在微波與光通信系統(tǒng)中，信號衰減的控制精度與相位穩(wěn)定性直接影響著整體系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。

極化旋轉(zhuǎn)式衰減器作為一種高精度、相位穩(wěn)定的微波無源器件，近年來在高頻測量與通信系統(tǒng)中展現(xiàn)出顯著的技術(shù)優(yōu)勢。其基于極化旋轉(zhuǎn)原理，通過調(diào)節(jié)吸收片之間的相對角度實(shí)現(xiàn)對信號衰減的連續(xù)精確控制。

我們深入了解該衰減器的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其在光通信系統(tǒng)中的潛在應(yīng)用價(jià)值。

01 技術(shù)背景與行業(yè)需求

微波衰減器作為通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)無源器件之一，其性能直接影響信號傳輸?shù)馁|(zhì)量。在高精度測量及通信應(yīng)用中，衰減器需具備大范圍衰減調(diào)節(jié)能力、高控制精度以及良好的相位穩(wěn)定性。

傳統(tǒng)可調(diào)衰減器如刀形衰減器和數(shù)字衰減器，雖然在一定程度上滿足調(diào)節(jié)需求，但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在明顯局限。數(shù)字衰減器雖便于調(diào)控，但會引入較大的寄生效應(yīng)，容易帶來信號雜波。

刀形衰減器雖避免了寄生問題，但其衰減值難以實(shí)現(xiàn)高精度控制，且兩者均不具備相位穩(wěn)定功能。因此，研制一種兼具大衰減范圍、高精度、相位穩(wěn)定且寄生效應(yīng)小的衰減器，成為行業(yè)迫切需求。

極化旋轉(zhuǎn)式衰減器正是在此背景下應(yīng)運(yùn)而生，其通過機(jī)械旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)吸收片間夾角，實(shí)現(xiàn)衰減值的連續(xù)可調(diào)，并在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中兼顧了相位穩(wěn)定性與信號純凈度。

02 工作原理與結(jié)構(gòu)組成

極化旋轉(zhuǎn)式衰減器的核心原理基于電磁波極化方向的分解與合成。其結(jié)構(gòu)主要包括中心波導(dǎo)、旋轉(zhuǎn)吸收片、輸入/輸出結(jié)構(gòu)及固定吸收片等部分。

中心波導(dǎo)通常采用圓形波導(dǎo)，兩側(cè)通過矩形-圓形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器連接輸入和輸出端口，內(nèi)部設(shè)有可旋轉(zhuǎn)的吸收片。輸入與輸出結(jié)構(gòu)的矩形波導(dǎo)部分多采用標(biāo)準(zhǔn) WR90 尺寸，便于系統(tǒng)集成。

信號從輸入結(jié)構(gòu)進(jìn)入后，在圓形波導(dǎo)中分解為平行與垂直于旋轉(zhuǎn)吸收片的兩個(gè)分量。平行分量被吸收片衰減，垂直分量則繼續(xù)傳輸。到達(dá)輸出結(jié)構(gòu)時(shí)，只有與矩形波導(dǎo)極化方向一致的分量可通過，從而實(shí)現(xiàn)可控衰減。

衰減值的大小取決于旋轉(zhuǎn)吸收片與固定吸收片之間的相對旋轉(zhuǎn)角度 θ。

其理論衰減公式為 40×lg?(cos?θ)40×lg(cosθ)，通過精確控制 θ 角即可實(shí)現(xiàn)衰減的高精度調(diào)節(jié)。

圖1 極化旋轉(zhuǎn)式衰減器立體結(jié)構(gòu)示意圖

03 關(guān)鍵設(shè)計(jì)與性能優(yōu)勢

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，固定吸收片平行于矩形波導(dǎo)寬邊布置，旋轉(zhuǎn)吸收片則貫穿圓形波導(dǎo)中心軸線，兩者中心線保持重合。這種布局有利于維持信號極化方向的一致性與系統(tǒng)的機(jī)械對稱性。

吸收片采用二氧化硅作為基底，厚度為 0.2mm，表面涂覆 110nm 厚的鎳鉻合金作為吸收層。這種材料組合在 9–10GHz 頻段內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的衰減性能與低相位波動。

驅(qū)動機(jī)構(gòu)采用平面連桿機(jī)構(gòu)，由電機(jī)、減速器、連桿與環(huán)形卡箍等組成。該設(shè)計(jì)巧妙地將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為波導(dǎo)的精確角度轉(zhuǎn)動，并具備非線性傳動特性。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度增大時(shí)，機(jī)構(gòu)傳動比減小，從而抑制衰減值的劇烈變化，有利于實(shí)現(xiàn)高精度衰減控制。這一機(jī)械特性與衰減器本身的指數(shù)型衰減曲線形成互補(bǔ)。

圖2 平面連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及其安裝示意圖

在性能方面，該衰減器具備超過 60dB 的最大衰減能力，且在衰減值低于 40dB 時(shí)，相位變化不超過 2°2°，表現(xiàn)出良好的相位穩(wěn)定性。

同時(shí)，由于無電子切換元件，其寄生效應(yīng)顯著低于數(shù)字衰減器，更適合高純度信號的應(yīng)用場景。

04 實(shí)測數(shù)據(jù)與性能驗(yàn)證

根據(jù)專利中提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，該衰減器在 9–10GHz 工作頻段內(nèi)表現(xiàn)出良好的衰減一致性。

圖3顯示了衰減值隨相對旋轉(zhuǎn)角度 θ 變化的曲線，實(shí)測結(jié)果與理論公式高度吻合。

圖3 衰減值隨相對旋轉(zhuǎn)角度變化示意圖

相位穩(wěn)定性是該衰減器的另一大亮點(diǎn)。圖4展示了在不同頻率下，輸出相位隨衰減值的變化情況，可見在寬衰減范圍內(nèi)相位波動極小，滿足高精度測量系統(tǒng)對相位一致性的嚴(yán)苛要求。

圖4 相位隨衰減值的變化示意圖

駐波比（VSWR）是衡量波導(dǎo)器件匹配性能的重要指標(biāo)。通過優(yōu)化波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與吸收片位置，該衰減器在目標(biāo)頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了小于 1.5 的駐波比，表明其具有良好的阻抗匹配與低反射特性。

05 在光通信系統(tǒng)中的潛在應(yīng)用

盡管該技術(shù)最初面向微波頻段設(shè)計(jì)，但其極化旋轉(zhuǎn)與精密機(jī)械調(diào)節(jié)的原理在光通信領(lǐng)域中同樣具有借鑒意義。

例如，在光開關(guān)與光衰減器等器件中，通過調(diào)節(jié)光學(xué)元件的相對角度或位置來實(shí)現(xiàn)信號路由或衰減控制，是常見的技術(shù)路徑。

在光纖通信系統(tǒng)中，尤其是相干光傳輸與高階調(diào)制場景下，對光信號功率的精確控制與相位穩(wěn)定性要求極高。類似極化旋轉(zhuǎn)的機(jī)械式調(diào)節(jié)方案，可避免電控器件引入的非線性與噪聲。

對于廣西科毅光通信科技有限公司而言，在開發(fā)新一代光開關(guān)與可調(diào)光衰減器產(chǎn)品時(shí)，可參考該衰減器的機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制邏輯，實(shí)現(xiàn)高精度、低相移的光功率管理。

尤其在數(shù)據(jù)中心光互連與5G前傳網(wǎng)絡(luò)中，高穩(wěn)定、可編程的光衰減與路由能力，是提升系統(tǒng)靈活性與可靠性的關(guān)鍵技術(shù)之一。

06 結(jié)構(gòu)安裝與系統(tǒng)集成

該衰減器的整體結(jié)構(gòu)通過專門設(shè)計(jì)的框架進(jìn)行固定，確保在調(diào)節(jié)過程中保持機(jī)械穩(wěn)定。圓形波導(dǎo)通過轉(zhuǎn)動軸承與輸入輸出結(jié)構(gòu)連接，實(shí)現(xiàn)平滑轉(zhuǎn)動與信號連續(xù)傳輸。

圖5 結(jié)構(gòu)框架及其安裝示意圖

在實(shí)際系統(tǒng)集成中，該衰減器可直接與標(biāo)準(zhǔn) WR90 波導(dǎo)系統(tǒng)對接，也可通過適配器擴(kuò)展至其他頻段或接口形式。其全機(jī)械結(jié)構(gòu)使其適用于高功率、高穩(wěn)定性要求的工業(yè)與測試環(huán)境。

對于光通信設(shè)備商而言，類似的結(jié)構(gòu)思維可用于開發(fā)機(jī)械式光可調(diào)衰減器或偏振相關(guān)器件，在光網(wǎng)絡(luò)測試、傳輸調(diào)優(yōu)等場景中發(fā)揮作用。

07 技術(shù)總結(jié)與行業(yè)展望

極化旋轉(zhuǎn)式衰減器通過簡潔而巧妙的機(jī)械設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了衰減值的高精度、連續(xù)可調(diào)，同時(shí)兼顧了相位穩(wěn)定性與低寄生效應(yīng)，在高頻測量與通信系統(tǒng)中展現(xiàn)出明確的技術(shù)優(yōu)勢。

其核心技術(shù)——角度控制衰減與機(jī)械非線性傳動——不僅在微波領(lǐng)域有價(jià)值，也為光通信器件的設(shè)計(jì)提供了新思路。

隨著光網(wǎng)絡(luò)向更高速率、更靈活調(diào)度的方向發(fā)展，對光開關(guān)、可調(diào)光衰減器等器件的性能要求也將持續(xù)提升。將類似的高精度機(jī)械控制理念應(yīng)用于光學(xué)器件中，有望推動光通信硬件向更高穩(wěn)定、更易控制的方向演進(jìn)。

擇合適的光開關(guān)等光學(xué)器件及光學(xué)設(shè)備是一項(xiàng)需要綜合考量技術(shù)、性能、成本和供應(yīng)商實(shí)力的工作。希望本指南能為您提供清晰的思路。我們建議您在明確自身需求后，詳細(xì)對比關(guān)鍵參數(shù)，并優(yōu)先選擇像科毅光通信這樣技術(shù)扎實(shí)、質(zhì)量可靠、服務(wù)專業(yè)的合作伙伴。

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（注：本文部分內(nèi)容由AI協(xié)助習(xí)作，僅供參考）