RF解密—什麼是RF衰減器?

作者 : Anton Patyuchenko,ADI現場應用技術主管

衰減器為一款控制元件,主要功能是降低通過衰減器的訊號強度。此元件一般用於平衡訊號鏈中的訊號位準、擴展系統的動態範圍、提供阻抗匹配,以及在終端應用設計中進行多種校準技術...

問題:什麼是射頻(RF)衰減器?如何為我的應用選擇合適的RF衰減器?

答案:衰減器為一款控制元件,主要功能是降低通過衰減器的訊號強度。此元件一般用於平衡訊號鏈中的訊號位準、擴展系統的動態範圍、提供阻抗匹配,以及在終端應用設計中進行多種校準技術。

本文延續之前的一系列短文內容,針對非射頻(RF)工程師講解RF技術;我們將探討IC衰減器,並針對其類型、配置和規格提出一些見解。本文目的在協助工程師更快瞭解各種IC產品,並為終端應用選擇合適的產品。該系列的相關文章包括:「為應用選擇合適的RF放大器指南」、「如何輕鬆選擇合適的頻率產生元件」和「RF解密–瞭解波反射」。

衰減器的類型

從關鍵功能這個角度,衰減器可以分為固定衰減器和可變衰減器,前者的衰減位準保持不變,後者的衰減位準可調。根據可變衰減器支援的衰減控制方式,還可以進一步細分為電壓可變衰減器(VVA)和數位步進衰減器(DSA),前者採用類比控制技術,後者採用數位控制技術。

VVA可以持續調節衰減位準,位準可以設定為給定範圍內的任何值。對於自動增益控制電路、校準校正以及其他需要平穩、精準控制訊號的處理功能,通常採用類比可變衰減器。

數位步進衰減器採用一組離散衰減位準,可以按照預先設定的衰減步長調節訊號強度。數位控制RFIC衰減器具有可相容微控制器的控制介面,並提供卓越的解決方案,可在複雜設計中保持功能完整性。

設計配置

衰減器IC可以使用電阻、PIN二極體、FET、HEMT和CMOS電晶體,並透過GaAs、GaN、SiC或CMOS技術來實現。1顯示構成各種衰減器設計配置的三種基本拓撲:T型、π型和橋接T型網路。

Figure 1. Basic attenuator topologies: (a) T-type, (b) π-type, (c) bridged-T networks.

1:基本的衰減器拓撲:(a) T型、(b) π型、(c)橋接T型網路。

固定值衰減器利用透過薄膜和厚膜混合技術實現的這些核心拓撲來提供固定衰減位準。

VVA一般使用T型或π型配置,二極體或電晶體元件工作在非線性電阻區。利用基本元件的電阻特性,透過改變控制電壓來調節所需的衰減位準。

DSA通常採用代表單一位元的多個串聯單元,其可以輸入或輸出,以實現所需的衰減位準。2顯示了DSA設計使用的幾種配置示例。其中包括:採用了整合SPDT開關,可透過衰減器和直通線來切換輸入和輸出埠的配置;切換調節元件設計,使用電晶體或二極體作為可調電阻;切換電阻配置,電阻可以切換,在電路中作為輸入或輸出;以及元件嵌入式設計、電晶體或二極體是該設計的組成部份。

Figure 2. DSA design configuration examples: (a) π-type configuration with integrated switches, (b) switched-scaled FET configuration, (c) switched-resistor configuration, (d) FET-embedded configuration.

2DSA設計配置示例:(a) π型配置,採用整合開關;(b)切換調節FET配置; (c)切換電阻配置;(d)FET嵌入式配置。

衰減器拓撲可以用於反射或平衡類型的設計中,原理圖如3所示。反射型元件使用同等衰減器,其連接至3dB正交耦合器的輸出端,一般提供寬廣動態範圍。平衡配置使用兩個3dB正交耦合器連接一對完全相同的衰減器,以提供卓越的VSWR和功率處理能力。

Figure 3. (a) Reflection-type and (b) balanced-type attenuator design topologies.

3(a)反射型和(b)平衡型衰減器設計拓撲。

除了文中描述的主要設計配置之外,還可使用其他類型的電路來實現IC衰減器元件,但本文對這些內容不進行討論。

主要規格

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

  • 頻率範圍(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:整個頻率範圍(Hz)內衰減位準(dB)的變化
  • 衰減範圍(dB):該元件提供的總衰減值
  • 輸入線性度(dBm):通常使用3階互調點(IP3)表示,IP3定義輸入功率位準的假設點,在該點相應雜散分量的功率將達到與基波分量相同的水準
  • 功率處理(dBm):通常使用輸入1dB壓縮點表示,該點定義了衰減器的插入損耗降低1dB時的輸入功率位準;功率處理特性一般針對穩態和熱切換模式下的平均和峰值輸入功率位準來確定
  • 相對相位(度):由衰減器元件引入訊號中的相位偏移

除了這些常用參數之外,還使用開關特性來描述可變衰減器,通常以ns為單位來描述上升時間和下降時間、導通和關斷時間,以及RF輸出訊號的振幅和相位建立時間。

此外,每種類型的可變衰減器都有其固有特性。對於VVA,與其類比控制操作相關,包括:

  • 電壓控制範圍(V):在衰減範圍內調節衰減位準所需的電壓
  • 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,衰減位準與控制電壓成函數關係

對於DSA,其固有特性包括:

  • 衰減精度(也稱為狀態誤差)(dB):衰減位準相對於標稱值的變化極限
  • 衰減步長(dB):任何兩個連續衰減狀態之間的變化量
  • 步進誤差(dB):衰減步長相對於標稱值的變化極限
  • 過衝、欠衝(dB):狀態轉換期間的訊號瞬變位準(突刺)

良好的衰減器元件通常需要在工作頻率範圍內提供平坦的衰減性能和卓越的VSWR,提供足夠的精度和功率處理能力,並確保在狀態轉換期間實現平穩、無突刺運行(訊號僅少量失真),或者是提供線性控制特性。

結論

IC衰減器元件的多樣性當然不限於本文中討論的這些。我們還可以找出其他類型的IC,包括基於頻率的相位補償衰減器、溫度可變衰減器、具有整合式DAC的可編程VVA等。本文僅介紹了一些常見的IC衰減器類型,主要探討其採用的拓撲和關鍵規格,以協助RF設計人員為終端應用選擇合適的元件。

ADI提供豐富的整合式RF元件,衰減器IC提供多種架構和尺寸選項,設計人員可以根據系統要求彈性選擇合適的產品。這些產品目的在提供卓越的性能,實現高度可靠的運行,以滿足儀器儀表、通訊、軍用和航空市場各種應用的嚴苛要求。

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