功率衰减器及仿真

目录摘要…………………………………………………………………………………iAbstract……………………………………………………………………………ii1绪论………………………………………………………………………………12功率衰减器的基本性质…………………………………………………………42.1功率衰减器的原理………………………………………………………42.2功率衰减器的基本构成…………………………………………………42.3功率衰减器的相关参数…………………………………………………52.4功率衰减器的技术指标…………………………………………………62.5功率衰减器的主要用途…………………………………………………73功率衰减器的设计………………………………………………………………93.1功率衰减器的原理………………………………………………………93.2功率衰减器的设计………………………………………………………93.3功率衰减器模块的设计制作……………………………………………113.4功率衰减器模块的性能指标……………………………………………124功率衰减器的仿真……………………………………………………………164.1ADS简介…………………………………………………………………164.2ADS2009的主要特性和新功能…………………………………………164.3ADS软件的仿真分析法…………………………………………………16结论…………………………………………………………………………………16致谢…………………………………………………………………………………18参考文献……………………………………………………………………………19第1章.绪论1.1选题的意义及课题来源功率衰减器是在指定的频率范围内，一种用以引入一预定衰减的电路。一般以所引入衰减的分贝数及其特性阻抗的欧姆数来标明。在有线电视系统里广泛使用衰减器以便满足多端口对电平的要求。如放大器的输入端、输出端电平的控制、分支衰减量的控制。功率衰减器有无源衰减器和有源衰减器两种。有源衰减器与其他热敏元件相配合组成可变衰减器，装置在放大器内用于自动增益或斜率控制电路中。无源衰减器有固定衰减器和可调衰减器功率衰减器是在指定的频率范围内，一种用以引入一预定衰减的电路。一般以所引入衰减的分贝数及其特性阻衰减器抗的欧姆数来标明。在有线电视系统里广泛使用衰减器以便满足多端口对电平的要求。如放大器的输入端、输出端电平的控制、分支衰减量的控制。衰减器有无源衰减器和有源衰减器两种。有源衰减器与其他热敏元件相配合组成可变衰减器，装置在放大器内用于自动增益或斜率控制电路中。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大功率衰减器种基本形式，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。1.2功率衰减器的主要用途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，获得光敏衰减器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。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。1.3功率衰减器的现状衰减器的应用十分广泛，在大功率的测量中，往往需要通过衰减器将功率降到适合仪器测量的水平。微带型衰减器因其分布参数很小，频响较好等优点，广泛应用于各微波系统中，但由于其体积小，发热集中，且散热路径收到多方面的限制等原因，承受功率收到很大的限制，因此在研制大功率微带衰减器时，散热成为设计的一个主要难点。功率衰减器在微波超外差接收机中对输出功率进行控制，获得光敏衰减器最佳噪声系数和变频损耗，达到最佳接受效果。在微波接收机中，实现自动增益控制，改善动态范围，用途广泛。传统的热设计只能根据经验类比或者应用有限的换热公司进行预先估计，生产出成品后再通过实验来检验，若不能满足要求，则要进行修改，再设计，再生产，再检验，如此反复的设计过程，既浪费时间又浪费人力物力。所以，在设计阶段就对其进行有效的仿真是有必要的。热分析软件能够在衰减器的设计阶段对其进行温度场计算，比较真实的模拟出各衰减电阻的热分布状况，确定出最高温度的位置，然后对其进行改进和优化，最终降低温度最高值，并使温度场处于相对平衡的状态，避免出现局部过热现象。1.4本课题的主要研究内容本课着眼于功率衰减器教学的设计、仿真、应用。但目前市场上所销售的功率衰减器，过于复杂不适用于实验室。所以，我们自主研制开发了射频实验系统。围绕着射频实验系统的性能要求，主要进行一下方面的工作：1、针对现有射频人才的紧缺和功率衰减器教学仪器的市场空白，基于功率衰减器原理，研制开发了“射频实验系统”功率衰减器教学仪器。2、本文介绍了射频实验系统衰减器的各项技术指标和性能指标，并阐述了射频实验系统衰减器的各部分具体实现方案。3、重点分析了典型的衰减器模块电路，如π型功率衰减器、T型功率衰减器、多级衰减器，以及仿真软件ADS。4、研究射频实验系统衰减器的误差来源及仿真产生的影响。并通过理论分析和实验测量比较，验证了设计和仿真方案的合理性和有效性。综上所述，本课题的理论研究和应用研究具有重要的意义和广泛的实际应用前景。第2章.功率衰减器的基本性质2.1功率衰减器的原理功率衰减器是在指定的频率范围内，一种用以引入一预定衰减的电路。一般以所引入衰减的分贝数及i其特性阻抗的欧姆数来标明。在有线电视系统里广泛使用衰减器以便满足多端口对电平的要求。如放大器的输入端、输出端电平的控制、分支衰减量的控制。功率衰减器有无源衰减器和有源衰减器两种。有源衰减器与其他热敏元件相配合组成可变衰减器，装置在放大器内用于自动增益或斜率控制电路中。无源衰减器有固定衰减器和可调衰减器2.2功率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大功率衰减器种基本形式，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。2.3功率衰减器的相关参数2.3.1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。可用倍数或同轴衰减器分贝数来表达。2.3.2VSWR：等于特性阻抗与连接在传输线输出端的负载阻抗的比值。2.3.3最大平均功率：在衰减器输出端接特性阻抗时，在指定的最高工作温度上可长期加到衰减器输入端的最大功率。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。2.3.4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）。2.3.5最大峰值功率：在衰减器输出端接特性阻抗时，在指定的最高工作温度上，在指定的时间内，加到衰减器输入端的5ms脉冲宽度最大峰值功率。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。2.3.6温度系数：在最大工作温度范围内插入损耗的最大变化，用dB/ºC表示。2.3.7冲击和振动：衰减器必须承受三个方向的冲击和振动试验。2.3.8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）。2.3.9工作温度上限：衰减器工作在最大输入功率时的最高温度(ºC)。2.3.10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。2.3.11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。2.3.12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，因为三阶互调产物最大而且不可被滤除。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。2.4功率衰减器的技术指标功率衰减器是在指定的频率范围内，一种用以引入一预定衰减的电路。一般以所引入衰减的分贝数及其特性阻衰减器抗的欧姆数来标明。在有线电视系统里广泛使用衰减器以便满足多端口对电平的要求。如放大器的输入端、输出端电平的控制、分支衰减量的控制。衰减器有无源衰减器和有源衰减器两种。有源衰减器与其他热敏元件相配合组成可变衰减器，装置在放大器内用于自动增益或斜率控制电路中。无源衰减器有固定衰减器和可调衰减器。2.4.1工作频带功率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/微波数字衰减器结构与频率有关，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。2.4.2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。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。2.4.3功率容量功率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。2.4.4回波损耗回波损耗就是功率衰减器的驻波比，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。2.4.5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/（dB*W）。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/（dB*W），意味着输入功率从10mW加到50W时，其衰减量会变化0.001*40*50=2dB之多。2.5功率衰减器的主要用途2.5.1控制功率电平：衰减器在电路中的作用主要是为二极管提供阻抗匹配，减小电路的驻波比。在微波超外差接收机中对本振输出功率进行控制，获得光敏衰减器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。2.5.2去耦元件：作为振荡器与负载之间的去耦合元件。2.5.3相对标准：作为比较功率电平的相对标准。2.5.4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。第3章.功率衰减器的设计3.1功率衰减器的原理功率衰减器的原理框图如图3-1所示。Port-1Port-2P1P2图3-1功率衰减器的原理框图其信号输入功率为P1，输出功率为P2。若P1、P2以毫瓦分贝（dBm）表示