一文讀懂微波衰減器

我們在之前的文章中，分別討論過微波衰減器的相關(guān)知識，從衰減器的技術(shù)指標(biāo)，到衰減器的實現(xiàn)方式。今天，我們對衰減器的知識進(jìn)行一下匯總梳理。

No.1 衰減器的指標(biāo)

在射頻電路設(shè)計中，尤其是一些通過式元件的設(shè)計，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之不易的射頻功率通過去。但是有些時候，我們有不希望功率太大，比如在一些測試上，功率太大，有可能把造成測試儀器的損壞。這時，就用會用到這個吃貨——功率衰減器。就是下面這個長滿散熱片的家伙，吃掉的功率被它轉(zhuǎn)化成熱吸收了，為了防止過熱，所以就給它穿上了這層專門散熱用的鎧甲。

第一點就是衰減器的 工作頻段 。其實對于任何微波器件來說，都要注意其工作頻段，這里包括工作頻率和帶寬。因為其它的技術(shù)指標(biāo)都是基于這個工作頻段來說的。拋開工作頻段，性能再好都白搭。如下圖所示，這個工作頻段就標(biāo)注在衰減器的名牌上，對于下面這款衰減器，其工作頻段是DC——3GHz。

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

下一個比較關(guān)鍵的就是衰減器的功率容量了。如同上面所說，這個被吃掉的功率，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散熱。熱會影響衰減器的性能。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，會是材料的擊穿門限值降低。

除了這三個關(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兩端電路的影響小。良好的 互調(diào)特性 ，包括無源互調(diào)PIM，我們總是不希望信號從衰減器出來后，有其他的雜散出來，私生子總是不受歡迎的。當(dāng)然還有一些機械結(jié)構(gòu)的性能要求，比如說可靠性，接頭壽命等等。

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

No.2 集總參數(shù)衰減器設(shè)計

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

這里要注意衰減器使用場和，也就是衰減器兩端的傳輸線阻抗值Z1和Z2。如果Z1=Z2，那么衰減器只要完成相應(yīng)的信號衰減值就可以了，如果Z1不等于Z2的話，衰減器在進(jìn)行信號衰減的同時，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

這種情況就比較簡單了，對于上面兩種衰減電路，我們只要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)級聯(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，我們只要利用三個電阻的A參數(shù)進(jìn)行級聯(lián)計算，就可以求出整個衰減器的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，（實際選擇時，往往也是用到兩個相同的電阻）；

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，我們希望這個反射系數(shù)是無窮小。求解上述方程組就可以得到T型衰減器的設(shè)計公式（有興趣的同學(xué)可以自己推導(dǎo)一下啊，書上是這么寫的。。。。）：

同樣的方法，我們也可以得到Π型衰減器的設(shè)計公式：

Case2 Z1 不等于Z2

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

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，那么其衰減值也會隨著變化，這個時候，我們就可以利用一個可調(diào)電阻來對衰減器的衰減值進(jìn)行微調(diào)，也就可以對信號的電平進(jìn)行調(diào)節(jié)。這個可調(diào)衰減器，也是射頻電路中經(jīng)常用到的。這個衰減器的設(shè)計方法，您掌握了嗎？

No.3 分布參數(shù)衰減器設(shè)計

分布參數(shù)衰減器就是將電阻材料與微波傳輸線相結(jié)合，增加傳輸線的損耗，來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，通過吸收片吸收微波能量來實現(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，以減少對輸入信號的反射，是阻抗匹配的一種方法。

下圖來自于參考1，給出了常見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電場線平行，吸收片上有電流流過，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——圓形過度波導(dǎo)段和圓形——矩形過度波導(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，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工作在截止?fàn)顟B(tài)的圓波導(dǎo)，可通過選擇圓波導(dǎo)的直徑來確定截止頻率。

No.4 ** 匹配負(fù)載

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匹配負(fù)載是一種接在傳輸線系統(tǒng)終端的單端口微波元件，能夠無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，通過內(nèi)置吸收片的來吸收微波能量。吸收片的存在對波導(dǎo)來說引入了一種不連續(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，其長度為二分之一工作波長的整數(shù)倍，這樣，吸收片在斜面上的沒一點引起的電磁波 反射都能夠被與其相距四分之一波長的反射波相互抵消，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，就是用了這個吸收片來吸收電磁波能量，實現(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，雖然我們很多時候，都希望電磁波信號的損耗能夠足夠的小，但是有時候又不得不對其進(jìn)行衰減，以滿足特定場和的需求。