夾一段較長(zhǎng)的本征半導(dǎo)體所形成的半導(dǎo)體器一段較長(zhǎng)的本征半導(dǎo)體所形成的半導(dǎo)體器件，中間件，中間I層長(zhǎng)度為幾到幾十微米。層長(zhǎng)度為

32、幾到幾十微米。PIN二極管結(jié)構(gòu)示意PIN1.1. 直流特性直流特性在零偏與反偏下，在零偏與反偏下，PIN管均不能導(dǎo)通，呈現(xiàn)大電阻；管均不能導(dǎo)通，呈現(xiàn)大電阻； 正偏時(shí)，正偏時(shí)，P+、N+分別從兩端向分別從兩端向I區(qū)注入載流子，它們到區(qū)注入載流子，它們到達(dá)中間區(qū)域復(fù)合。達(dá)中間區(qū)域復(fù)合。PIN管一直呈現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài)，偏壓（管一直呈現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài)，偏壓（流）越大，載流子數(shù)目越多，正向電阻越小。流）越大，載流子數(shù)目越多，正向電阻越小。2.2. 交流信號(hào)作用下的阻抗特性交流信號(hào)作用下的阻抗特性頻率較低時(shí)，正向?qū)щ?，反向截止，頻率較低時(shí)，正向?qū)щ?，反向截止?具有整流特具有整流特性。性。頻率較高時(shí)，正半周來(lái)不及復(fù)合

33、，負(fù)半周不能完頻率較高時(shí)，正半周來(lái)不及復(fù)合，負(fù)半周不能完全抽空，全抽空，I區(qū)總有一定的載流子維持導(dǎo)通。區(qū)總有一定的載流子維持導(dǎo)通。3.3. 微波信號(hào)激勵(lì)時(shí)的特性微波信號(hào)激勵(lì)時(shí)的特性(1)(1) 直流反偏時(shí)，對(duì)微波信號(hào)呈現(xiàn)很高的阻抗，直流反偏時(shí)，對(duì)微波信號(hào)呈現(xiàn)很高的阻抗，正偏時(shí)呈現(xiàn)很低的阻抗?？捎眯〉闹绷鳎ǖ皖l）功正偏時(shí)呈現(xiàn)很低的阻抗?？捎眯〉闹绷鳎ǖ皖l）功率控制微波信號(hào)的通斷，用作開(kāi)關(guān)、率控制微波信號(hào)的通斷，用作開(kāi)關(guān)、 數(shù)字移相等。數(shù)字移相等。(2)(2) 直流從零到正偏連續(xù)增加時(shí)，對(duì)微波信號(hào)呈直流從零到正偏連續(xù)增加時(shí)，對(duì)微波信號(hào)呈現(xiàn)一個(gè)線(xiàn)性電阻，變化范圍從幾兆歐到幾歐姆，用現(xiàn)一個(gè)線(xiàn)性電阻，變

34、化范圍從幾兆歐到幾歐姆，用作可調(diào)衰減器。作可調(diào)衰減器。電調(diào)衰減器電調(diào)衰減器利用利用PIN管正偏電阻隨電流變化這一特點(diǎn)管正偏電阻隨電流變化這一特點(diǎn)，調(diào)節(jié)偏流改變電阻，實(shí)現(xiàn)電調(diào)衰減器。，調(diào)節(jié)偏流改變電阻，實(shí)現(xiàn)電調(diào)衰減器。1.1. 單管電調(diào)衰減器單管電調(diào)衰減器 在微帶線(xiàn)中打孔接一個(gè)在微帶線(xiàn)中打孔接一個(gè)PIN管，改變控制管，改變控制信號(hào)就可改變輸出功率的大小。這種結(jié)構(gòu)的衰信號(hào)就可改變輸出功率的大小。這種結(jié)構(gòu)的衰減器輸入電壓駐波比較大。減器輸入電壓駐波比較大。 微帶單管電調(diào)衰減器輸出控制信號(hào)輸入PIN 管2.2. 型衰減器型衰減器可變衰減器的一個(gè)重要特性是可變衰減器的一個(gè)重要特性是 它的輸入阻抗它的輸入

35、阻抗可保持不變，使得衰減器在整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)可保持不變，使得衰減器在整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)保持匹配。保持匹配?？捎煽捎蓀in管的特性產(chǎn)生需要的電阻值管的特性產(chǎn)生需要的電阻值 可變衰減器的一個(gè)重要特性是它的輸入阻抗保持不變，使得衰減器在整個(gè)工作范圍內(nèi)保持匹配。實(shí)現(xiàn)的方法之一是圖中所示的 型網(wǎng)絡(luò)。 AA2R0Z為了匹配，網(wǎng)絡(luò)阻抗對(duì) 右側(cè)并聯(lián) 后應(yīng)該等于 ，那就是： 02A111ZRZ12V V衰減比 可寫(xiě)為：1A22020()VZVR ZRZ消去 得：AZ201220RZVKVRZ從而可得：1011()2RZKK02(1)1ZKRK2.2. 3dB定向耦合器型衰減器定向耦合器型衰減器3dB定向耦合器

36、型衰減器的原理和微帶結(jié)構(gòu)3分貝定向耦合器偏置輸出輸入PINPINPoutPin1423Z0Z03.3. 吸收陣列式電調(diào)衰減器吸收陣列式電調(diào)衰減器 多個(gè)多個(gè)PIN管合理布置可制成頻帶寬、管合理布置可制成頻帶寬、 動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)范圍大、駐波比小、功率容量大的陣列式電調(diào)范圍大、駐波比小、功率容量大的陣列式電調(diào)衰減器。衰減器。PIN管等距排列，但偏流不同。單節(jié)管等距排列，但偏流不同。單節(jié)衰減器的反射系數(shù)和衰減分別為衰減器的反射系數(shù)和衰減分別為iiDDiDDiYZYZjLYZjYZj11212lg20212200200陣列式電調(diào)衰減器(a) PIN二極管陣列； (b) 反偏或零偏； (c) 正偏VD1VD2V

37、D3VDn(a)C1C2C3Cn(b)R01R02R03R0n(c)步進(jìn)式衰減器 1. 1. 固定衰減器開(kāi)關(guān)固定衰減器開(kāi)關(guān) 開(kāi)關(guān)可用開(kāi)關(guān)可用PIN二極管實(shí)現(xiàn)或使用二極管實(shí)現(xiàn)或使用FET單片集單片集成開(kāi)關(guān)。特點(diǎn)是速度快，壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)是承受成開(kāi)關(guān)。特點(diǎn)是速度快，壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)是承受功率小。功率小。 數(shù)字程控衰減器，需要把數(shù)字信號(hào)進(jìn)行功數(shù)字程控衰減器，需要把數(shù)字信號(hào)進(jìn)行功率放大，以推動(dòng)繼電器或率放大，以推動(dòng)繼電器或PIN管。開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)管。開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路是程控衰減器的一個(gè)重要組成部分。電路是程控衰減器的一個(gè)重要組成部分。開(kāi)關(guān)式衰減器開(kāi)關(guān)式衰減器 在圖1示衰減器中，兩個(gè)SPDT開(kāi)關(guān)用于在直通線(xiàn)和參考線(xiàn)之間

38、變換信道。如果所需衰減值超過(guò)4dB，則可以使用T或型電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中的電阻可以是GaAs臺(tái)面電阻器或芯片制造工藝中可獲得的專(zhuān)用鎳鉻合金電阻器。Gupta使用的寬帶SPDT開(kāi)關(guān)示意圖如圖2所示。其可用的上限頻率由SPDT開(kāi)關(guān)本身的隔離度決定。由于開(kāi)關(guān)不含有任何電容性元件，因此對(duì)性能沒(méi)有下限頻率限制。 圖1圖2開(kāi)關(guān)式比例型開(kāi)關(guān)式比例型FET 開(kāi)關(guān)式比例型開(kāi)關(guān)式比例型FET技術(shù)在連接輸入和輸出端口的兩條通路上使技術(shù)在連接輸入和輸出端口的兩條通路上使用了不同尺寸的用了不同尺寸的FET，不使用電阻性網(wǎng)絡(luò)來(lái)獲得期望的衰減值，不使用電阻性網(wǎng)絡(luò)來(lái)獲得期望的衰減值，而是利用不同對(duì)開(kāi)關(guān)式而是利用不同對(duì)開(kāi)關(guān)式FE

39、T的開(kāi)狀態(tài)電阻值之差達(dá)到選擇的衰減的開(kāi)狀態(tài)電阻值之差達(dá)到選擇的衰減量。因此，該技術(shù)適用于達(dá)到量。因此，該技術(shù)適用于達(dá)到2 dB的較小衰減比特?cái)?shù)。對(duì)于開(kāi)關(guān)的較小衰減比特?cái)?shù)。對(duì)于開(kāi)關(guān)式比例型式比例型FET結(jié)構(gòu)，需要加入額外的短傳輸線(xiàn)節(jié)，用于均衡衰減結(jié)構(gòu)，需要加入額外的短傳輸線(xiàn)節(jié)，用于均衡衰減參考通路長(zhǎng)度。參考通路長(zhǎng)度。開(kāi)關(guān)式開(kāi)關(guān)式T型橋衰減器型橋衰減器 2R 開(kāi)關(guān)式T型橋衰減器由一個(gè)經(jīng)典的T型橋衰減器和一個(gè)并聯(lián)與串聯(lián)FET組成，一個(gè)開(kāi)關(guān)式FET并聯(lián)在橋電阻 的兩端，另一個(gè)開(kāi)關(guān)式FET與分流電阻 串聯(lián)。兩個(gè)FET的開(kāi)或關(guān)實(shí)現(xiàn)了零狀態(tài)和衰減狀態(tài)之間的切換，其值由T型橋衰減器決定。T型橋衰減器自身提供了

40、良好的輸入/輸出匹配。 1R開(kāi)關(guān)式開(kāi)關(guān)式T形和形和形衰減器形衰減器 開(kāi)關(guān)式T型和型衰減器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表現(xiàn)為T(mén)型或型形式，單個(gè)電阻性元件能夠開(kāi)關(guān)進(jìn)入或退出電路。故這一技術(shù)也稱(chēng)之為開(kāi)關(guān)式電阻器法。Bedard和Maoz使用型結(jié)構(gòu)驗(yàn)證了工作頻率達(dá)到10GHz的衰減器設(shè)計(jì)。盡管它與T型橋衰減器結(jié)構(gòu)相似，但是，該技術(shù)使用了非常小的FET，與開(kāi)關(guān)式衰減器相比，具有更低的插入損耗。 2. 2. PIN二極管步進(jìn)衰減器二極管步進(jìn)衰減器 PIN二極管電調(diào)衰減器的控制電流的二極管電調(diào)衰減器的控制電流的改變，能夠連續(xù)地改變衰減量，將這一控改變，能夠連續(xù)地改變衰減量，將這一控制信號(hào)按照一定的規(guī)律離散化，可實(shí)現(xiàn)衰制信號(hào)按照一定的規(guī)律離散化，可實(shí)現(xiàn)衰減量的步進(jìn)調(diào)整。減量的步進(jìn)調(diào)整。FET電調(diào)衰減器利用柵極電壓控制來(lái)改變利用柵極電壓控制來(lái)改變FETFET的電阻的電阻，實(shí)現(xiàn)對(duì)衰減量的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)衰減量的控制PINPIN二極管在耐功率性能、低損耗等方面有二極管在耐功率性