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射频电路专题实验 实验二 衰减器设计


实验二 衰减器的设计

一、功率衰减器的原理
? 功率衰减器是一种能量损耗性射频/微波元件, 元件内部含有电阻性材料。衰减器广泛用于需要 功率电平调整的各种场合。

数控衰减器

固定衰减器

集成衰减器

1. 衰减器的技术指标
(1) 工作频带。衰减器的

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。 (2) 衰减量。衰减量描述功率通过衰减器后功率的变小程度。 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。
1 P1 功率衰减器 A(dB ) 2 P2

P 2(m W) AdB ? 10 ? log P1(m W)

(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。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。? (4) 回波损耗。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。

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。

3 衰减器的主要用途
(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。 (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。

二、集总参数衰减器
Rs1 Z1 Rp Rs2 Z2 Z1 Rp 1 Rs Rp 2 Z2

(a)

(b)

?(a)T型功率衰减器 ?
同阻抗式: Z1=Z2=Z0 异阻抗式: Z1≠Z2

(b)Π 型功率衰减器

1 同阻式集总参数衰减器

?1 Rs1 ? Rs1和Rs2的传输矩阵: 1 ? ? ?a ? 0 1? ? ?
? a11 ?a? ? ? ?a21

? 1 Rp的传输矩阵: a2 ? ? ? ? ?1 / R p

0? 1? ?

0? ?1 Rs1 ? a12 ? ?1 Rs1 ? ? 1 ? ? ?0 1 ? ?1 / R 1? ?0 1 ? a22 ? ? p ?? ? ?? ?1 ? Rs1 / R p 2 Rs1 ? R / R p ? ?? 1/ R 1 ? Rs1 / R p ? ? ?

转化为[S]矩阵为:

a11 ? a12 ? a21 ? a22 ? ?s11 ? a ? a ? a ? a 11 12 21 22 ? ? a11 ? a12 ? a21 ? a22 ? ?s22 ? a ? a ? a ? a ? 11 12 21 22 ? 2 ?s ? ? 21 a11 ? a12 ? a21 ? a22 ? ?s ? 2(a11a12 ? a12 a21 ) ? 12 a11 ? a12 ? a21 ? a22 ?
衰减量: A=20lg|s21|(dB) 端口匹配: 20lg|s11|=-∞。

? A ? ? ? 1010 ? ? 2 ? ? ?R p ? Z 0 ? ?1 ? ? ? ?1 ? Rs1 ? Rs 2 ? Z 0 ? ? ?1 ?

2. П型同阻式

? A ? ? ? 1010 ? ? ? ?1 ? ?Rs ? Z 0 2 ? ? ? ? ?1 ?R p1 ? R p 2 ? Z 0 ? ?1 ? ?

3. T型异阻式
A ? ? ? 1010 ? ? ? R ? 2 ? Z1 Z 2 ? p ? ?1 ? ? a ?1 ? Rs1 ? Z1 ? Rp ? ?1 ? ? ? Rs 2 ? Z 2 a ? 1 ? R p ? ? ?1 ?

4. П型异阻式
A ? 10 ?? ? 10 ? ? R ? ? ? 1 Z1 Z 2 ? s 2 ? ? ?1 ? ? 1 a ?1 1 ? ? ? ? R p1 ? ? ? Z ? ?1 R ? s ? ? ? 1 ? ?1 ? 1 a ?1 1 ? ? ?R p 2 ? ? Z ? ? 1 ? R ? ? ? 2 s ? ? ?

设计实例一:设计一个5dB T型同阻式(Z1=Z2=50Ω)固定衰减器。 (1) 同阻式集总参数衰减器A=-5dB,由公式计算元件参数:
A 10

? ? 10

2 ? Rp ? Z0 ? 82.24? ? ?1 Rs1 ? Rs 2 ? Z 0 a ?1

? ?1

? 14.01?

(2)由上述计算结果画出电路图,利用ADS仿真衰减器特性。

Lumped-components

Ctrl+R旋转 器件

Simulation-S_param

练习:设计10dB П型同阻式(Z1=Z2=50Ω)固定衰减器。

? A ? ? ? 1010 ? ? ? ?1 ? ?Rs ? Z 0 2 ? ? ? ? ?1 ?R p1 ? R p 2 ? Z 0 ? ?1 ? ?

练习:设计10dBП型异阻式(Z1=50 Ω,Z2=75Ω)固定衰减器。

A ? 10 ?? ? 10 ? ? R ? ? ? 1 Z1 Z 2 ? s 2 ? ? ?1 ? ? 1 a ?1 1 ? ? ? ? R p1 ? ? ? Z ? ?1 R ? s ? ? ? 1 ? ?1 ? 1 a ?1 1 ? ? ?R p 2 ? ? Z ? ? 1 ? R ? ? ? 2 s ? ? ?

其他类型的衰减器
(a) (b) (c)

三种同轴结构吸收式衰减器? (a) 填充; (b) 串联; (c) 带状线
圆形截止波导

l 输入同轴线 输出同轴线

截止式衰减器

圆形截止波导

吸收式衰减器结构示意图 (a) 固定式; (b) 可变式

(a)

(b)

(c)

波导、 同轴和微带匹配负载结构

PIN 管 输入 输出

控制信号

微带单管电调衰减器

三、衰减器的测量
1. PNA网络分析仪介绍

仪器的面板与按键
指示灯

↓ →
亮度

显示器


菜单 输出 输入A 输入B

复位 执行

示例:测失配负载在800~1000MHz的驻波比,每隔 10MHz测一点,共测21点。
1. 开机时或复位后出现的就是主菜单,光标在底部《校:×× 》处闪 动, 2. 按一下〖↓〗键,光标到菜单顶部左边。若为频域则往下进行,否则 按〖→〗键,使出现《 频域 》。 3. 按一下〖↓〗键,光标到菜单顶部右边。若为《0.1MHz》则往下进 行,否则按〖→〗键,使出现《 0.1 》。 4. 按一下〖↓〗键,使光标到《BF》下,按〖→〗或〖←〗键,使出 现《BF:0800.0MHz》。 5. 按一下〖↓〗键,使光标到《⊿F》下,按〖→〗或〖←〗键,使出 现《⊿F:0010.0MHz》。 6. 按一下〖↓〗键,使光标到《EF》下,按〖→〗或〖←〗键,使出 现《EF:1000.0MHz》。屏幕自动出现《N=21》。 7. 按一下〖↓〗键,使光标到《M:××》下,若为《M:常规》则往 下进行,否则按〖→〗键,使出现《M:常规 》。 8. 按一下〖↓〗键,使光标到《测:A B 》下,若A下为《 回损 》, 则往下进行,否则按〖→〗或〖←〗键,使A下出现《 回损 》。

9. 按一下〖↓〗键或按〖复位〗键,光标当到《校:开路 》下,在电桥测试口 开路或接上开路器的情况下,按〖执行〗键,进行开路校正;此时显示器右 下角频率在变动, 直到出现《校: 短路》字样。

输出

输入A

输入B

电桥

10. 在电桥测试端口接上短路器,然后按〖执行〗键; 画面转成阻抗圆图, 光 标在R=0点闪动, 拔掉短路器光标在R=∞点闪动。 11. 接上待测失配负载, 即可用圆图看变化趋势;要想看驻波比频响,可按〖菜 单〗键,再选驻波即得直角坐标的驻波比频响曲线。

例子:测衰减器在30MHz-3198MHz的插损、驻波和回损。
(1)按《菜单》按钮,选择扫频方案1。 (2)在主菜单下设置初始频率(30MHz)、频率间隔(39.6MHz)和终止频率 (3198MHz)。 (3)在主菜单下按〖↓〗键将光标移到《测:A B》下, 按〖→〗或〖←〗键使A下为 《插损》,B下空白。 (4)接法如下图,为了衰减器能直接对接以减小测试误差,可先将两个衰减器对接 起来,再通过双阴与接到A口的电缆接上,然后按【执行】键完成直通校正。

(5)按〖↓〗键使光标停在《校:直通》下, 按〖执行〗键,此时为直通状态, 即校最 大值, 仪器会直接转入测试, 此时画面应为方格坐标, 测试值为0dB。 (6)将待测衰减器串入两电缆之间, 即可进行测试。 (7) 按〖→〗或〖←〗可看各个频率下的测量数值,记下测试结果(见附表)。

衰减器的驻波和回损测量:
(1) 如图按测回损连接。
(2)在电桥测试端口进行开路、 短路校正。 (3)在待测衰减器阴头(K头)接上阳负载 (J头),将待测衰减器阳头(J头)接到电 桥测试端口上,屏幕上显示的即待测衰减器 阳头的输入阻抗轨迹。
输出 输入A 输入B

电桥

(4)按〖菜单〗键,出现功能选择菜单后,再将光标移到《对数》下,再 按〖执行〗键;记下测试结果(见附表)。 (5)按菜单键,选驻波显示;记下测试结果(见附表)。


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