淺談大功率射頻衰減器

在射頻電路中，衰減器的主要作用是提供更高電容電平，從而維持信噪比（SNR）、減少內部電路元件噪聲以及外部訊號噪聲引起的問題。在整個射頻系統中，射頻衰減器是不可缺少的一部分，那麼今天我們就一起來了解一下衰減器的基礎知識，特別是大功率的衰減器。

（一）基本定義

衰減器是一種提供衰減的電子元器件， 廣泛地應用於電子裝置中，它的基本用途是吸收設定量的透過衰減器的射頻訊號能量而不干擾訊號的相位或頻率響應。

固定式衰減器

衰減器通常用於保護敏感的測試和測量裝置或電路免受高電平射頻訊號的影響，但也可用於擴大射頻功率計和放大器的範圍。在某些情況下，衰減器也用在反射元件之間以減輕反射產生的駐波，否則駐波會建立在兩個此類元件或器件之間。此外，阻抗匹配的射頻衰減器還可以改善訊號鏈中兩個不匹配節點之間的阻抗匹配。

（二）基本型別

射頻衰減器有以下三種主要型別：

➤固定值衰減器，提供一個或兩個dB，或10 dB，20 dB或更多dB的值。

➤電壓可變或電壓控制衰減器，其中模擬電壓設定在連續可變範圍內的衰減水平，例如在0 dB和30 dB之間或0 dB和60 dB之間。

可程式設計式衰減器

➤數字化受控衰減器或數字步進衰減器（DSA），其中多位程式碼在0 dB至32或64 dB的範圍內以離散步長建立衰減，例如，以1或2 dB/位的步長；有些產品提供小至0。25 dB的步長。

（請注意，還有機械控制的衰減器，使用者可透過旋鈕設定衰減。這些衰減器幾乎只用於測試環境或高功率一次性設計。）

步進式衰減器

可控衰減器是可變增益放大器（VGA）的補充，它可以增強訊號以匹配鏈中的元件範圍。對於需要額外靈活性的設計，甚至還有可用的VGA，它們可以跨越增益和衰減，例如-10到+40 dB；在內部，這些是由可變衰減器（電壓或數字控制）與增益模組串聯構建的。

射頻衰減器也有多種包裝、技術和效能範圍可選。一些射頻衰減器足夠緊湊，可以安裝在積體電路上；也有一些射頻衰減器較大，需要配備內部和/或外部熱管理系統。因此必然需要大功率衰減器的存在。當然射頻衰減器熱管理系統的大小和重要性取決於衰減器技術、衰減量、射頻輸入訊號功率範圍和頻率範圍。下面重點介紹一下大功率衰減器。

（三）大功率射頻衰減器

與其他射頻衰減器不同的是，大功率射頻衰減器專為給定最大頻率的視為大功率的射頻訊號範圍而設計。由於是否視為大功率通常取決於應用和工作頻率範圍，因此該定義不太明確。幾百千瓦到幾兆赫、幾百瓦到幾千瓦的功率均可視為大功率，而在大約18GHz的毫米波頻譜中，數十瓦的功率也可視為大功率。該差異部分歸因於射頻損耗隨頻率的增加以及傳輸線和其他元件/器件為增加較高頻率下的效能而減小的幾何尺寸。高頻器件中導體與電介質之間較小的尺寸和間距限制了傳輸線、元件和器件在較高頻率下的功率處理能力。例如，高頻同軸傳輸線的間距和尺寸必須保持小於特定中心導體與外導體的間距和尺寸，以防止非期望傳輸模式的發展，否則會降低通常期望的橫向電磁（TEM）模式的使用效率。

因此，大功率衰減器設計用於處理給定頻率下接近容量峰值的功率水平，同時在整個頻帶上呈現固定衰減。此類衰減器的設計（即在從DC到數萬兆赫的寬頻率範圍內保持平坦的衰減）並不容易，有時也涉及多個具有挑戰性的設計要求。大功率射頻衰減器的主要要求之一是將埠的VSWR降至最低以防止意外反射，否則可能會損壞對即將到來的高訊號能量敏感的元件。

直流偏置式衰減器

此類元件的其他有價值特性是其定向性。一些射頻衰減器是定向的，即僅在射頻訊號進入特定埠並離開另一個埠時才按指示工作。其他射頻衰減器設計是雙向的，可在需要衰減任一方向的訊號時使用。

與大多數射頻元件一樣，射頻衰減器確實會因溫度升高而降額。由於當衰減器吸收射頻能量時溫度會自然升高，因此這是大功率射頻衰減器需要考慮的重要特性之一。如果衰減器達到其最高溫度，則所產生的衰減會大大低於室溫下的衰減。如果不考慮衰減器降額，超過規定限值的訊號電平可能會透過熱衰減器並損壞下游裝置或電路。因此大功率射頻衰減器需要大量散熱器或其他熱管理措施來確保工作溫度始終如一。