一文读懂微波衰减器

我们在之前的文章中，分别讨论过微波衰减器的相关知识，从衰减器的技术指标，到衰减器的实现方式。今天，我们对衰减器的知识进行一下汇总梳理。

No.1 衰减器的指标

在射频电路设计中，尤其是一些通过式元件的设计，我们通常希望元件的插损尽可能地小，尽可能的让更多的来之不易的射频功率通过去。但是有些时候，我们有不希望功率太大，比如在一些测试上，功率太大，有可能把造成测试仪器的损坏。这时，就用会用到这个吃货——功率衰减器。就是下面这个长满散热片的家伙，吃掉的功率被它转化成热吸收了，为了防止过热，所以就给它穿上了这层专门散热用的铠甲。

第一点就是衰减器的 工作频段 。其实对于任何微波器件来说，都要注意其工作频段，这里包括工作频率和带宽。因为其它的技术指标都是基于这个工作频段来说的。抛开工作频段，性能再好都白搭。如下图所示，这个工作频段就标注在衰减器的名牌上，对于下面这款衰减器，其工作频段是DC——3GHz。

第二个就是其 衰减量 ，这个是由我们索要应用的系统所决定的。这个衰减量就是电磁波信号通过衰减器之后被衰减器吃掉多少功率，P1-P2.对于上图的这款衰减器，其衰减量就是30dB。也就是一个1W（30dBm）的电磁波信号过去，只剩1mW（0dBm）的功率出来，也就是0.99W的功率被衰减器给吃掉了。

下一个比较关键的就是衰减器的功率容量了。如同上面所说，这个被吃掉的功率，跑哪里去了呢？被衰减器内的阻性材料转化成热了，所以要加足够的散热片来散热。热会影响衰减器的性能。但是最终决定功率容量的还是其内部材料结构的击穿功率，太热的话，会是材料的击穿门限值降低。

除了这三个关键参数之外，衰减器还必须具有良好的 回波损耗 ，这样才能保证衰减器对两端电路的影响小。良好的 互调特性 ，包括无源互调PIM，我们总是不希望信号从衰减器出来后，有其他的杂散出来，私生子总是不受欢迎的。当然还有一些机械结构的性能要求，比如说可靠性，接头寿命等等。

所以在选择衰减器时，一定要认真阅读衰减器的铭牌，选择满足系统要求的衰减器。

No.2 集总参数衰减器设计

显而易见，衰减器的组成就是用到了这个电阻元件，利用电阻对电磁波信号的吸收来达到降低信号电平的目的。对于上述两种电路，一个就是T型衰减器，有Rs1，Rs2和Rp三个电阻组成。另一个就是常用的Π型衰减器，也同样是有Rp1，Rp2，Rs 三个电阻组成。我们通过这三个电阻的选值，就可以确定衰减器的衰减值。

这里要注意衰减器使用场和，也就是衰减器两端的传输线阻抗值Z1和Z2。如果Z1=Z2，那么衰减器只要完成相应的信号衰减值就可以了，如果Z1不等于Z2的话，衰减器在进行信号衰减的同时，也能完成阻抗的匹配。我们下面分这两种情况，一一去讲解。

Case1 Z1 等于Z2

这种情况就比较简单了，对于上面两种衰减电路，我们只要根据网络级联的方法就可以分析出衰减值与电阻之间的关系式。

首先我们看一下T型衰减器，我们只要利用三个电阻的A参数进行级联计算，就可以求出整个衰减器的A参数。然后利用A参数和S参数的转换公式，可以计算出衰减器的S参数，进而得到衰减器的衰减值S21dB。反之，也可以根据衰减值，算出电阻值。

假设 Rs1=Rs2，（实际选择时，往往也是用到两个相同的电阻）；

1， Rs1的A参数矩阵

2，Rp的A参数矩阵：

3，T型衰减器的A参数矩阵

4，A参数转换为S参数

衰减器是一个双端口互易网络，及S11=S22，S12=S21.它的衰减值，就是10log（S21）dB，它的反射系数就是10log（S11）dB，我们希望这个反射系数是无穷小。求解上述方程组就可以得到T型衰减器的设计公式（有兴趣的同学可以自己推导一下啊，书上是这么写的。。。。）：

同样的方法，我们也可以得到Π型衰减器的设计公式：

Case2 Z1 不等于Z2

当Z1不等于Z2时，在级联之后，要考虑阻抗变换，这里仅给出这两种衰减器的计算公式。

T型衰减器

Π型衰减器

相应的，我们如果改变衰减器的电阻值，那么其衰减值也会随着变化，这个时候，我们就可以利用一个可调电阻来对衰减器的衰减值进行微调，也就可以对信号的电平进行调节。这个可调衰减器，也是射频电路中经常用到的。这个衰减器的设计方法，您掌握了吗？

No.3 分布参数衰减器设计

分布参数衰减器就是将电阻材料与微波传输线相结合，增加传输线的损耗，来获得衰减器的衰减量。

No.1 ** 吸收式衰减器**

吸收式衰减器是在矩形波导中加入吸收片，通过吸收片吸收微波能量来实现衰减的作用。吸收片是一种涂有吸收层的渐变刀型或者两端呈尖劈状的介质片。吸收片做成刀型或者尖劈形，这样可以使波导的等效阻抗逐渐变化，以减少对输入信号的反射，是阻抗匹配的一种方法。

下图来自于参考1，给出了常见的吸收式衰减器的构造。图a给出了吸收片插入深度可调的刀型衰减器，图b给出了吸收片固定的固定衰减器，图c给出了吸收片沿着波导宽边方向可移动的可调衰减器。吸收片的设置与矩形波导中的主模H10电场线平行，吸收片上有电流流过，使电磁能转换成热能，构成微波功率的衰减。

No.2 ** 极化衰减器**

下图给出了常见的极化衰减器的结构图，极化衰减器有三段组成，两端分别为平行于波导宽壁放置吸收片的固定的矩形——圆形过度波导段和圆形——矩形过度波导段，中间一段为内部放置吸收片2 的传输H11模的圆波导，吸收片可以与中间的圆波导一起旋转，吸收片的旋转角度不同，衰减量也不同。当三段吸收片足够大时，衰减器的衰减量只与吸收片的旋转角度相关，可作为标准可调衰减器使用。

No.3 ** 截止衰减器**

顾名思义，截止式衰减器是利用波导的截止特性来做的。波导的截止特性如下图所示，故波导本身就是一款天生的高通滤波器。

下图就是一款截止式衰减器。截止衰减器的主体部分是一个工作在截止状态的圆波导，可通过选择圆波导的直径来确定截止频率。

No.4 ** 匹配负载

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匹配负载是一种接在传输线系统终端的单端口微波元件，能够无反射的吸收入射波的全部功率。下图式一种矩形波导匹配负载，通过内置吸收片的来吸收微波能量。吸收片的存在对波导来说引入了一种不连续性，为了减少反射，吸收片的形状也推荐为刀型或者尖劈型，其长度为二分之一工作波长的整数倍，这样，吸收片在斜面上的没一点引起的电磁波 反射都能够被与其相距四分之一波长的反射波相互抵消，使得波导系统匹配良好。

不难看出，微波衰减器或者匹配负载，就是用了这个吸收片来吸收电磁波能量，实现衰减或者全部吸收的目的。吸收片上涂的通常是石墨或者镍铬合金。

总结

衰减器作为一种能量损耗性元件，虽然我们很多时候，都希望电磁波信号的损耗能够足够的小，但是有时候又不得不对其进行衰减，以满足特定场和的需求。