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2020年6月一种高线性度的单片集成电调衰减器白银超，刘方罡，王磊（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄050051）【摘要】本文设计了一款GaAs PHEMT 微波单片集成电调衰减器，该电路设计采用T 型衰减器的拓扑结构，对电调衰减器的线性度进行了专门设计。
针对电调衰减器的线性度进行分析，提出了一种有着更小的电阻变化率的FET 管，提高了输入三阶交调截取点。
采用中国电科第十三研究所0.25μm GaAs PHEMT 工艺进行了仿真和流片，测试结果表明，在频率0.05~3GHz 内，衰减动态范围大于25dB ，输入三阶交调截取点大于30dBm 。
该款微波单片集成电调衰减器设计达到了预期性能，并实现了高线性度的目标。
【关键词】砷化镓（GaAs ）；微波单片集成电路（MMIC ）；电调衰减器；输入三阶交调截取点（IIP3）【中图分类号】TN715【文献标识码】A 【文章编号】1006-4222（2020）06-0203-020引言衰减器是一种重要的无源控制电路,用于在微波系统中实现对信号幅度的控制。
在现代通信系统中,对信号幅度的控制也可以用电压可变放大器(variable voltage amplifier ,VGA )实现,但是改变VGA 的增益需要改变偏置电压或电流,就会改变放大器的线性偏置点,从而影响系统的线性。
因此,衰减器就成为在大功率输入下实现增益调节的同时保持良好线性度的选择。
目前已经有相关学者设计了高线性度的电调衰减器,Marcus Granger-Jones 等人使用SOI CMOS 工艺设计了工作频率在0.05~4GHz ,IIP3达到47dBm 的电调衰减器[1]。
A.Bessemoulin 等人使用GaAs 工艺设计了工作频率在5~45GHz ,IIP3达到27dBm 的电调衰减器[2]。
但是,SOI CMOS 工艺的抗辐照能力较弱,使得该工艺设计的电路难以在空间中使用,而GaAs 工艺尚未有设计在低频下工作的电调衰减器。
微波天线阻抗匹配设计实现技巧微波天线是指工作频率在GHz级别的高频天线。
由于其频率高，波长短，具有高方向性、窄束宽、高增益等特点，因此广泛应用于雷达、卫星通信、无线通信、导航等领域。
在微波天线系统中，阻抗匹配是一个非常重要的问题。
本文旨在介绍微波天线阻抗匹配设计实现的技巧。
一、阻抗匹配的原理微波天线阻抗匹配的原理是利用衰减器、匹配器等网络来调节电路的阻抗，使其满足匹配条件。
匹配条件为负载阻抗等于传输线特性阻抗，可表示为：ZL=Z0，其中ZL是负载阻抗，Z0是传输线特性阻抗。
阻抗匹配可以使微波天线的输出功率最大化，提高整个系统的性能。
二、常用的阻抗匹配方法1. L匹配网络法L匹配网络法是最常用的阻抗匹配方法之一。
该方法利用L型网络匹配器的等效电路来实现阻抗匹配。
其原理是在传输线中插入一个L型网络匹配器，使其电气长度等于1/4波长。
通过调整L型网络中的电感和电容，可以使输入阻抗匹配到50Ω，使得传输线和天线之间的阻抗得到匹配。
2. T匹配网络法T匹配网络法使用T型电路来进行阻抗匹配。
在传输线上插入T型网络，将其电气长度设为3/8波长，调整T型网络中的电容和电感，从而实现阻抗匹配。
该方法具有匹配宽带、阻抗匹配较好等优点。
3. C匹配网络法C匹配网络法是利用C型电路进行阻抗匹配的方法。
在传输线上插入C型网络，将其电气长度设为5/8波长，调整C型网络中的电容和电感，实现阻抗匹配。
该方法适用于匹配某些特殊的阻抗。
三、阻抗匹配设计实现技巧1. 选择适当的传输线特性阻抗传输线特性阻抗是决定输入输出阻抗的重要因素，应该根据实际应用选择合适的传输线特性阻抗。
常用的传输线特性阻抗有50Ω、75Ω、100Ω等，其中50Ω是最常用的特性阻抗。
2. 调整传输线长度传输线长度的调整可以改变阻抗值和相位，因此可以通过调整传输线长度实现阻抗匹配。
根据阻抗值的大小和相位的方向来进行调整。
3. 选择合适的衰减器和匹配器衰减器可以用于调节复杂阻抗的阻抗值。
t型衰减器衰减量计算以t型衰减器衰减量计算为标题，我们来探讨一下t型衰减器的工作原理以及如何计算衰减量。
一、t型衰减器的工作原理T型衰减器是一种常用的电子元件，用于在电路中降低信号的功率或幅度。
它通常由三个电阻组成，其中两个电阻与信号线相连，另一个电阻与地相连，形成一个T字形结构。
当信号通过T型衰减器时，一部分信号被电阻吸收，从而降低信号的幅度。
二、t型衰减器的计算方法T型衰减器的衰减量可以通过计算电阻的阻值比例来确定。
假设输入信号的电压为Vin，输出信号的电压为Vout，输入电阻为Rin，输出电阻为Rout，T型衰减器的衰减量（以分贝为单位）可以通过以下公式计算得到：Attenuation(dB) = 20 * log10(Vin / Vout) = 10 * log10(Pin / Pout)其中，Pin和Pout分别表示输入和输出信号的功率。
为了更好地理解衰减量的计算方法，我们来举一个具体的例子。
假设输入信号的电压为10V，输出信号的电压为1V，输入电阻为50Ω，输出电阻为100Ω。
根据上述公式，我们可以计算出衰减量Attenuation(dB) = 20 * log10(10 / 1) ≈ 20dB三、t型衰减器的应用场景T型衰减器在电子电路中有广泛的应用。
其中一个常见的应用场景是在音频设备中用于控制音量大小。
通过调节T型衰减器的阻值比例，可以实现对音频信号的衰减，从而达到调节音量大小的效果。
T型衰减器还常用于高频电路中，用于匹配不同阻抗的信号源和负载之间的阻抗差异。
通过调节T型衰减器的阻值，可以实现信号源和负载之间的阻抗匹配，从而提高信号传输的效率。
四、t型衰减器的优缺点T型衰减器作为一种常用的电子元件，具有一些优点和缺点。
优点：1. 结构简单，制作成本较低；2. 可以实现精确的衰减量控制；3. 在特定频率范围内具有较好的线性特性。
缺点：1. 由于内部电阻的存在，会对信号的频率响应产生影响；2. 阻值变化范围较小，难以实现大范围的衰减。
创作编号：GB8878185555334563BT9125XW创作者：凤呜大王*T型电阻衰减电路一．性能指标:《1》设计一个T型电阻衰减电路要求衰减倍数-40db在0-50MHZ频率范围内衰减倍数基本不变《2》设计一个T型网络衰减电路要求衰减倍数-60db频率要求在低频范围内（低于200khz）二．方案论证：在无线系统测试中常常需要对从一个设备到另一个设备的信号进行衰减。
例如，射频发射机测试中，涉及的功率等级常常从几瓦到几百瓦甚至上千瓦，这么大功率的信号必须得经过衰减以后才可以连接到大部分的测试设备中，否则会对测试设备有损害。
一种叫做衰减器的简单电路常常能用来减少信号幅度，而且衰减器不但可以把信号电压衰减到一定值还可以对阻抗值进行变换。
实现此功能的电路常常被称作π型或T型衰减网络大部分测试设备常常具有特定的输入阻抗。
比如，许多的无线通信测试设备的特性阻抗为50 Ω而视频设备的特性阻抗为75Ω，而T型电阻衰减网络可以根据实际要求随意设置输入阻抗，可以实现阻抗匹配问题；而且T型网络采用电阻并联后分压的方式，也可以避免使用大电阻分压对衰减网络的性能产生影响；另外，T型电阻衰减网络设计简单，易于计算，所以在电阻分压时经常被使用。
方案一高频T型电阻衰减网络题目要求设置衰减增益为-40dB,输入输出阻抗为与外部仪器阻抗匹配，因为要测试比较高的频率（0--50MHZ），用普通的示波器和信号发生器与电路的连接线会对测试结果产生很大影响（如普通的信号源连接线会等效为几十pf的电容，与电路中的电阻构成一个频率较高的低通滤波，会在频率高时对电路产生衰减作用），因此要用到射频头和射频线。
因为射频线的特性阻抗是50Ω，所以射频线特两端的电阻阻值必须为50Ω，所以限制了T型网络的输入输出阻抗，从而限制了衰减倍数。
所以说要实现更高频率的衰减，就不能实现更大的衰减。
方案二低频T型电阻衰减网络首先该方案是实现更高的衰减倍数，因为该方法电阻的取值不受限制，可以任意设置衰减倍数。
第二次电子版作业题目：用multisim仿真软件设计心电图电路中双T型50HZ陷波器滤波电路（有源滤波器）。
一、电路介绍及参数计算1、最基本双T型结构陷波器又称带阻滤波器，用于抑制或衰减某一频率段的信号，而让该频段外的所有信号通过。
在进行心电图测量时，常会受到周围50HZ工频干扰，或者由于电极和皮肤接触不良导致严重的50HZ工频干扰使得无法记录心电图，为抑制此类干扰常使用陷波器。
图1 双T网络如图1所示，为典型的RC双T网络，由RC低通滤波器和RC高通滤波器并联而成。
从原理上说，一个截止频率为f1的低通滤波器与一个截止频率为f2的高通滤波器并联在一起，满足条件f1<f2时，即组成带阻滤波器。
当输入信号通过电路时，凡是f<f1的信号均可从低通滤波器通过，凡是f>f2的信号均可以从高通滤波器通过，只有频率范围在f1<f<f2的信号被阻断。
双T网络各器件的值满足如下关系：C1=C2=C，C3=2C；R1=R2=R，R3=1/2R。
上图电路满足如下电路方程式(V1-V2)sC1 = 2V2/R3+( V2-V4)sC2(V1-V2)/R1 = (V3-V4)/R2+V3sC3(V3-V4)/R2 + ( V2-V4)sC2 = 0通过以上四式可得到V4 V1= C2R2s2+1C2R2s2+4CRs+1可以看出上式满足典型的二阶系统特性，所以可得ω0= 1RC2β= 4RCQ = ω02β= 14由于无源双T网络的输入阻抗较小，输出阻抗较大，容易受到电路前后级的影响，特性不是很好，Q值较低，不宜直接使用，通常在双T网络基础上采用运放加上适当反馈构成实用的有源双T陷波器。
2、双T型50HZ陷波器滤波电路（有源滤波器）图2 双T型有源陷波器滤波电路如图2所示，50HZ有源陷波器滤波电路由两个运放和双Ｔ陷波器组成，同时引入负反馈改善选频作用，运放U1既提供反馈环路的增益，同时又起到对双T网络隔离的作用。
T 型电阻衰减电路．性能指标:《1》设计一个T 型电阻衰减电路要求衰减倍数-40db在0-50MHZ频率范围内衰减倍数基本不变《2》设计一个T 型网络衰减电路要求衰减倍数-60db频率要求在低频范围内（低于200khz）．方案论证：在无线系统测试中常常需要对从一个设备到另一个设备的信号进行衰减。
例如，射频发射机测试中，涉及的功率等级常常从几瓦到几百瓦甚至上千瓦，这么大功率的信号必须得经过衰减以后才可以连接到大部分的测试设备中，否则会对测试设备有损害。
一种叫做衰减器的简单电路常常能用来减少信号幅度，而且衰减器不但可以把信号电压衰减到一定值还可以对阻抗值进行变换。
实现此功能的电路常常被称作n型或T 型衰减网络大部分测试设备常常具有特定的输入阻抗。
比如，许多的无线通信测试设备的特性阻抗为50 ? 而视频设备的特性阻抗为75?，而T型电阻衰减网络可以根据实际要求随意设置输入阻抗，可以实现阻抗匹配问题；而且T 型网络采用电阻并联后分压的方式，也可以避免使用大电阻分压对衰减网络的性能产生影响；另外，T 型电阻衰减网络设计简单，易于计算，所以在电阻分压时经常被使用。
方案一高频T 型电阻衰减网络题目要求设置衰减增益为-40dB, 输入输出阻抗为与外部仪器阻抗匹配，因为要测试比较高的频率(0-- 50MHZ),用普通的示波器和信号发生器与电路的连接线会对测试结果产生很大影响(如普通的信号源连接线会等效为几十pf 的电容，与电路中的电阻构成一个频率较高的低通滤波，会在频率高时对电路产生衰减作用) ，因此要用到射频头和射频线。
因为射频线的特性阻抗是50Q，所以射频线特两端的电阻阻值必须为50Q，所以限制了T型网络的输入输出阻抗，从而限制了衰减倍数。
所以说要实现更高频率的衰减，就不能实现更大的衰减。
方案二低频T 型电阻衰减网络首先该方案是实现更高的衰减倍数，因为该方法电阻的取值不受限制，可以任意设置衰减倍数。
然而电路中就不能用射频线，因此在高频信号时，由于普通信号线存在有等效电容，会在高频信号时对信号衰减，所以说此方案只使用于低频信号。
三. 系统硬件电路设计<1> 普通的T 型衰减网络设计在设计T 型电阻网络衰减时，为了保证衰减倍数能够在理论计 算值误差范围内，必须要考虑阻抗匹配，即上一级的输出阻抗要和T型网络的输入阻抗要一致，即R 'RI ，下一级的输入阻抗要和T 型网 络的输出阻抗一致，即RL=Ro,电路图如下所示GND由阻抗关系可得RI =R1 R3//(R2 Ro) Ro =R2 R3//( R1 RI)又根据电路输入电压和输出电压关系可得(7 U ^.UL )R2=uo-UI 心RI R3 RIRI由（1）（2）（3）关系式可推出Uo2RIRI UoUIR1 =(1)U — - RIRo UI RI .Uo 2 d泊一1Ro UI2GNDGNDRIRo(1)GND(5)(6)(8)(9)R1Uo-1 7UIUo.. 2RI x — 只2=(四一1) UL_R OUI RI U O 2 D2 -1R O UI 22 RI U°R3 U-------------------------RI U O 2 D2 -1R O UI 2<2>对称T 型衰减网络设计图1设计的电路图适用于所有 T 型电阻衰减网络，若当R 仁R2时, 该T 型电阻衰减网络就变成对称T 型衰减网络，其电路图如下所示图2由阻抗关系可得Ro = RI = R1 R2 //(R1 RI) -----------------------------------------------------------又根据电路输入电压和输出电压关系可得由（7）（8）关系式可推出(RI R1 RIUI R2RI)R1 = Uo-UIRI +R1 RI(10)2U0UlUO1_12 1Ul2<3>高频T型电阻衰减网络设计由上可以知道，要设置输入阻抗RI=R'50Q, (R‘为信号源内部固定阻抗，与输入阻抗匹配)，要设置Ro//RL+R4=50 Q,(实现与射频线匹配)为了方便计算，这里我们取Ro=50,则RL=Ro=50 Q (负载与输出阻抗匹配)，可推出R4=25Q图3先已知RI=Ro=50 Q ,衰减倍数Au1=-40db,由公式(4) (5) (6)可推出R仁R2=49.01QR3=1 Q<4>低频T型电阻衰减网络设计低频T型电阻衰减网络中，虽然不用设置射频线阻抗匹配，但R2 = Ro仍然需要设置输入输出阻抗匹配，如图1所示。
这里我设RI=RL=1k,由性能指标可知，Au2=-60db,可根据公式⑷(5)(6)可推出R仁R2=998QR3=2Q四.系统调试和分析<1>电路仿真1.高频T型电阻衰减网络下图是输入幅值为10V (峰峰值20V),频率分别为1kHZ、1MHZ、50MHZ的交流信号的频率为 1khz,1Mhz,50Mhz ，峰峰值为 20V,输出波形的峰峰值为200mV.基本无偏差.由上可知知道，该T 型分压衰减网络可以实现在 0-50MHZ 频率范围Frecjirtiwy 1 I kHz Diity CycleSO I % AmplitudeID| VpOffset0 I vVVa 心丁 rrm^n_n_Freqi^ncy4IlMHz~Duty Cycie1 *DOffset^rLTLF 曲 uercy 50 VHzDuty Cyce E nAirpiitude10 1 Vp Offset|ol vi- Wa v e forms --------------------------------5亏「ml OptiorsHI MmV CH2I'CHI/ 970D VCHI Pk-Pk l59mVUe^ure 2 Sour«Sfjril OptcrsArnplitjde 10VpSet Rise/Falf TrS-s r al Opt o r s$et Riw3FRI Em内，实现对信号衰减-40db.2•低频T 型电阻衰减网络R42L下图是输入幅值为10V （峰峰值20V ）,频率为1kHZ ,50KHZ,300KHZ,1MHZ 的交流信号,R1VA &9EQR2：■AWFreiuerKy1kHz Duty Cy&te |閱」 l % Ampfitude 10VpOffset厂口口口 □ □□□ □□0 0®1 ： ：| i TSignal QptkxtsSet Rise/Fall Time Hl 5mV CH2 5V U KWusCHl/32fl^上图为仿真出来的输出波形（输入为绿色，输出为黄色），输入波形 的频率为0— 1Mhz 范围内，峰峰值为20V,输出波形的峰峰值均值为20mv.综上现象可以知道，该T 型分压衰减网络可以实现在 0-1MHZ 频率范 围内，实现对信号衰减-60db.F r equewy 50kHzDuty Cycle|50 二 _Arr10 Vp Offset|ofv$€t F歸Fall Time—rm —Fr&suercy frakHzDuty Cyc^* = Amplitude[ioI Vp -Set Rjs^/Fall Urne IF 馆九bey 1MHzDuty Cycle "taaanArrp-irtude 10 "Vp~ Offset 0I V 讣Signal OptcrsUEASURE -"CHINoneS^ral Ootors offset p[yTtkCHI NoneCHI More CHI 5mV CH2 5VCHI Pfc-Pfc20mVCHI Ntow CH1lZ7B.4fVE;r al Optiors£歛Ris^/F 日II 万币已 |:HI 5mV CH2 5V M &00uCH1/1.26pV<2>实物电路图及结果分析1. 高频T 型电阻衰减网络下图是输入一个峰峰值为 2.5V ,频率分别为100hz 、1Okhz 、1Mhz 、20Mhz 、50Mhz 、80Mhz 的正弦波，通过T 型衰减网络，其输出波形如下所示由上可知，频率在0— 50MHZ ,输入电压峰峰值为UI=2.5V 经过该高频T 型电阻衰减网络后，输出波形的峰峰值为 25.8mv 、25.6mv 、 25.4mv 、25.2mv 、25.8mv 、26.4mv ,无失真，总体变化幅度小于 2mv则输入电压峰峰值 Uo 二25.8 25.6 25.4 25.2 26.4 27.0 二 25.9mV2 汉2.5V g 2.5VPI1 0.016W 8><50QRIT 型电阻衰减网络可以在 0— 50Mhz 频率范围内衰减 -38db,且衰减倍数无明显变化，在误差范围内满足实验要求。
另外，在测试高频T 型电阻衰减网络时，用的示波器型号是DS22022. 低频T 型电阻衰减网络下图是输入一个峰峰值为 20V ,频率分别为100hz 、10khz 、50khz 、100khz 、200khz 的正弦波，通过T 型衰减网络，其输出波形如下所 示 6A U ^20 log[ U ： ] = 20 log( 川-38db衰减倍数输入功率 输出功率PolU Ro Uo 、2 25.9mV 25.9mV “ooi7mw 8 50Q 说明该高频由上可知，频率在o—200kHZ,输入电压峰峰值UI=20V ,经过该低频T型电阻衰减网络后，输出波形的峰峰值分别为27.4mv、27.0mv、26.0mv、26.2mv、27.0mv范围内，无失真，变化幅度小于2mv 则输出电压为Uo二Uo 二27.4 ' 27.0 26.0■ 26.2■ 27.0=26.72mV5衰减倍数心=20log【U°］切砸严需乙二-57.5db说明该高频 T 型电阻衰减网络可以在 0—200Khz 频率范围内衰减 -57.5db,由于输入输出电阻匹配度不够，误差较大，但仍大致达到实 验要求。
五.遇到的问题及解决方案1、在测试过程中，用普通的示波器和信号发生器连接线在测试 T 型分压衰减网络的频率响应时，当信号达到十几兆时，信号会产生幅 度较大的衰减，已知输入出阻抗是 200Q答;因为信号发生器连接线可以等效成几十pf 的电容与电路的输 入阻抗形成低通滤波，所以会衰减，计算如下：等效电容大致取值为C '50pf,输入阻抗RI=200 Q形成低通滤波的截止频率为所以说信号在十几兆会产生明显的衰减 2•为什么阻抗不匹配在高频信号中会反射，什么是反射？反射是指在电路中由于拐角，过孔，元件引脚，线宽变化， T 型 引线等阻抗发生突变，就会有部分信号沿传输线反射回源端。
