一种衰减量连续可调的压控衰减器

本发明属于微波，具体涉及一种衰减量连续可调的压控衰减器。

背景技术：

1、衰减器在电路系统中的作用是对电磁信号进行衰减，用于控制信号的大小，使其在电路中达到所需的水平，同时还可用于改善匹配网络端口的特性，确保信号在不同电路模块之间的匹配性能。

2、衰减器根据工作特点可以分为：无源衰减器、有源衰减器。无源衰减器通常不引入额外的电源噪音或谐波；有源衰减器可以实现主动调整信号幅度的功能，其适应性更广。

3、衰减器根据衰减形式可以分为：固定衰减器、可调衰减器。固定衰减器通常由不同阻值的电阻构建特定类型的电阻网络，π型结构或t型结构是常见的结构类型，其在很宽的工作频带内具有稳定的衰减性能。可调衰减器又可分为：机械调节衰减器、程控衰减器、压控衰减器等。机械调节衰减器是通过机械调整电路结构或电阻阻值，实现不同大小的衰减值；程控衰减器通常由多个固定衰减网络串联和单刀双掷开关构成，通过额外的电路完成逻辑控制，以实现衰减器的电路功能，但需要额外增加供电和控制端口；压控衰减器通常可以对衰减量进行连续调节，相对于机械调节衰减器与程控衰减器而言，可以减少控制端口的数量。

4、衰减量连续可调的压控衰减器现有研究如下：

5、ruofeng xu等在r.f.xu,a.j.farrall,p.r young.analysis of loadedsubstrate integrated waveguides and attenuators[j].ieee microwave andwireless components letters,2013,24(1):62-64.对带周期加载元件的开槽基片集成波导进行了近似分析，使用了横向共振技术，用于设计衰减器。将pin二极管耦合到波导槽中，通过改变偏置从而改变电阻，在频带内产生恒定的可变衰减。该衰减器在3-5ghz范围内能够提供2至25db的可变衰减，回波损耗优于15db。

6、gabriela luciani等在g.luciani,j bornemann.half-mode siw variable pindiode attenuator[c]//2019 13th european conference on antennas andpropagation(eucap).ieee,2019:1-5.提供了一种工作在6ghz至10ghz频率范围内的半模基片集成波导(hmsiw)可变衰减器，通过调整施加在四个表面安装的pin二极管上的直流偏置电平，实现了不同水平的衰减，达到了6db的最大衰减量。

7、saavedra等在c.e.saavedra,y.zheng ring-hybrid microwave voltage-variable attenuator using hfet transistors[j].ieee transactions on microwavetheory and techniques,2005,53(7):2430-2434.介绍了一种基于场效应晶体管(fet)的压控衰减器电路，输入信号首先进入一个功率分配器，其中产生0和180度的信号。0度信号通过一个完全打开的共栅场效应晶体管传输，其栅极电压设置为0v。180度信号进入另一个在三极管区域偏置的共栅晶体管。通过改变第二个fet的栅极电压，可以改变180度信号的幅度。同相和反相信号在输出端相加，实现了可变衰减。衰减器在3.0至3.4ghz的频率范围内实现了6至30db的可变衰减。

8、c.shireesha等在c.shireesha,r sadhu,r harikumar.x-band voltagevariable attenuators using pin diodes[c]//2014ieee international microwaveand rf conference(imarc).ieee,2014:323-326.介绍了一种基于pin二极管的、实现于微带线上的中功率电压可变衰减器，具有基于90度混合耦合器的拓扑结构，单个混合耦合衰减器可用于宽带操作，双混合耦合器的设计消除了高衰减状态下的纹波响应，从而增加了动态范围。论文提出了两款工作频率范围在9.1-9.6ghz的中功率pin二极管式电压可变衰减器，其衰减范围分别为约15db和28db，在整个频率范围内，回波损耗为10db。

9、在微波电路实际应用中，与固定衰减器相比，受有源元器件的寄生效应等因素影响，衰减量可调的压控衰减器在工作频率、衰减量等性能指标上，均存在一定的差距。现有压控衰减器主要存在的问题有：

10、1.工作频率较低且范围较窄，工作频率均不超过10g；

11、2.个别衰减器体积大且衰减量有限，如gabriela luciani等公开的压控衰减器衰减量最大值仅有6db；

12、3.个别回波损耗有待优化，如c.shireesha等公开的压控衰减器。

13、因此，设计一种工作频段更高、衰减量更大的小型化压控衰减器对衰减器的发展具有积极意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种衰减量连续可调的压控衰减器，具有回波损耗低、体积小、更高的工作频率和更宽频率范围。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种衰减量连续可调的压控衰减器，包括电路板pcb、过渡结构、以及直流电引脚。

4、所述印制电路板pcb上设有传输线、两个接地结构、pin二极管、芯片电容、用于补偿pin二极管寄生电容的金丝、以及锥形电感。两个接地结构分别为第一接地结构和第二接地结构，第一接地结构与第二接地结构关于传输线对称，并与传输线隔距离设置；pin二极管、芯片电容、以及用于补偿pin二极管寄生电容的金丝形成一个整体，称为第一组件；第一组件沿传输线长度方向从一端向另一端呈间隔设置，且未铺满传输线；在第一组件中：pin二极管的一端与传输线相连，另一端连接在第一接地结构上；芯片电容与pin二极管并列，并通过导电胶粘接在传输线上；金丝从芯片电容上引出，连接在第一接地结构上；所述锥形电感设置在第二接地结构上，位于最后一个第一组件之后，其一端连接传输线，另一端与直流电引脚相连；

5、所述过渡结构位于最后一个第一组件之后，其一边延伸至第二接地结构边沿，另一端远离印制电路板pcb，过渡结构有两个；

6、所述直流电引脚设于两个过渡结构之间，并与过渡结构间隔设置，直流电引脚与两个过渡结构之间通过去耦电容相连。

7、进一步的，所述第一组件沿传输线长度方向从一端向另一端呈等间隔设置。

8、进一步的，所述去耦电容包括1uf去耦电容和100pf去耦电容。

9、进一步的，所述第一接地结构采用conductor-backed coplanar waveguide(cbcpw)的结构，其上设有三排贯穿印制电路板pcb的过孔；以保证其更好地实现交流接地效果，并约束电场的范围，过孔排列方式便于pin二极管及金丝的焊接；第二接地结构与第一接地结构完全相同。

10、更进一步的，所述过孔为圆角矩形过孔。

11、进一步的，所述传输线为50ω微带线。

12、进一步的，所述传输线的线宽为w，其与接地结构的间距为wgap；在接地结构中圆角矩形过孔半径rvia，过孔长度为lvia，相邻圆角矩形过孔间距为lgap；相邻两个第一组件中的pin二极管间距为lλg/4，其中λg为传输线波长，金丝的长度为l。

13、本发明压控衰减器的工作原理为：现有技术中，公开号为cn115714249a的中国专利公开了发明名称为《一种实现在陶瓷基板上的步进式无源衰减器》，并在该专利中公开了将电阻按传输线四分之一波长间隔放置，并连接传输线和接地结构，可以在微波信号通过传输线时，在电阻中实现衰减。具体的：

14、在射频电路系统中，为满足其阻抗匹配，传输线特性阻抗选择为50ω。将衰减器a矩阵归一化：

15、

16、将归一化的a矩阵转换成散射参量矩阵：

17、

18、

19、

20、

21、a11、a12、a21、a22表示矩阵中的元素；

22、根据以上计算公式，衰减器的端口驻波与接入电阻的阻值成反比，即较小的接入电阻会增加端口驻波。电阻通路在增加传输线的损耗的同时，也使得传输结构的失配程度增加。可见，这种衰减器是以增加失配度为代价提升衰减器的衰减量，在插入损耗增加的同时，回波损耗也增加。也就是说，该类衰减器从理论上不能实现端口的完全匹配。

23、本发明在上述步进式调节衰减器设计原理的基础上，利用pin二极管具有微波电阻随偏置电压变化特性，采用pin二极管替换原有固定电阻，通过控制pin二极管的电压连续变化，使pin二极管的等效电阻也产生连续变化，即可实现衰减量连续可调的压控衰减器。

24、但由于pin二极管存在寄生电容，对电路产生的影响不容忽略。为克服这一问题，本发明使用金丝跨接在pin二极管两侧去模拟电感功能，对寄生电容进行补偿。金丝的长度按如下公式计算：

25、

26、

27、其中，d为金丝直径，f为工作频率，ρ为金丝电导率。

28、补偿后的pin二极管可以近似为受电压调控的电阻器。当偏置电压大时，匹配程度减小，衰减量增加；相对地，当偏置电压小时，匹配程度增大，衰减量减小。此时需要注意的是：由于传输线上的交流信号和给定pin二极管的直流偏压均通过微带线进行加载，故有必要采用cbcpw接地结构实现直流与交流的同时接地，并对给定直流偏压和交流信号进行电路“隔离”。

29、综上可见，本发明采用上述技术方案后，具有了以下优点：

30、(1)本发明使用pin二极管进行衰减，pin二极管的电阻受其偏置电压控制，可以实现衰减器的衰减值电压连续可调，且衰减值的可调范围宽.

31、(2)本发明使用金丝补偿pin二极管的寄生电容，使得衰减器的回波损耗的表现优于步进式无源衰减器且具有宽的工作频带。

32、(3)本发明使用印制电路板，组成衰减器的各个元器件容易获得，结构简单成本低。