实验二衰减器的仿真设计

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1、实验二衰减器的仿真设计,了解矢量网络分析仪的工作原理 掌握用矢量网络分析仪测量待测元件的回波损耗和插入损耗的原理方法。 了解功率衰减器的原理及其应用 了解无源功率衰减器的基本设计方法 了解PIN电子功率衰减器的原理及基本设计方法,一、实验目的,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,二、功率衰减器的原理,1. 衰减器的技术指标,(1). 工作频带。指在给定频率范围内使用衰减器,衰减量才能达到指标值。一般结构与频率有关。,(2).衰减量。衰减量描述功率通过衰减器后功率的变小程度。,(3).

2、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。超过这个极限值，衰减器就会被烧毁。,(4). 回波损耗。回波损耗就是衰减器的驻波比。 我们希望的衰减器不能对两端电路有影响。,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(无源衰减器)。 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,

3、也可以是射频继电器(有源衰减器或数字衰减器) 。,三种同轴结构吸收式衰减器 (a) 填充; (b) 串联; 带状线,截止式衰减器,波导、 同轴和微带匹配负载结构,微带单管电调衰减器,3. PIN二极管的工作原理,PIN二极管是在P型和N型材料之间插入一个本征层构成的,基本PIN结横截面图,直流偏置等效电路,微波开关利用PIN管在直流正、反偏压下呈现近似导通和关断的阻抗特性，实现了控制微波信号通道转换的作用。,正偏条件下的电阻记为RS，与偏置电流IF成反比，使PIN结二极管在高频下有很好的隔离度。（a）为正偏时等效电路。当PIN结反偏或者零偏时，本征层I内的电荷被耗尽，表现出高电阻(Rp)，如图

4、（b）所示。其中CT为PIN结二极管的总电容，包括了结电容Cj和封装寄生电容Cp。,RS为PIN 管正向偏置的等效电阻(2)，L 为金属接触产生的电感效应，大约为0.04 nH，CT 为PIN 管的反偏电容0.05 pF。,PIN二极管高频开关,串联PIN射频SPST,正偏等效电路,反偏等效电路,正偏等效电路,反偏等效电路,并联PIN射频SPST,串联PIN射频SPDT,PIN高频电子衰减器,由R和正向偏置的PIN二极管构成一个分压器。因为PIN管正向偏压时的阻抗随偏置电压的增大而减小，所以可以起自动衰减的作用。,(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

5、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).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。,4. 衰减器的主要用途,(a)T型功率衰减器 (b)型功率衰减器,同阻抗式： Z1=Z2,异阻抗式： Z1Z2,三、集总参数衰减器类型,1. 同阻式集总参数衰减器,Rs1和Rs2的传输矩阵：,Rp的传输矩阵：,2). T型同阻式,转化为S矩阵为：,衰减量：A=20lg|s21|(dB),端口匹配：20lg|s11|=-,2). 型同阻式,

6、3). T型异阻式,4). 型异阻式,实例一：设计一个5dB T型同阻式（Z1=Z2=50）固定衰减器。,同阻式集总参数衰减器A=-5dB，由公式计算元件参数:,Ctrl+R旋转器件,ADS仿真： 5dB T型同阻式固定衰减器,新建一个工程，命名为R_T_Attenuator，长度单位选mm，完成原理图，进行仿真。,F5 移动文字,练习：设计10dB 型同阻式（Z1=Z2=50）固定衰减器。,ADS仿真： 10dB 型同阻式固定衰减器,实例二、设计一有源“T”型衰减器，具体指标：,工作频带：12GHz 低衰减时频带内的衰减小于1.1dB，1.4GHz处的衰减小于0.8dB 高衰减时频带内的衰减

7、大于10dB，1.4GHz处的衰减大于12dB,ADS仿真步骤,执行菜单命令【File】【New Design 】，建立新的设计，命名为PIN_Attenuator，完成如下二极管模型原理图。,在工具栏双击控件 ，在图中插入“VAR”控件，设置变量Rj,执行菜单命令【View】【Creat/Edit Schematic Symbol 】,弹出对话框，单击“OK”，出现默认符号,执行菜单命令【View】【Creat/Edit Schematic 】,返回原理图,执行菜单命令【File】【Design Parameters】，修改后，单击“Paramrters”标签,D,D,I100”Add” “

8、Save AEL file”Ok”， 另存原理图并命为”D”，完成模型创建,新建原理图，命名为PIN_My，完成衰减器的设计,单击工具栏图标“ ”，向图中拖入二极管，完成原理图,单击“ ”图标，进行仿真，分析结果,D1和D2的偏置 I 对调,高衰减结果,低衰减结果,四、衰减器的测量 用PNA网络分析仪,1. PNA网络分析仪介绍,2. 技术特性如下：,频率综合跳频，每点频率精度：10-4,频段范围：303200MHz,动态范围：插损 70dB、回损 50dB、增益 30dB,分辨率精度：小插损为0.01dB， 精度4%。 小反射为0.002，精度2%；相位分辨率为0.1，精度4% 。,3. 仪

9、器的面板与按键,键功能：在菜单中, 以单方向循环方式将光标移到所需项上。在测试运行中, 按此键可依次改变画面与量程。,与功能：在菜单中, 改变数值或项目；在测试中改变光标位置, 以显示闪点的参数。,菜单键 (暂停键)：出现扫频方案(7种，16为等频距扫频方案，7为列表扫频 ),执行键：按此键即执行所选功能，而在扫频方案菜单中，按此键即确认光标所在处的方案，回到主菜单。,注释 频域 当前为频域 表示当前最小频距 ： 起始频率(Beginning Frequency) ： 频距(频率增量或步长) ： 终止频率(Ending Frequency) ： 测试点数（不直接受控） ： 选常规或精测(精测精

10、度高、但速度慢) 测： A B 选定各输入口的测试项目 + 线上为设置项目, 线下为执行项目 校： 作各项相应校正,4、 开机主菜单 (画面),左面为一圆图, 右面即菜单。菜单如下:,刚开机后, 光标在校:处闪动, 便于在不改变频率设置时立即进行校正。,2.在 频域 设置： 0.1MHz BF=800.0MHz、 F=10.0MHz、 EF=1000.0MHz。 屏幕自动出现N=21。 3.设置M：常规、 A下 回损 ,（一）. 测失配负载在8001000MHz的驻波比，步长=10MHz,5、实验步骤,1.按图接线,4.光标停在校: 开路下，再按执行键, 此时显示器右下角频率在变动, 直到出现

11、校: 短路字样。 5.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。 6.接上待测失配负载, 即可用圆图看变化趋势（圆图有四档可选, 可按键来选择）。要想看驻波比(回波损耗)频响，可按菜单键，再选驻波(回波损耗)即得直角坐标下的频响曲线（记录）。,（1）按菜单按钮，选择扫频方案1。 （2）设置BF=30MHz、F=39.6MHz、EF=3198MHz。 （3）设置使A下为插损,B下空白。 （4）接法如下图，输出口与输入口A接上电缆，另一端各串一只10dB衰减器，再通过双阴对接起来。,（5）使光标停在校:直通下, 按执行键，此时为

12、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（20dB）串入两电缆之间, 即可进行测试。 （7）按或查看各个频率下的测量数值，记录测试结果（见附表）。,(二).测衰减器在30MHz-3198MHz的(传输系数)插损,(8)插损量程有四档, 可按键来选择, 最小一档为0-2.5dB, 最大可测80dB。,(9) 可测相移和群时延,(三). 衰减器的驻波和回损测量：,（1）如图按测回损连接。,（3）在电桥测试端口进行开路、短路校正。,（4）待测衰减器阴头接上阳匹配负载, 将待测衰减器阳头接到电桥测试端口上，屏幕上显示的即待测衰减器阳头

13、的输入阻抗轨迹。,（6）有四档可选, 可按键来选择记下测试结果（见附表）。,（5）按菜单键，再将光标移到对数下，再按执行键；记录测试结果（见附表）。,（2）设置使A下为回损,B下空白,六、衰减器的测量-AV36580A矢量网络分析仪,AV36580A矢量网络分析仪具有强大的测量功能，可用于对滤波器，放大器，天线，电缆，有线电视分接头等射频元件的性能完成矢量网络分析。可快速、精确地测量被测件S参数的幅度、相位和群延迟特性。,技术规范,5、实验步骤,（一）.测失配负载在6002600MHz的驻波比（S11、回损）,起始,600MHz,终止,2.6GHz,扫描设置,101,I,设置激励参数,触发,连

14、续扫描,进行测量校准,校准,机械校准,单端口(反射),分别进行前向开路、短路、匹配负载校准,完成单端口,双阴连接器,N型阳开路器,按图连接,N型阳短路器,50N型阳负载,扫描点,扫描类型,线性频率,进行测量,格式,驻波比,光标,用调节旋钮记录数据（11组），照相记录波形,测量,S11,双阴连接器,失配负载,（二）.测衰减器在600MHz-2600MHz的插损和回波损耗,进行测量校准,校准,全双端口(SOLT),分别进行前向和反向开路、短路、匹配负载校准,按图连接,N型阳开路器,N型阳短路器,50N型阳负载,反射,前向,反向,完成反射测试,传输,直通,按图连接，进行直通校准,双阴连接器,完成传输

15、测试,完成全双端口,机械校准,双阴连接器,N型阴开路器,N型阴短路器,50N型阴负载,进行测量,格式,对数幅度,光标,用调节旋钮分别记录回损、插损和驻波数据（11组），并照相记录波形,测量,S21,史密斯圆图,S11,驻波,对数幅度,双阴连接器,10dB 衰减器,用矢网测元件的回波损耗时为什要做开路、短路和匹配三项校正？ 画出PIN的正、反向偏置等效电路 给出P33仿真结果的等效电路，并说明衰减原理 举例说明衰减器的应用 实验体会和建议。,七、思考题,一、三项校正 在测负载的反射特性时为了提高精度, 可进行三项校正, 即校开路、校短路与校零反射, 一般测试只校开路与短路即可, 只有在测30dB 以上回损或对反射电桥定向性不太满意时才需要校零。 将一只好的负载接在测试端口上, 按菜单键后将光标移到校零处, 再按执行键,画面呈现零反射(50dB),校零完成,此时仪器有效定向性与负载的回损值相当。 电桥接上保护接头后, 精度下降, 可以通过三项校正提高, 在通过测试电缆或双阳后也可在其末端进行三项校正。,附录,二、50反射电桥,反射电桥又称电桥反射计或定向电桥，是测反射系数的传感头，它的输出正比于反射系数。,原理,结构,衰减器参数测量记录表,实验报告要绘制曲线,