射频信号衰减器

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什么是衰减器？衰减器是无源设备。与分贝一起讨论会很方便。衰减器会削弱或衰减信号发生器的高电平输出，例如，为敏感无线电接收器的天线输入等提供较低电平的信号。（下图）衰减器可以内置在信号发生器中，也可以是独立设备。它可以提供固定或可调的衰减量。衰减器还可用在源和故障负载之间提供隔离。

源阻抗ZI和负载阻抗ZO匹配。对于射频设备，Z为50Ω。对于一个独立的衰减器，必须通过断开信号路径将其串联放置在信号源和负载之间，如上图所示。此外，它必须匹配源阻抗ZI和负载阻抗ZO，同时提供指定的衰减量。在本文中，我们将仅考虑源和负载阻抗相等的特殊且最常见的情况。本文暂未考虑，不相等的源和负载阻抗可以通过衰减器部分匹配。但是，公式更复杂。

T型和Π型衰减器是常见的形式。常见配置是上图所示的T和Π网络。当需要更弱的信号时，可以级联多个衰减器部分，如下图所示。

衰减器的dB

衰减器设计中使用的电压比通常以分贝dB表示。以分贝表示的功率比是相加的。例如，10dB 衰减器加上 6dB 衰减器，总衰减量为 16dB。

10 dB + 6 dB = 16 dB

比如声音等级的变化大致与功率比 (PI / PO) 的对数成比例。

声级 = log10(PI / PO)

1 dB 的声级变化对于听众来说几乎无法察觉，而 2 dB 的变化则很容易察觉。3dB 的衰减相当于功率减半，而 3 dB 的增益相当于功率水平加倍。-3 dB 的增益与 +3 dB 的衰减相同，相当于原始功率水平的一半。

以功率比表示的功率变化（以分贝为单位）为：

dB = 10 log10(PI / PO)

假设 PI 处的负载 RI 与 PO 处的负载电阻 RO 相同（RI = RO），则分贝可以从电压比（VI / VO）或电流比（II / IO）得出：

PO = VO IO = VO2 / R = IO2 R PI = VI II = VI2 / R = II2 R dB = 10 log10(PI / PO) = 10 log10(VI2 / VO2) = 20 log10(VI/VO) dB = 10 log10(PI / PO) = 10 log10(II2 / IO2) = 20 log10(II/IO)

dB方程

dB方程最常用的两种形式是：

dB = 10 log10(PI / PO) 或 dB = 20 log10(VI / VO)

电压比形式的方程仅适用于两个相应电阻相等的情况。也就是说，源电阻和负载电阻需要相等。

使用分贝方程的示例

示例：衰减器的输入功率为 10 瓦，输出功率为 1 瓦。求出衰减量（单位为 dB）。

dB = 10 log10(PI / PO) = 10 log10 (10 /1) = 10 log10 (10) = 10 (1) = 10 dB

示例：进入衰减器的功率为 100 毫瓦，输出功率为 1 毫瓦。求衰减（以 dB 为单位）。

dB = 10 log10(PI / PO) = 10 log10 (100 /1) = 10 log10 (100) = 10 (2) = 20 dB

T 型衰减器

T 和 Π 衰减器必须连接到 阻抗为Z 的源和 和阻抗为Z 负载。 从衰减器内部看到的阻抗是 Z，在我们的例子中 Z=50 Ω。该阻抗相对于衰减是一个常数（50 Ω）——当衰减改变时，阻抗不会改变。

下图中的表格列出了T和Π衰减器的电阻值，以匹配 50 Ω 源/负载，这是射频工作中的通常要求。

例如需要匹配至 600 Ω。将所有R值乘以比率 (600/50) 以校正 600 Ω 匹配。乘以 75/50 可将表值转换为匹配 75 Ω 源和负载。

T 型衰减器电阻的公式，给定 K、电压衰减率，以及 ZI = ZO = 50 Ω。

衰减量通常以 dB（分贝）为单位。不过，我们需要电压（或电流）比K才能从方程式中找到电阻值。

衰减器输入和输出可以端对端交换，并且仍然匹配源和负载阻抗，同时提供相同的衰减。

断开电源并向右看V I，我们需要看到R 1、R 2、R 1和Z的串并联组合，看起来像Z IN的等效电阻，与源/负载阻抗 Z 相同：（Z 的负载连接到输出。）

ZIN = R1 + (R2 ||(R1 + Z))

例如，用 50 Ω 衰减器表中的 10 dB 值替换R 1和R 2，如下图所示。

ZIN = 25.97 + (35.14 ||(25.97 + 50)) ZIN = 25.97 + (35.14 || 75.97) ZIN = 25.97 + 24.03 = 50

这表明，我们看到 50 Ω 正对着具有 50 Ω 负载的示例衰减器（下图）。

更换源发生器，断开V O处的负载Z，然后向左看，由于对称性，我们应得到与上面相同的V O处阻抗公式。此外，三个电阻的值必须能够提供从输入到输出所需的衰减。这可以通过将上文R 1和R 2公式应用于下面的T衰减器来实现。

PI 型衰减器

下图中的表格列出了 一些常见衰减水平下匹配 50 Ω 源/负载的Π 衰减器的电阻值。其他衰减水平对应的电阻值可以通过公式计算得出。

Π 型衰减器电阻的公式，给定 K、电压衰减率，以及 ZI = ZO = 50 Ω

以上内容适用于下面的π衰减器。要使衰减达到 10 dB，与 50 Ω 源和负载匹配，Π衰减器需要的电阻值是多少？

用于匹配 50 Ω 源和负载的 10 dB Π 型衰减器示例

10dB对应上表倒数第二行电压衰减比K=3.16，将该行电阻值移到上图原理图的电阻上。

L 型衰减器

下图中的表格列出了 L 衰减器与 50 Ω 源/负载匹配的电阻值。下图中的表格还列出了另一种形式的电阻值。请注意，电阻值并不相同。

适用于 50 Ω 源和负载阻抗的 L 型衰减器表

以上内容适用于下面的L衰减器。

适用于 50 Ω 源和负载阻抗的替代形式 L 型衰减器表

桥式T衰减器

下图中的表格列出了桥接 T 衰减器的电阻值，以匹配 50 Ω 源和负载。桥接 T 型衰减器不常用。为什么不用呢？

桥接 T 型衰减器部分的公式和简表，Z = 50 Ω

级联部分

衰减器部分可以如下图所示级联，以获得比单个部分更大的衰减。例如，两个 10 db 衰减器可以级联以提供 20 dB 的衰减，dB 值是相加的。10 dB 衰减器部分的电压衰减比 K 或 V I /V O为 3.16。两个级联部分的电压衰减比是两个K 的乘积 ，即两个级联部分的 3.16x3.16=10。

级联衰减器部分：dB相加，K值相乘

可变衰减可通过开关衰减器以离散步骤提供。下图中的示例显示在 0 dB 位置，通过添加无、一个或多个部分的切换，能够实现 0 到 7 dB 的衰减。

开关衰减器：衰减以离散步骤变化。

典型的多段衰减器具有比上图所示的更多的段。在上面添加 3 或 8 dB 段可使装置覆盖 10 dB 及以上。通过添加 10 dB 和 20 dB 衰减段实现较低的信号电平。

射频同轴衰减器

对于射频 (RF) 工作 (<1000 Mhz)，如果要在最高频率下实现较低的信号电平，则必须将各个部分安装在屏蔽隔间中以阻止电容耦合。上面提到的的开关衰减器的各个部分需要安装在屏蔽环境中。可以采取其他措施将频率范围扩展到 1000 Mhz 以上。这涉及由特殊形状的无引线电阻元件构造。

上图显示了由电阻棒和电阻盘组成的同轴 T 型衰减器。此结构可用于几千兆赫兹。同轴 Π 型衰减器在同轴线中的两个电阻盘之间有一个电阻棒，如下图所示。

RF 连接器连接到上述 T 和 Π 衰减器的末端。连接器允许将单个衰减器级联，除了连接源和负载之外。例如，可以在信号源和昂贵的频谱分析仪输入之间放置 10 dB 衰减器。即使我们可能不需要衰减，昂贵的测试设备也可以通过衰减任何过压来保护免受源的影响。

文章转自射频攻城狮公众号

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