今日带你认识各种各样的光衰减器工作原理

今日光电2018-06-25 14:12:00

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衰减器是一种提供衰减的电子元器件, 广泛地应用于电子设备中,它的主要用途是

(1)调整电路中信号的大小;

(2)在比较法测量电路中,可用来直读被测网络的衰减值;

(3)改善阻抗匹配,若某些电路要求有一个比较稳定的负载阻抗时,则可在此电路与实际负载阻抗之间插入一个衰减器,能够缓冲阻抗的变化。

 


原理


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。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。

 


技术指标


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

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。


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,而输出端的功率为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。


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。


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。


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!


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。

大功率衰减器


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。



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。


同轴衰减器


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)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。

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)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。

衰减器

 

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。

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: 衰减器工作在最大输入功率时的最高温度(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。



种类


位移型光衰减器

当两段光纤进行连接时,必须达到相当高的对中精度,才能使光信号以较小的损耗

位移型光衰减器


传输过去。反过来,如果将光纤的对中精度做适当的调整,就可以控制其衰减量。位移型光衰减器就是根据这个原理,有意让光纤在对接时,发生一定的错位。使光能量损失一些,从而达到控制衰减量的目的,位移型光衰减器又分为两种:横向位移型光衰减器、轴向位移型光衰减器。横向位移型光衰减器是一种比较传统的方法,由于横向位移参数的数量级均在微米级,所以一般不用来制作可变衰减器,仅用于固定衰减器的制作中,并采用熔接或粘接法,到目前仍有较大的市场,其优点在于回波损耗高,一般都大于60dB。轴向位移型光衰减器在工艺设计上只要用机械的方法将两根光纤拉开一定距离进行对中,就可实现衰减的目的。这种原理主要用于固定光衰减器和一些小型可变光衰减器的制作。


薄膜型光衰减器

薄膜型光衰减器


这种衰减器利用光在金属薄膜表面的反射光强与薄膜厚度有关的原理制成。如果玻璃衬底上蒸镀的金属薄膜的厚度固定,就制成固定光衰减器。如果在光纤中斜向插入蒸镀有不同厚度的一系列圆盘型金属薄腊的玻璃衬底,使光路中插入不同厚度的金属薄膜,就能改变反射光的强度,即可得到不同的衰减量,制成可变衰减器。


衰减片型光衰减器

衰减片型光衰减器直接将具有吸收特性的衰减片固定在光纤的端面上或光路中,达到衰减光信号的目的,这种方法不仅可以用来制作固定光衰减器,也可用来制作可变光衰减器。



注意事项


1、频响:即频率带宽,一般用兆赫兹(MHz)或吉赫兹(GHz)表示。通用的衰减器一般带宽为5GHz左右,最高要到50GHz。

2、衰减范围与结构形式:

衰减范围指衰减比例,一般为3dB、10dB、14dB、20dB不等,最高可达110dB。其衰减公式为:10lg(输入/输出),例:10dB表征:输入∶输出=衰减倍数=10倍。

结构形式一般分两种形式:固定比例衰减器与步进比例可调衰减器。固定衰减器是指在一定频率范围固定比例倍数的衰减器。步进衰减器是以一定固定值(例1dB)等间隔可调比例倍数的衰减器,又分为手动步进衰减器和程控步进衰减器。

3、连接头形式和连接尺寸:

连接头形式分为BNC型、N型、TNC型、SMA型、SMC型等,同时连接头形状具有阴、阳两种。

连接尺寸分为公制与英制形式,以上根据使用要求决定;如果连接头的型式多样需要连接,可以配用相应的连接转换头,例:BNC转N型头等。

4、衰减指标:

衰减指标,有多方面的要求,主要有以下几方面:衰减精度、承受功率、特性阻抗、可靠性、重复性等。