射頻衰減器的類型及作用介紹

在RF電路中，更高的信號電平通常是一件好事。它們可以提高信噪比(SNR)，減少內(nèi)部電路元件噪聲和外部信號噪聲引起的問題。結(jié)果，更高的信號電平通常簡化了RF電路設(shè)計的許多挑戰(zhàn)。

然而，在許多系統(tǒng)中，RF信號不可避免地具有跨越30,40或更多dB的寬動態(tài)范圍;一些設(shè)計必須處理范圍超過100 dB的信號。示例包括雷達(dá)或遠(yuǎn)程無線，甚至是短距離LAN，其中一個或兩個鏈路節(jié)點正在移動并且存在障礙物和干擾。

如果系統(tǒng)設(shè)計為使用較低級別的信號正常工作，則可能沒有更高功率信號的余量(RF，功率和信號電平通常密切相關(guān))。結(jié)果是過載，飽和甚至可能損壞敏感的模擬組件，如前端放大器。即使沒有永久性損壞，只要信號鏈的元件被“最大化”，系統(tǒng)就無法正常工作。在這些情況下，組件可能需要相對較長的時間才能擺脫飽和狀態(tài)連鎖再次可行。在其他情況下，衰減器將一個點的信號的最大值與鏈中另一個級的更大限制的最大值匹配。

由于這些原因，通常需要管理和衰減信號電平。通過已知或可控量，這是射頻衰減器發(fā)揮作用的地方。有三種類型的RF衰減器：

1)固定值衰減器，提供一個或兩個dB，或10 dB，20 dB或更多dB的值。

2 )電壓可變或電壓控制衰減器，其中模擬電壓設(shè)置在連續(xù)可變范圍內(nèi)的衰減水平，例如在0 dB和30 dB之間或0 dB和60 dB之間。

3)數(shù)字化受控衰減器或數(shù)字步進(jìn)衰減器(DSA)，其中多位代碼在0 dB至32或64 dB的范圍內(nèi)以離散步長建立衰減，例如，以1或2 dB/位的步長;有些產(chǎn)品提供小至0.25 dB的步長。

(請注意，還有機(jī)械控制的衰減器，用戶可通過旋鈕設(shè)置衰減。這些衰減器幾乎只用于測試環(huán)境或高功率一次性設(shè)計。)

可控衰減器是可變增益放大器(VGA)的補(bǔ)充，它可以增強(qiáng)信號以匹配鏈中的組件范圍。對于需要額外靈活性的設(shè)計，甚至還有可用的VGA，它們可以跨越增益和衰減，例如-10到+40 dB;在內(nèi)部，這些是由可變衰減器(電壓或數(shù)字控制)與增益模塊串聯(lián)構(gòu)建的。

簡單地使用可變衰減器而不是固定衰減器似乎是合理的，以提供最大值使用靈活。然而，這種靈活性是有代價的，因為可變衰減器成本更高，耗散更多功率，并且在上電時需要(在大多數(shù)版本中)控制信號，以及在使用時的連續(xù)監(jiān)督管理。這些是系統(tǒng)處理器和初始化過程的額外負(fù)擔(dān)。相比之下，除了安裝它之外，與固定衰減器無關(guān)。在其他情況下，“固定”衰減器設(shè)計用于提供受控溫度系數(shù)，用于在工作溫度變化時穩(wěn)定高功率RF放大器。

關(guān)鍵衰減器參數(shù)指南選擇

與所有組件一樣，衰減器具有許多設(shè)計規(guī)范，這些規(guī)范定義了它們在給定應(yīng)用中的適用性。衰減器的主要部分是頻率范圍和衰減值。

某些衰減器的設(shè)計和指定用于相對寬帶的使用，例如1至4 GHz，而其他衰減器則針對窄帶情況，例如標(biāo)稱2.4 GHz ISM頻段。雖然更寬的帶寬似乎是一個好處，但設(shè)計和在更寬的頻段上實現(xiàn)性能成本更高?？勺兯p器存在類似的情況。在30 dB以上的范圍內(nèi)工作的寬范圍單元比在30 dB以上的范圍內(nèi)工作的成本更高。

頻率范圍和衰減的兩個參數(shù)相結(jié)合其他關(guān)鍵規(guī)格：頻率范圍內(nèi)和整個工作溫度范圍內(nèi)的衰減偏差或平坦度。平坦度通常在0.25dB或0.5dB的量級，并且通常在較高頻率下難以維持。

如果衰減器是固定值單位，則只需在該單個dB值處指定平坦度。但是，對于可變衰減器，平坦度可能隨衰減量而變化，因此其變化必須在不同的衰減值下指定，例如每5或10 dB。最后，與幾乎所有無源和有源元件一樣，性能必須在標(biāo)稱溫度(25°C)以及器件的額定低溫和高溫下指定;一些供應(yīng)商也提供溫度系數(shù)數(shù)據(jù)。

衰減器的功率處理能力范圍從毫瓦到數(shù)千瓦。額定功率是決定可能封裝的一個因素，可以是較小的表面貼裝技術(shù)(SMT)器件，適用于較大的同軸甚至波導(dǎo)封裝，因為功率水平達(dá)到較高水平。無論封裝類型如何，大多數(shù)供應(yīng)商都規(guī)定了連續(xù)波(CW)操作的額定功率以及脈沖操作的峰值。根據(jù)所使用的脈沖額定值的占空比，CW-和峰值功率額定值之間的比率可以是×10，×100或更大的系數(shù)。

當(dāng)然，與所有RF組件一樣，衰減器的阻抗應(yīng)與電路匹配。大多數(shù)衰減器設(shè)計用于50Ω工作;一些專門的可用于其他值，如75Ω。如果電路不具有匹配值，則可能需要阻抗匹配電路。

另請注意，無源衰減器的準(zhǔn)靜態(tài)插入損耗通常在3到5 dB之間。在信號電平和衰減分析中必須考慮到這一點，并且在頻率范圍內(nèi)它可能會改變一到兩個dB。供應(yīng)商通常會在數(shù)據(jù)表中詳細(xì)顯示此損耗的具體dB值。

用戶選擇提供選項

衰減器使用的大部分增長都出現(xiàn)在大批量手持設(shè)備中例如智能手機(jī)，LAN節(jié)點或基站，其功率水平相對較低，SMT封裝是實用的，并且占空比使得峰值/CW額定比率相對較小。幾種標(biāo)準(zhǔn)器件說明了可用的小信號SMT衰減器的多樣性(還有更大的非PC板衰減器，帶有同軸連接器，主要用于與測試設(shè)置一起使用)。

Avago AMMP -6640是一款DC-40 GHz可變衰減器，工作頻率范圍為20 dB，插入損耗為5 dB(圖1)。這款5.0×5.0×2 mm GaAs器件專為寬帶操作而設(shè)計，并串聯(lián)使用兩個0至1.2 VDC模擬控制信號來設(shè)置衰減電平(圖2)。它針對微波無線電系統(tǒng)和衛(wèi)星VSAT(極小孔徑終端)或DBS(直播衛(wèi)星)上/下鏈路。由于其寬帶特性，供應(yīng)商提供了從近零到40 GHz以1 GHz步長的散射參數(shù)(s參數(shù))S11，S21，S12和S22的詳細(xì)表格。

圖1：Avago AMMP-6640 DC至40 GHz可變衰減器使用串聯(lián)FET串聯(lián)配對和分流FET來管理信號強(qiáng)度。

圖2：Avago的衰減AMMP-6640由兩個獨立的電壓控制，分別為Vseries和Vshunt;結(jié)果衰減由表項顯示。

對于數(shù)字控制，Skyworks Solutions的SKY12343-364LF是一款適用于0.01至4.0 GHz頻段的GaAs寬帶7位DSA，衰減范圍為31.75 dB和0.25 dB分辨率(圖3)。該單電源IC(+3.3或+5 V)的編程邏輯電平與TTL/CMOS兼容，包括雙模串行控制器和集成串行外設(shè)接口(SPI)控制器。它專為各種3G和4G蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用而設(shè)計。其衰減誤差與衰減設(shè)置的關(guān)系圖表明，在200 MHz至4 GHz的頻率范圍內(nèi)，性能優(yōu)于±0.5 dB，設(shè)置在0至32 dB之間(圖4)。

圖3：Skyworks Solutions的SKY12343-364LF提供雙模串行控制器和集成串行外設(shè)接口(SPI)控制器接口，并提供31.75 dB和0.25 dB分辨率的衰減范圍從0.01到4.0 GHz。

圖4：SKY12343-364LF的衰減誤差與衰減設(shè)置的關(guān)系圖表明，它的變化僅略有不同兩個變量，保持在1 dB的窗口內(nèi)。

另一個DSA是Peregrine Semiconductor的PE4302，一個6位，31.25 dB，DC到4 GHz單位，步長為0.5 dB。除了串行和并行CMOS接口(圖5)之外，這款3 V IC還具有獨特的控制接口，允許用戶在上電時預(yù)設(shè)衰減值。它在主要步驟的衰減(圖6a)和衰減誤差與頻率的關(guān)系(圖6b)只是供應(yīng)商提供的許多性能圖中的一小部分。

圖5：使用Peregrine Semiconductor PE4302 DSA，可以提前確定上電時的初始衰減設(shè)置。

圖6：(a ，頂部)PE4302 DSA衰減在所有衰減值和頻率下都表現(xiàn)出優(yōu)異的平坦度，在最大衰減和頻率處有一些偏差; (b，下圖)另一種觀察性能的方法是衰減誤差與頻率的關(guān)系(使用相同的顏色代碼)。

ADI公司的ADL5240(圖7)結(jié)合了增益和衰減。固定增益20 dB放大器，具有6位DSA，增益控制范圍為31.5 dB，步長為0.5 dB，步進(jìn)精度為±0.25 dB，工作頻率范圍為100 MHz至4000 MHz。結(jié)果是VGA可以在數(shù)字控制下從丟失到增益。與其他RF衰減器一樣，供應(yīng)商提供s參數(shù)詳細(xì)信息，此處以圖形形式顯示(圖8)。

圖7：ADI公司的ADL5240將20 dB增益模塊與DSA合并，產(chǎn)生數(shù)字可控VGA，可提供衰減和增益。

圖8：ADL5240是一個達(dá)到4 GHz的RF組件，因此供應(yīng)商必須提供詳細(xì)的s參數(shù)數(shù)據(jù)，這里是圖形格式。

一個有趣的固定值衰減器是Copal Electronics公司的0到3 GHz熱變單元的E-TA系列(例如，E-TA2012)。這些芯片器件大約為2×3 mm，具體取決于具體單元，提供8個溫度系數(shù)，分別為N1至N8，范圍為-0.0119 dB/dB/°C至-0.0019 dB/dB/°C(圖9) 。這些不同的系數(shù)是它們可用的標(biāo)稱衰減額定值1到10 dB(1 dB步長)的補(bǔ)充，具體取決于所選的型號。

圖9：Copal Electronics的0至3 GHz熱可變衰減器的E-TA系列具有八個定義的溫度系數(shù);它們可用于補(bǔ)償和穩(wěn)定射頻功率放大器的運行，這種放大器由于溫度漂移而發(fā)生，它們的溫度在-40°C至+ 100°C之間變化，利用2 dB至5.5 dB的衰減變化。