什么是射頻衰減器？如何為我的應(yīng)用選擇合適的RF衰減器

本文延續(xù)之前的一系列短文，面向非射頻工程師講解射頻技術(shù)；我們將探討IC衰減器，并針對(duì)其類型、配置和規(guī)格提出一些見解。本文旨在幫助工程師更快了解各種IC產(chǎn)品，并為終端應(yīng)用選擇合適的產(chǎn)品。該系列的相關(guān)文章包括："為應(yīng)用選擇合適的RF放大器指南"、"如何輕松選擇合適的頻率產(chǎn)生器件"和"RF解密–了解波反射"。

問題:

什么是射頻衰減器？如何為我的應(yīng)用選擇合適的RF衰減器？

答案:

衰減器是一種控制元件，主要功能是降低通過衰減器的信號(hào)強(qiáng)度。這種元件一般用于平衡信號(hào)鏈中的信號(hào)電平、擴(kuò)展系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍、提供阻抗匹配，以及在終端應(yīng)用設(shè)計(jì)中實(shí)施多種校準(zhǔn)技術(shù)。

簡介

本文延續(xù)之前的一系列短文，面向非射頻工程師講解射頻技術(shù)；我們將探討IC衰減器，并針對(duì)其類型、配置和規(guī)格提出一些見解。本文旨在幫助工程師更快了解各種IC產(chǎn)品，并為終端應(yīng)用選擇合適的產(chǎn)品。該系列的相關(guān)文章包括："為應(yīng)用選擇合適的RF放大器指南"、"如何輕松選擇合適的頻率產(chǎn)生器件"和"RF解密–了解波反射"。

衰減器的類型

從關(guān)鍵功能這個(gè)角度，衰減器可以分為固定衰減器和可變衰減器，前者的衰減電平保持不變，后者的衰減電平可調(diào)。根據(jù)可變衰減器支持的衰減控制方式，還可以進(jìn)一步細(xì)分為電壓可變衰減器(VVA)和數(shù)字步進(jìn)衰減器(DSA)，前者采用模擬控制技術(shù)，后者采用數(shù)字控制技術(shù)。

VVA可以持續(xù)調(diào)節(jié)衰減電平，電平可以設(shè)置為給定范圍內(nèi)的任何值。對(duì)于自動(dòng)增益控制電路、校準(zhǔn)校正以及其他需要平穩(wěn)、精確地控制信號(hào)的處理功能，通常采用模擬可變衰減器。

數(shù)字步進(jìn)衰減器采用一組離散衰減電平，可以按照預(yù)先設(shè)置的衰減步長調(diào)節(jié)信號(hào)強(qiáng)度。數(shù)字控制RFIC衰減器具有可兼容微控制器的控制接口，并提供出色的解決方案，可用于在復(fù)雜設(shè)計(jì)中保持功能完整性。

設(shè)計(jì)配置

衰減器IC可以使用電阻、PIN二極管、FET、HEMT和CMOS晶體管，并通過GaAs、GaN、SiC或CMOS技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。圖1顯示了構(gòu)成各種衰減器設(shè)計(jì)配置的三種基本拓?fù)洌篢型、π型和橋接T型網(wǎng)絡(luò)。

圖1. 基本的衰減器拓?fù)洌?a) T型，(b) π型，(c)橋接T型網(wǎng)絡(luò)。

固定值衰減器利用通過薄膜和厚膜混合技術(shù)實(shí)現(xiàn)的這些核心拓?fù)鋪硖峁┕潭ㄋp電平。

VVA一般使用T型或π型配置，二極管或晶體管元件工作在非線性電阻區(qū)。利用基本元件的電阻特性，通過改變控制電壓來調(diào)節(jié)所需的衰減電平。

DSA通常采用代表單個(gè)位的多個(gè)級(jí)聯(lián)單元，它們可以輸入或輸出，以實(shí)現(xiàn)所需的衰減電平。圖2顯示了DSA設(shè)計(jì)使用的幾種配置示例。其中包括：采用了集成SPDT開關(guān)，可通過衰減器和直通線來切換輸入和輸出端口的配置；開關(guān)調(diào)節(jié)器件設(shè)計(jì)，使用晶體管或二極管作為可調(diào)電阻；開關(guān)電阻配置，電阻可以切換，在電路中作為輸入或輸出；以及器件嵌入式設(shè)計(jì)，晶體管或二極管是該設(shè)計(jì)的組成部分。

圖2. DSA設(shè)計(jì)配置示例：(a) π型配置，采用集成開關(guān)，(b)開關(guān)調(diào)節(jié)FET配置，(c)開關(guān)電阻配置，(d)FET嵌入式配置。

衰減器拓?fù)淇梢杂迷诜瓷浠蚱胶忸愋偷脑O(shè)計(jì)中，原理圖如圖3所示。反射型器件使用同等衰減器，它們連接至3 dB正交耦合器的輸出端，一般提供寬動(dòng)態(tài)范圍。平衡配置使用兩個(gè)3 dB正交耦合器連接一對(duì)完全相同的衰減器，以提供出色的VSWR和功率處理能力。

圖3. (a)反射型和(b)平衡型衰減器設(shè)計(jì)拓?fù)洹?/p>

除了本文中描述的主要設(shè)計(jì)配置之外，還可使用其他類型的電路來實(shí)現(xiàn)IC衰減器元件；但是，本文對(duì)這些內(nèi)容不做討論。1,2

主要規(guī)格

為了針對(duì)終端應(yīng)用選擇合適的衰減器，工程師必須深入了解其主要規(guī)格。除了衰減功能和一些基本參數(shù)（例如插入和回波損耗）之外，還有許多其他特性也可用于描述衰減器元件，主要包括：

●    頻率范圍(Hz)：IC保持其指定特性的頻率

●    衰減(dB)：超過插入損耗的抑制量

●    頻率響應(yīng)：整個(gè)頻率范圍(Hz)內(nèi)衰減電平(dB)的變化

●    衰減范圍(dB)：該元件提供的總衰減值

●    輸入線性度(dBm)：通常使用3階交調(diào)點(diǎn)(IP3)表示，IP3定義輸入功率電平的假設(shè)點(diǎn)，在該點(diǎn)相應(yīng)雜散分量的功率將達(dá)到與基波分量相同的水平

●    功率處理(dBm)：通常使用輸入1 dB壓縮點(diǎn)表示，該點(diǎn)定義了衰減器的插入損耗降低1 dB時(shí)的輸入功率電平；功率處理特性一般針對(duì)穩(wěn)態(tài)和熱切換模式下的平均和峰值輸入功率電平來確定

●    相對(duì)相位（度）：由衰減器元件引入信號(hào)中的相位偏移

除了這些常用參數(shù)之外，還使用開關(guān)特性來描述可變衰減器，通常以ns為單位來描述上升時(shí)間和下降時(shí)間、導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，以及RF輸出信號(hào)的幅度和相位建立時(shí)間。

此外，每種類型的可變衰減器都有其固有特性。對(duì)于VVA，它們與其模擬控制操作相關(guān)，包括：

●    電壓控制范圍(V)：在衰減范圍內(nèi)調(diào)節(jié)衰減電平所需的電壓

●    控制特性一般用衰減斜率(dB/V)和性能曲線表示，從中可以看出，衰減電平與控制電壓成函數(shù)關(guān)系

對(duì)于DSA，其固有特性包括：

●    衰減精度（也稱為狀態(tài)誤差）(dB)：衰減電平相對(duì)于標(biāo)稱值的變化極限

●    衰減步長(dB)：任何兩個(gè)連續(xù)衰減狀態(tài)之間的變化量

●    步進(jìn)誤差(dB)：衰減步長相對(duì)于標(biāo)稱值的變化極限

●    過沖、下沖(dB)：狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間的信號(hào)瞬變電平（毛刺）

良好的衰減器元件通常需要在工作頻率范圍內(nèi)提供平坦的衰減性能和出色的VSWR，提供足夠的精度和功率處理能力，并確保在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、無毛刺運(yùn)行（信號(hào)僅少量失真），或者是提供線性控制特性。

結(jié)論

IC衰減器元件的多樣性當(dāng)然不限于本文中討論的這些。我們還可以找出其他類型的IC，包括基于頻率的相位補(bǔ)償衰減器、溫度可變衰減器、帶集成式DAC的可編程VVA等。本文僅介紹了一些常見的IC衰減器類型，主要探討其采用的拓?fù)浜完P(guān)鍵規(guī)格，以幫助RF設(shè)計(jì)人員為終端應(yīng)用選擇合適的元件。

ADI公司提供非常豐富的集成式RF元件。ADI的衰減器IC提供多種架構(gòu)和尺寸選項(xiàng)，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)系統(tǒng)要求靈活選擇合適的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品旨在提供出色的性能，實(shí)現(xiàn)高度可靠的運(yùn)行，以滿足儀器儀表、通信、軍用和航空市場各種應(yīng)用的嚴(yán)苛要求。3

參考資料

1Inder J. Bahl. 使用Si、GaAs和GaN技術(shù)的控制元件。Artech House，2014年。

2Ian Robertson、Stepan Lucyszyn。RFIC/MMIC設(shè)計(jì)和技術(shù)。英國工程技術(shù)學(xué)會(huì)，2001年11月。

3"2021年RF、微波和毫米波產(chǎn)品選型指南"。 ADI公司，2021年9月。

來源：ADI

作者：Anton Patyuchenko