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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。除了常用的电阻性固定衰减器外,还有电控调整衰减器。衰减器广泛使用于需要功率电平调整的各种场合。
一、 衰减器的技术指标
衰减器的技术指标包括衰减器的工作频带、衰减量、功率容量、回波损耗等。
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,衰减器才能达到指标值。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。无论形成功率衰减的机理和具体结构如何,总是可以用下图所示的两端口网络来描述衰减器。
图中,信号输入端的功率为p1,而输出端得功率为p2,衰减器的功率衰减量为a(db)。若p1 、p2 以分贝毫瓦(dbm)表示,则两端功率间的关系为
p2(dbm)= p1(dbm)- a(db)
可以看出,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。
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。
5)功率系数。当输入功率从10mw变化到额定功率时,衰减量的变化系数表示为db/(dbw)。衰减量的变化值的具体算法是将系数乘以总衰减量功率(w)。如:一个功率容量50w,标称衰减量为40db的衰减器的功率系数为0.001db/(dbw),意味着输入功率从10mw加到50w时,其衰减量会变化0.0014050=2db之多!
二、 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器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。
三、 衰减器的主要用途
衰减器有以下基本用途:
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,获得噪声系数和变频损耗,达到接收效果。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。
从微波网络观点看,衰减器是一个二端口有耗微波网络。它属于通过型微波元件。
四、衰减器的相关参数
1)衰减: 用于描述传输过程中从一端到另一端的信号减少的量值。可用倍数或分贝数来表达。
2)vswr: 等于特性阻抗与连接在传输线输出端的负载阻抗的比值。
3)平均功率: 在衰减器输出端接特性阻抗时,在指定的工作温度上可长期加到衰减器输入端的功率。当工作温度降至20ºc,输入功率降到10mw时,衰减器的其它指标不应该发生变化。
4)插入损耗的功率系数: 当输入功率从10mw到额定功率时,插入损耗的变化值(db)。
5)峰值功率: 在衰减器输出端接特性阻抗时,在指定的工作温度上,在指定的时间内,加到衰减器输入端的5ms脉冲宽度峰值功率。当工作温度降至20ºc,输入功率降到10mw时,衰减器的其它指标不应该发生变化。
6)温度系数: 在工作温度范围内插入损耗的变化,用db/ºc表示。
7)冲击和振动: 衰减器必须承受三个方向的冲击和振动试验。
8)插入损耗的频率响应: 在20ºc时,整个频率范围内损耗值的变化量(db)。
9)工作温度上限: 衰减器工作在输入功率时的温度(ºc)。
10)标称插入损耗的偏差:在20ºc,输入功率10mw时测得的插入损耗和标称值的偏差。
11)接头寿命: 正常连接/断开的次数;在规定的寿命内所有的电气和机械指标应该满足指标要求。
12)互调失真:互调失真由杂散信号组成,它是由于器件中的非线性因素而产生的。尤其需要关注的是三阶互调失真,因为三阶互调产物而且不可被滤除。三阶互调电平的测试方法是将二个等幅的纯净信号(f1和f2)注入到被测器件中,三阶互调将出现在输出频谱的2f1-f2和2f2-f1处。三阶互调产物由相对于f1或f2的大小来定义,由-dbc来表示。
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