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射频衰减器的作用,关键衰减器参数选择

2021/1/19 14:33:51
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  在RF电路中,更高的信号电平通常是一件好事。它们可以提高信噪比(SNR),减少内部电路元件噪声和外部信号噪声引起的问题。结果,更高的信号电平通常简化了RF电路设计的许多挑战。


  然而,在许多系统中,RF信号不可避免地具有跨越30,40或更多dB的宽动态范围;一些设计必须处理范围超过100dB的信号。示例包括雷达或远程无线,甚至是短距离LAN,其中一个或两个链路节点正在移动并且存在障碍物和干扰。


  如果系统设计为使用较低级别的信号正常工作,则可能没有更高功率信号的余量(RF,功率和信号电平通常密切相关)。结果是过载,饱和甚至可能损坏敏感的模拟组件,如前端放大器。即使没有永久性损坏,只要信号链的元件被“最大化”,系统就无法正常工作。在这些情况下,组件可能需要相对较长的时间才能摆脱饱和状态连锁再次可行。在其他情况下,衰减器将一个点的信号的最大值与链中另一个级的更大限制的最大值匹配。


  由于这些原因,通常需要管理和衰减信号电平。通过已知或可控量,这是射频衰减器发挥作用的地方。有三种类型的RF衰减器:


  1)固定值衰减器,提供一个或两个dB,或10dB,20dB或更多dB的值。


  2)电压可变或电压控制衰减器,其中模拟电压设置在连续可变范围内的衰减水平,例如在0dB和30dB之间或0dB和60dB之间。


  3)数字化受控衰减器或数字步进衰减器(DSA),其中多位代码在0dB至32或64dB的范围内以离散步长建立衰减,例如,以1或2dB/位的步长;有些产品提供小至0.25dB的步长。


  (请注意,还有机械控制的衰减器,用户可通过旋钮设置衰减。这些衰减器几乎只用于测试环境或高功率一次性设计。)


  可控衰减器是可变增益放大器(VGA)的补充,它可以增强信号以匹配链中的组件范围。对于需要额外灵活性的设计,甚至还有可用的VGA,它们可以跨越增益和衰减,例如-10到+40dB;在内部,这些是由可变衰减器(电压或数字控制)与增益模块串联构建的。


  简单地使用可变衰减器而不是固定衰减器似乎是合理的,以提供最大值使用灵活。然而,这种灵活性是有代价的,因为可变衰减器成本更高,耗散更多功率,并且在上电时需要(在大多数版本中)控制信号,以及在使用时的连续监督管理。这些是系统处理器和初始化过程的额外负担。相比之下,除了安装它之外,与固定衰减器无关。在其他情况下,“固定”衰减器设计用于提供受控温度系数,用于在工作温度变化时稳定高功率RF放大器。


  关键衰减器参数指南选择


  与所有组件一样,衰减器具有许多设计规范,这些规范定义了它们在给定应用中的适用性。衰减器的主要部分是频率范围和衰减值。


  某些衰减器的设计和指定用于相对宽带的使用,例如1至4GHz,而其他衰减器则针对窄带情况,例如标称2.4GHzISM频段。虽然更宽的带宽似乎是一个好处,但设计和在更宽的频段上实现性能成本更高。可变衰减器存在类似的情况。在30dB以上的范围内工作的宽范围单元比在30dB以上的范围内工作的成本更高。


  频率范围和衰减的两个参数相结合其他关键规格:频率范围内和整个工作温度范围内的衰减偏差或平坦度。平坦度通常在0.25dB或0.5dB的量级,并且通常在较高频率下难以维持。


  如果衰减器是固定值单位,则只需在该单个dB值处指定平坦度。但是,对于可变衰减器,平坦度可能随衰减量而变化,因此其变化必须在不同的衰减值下指定,例如每5或10dB。最后,与几乎所有无源和有源元件一样,性能必须在标称温度(25°C)以及器件的额定低温和高温下指定;一些供应商也提供温度系数数据。


  衰减器的功率处理能力范围从毫瓦到数千瓦。额定功率是决定可能封装的一个因素,可以是较小的表面贴装技术(SMT)器件,适用于较大的同轴甚至波导封装,因为功率水平达到较高水平。无论封装类型如何,大多数供应商都规定了连续波(CW)操作的额定功率以及脉冲操作的峰值。根据所使用的脉冲额定值的占空比,CW-和峰值功率额定值之间的比率可以是×10,×100或更大的系数。


  当然,与所有RF组件一样,衰减器的阻抗应与电路匹配。大多数衰减器设计用于50Ω工作;一些专门的可用于其他值,如75Ω。如果电路不具有匹配值,则可能需要阻抗匹配电路。


  另请注意,无源衰减器的准静态插入损耗通常在3到5dB之间。在信号电平和衰减分析中必须考虑到这一点,并且在频率范围内它可能会改变一到两个dB。供应商通常会在数据表中详细显示此损耗的具体dB值。


  用户选择提供选项


  衰减器使用的大部分增长都出现在大批量手持设备中例如智能手机,LAN节点或基站,其功率水平相对较低,SMT封装是实用的,并且占空比使得峰值/CW额定比率相对较小。几种标准器件说明了可用的小信号SMT衰减器的多样性(还有更大的非PC板衰减器,带有同轴连接器,主要用于与测试设置一起使用)。


  AvagoAMMP-6640是一款DC-40GHz可变衰减器,工作频率范围为20dB,插入损耗为5dB(图1)。这款5.0×5.0×2mmGaAs器件专为宽带操作而设计,并串联使用两个0至1.2VDC模拟控制信号来设置衰减电平(图2)。它针对微波无线电系统和卫星VSAT(极小孔径终端)或DBS(直播卫星)上/下链路。由于其宽带特性,供应商提供了从近零到40GHz以1GHz步长的散射参数(s参数)S11,S21,S12和S22的详细表格。


  射频衰减器的作用,关键衰减器参数选择


  图1:AvagoAMMP-6640DC至40GHz可变衰减器使用串联FET串联配对和分流FET来管理信号强度。


  射频衰减器的作用,关键衰减器参数选择


  图2:Avago的衰减AMMP-6640由两个独立的电压控制,分别为Vseries和Vshunt;结果衰减由表项显示。


  对于数字控制,SkyworksSolutions的SKY12343-364LF是一款适用于0.01至4.0GHz频段的GaAs宽带7位DSA,衰减范围为31.75dB和0.25dB分辨率(图3)。该单电源IC(+3.3或+5V)的编程逻辑电平与TTL/CMOS兼容,包括双模串行控制器和集成串行外设接口(SPI)控制器。它专为各种3G和4G蜂窝基础设施应用而设计。其衰减误差与衰减设置的关系图表明,在200MHz至4GHz的频率范围内,性能优于±0.5dB,设置在0至32dB之间(图4)。


  射频衰减器的作用,关键衰减器参数选择


  图3:SkyworksSolutions的SKY12343-364LF提供双模串行控制器和集成串行外设接口(SPI)控制器接口,并提供31.75dB和0.25dB分辨率的衰减范围从0.01到4.0GHz。


  射频衰减器的作用,关键衰减器参数选择


  图4:SKY12343-364LF的衰减误差与衰减设置的关系图表明,它的变化仅略有不同两个变量,保持在1dB的窗口内。


  另一个DSA是PeregrineSemiconductor的PE4302,一个6位,31.25dB,DC到4GHz单位,步长为0.5dB。除了串行和并行CMOS接口(图5)之外,这款3VIC还具有独特的控制接口,允许用户在上电时预设衰减值。它在主要步骤的衰减(图6a)和衰减误差与频率的关系(图6b)只是供应商提供的许多性能图中的一小部分。


  射频衰减器的作用,关键衰减器参数选择


  图5:使用PeregrineSemiconductorPE4302DSA,可以提前确定上电时的初始衰减设置。


  射频衰减器的作用,关键衰减器参数选择


  图6:(a,顶部)PE4302DSA衰减在所有衰减值和频率下都表现出优异的平坦度,在最大衰减和频率处有一些偏差;(b,下图)另一种观察性能的方法是衰减误差与频率的关系(使用相同的颜色代码)。


  ADI公司的ADL5240(图7)结合了增益和衰减。固定增益20dB放大器,具有6位DSA,增益控制范围为31.5dB,步长为0.5dB,步进精度为±0.25dB,工作频率范围为100MHz至4000MHz。结果是VGA可以在数字控制下从丢失到增益。与其他RF衰减器一样,供应商提供s参数详细信息,此处以图形形式显示(图8)。


  射频衰减器的作用,关键衰减器参数选择


  图7:ADI公司的ADL5240将20dB增益模块与DSA合并,产生数字可控VGA,可提供衰减和增益。


  射频衰减器的作用,关键衰减器参数选择


  图8:ADL5240是一个达到4GHz的RF组件,因此供应商必须提供详细的s参数数据,这里是图形格式。


  一个有趣的固定值衰减器是CopalElectronics公司的0到3GHz热变单元的E-TA系列(例如,E-TA2012)。这些芯片器件大约为2×3mm,具体取决于具体单元,提供8个温度系数,分别为N1至N8,范围为-0.0119dB/dB/°C至-0.0019dB/dB/°C(图9)。这些不同的系数是它们可用的标称衰减额定值1到10dB(1dB步长)的补充,具体取决于所选的型号。


  射频衰减器的作用,关键衰减器参数选择


  图9:CopalElectronics的0至3GHz热可变衰减器的E-TA系列具有八个定义的温度系数;它们可用于补偿和稳定射频功率放大器的运行,这种放大器由于温度漂移而发生,它们的温度在-40°C至+100°C之间变化,利用2dB至5.5dB的衰减变化。


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