微波電路西電雷振亞老師的4章功率衰減器ppt課件

1、第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 第第4章章 功率衰減器功率衰減器 4.1 功率衰減器的原理功率衰減器的原理4.2 集總參數(shù)衰減器集總參數(shù)衰減器4.3 分布參數(shù)衰減器分布參數(shù)衰減器4.4 PIN二極管電調(diào)衰減器二極管電調(diào)衰減器4.5 步進(jìn)式衰減器步進(jìn)式衰減器第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 4.1 功率衰減器的原理功率衰減器的原理4.1.1 衰減器的技術(shù)目的衰減器的技術(shù)目的包括衰減器的任務(wù)頻帶、 衰減量、 功率容量、 回波損耗等。(1) 任務(wù)頻帶。衰減器的任務(wù)頻帶是指在給定

2、頻率范圍內(nèi)運(yùn)用衰減器,衰減量才干到達(dá)目的值。由于射頻/微波構(gòu)造與頻率有關(guān),不同頻段的元器件,構(gòu)造不同,也不能通用?，F(xiàn)代同軸構(gòu)造的衰減器運(yùn)用的任務(wù)頻帶相當(dāng)寬,設(shè)計(jì)或運(yùn)用中要加以留意。 第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 (2) 衰減量。無論形勝利率衰減的機(jī)理和詳細(xì)構(gòu)造如何,總是可以用圖4-1 所示的兩端口網(wǎng)絡(luò)來描畫衰減器。第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 圖 4-1 功率衰減器 功 率 衰 減 器A(dB)P1P212第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 圖 4-1 中,信號輸入端的功率為P1,而輸出端的功率為P2,衰減器的功率衰減量為AdB。假設(shè)P1、P2以分貝毫瓦dBm表示,那么兩端功

3、率間的關(guān)系為P2(dBm)=P1(dBm)-A (dB)即)()(lg10)(12mWPmWPdBA4-1 第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 可以看出,衰減量描畫功率經(jīng)過衰減器后功率的變小程度。衰減量的大小由構(gòu)成衰減器的資料和構(gòu)造確定。衰減量用分貝作單位,便于整機(jī)目的計(jì)算。(3) 功率容量。 衰減器是一種能量耗費(fèi)元件,功率耗費(fèi)后變成熱量?？梢韵胂?資料構(gòu)造確定后,衰減器的功率容量就確定了。假設(shè)讓衰減器接受的功率超越這個極限值,衰減器就會被燒毀。 設(shè)計(jì)和運(yùn)用時,必需明確功率容量。(4) 回波損耗?；夭〒p耗就是衰減器的駐波比,要求衰減器兩端的輸入輸出駐波比應(yīng)盡能夠小。我們希望的衰減器是一個功率

4、耗費(fèi)元件,不能對兩端電路有影響,也就是說,與兩端電路都是匹配的。設(shè)計(jì)衰減器時要思索這一要素。 第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 4.1.2 衰減器的根本構(gòu)成構(gòu)成射頻/微波功率衰減器的根本資料是電阻性資料。通常的電阻是衰減器的一種根本方式,由此構(gòu)成的電阻衰減網(wǎng)絡(luò)就是集總參數(shù)衰減器。經(jīng)過一定的工藝把電阻資料放置到不同波段的射頻/微波電路構(gòu)造中就構(gòu)成了相應(yīng)頻率的衰減器。假設(shè)是大功率衰減器,體積一定要加大,關(guān)鍵就是散熱設(shè)計(jì)。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的開展,在許多場所要用到快速調(diào)整衰減器。這種衰減器通常有兩種實(shí)現(xiàn)方式,一是半導(dǎo)體小功率快調(diào)衰減器,如PIN管或FET單片集成衰減器； 二是開關(guān)控制的電阻衰減網(wǎng)絡(luò)

5、,開關(guān)可以是電子開關(guān), 也可以是射頻繼電器。下面引見各種衰減器的原理和設(shè)計(jì)方法。第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 4.1.3 衰減器的主要用途衰減器有以下根本用途： (1)控制功率電平: 在微波超外差接納機(jī)中對本振輸出功率進(jìn)展控制,獲得最正確噪聲系數(shù)和變頻損耗,到達(dá)最正確接納效果。在微波接納機(jī)中,實(shí)現(xiàn)自動增益控制,改善動態(tài)范圍。(2) 去耦元件: 作為振蕩器與負(fù)載之間的去耦合元件。(3) 相對規(guī)范: 作為比較功率電平的相對規(guī)范。(4) 用于雷達(dá)抗干擾中的跳變衰減器: 是一種衰減量能突變的可變衰減器,平常不引入衰減,遇到外界干擾時,忽然加大衰減。 從微波網(wǎng)絡(luò)觀念看,衰減器是一個二端口有耗微波

6、網(wǎng)絡(luò)。它屬于經(jīng)過型微波元件。 第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 4.2 4.2 集總參數(shù)衰減器集總參數(shù)衰減器利用電阻構(gòu)成的T型或型網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)集總參數(shù)衰減器,通常情況下,衰減量是固定的,由三個電阻值決議。電阻網(wǎng)絡(luò)兼有阻抗匹配或變換作用。兩種電路拓?fù)淙鐖D4-2所示。圖中Z1、 Z2是電路輸入端、 輸出端的特性阻抗。根據(jù)電路兩端運(yùn)用的阻抗不同,可分為同阻式和異阻式兩種情況。 第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 圖 4-2 功率衰減器(a) T型功率衰減器； (b) 型功率衰減器Rs1Rs2RpZ1Z2RsRp1Z1Z2Rp2(a)(b)第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 4.2.1 同阻式集總

7、參數(shù)衰減器同阻式衰減器兩端的阻抗一樣,即Z1Z2,不需求思索阻抗變換,直接運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)的方法求出衰減量與各電阻值的關(guān)系。1. T型同阻式Z1=Z2=Z0對于圖4-2a所示T型同阻式衰減器,取Rs1=Rs2。我們可以利用三個A參數(shù)矩陣相乘的方法求出衰減器的A參數(shù)矩陣,再換算成S矩陣,就能求出它的衰減量。串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻的A網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如下:第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 Rs1的傳輸矩陣 Rp的傳輸矩陣相乘得 1011sRa 1/101pRa4-2 4-3 2221121111111/1/1/2/11011/101101aaaaRRRRRRRRRRRapspspssps 4-4 第第4 4章

8、章 功率衰減器功率衰減器 轉(zhuǎn)化為S矩陣為2221121121121211122221121121222112112221121122222112112221121111)(22aaaaaaaasaaaasaaaaaaaasaaaaaaaas第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 對衰減器的要求是衰減量為20lg|s21|(dB),端口匹配10lg|s11|=-。求解聯(lián)立方程組就可解得各個阻值。下面就是這種衰減器的設(shè)計(jì)公式。111210021010ZRRZRsspA第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 2. 型同阻式Z1=Z2=Z0對于圖4-2b所示型同阻式衰減器,取Rp1=Rp2, 可以用上述T

9、型同阻式衰減器的分析和設(shè)計(jì)方法,過程完全一樣,即利用三個A參數(shù)矩陣相乘的方法求出衰減器的A參數(shù)矩陣,再換算成S矩陣,就能求出它的衰減量, 所得結(jié)果由式4-7給出。 112110021010ZRRZRppsA4-7 第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 4.2.2 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,級聯(lián)后要思索阻抗變換。下面分別給出兩種衰減器的計(jì)算公式。 1. T型異阻式pspspARaZRRaZRZZR11111210221121104-8 第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 2. 型異阻式1221112110111111112110spsppARaZRRaZRZZR4-9第第

10、4 4章章 功率衰減器功率衰減器 4.2.3 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)一個5dBT型同阻式Z1=Z2=50固定衰減器。步驟一: 同阻式集總參數(shù)衰減器A=-5dB,由公式(4-6)計(jì)算元件參數(shù):01.141124.821210021010aZRRZRsspA第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 步驟二: 利用Microwave Office仿真衰減器特性。由上述計(jì)算結(jié)果畫出電路圖,如圖進(jìn)制4-3所示。 圖4-3 T型同阻式固定衰減器電路圖第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 仿真結(jié)果如圖4-4所示。 圖 4-4仿真結(jié)果第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 設(shè)計(jì)實(shí)例二：設(shè)計(jì)10d

11、B型同阻式Z1=Z2=50固定衰減器。步驟一：同阻式集總參數(shù)衰減器A=-10dB,由公式(4-7)計(jì)算元件參數(shù):25.961115.71211 . 010021010aZRRZRpppA第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 步驟二: 利用Microwave Office仿真衰減器特性。由上述計(jì)算結(jié)果畫出電路圖,如圖4-5所示。 第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 圖4-5 型同阻式固定衰減器電路圖第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 仿真結(jié)果如圖4-6所示。圖 4-6仿真結(jié)果第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 設(shè)計(jì)實(shí)例三：設(shè)計(jì)10dB型異阻式Z1=50 ,Z2=75固定衰減器。步驟一: 異

12、阻式集總參數(shù)衰減器A=-10 dB,由公式(4-9)計(jì)算元件參數(shù): 45.207111111.77111114.87211 . 0101221112110spsppARaZRRaZRZZR第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 步驟二: 利用Microwave Office仿真衰減器特性。由上述計(jì)算結(jié)果畫出電路圖,如圖4-7所示。仿真結(jié)果如圖4-8所示。第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 圖4-7 型同阻式固定衰減器電路圖第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 圖4-8 仿真結(jié)果DB(|S2,1|)Schematic21.41.61.82Frequency(GHz)Gr

13、aph1第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 4.3 4.3 分布參數(shù)衰減器分布參數(shù)衰減器4.3.1 同軸型衰減器1. 吸收式衰減器在同軸系統(tǒng)中,吸收式衰減器的構(gòu)造有三種方式： 內(nèi)外導(dǎo)體間電阻性介質(zhì)填充、內(nèi)導(dǎo)體串聯(lián)電阻和帶狀線衰減器轉(zhuǎn)換為同軸方式,如圖4-9所示。衰減量的大小與電阻資料的性質(zhì)和體積有關(guān)。第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 圖 4-9 三種同軸構(gòu)造吸收式衰減器 a 填充; b 串聯(lián); c 帶狀線(a)(b)(c)第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 2. 截止式衰減器截止式衰減器又稱“過極限衰減器,是用截止波導(dǎo)制成的。其構(gòu)造如圖 4-10 所示。它是根據(jù)當(dāng)任務(wù)波長久大于截止波長

14、c時,電磁波的幅度在波導(dǎo)中按指數(shù)規(guī)律衰減的特性來實(shí)現(xiàn)衰減的。 第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 圖 4-10截止式衰減器圓形截止波導(dǎo)l輸入同軸線輸出同軸線圓形截止波導(dǎo)第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 4.3.2 波導(dǎo)型衰減器1. 吸收式衰減器最簡單的波導(dǎo)吸收式衰減器是在波導(dǎo)中平行于電場方向放置具有一定衰減量的吸收片組成的。由于有損耗性薄膜或介質(zhì)外表有定電阻,所以沿其外表的電磁波電場切向分量,將在其上引起傳導(dǎo)電流,構(gòu)成焦耳熱損耗并以熱能的方式分發(fā)掉。只需控制衰減器衰減量,信號經(jīng)過衰減器后就被減弱到所需電平。第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 圖4-11給出了最簡單的吸收式衰減器: 固定

15、式和可變式。前者吸收片的位置和面積固定不變,后者可以經(jīng)過傳動機(jī)構(gòu)來改動衰減片的位置或面積,實(shí)現(xiàn)衰減量的改動。吸收片用陶瓷片、 硅酸鹽玻璃、 云母、 紙(布)膠板等作基片,在上面涂覆或噴鍍石墨粉或鎳鉻合金?；M能夠薄,要有一定的強(qiáng)度,以堅(jiān)持平整和不變形。吸收片沿橫向挪動的衰減器,在吸收片移到電場最大處,吸收的能量最多,衰減量最大,在貼近窄壁時衰減量小。片的位移可由外附的機(jī)械微測安裝讀出, 它與衰減量的關(guān)系不是線性的,有時甚至不是單調(diào)變化的,這與片在不同位置時對橫向場型分布影響的程度來決議。在實(shí)踐運(yùn)用這種衰減器前運(yùn)用實(shí)驗(yàn)方法借助于精細(xì)的衰減規(guī)范作出定標(biāo)校正曲線。第第4 4章章 功率衰減器功率衰減

16、器 圖 4-11 吸收式衰減器構(gòu)造表示圖 (a) 固定式； (b) 可變式單 片吸 收 薄 片移 動吸 收 薄 片 (刀 形 )軸轉(zhuǎn) 動雙 片(a)(b)第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 刀形旋轉(zhuǎn)片衰減器的衰減量與旋入波導(dǎo)內(nèi)的面積成正比。這種衰減器的優(yōu)點(diǎn)是, 起始衰減為零分貝,此時對波導(dǎo)內(nèi)波的傳輸沒有影響。在刀片旋入時,由于不附加任何支撐物于波導(dǎo)內(nèi),因此,輸入駐波比很接近于1。設(shè)計(jì)適宜的刀片外形可以實(shí)現(xiàn)衰減量與機(jī)械轉(zhuǎn)角或深度讀數(shù)之間接近線性關(guān)系,堅(jiān)持在全部衰減量可變范圍內(nèi)有足夠高的準(zhǔn)確度。這種定衰減器的缺陷是少量電磁能量從波導(dǎo)中漏出,機(jī)械強(qiáng)度上略差。從多方面比較,刀形旋轉(zhuǎn)吸收片衰減器比橫向

17、挪動吸收片衰減器顯得優(yōu)越,在構(gòu)造、 安裝等方面也比較簡便。這種方式的衰減器構(gòu)造簡單加工容易,適于成批消費(fèi)。橫向挪動式和刀片式衰減器都是粗調(diào)式,精度都不高,需求校準(zhǔn)曲線才有定量衰減。 第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 圖 4-12 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旋轉(zhuǎn)段輸出段吸收片3E|cos第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 2. 極化吸收式衰減器極化吸收式衰減器是一種精細(xì)衰減器,其構(gòu)造如圖4-12所示,由三段波導(dǎo)組成。兩端是固定的矩形波導(dǎo)到圓柱波導(dǎo)的過渡段,中間是一段可以繞縱軸轉(zhuǎn)動的圓柱波導(dǎo)。在每段波導(dǎo)中部沿軸向放置厚度極薄的能完全吸收

18、與其平行的切向電場的吸收片,各段中吸收片的相對位置如圖中所示。圓柱波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)的角度可以用精細(xì)傳動系統(tǒng)丈量并顯示出來,角度的變化也就是極化面的變化。極化衰減器的衰減量為A=20 lg (cos) 4-10第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 4.3.3 微帶型衰減器在微帶線的外表鍍膜一層電阻資料即可實(shí)現(xiàn)衰減,也可用涂覆方法實(shí)現(xiàn)衰減。近代常用吸波橡膠資料,將其裁剪至適宜尺寸,用膠粘到電路上。在微波有源電路的調(diào)整中,會用到吸波資料消除高次模、 諧雜波影響, 控制組件泄露等。4.3.4 匹配負(fù)載匹配負(fù)載是個單口網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)匹配的原理與衰減的原理一樣。通常,衰減器是部分吸收能量,匹配負(fù)載是全吸收負(fù)載,而且頻

19、帶足夠?qū)?。圖4-13是波導(dǎo)、 同軸和微帶三種匹配負(fù)載構(gòu)造的表示圖。第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 圖4-13 波導(dǎo)、 同軸和微帶匹配負(fù)載構(gòu)造(a)(b)(c)第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 同軸和微帶中,匹配負(fù)載的電阻通常是50 ,可以用電阻表丈量。因此,集總元件電阻可以用來實(shí)現(xiàn)窄帶匹配負(fù)載。微波工程中,用51貼片電阻實(shí)現(xiàn)微帶匹配負(fù)載。第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 4.4 PIN4.4 PIN二極管電調(diào)衰減器二極管電調(diào)衰減器 4.4.1 PIN二極管如圖4-14所示,PIN二極管就是在重?fù)诫sP+、 N+之間夾了一段較長的本征半導(dǎo)體所構(gòu)成的半導(dǎo)體器件,中間I層長度為幾到幾十微

20、米。第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 圖 4-14 PIN二極管構(gòu)造表示PIN第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 1. 直流偏置在零偏與反偏下,PIN管均不能導(dǎo)通,呈現(xiàn)大電阻。正偏時,P+、N+分別從兩端向I區(qū)注入載流子,它們到達(dá)中間區(qū)域復(fù)合。PIN管不斷呈現(xiàn)導(dǎo)通形狀,偏壓流越大,載流子數(shù)目越多,正向電阻越小。2. 交流信號作用下的阻抗特性頻率較低時,正導(dǎo)游電,反向截止, 具有整流特性。頻率較高時,正半周來不及復(fù)合,負(fù)半周不能完全抽空,I區(qū)總有一定的載流子維持導(dǎo)通。小信號時I區(qū)的載流子少,大信號時I區(qū)的載流子多。所以,高頻大信號時電阻大,小信號時電阻小。 第第4 4章章 功率衰減器功率衰

21、減器 3. PIN二極管的特性PIN二極管的特性如下：(1) 直流反偏時,對微波信號呈現(xiàn)很高的阻抗,正偏時呈現(xiàn)很低的阻抗?？捎眯〉闹绷鞯皖l功率控制微波信號的通斷,用作開關(guān)、 數(shù)字移相等。(2) 直流從零到正偏延續(xù)添加時,對微波信號呈現(xiàn)一個線性電阻,變化范圍從幾兆歐到幾歐姆,用作可調(diào)衰減器。(3) 只需微波信號時,I區(qū)的信號積累與微波功率有關(guān),微波功率越大,管子阻抗越大，用作微波限幅器。(4) 大功率低頻整流器,I區(qū)的存在使得接受功率比普通整流管大的多。 第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 4.4.2 電調(diào)衰減器利用PIN管正偏電阻隨電流變化這一特點(diǎn),調(diào)理偏流改動電阻,可以控制PIN開關(guān)插入衰

22、減量,這就是電調(diào)衰減器。1. 單管電調(diào)衰減器如圖4-15所示, 在微帶線中打孔并接一個PIN管,改動控制信號就可改動輸出功率的大小。這種構(gòu)造的衰減器輸入電壓駐波比大。 第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 圖 4-15微帶單管電調(diào)衰減器輸 出控 制 信 號輸 入PIN 管第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 2. 3 dB定向耦合器型衰減器這是一種匹配型衰減器, 如圖4-16所示。微波功率從1口輸入,分兩路從2、 3口反射后從4口疊加輸出。假設(shè)2、 3口匹配(Rf0),那么4口無輸出。假設(shè)2、 3口全反射,那么4口輸出最大,Z2=Z3=Rf+Z0。同步伐節(jié)兩雖然子偏流,可以改動4口輸出功率。

23、000002ZRRZZRZZRffff4-11 ffrrL2lg201lg204-12 第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 式中 0ZRrff第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 圖4-16 3dB定向耦合器型衰減器的原理和微帶構(gòu)造3分貝定向耦合器偏置輸出輸入PINPINPoutPin1423Z0Z0第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 3. 吸收陣列式電調(diào)衰減器 利用多個PIN管合理布置可制成頻帶寬、 動態(tài)范圍大、駐波比小、功率容量大的陣列式電調(diào)衰減器,如圖4-17所示。PIN管等距陳列,但偏流不同。單節(jié)衰減器的影像反射系數(shù)和衰減分別為iiDDiDDiYZYZjLYZjYZj11212lg202122002004-13 4-14 4-15 第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 圖 4-17 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VD1VD2VD3VDn(a)C1C2C3Cn(b)R01R02R03R0n(c)第第4 4章章 功率衰減器功率衰減器 |YD|小Rf大, 反射小,衰減小,駐波比小