一文讀懂微波衰減器

我們?cè)谥暗奈恼轮?，分別討論過(guò)微波衰減器的相關(guān)知識(shí)，從衰減器的技術(shù)指標(biāo)，到衰減器的實(shí)現(xiàn)方式。今天，我們對(duì)衰減器的知識(shí)進(jìn)行一下匯總梳理。

No.1 衰減器的指標(biāo)

在射頻電路設(shè)計(jì)中，尤其是一些通過(guò)式元件的設(shè)計(jì)，我們通常希望元件的插損盡可能地小，盡可能的讓更多的來(lái)之不易的射頻功率通過(guò)去。但是有些時(shí)候，我們有不希望功率太大，比如在一些測(cè)試上，功率太大，有可能把造成測(cè)試儀器的損壞。這時(shí)，就用會(huì)用到這個(gè)吃貨——功率衰減器。就是下面這個(gè)長(zhǎng)滿(mǎn)散熱片的家伙，吃掉的功率被它轉(zhuǎn)化成熱吸收了，為了防止過(guò)熱，所以就給它穿上了這層專(zhuān)門(mén)散熱用的鎧甲。

第一點(diǎn)就是衰減器的 工作頻段 。其實(shí)對(duì)于任何微波器件來(lái)說(shuō)，都要注意其工作頻段，這里包括工作頻率和帶寬。因?yàn)槠渌募夹g(shù)指標(biāo)都是基于這個(gè)工作頻段來(lái)說(shuō)的。拋開(kāi)工作頻段，性能再好都白搭。如下圖所示，這個(gè)工作頻段就標(biāo)注在衰減器的名牌上，對(duì)于下面這款衰減器，其工作頻段是DC——3GHz。

第二個(gè)就是其 衰減量 ，這個(gè)是由我們索要應(yīng)用的系統(tǒng)所決定的。這個(gè)衰減量就是電磁波信號(hào)通過(guò)衰減器之后被衰減器吃掉多少功率，P1-P2.對(duì)于上圖的這款衰減器，其衰減量就是30dB。也就是一個(gè)1W（30dBm）的電磁波信號(hào)過(guò)去，只剩1mW（0dBm）的功率出來(lái)，也就是0.99W的功率被衰減器給吃掉了。

下一個(gè)比較關(guān)鍵的就是衰減器的功率容量了。如同上面所說(shuō)，這個(gè)被吃掉的功率，跑哪里去了呢？被衰減器內(nèi)的阻性材料轉(zhuǎn)化成熱了，所以要加足夠的散熱片來(lái)散熱。熱會(huì)影響衰減器的性能。但是最終決定功率容量的還是其內(nèi)部材料結(jié)構(gòu)的擊穿功率，太熱的話(huà)，會(huì)是材料的擊穿門(mén)限值降低。

除了這三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)之外，衰減器還必須具有良好的 回波損耗 ，這樣才能保證衰減器對(duì)兩端電路的影響小。良好的 互調(diào)特性 ，包括無(wú)源互調(diào)PIM，我們總是不希望信號(hào)從衰減器出來(lái)后，有其他的雜散出來(lái)，私生子總是不受歡迎的。當(dāng)然還有一些機(jī)械結(jié)構(gòu)的性能要求，比如說(shuō)可靠性，接頭壽命等等。

所以在選擇衰減器時(shí)，一定要認(rèn)真閱讀衰減器的銘牌，選擇滿(mǎn)足系統(tǒng)要求的衰減器。

No.2 集總參數(shù)衰減器設(shè)計(jì)

顯而易見(jiàn)，衰減器的組成就是用到了這個(gè)電阻元件，利用電阻對(duì)電磁波信號(hào)的吸收來(lái)達(dá)到降低信號(hào)電平的目的。對(duì)于上述兩種電路，一個(gè)就是T型衰減器，有Rs1，Rs2和Rp三個(gè)電阻組成。另一個(gè)就是常用的Π型衰減器，也同樣是有Rp1，Rp2，Rs 三個(gè)電阻組成。我們通過(guò)這三個(gè)電阻的選值，就可以確定衰減器的衰減值。

這里要注意衰減器使用場(chǎng)和，也就是衰減器兩端的傳輸線(xiàn)阻抗值Z1和Z2。如果Z1=Z2，那么衰減器只要完成相應(yīng)的信號(hào)衰減值就可以了，如果Z1不等于Z2的話(huà)，衰減器在進(jìn)行信號(hào)衰減的同時(shí)，也能完成阻抗的匹配。我們下面分這兩種情況，一一去講解。

Case1 Z1 等于Z2

這種情況就比較簡(jiǎn)單了，對(duì)于上面兩種衰減電路，我們只要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)的方法就可以分析出衰減值與電阻之間的關(guān)系式。

首先我們看一下T型衰減器，我們只要利用三個(gè)電阻的A參數(shù)進(jìn)行級(jí)聯(lián)計(jì)算，就可以求出整個(gè)衰減器的A參數(shù)。然后利用A參數(shù)和S參數(shù)的轉(zhuǎn)換公式，可以計(jì)算出衰減器的S參數(shù)，進(jìn)而得到衰減器的衰減值S21dB。反之，也可以根據(jù)衰減值，算出電阻值。

假設(shè) Rs1=Rs2，（實(shí)際選擇時(shí)，往往也是用到兩個(gè)相同的電阻）；

1， Rs1的A參數(shù)矩陣

2，Rp的A參數(shù)矩陣：

3，T型衰減器的A參數(shù)矩陣

4，A參數(shù)轉(zhuǎn)換為S參數(shù)

衰減器是一個(gè)雙端口互易網(wǎng)絡(luò)，及S11=S22，S12=S21.它的衰減值，就是10log（S21）dB，它的反射系數(shù)就是10log（S11）dB，我們希望這個(gè)反射系數(shù)是無(wú)窮小。求解上述方程組就可以得到T型衰減器的設(shè)計(jì)公式（有興趣的同學(xué)可以自己推導(dǎo)一下啊，書(shū)上是這么寫(xiě)的。。。。）：

同樣的方法，我們也可以得到Π型衰減器的設(shè)計(jì)公式：

Case2 Z1 不等于Z2

當(dāng)Z1不等于Z2時(shí)，在級(jí)聯(lián)之后，要考慮阻抗變換，這里僅給出這兩種衰減器的計(jì)算公式。

T型衰減器

Π型衰減器

相應(yīng)的，我們?nèi)绻淖兯p器的電阻值，那么其衰減值也會(huì)隨著變化，這個(gè)時(shí)候，我們就可以利用一個(gè)可調(diào)電阻來(lái)對(duì)衰減器的衰減值進(jìn)行微調(diào)，也就可以對(duì)信號(hào)的電平進(jìn)行調(diào)節(jié)。這個(gè)可調(diào)衰減器，也是射頻電路中經(jīng)常用到的。這個(gè)衰減器的設(shè)計(jì)方法，您掌握了嗎？

No.3 分布參數(shù)衰減器設(shè)計(jì)

分布參數(shù)衰減器就是將電阻材料與微波傳輸線(xiàn)相結(jié)合，增加傳輸線(xiàn)的損耗，來(lái)獲得衰減器的衰減量。

No.1 ** 吸收式衰減器**

吸收式衰減器是在矩形波導(dǎo)中加入吸收片，通過(guò)吸收片吸收微波能量來(lái)實(shí)現(xiàn)衰減的作用。吸收片是一種涂有吸收層的漸變刀型或者兩端呈尖劈狀的介質(zhì)片。吸收片做成刀型或者尖劈形，這樣可以使波導(dǎo)的等效阻抗逐漸變化，以減少對(duì)輸入信號(hào)的反射，是阻抗匹配的一種方法。

下圖來(lái)自于參考1，給出了常見(jiàn)的吸收式衰減器的構(gòu)造。圖a給出了吸收片插入深度可調(diào)的刀型衰減器，圖b給出了吸收片固定的固定衰減器，圖c給出了吸收片沿著波導(dǎo)寬邊方向可移動(dòng)的可調(diào)衰減器。吸收片的設(shè)置與矩形波導(dǎo)中的主模H10電場(chǎng)線(xiàn)平行，吸收片上有電流流過(guò)，使電磁能轉(zhuǎn)換成熱能，構(gòu)成微波功率的衰減。

No.2 ** 極化衰減器**

下圖給出了常見(jiàn)的極化衰減器的結(jié)構(gòu)圖，極化衰減器有三段組成，兩端分別為平行于波導(dǎo)寬壁放置吸收片的固定的矩形——圓形過(guò)度波導(dǎo)段和圓形——矩形過(guò)度波導(dǎo)段，中間一段為內(nèi)部放置吸收片2 的傳輸H11模的圓波導(dǎo)，吸收片可以與中間的圓波導(dǎo)一起旋轉(zhuǎn)，吸收片的旋轉(zhuǎn)角度不同，衰減量也不同。當(dāng)三段吸收片足夠大時(shí)，衰減器的衰減量只與吸收片的旋轉(zhuǎn)角度相關(guān)，可作為標(biāo)準(zhǔn)可調(diào)衰減器使用。

No.3 ** 截止衰減器**

顧名思義，截止式衰減器是利用波導(dǎo)的截止特性來(lái)做的。波導(dǎo)的截止特性如下圖所示，故波導(dǎo)本身就是一款天生的高通濾波器。

下圖就是一款截止式衰減器。截止衰減器的主體部分是一個(gè)工作在截止?fàn)顟B(tài)的圓波導(dǎo)，可通過(guò)選擇圓波導(dǎo)的直徑來(lái)確定截止頻率。

No.4 ** 匹配負(fù)載

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匹配負(fù)載是一種接在傳輸線(xiàn)系統(tǒng)終端的單端口微波元件，能夠無(wú)反射的吸收入射波的全部功率。下圖式一種矩形波導(dǎo)匹配負(fù)載，通過(guò)內(nèi)置吸收片的來(lái)吸收微波能量。吸收片的存在對(duì)波導(dǎo)來(lái)說(shuō)引入了一種不連續(xù)性，為了減少反射，吸收片的形狀也推薦為刀型或者尖劈型，其長(zhǎng)度為二分之一工作波長(zhǎng)的整數(shù)倍，這樣，吸收片在斜面上的沒(méi)一點(diǎn)引起的電磁波 反射都能夠被與其相距四分之一波長(zhǎng)的反射波相互抵消，使得波導(dǎo)系統(tǒng)匹配良好。

不難看出，微波衰減器或者匹配負(fù)載，就是用了這個(gè)吸收片來(lái)吸收電磁波能量，實(shí)現(xiàn)衰減或者全部吸收的目的。吸收片上涂的通常是石墨或者鎳鉻合金。

總結(jié)

衰減器作為一種能量損耗性元件，雖然我們很多時(shí)候，都希望電磁波信號(hào)的損耗能夠足夠的小，但是有時(shí)候又不得不對(duì)其進(jìn)行衰減，以滿(mǎn)足特定場(chǎng)和的需求。