Variabilní atenuátor: Typy a použití

A variabilní atenuátorje pasivní nebo aktivní RF/mikrovlnná komponenta navržená tak, aby snížila amplitudu signálu o ovladatelnou hodnotu při zachování přijatelné impedanční shody napříč jeho provozní šířkou pásma. Na rozdíl od pevných atenuátorů, které poskytují jedinou předem určenou vložnou ztrátu, umožňují variabilní atenuátory úpravu-buď spojité nebo diskrétní-úrovně útlumu v rozmezí obvykle od -nuly do 30 dB nebo více, v závislosti na topologii a požadavcích aplikace. Zařízení nachází kritické uplatnění v automatických smyčkách řízení zisku, regulaci výkonu vysílače, rozšíření dynamického rozsahu přijímače a testovací instrumentaci, kde je nezbytná přesná manipulace s úrovní signálu.

Budu upřímný: první variabilní atenuátor, který jsem do návrhu specifikoval, byla katastrofa. Ne proto, že by součástka byla špatná-datasheet vypadal perfektně. 0.5 dB kroky, rozsah 31,5 dB, DC až 4 GHz. Co datový list nezdůraznil, byla změna vložného útlumu v závislosti na teplotě. Stavěli jsme venkovní jednotku pro bezdrátový backhaul systém. Letní testování proběhlo v pořádku. V lednu v Minnesotě byla věc o 1,8 dB nižší při maximálním útlumu. Smyčka AGC se zbláznila ve snaze kompenzovat.

Lekce nás stála rotaci desky a šest týdnů. Nyní zkontroluji tři věci, než se vůbec podívám na rozsah útlumu:

Vložný útlum ve stavu minimálního útlumu. Toto je vaše základní pokuta-, kterou platíte neustále.

Delta vložného útlumu v celém rozsahu teplot. Obvykle je pohřben na straně 14 technického listu.

VSWR atvšestavy útlumu, nejen ten, který si vybrali-pro titulní stránku.

Všechno ostatní je vedlejší.

Většina RF inženýrů nejprve sáhne po útlumových útlumových diodách PIN, a to z dobrého důvodu. Fyzika je elegantní: injektujte proud do vnitřní oblasti, vodivost se zvyšuje, RF odpor klesá. Otočte předpětí a získáte vysokou impedanci. Zapojte několik z nich do pí nebo T-sítě se správným přizpůsobením a máte plynule proměnný útlum řízený stejnosměrným napětím nebo proudem.

Frekvenční rozsah je opravdu působivý. DC až 40 GHz je dosažitelné s dobrým designem. Některé specializované části překračují 50 GHz. Skyworks SKY12347-362LF, který jsem použil v pravděpodobně tuctu provedení, pokrývá DC až 6 GHz s dosahem asi 32 dB. Pevná část. Ne vzrušující, ale solidní.

Zde je to, co vám v poznámkách k aplikaci neřeknou: PIN diody mají při nízkých frekvencích paměťový efekt. Pod asi 10 MHz se uložený náboj v intrinsické oblasti mezi cykly RF dostatečně rychle nevyčistí a váš útlum se stane -závislým na úrovni signálu. Viděl jsem, že zkreslení třetího{4} řádu vyskočilo o 15 dB v designu, který měl zvládnout 1 MHz až 2 GHz. Opravou bylo přidání -filtru s vysokou propustností na vstup{10}}, se kterým systémový architekt nebyl spokojený.

Teplotní koeficient je další gotcha. Současné -řízené útlumové články PIN se posunují, protože křivka odporu diody-vs-proud se mění s teplotou. Verze řízené napětím-jsou o něco lepší, ale nejsou imunní. Rozpočet 0,02-0,05 dB/stupeň pro účely plánování. V aplikaci pro přesné měření to není zanedbatelné.

Variable Attenuator

Úplně jiné zvíře. DSA přepínají mezi pevnými segmenty atenuátoru pomocí FET nebo MEMS přepínačů. Odešlete paralelní nebo sériové digitální slovo a součástka vybere, která kombinace odporových podložek je v cestě signálu.

Dobré: Opakovatelnost je výjimečná. Stav 01101 vám poskytuje stejný útlum dnes, zítra a příští rok. Monotónnost je zaručena designem-každý bit přidává svůj určený přírůstek. Rychlost přepínání se pohybuje od nanosekund (GaAs FET) po mikrosekundy (MEMS), dostatečně rychlé pro TDMA burst power control.

Špatné: Uvízli jste v diskrétních krocích. 6-bitový DSA vám poskytuje rozlišení 0,5 dB, což zní dobře, dokud nebudete potřebovat 7,3 dB a nebudete si muset vybrat mezi 7,0 a 7,5. Ve smyčce AGC tato kvantizace vytváří limitní cykly. Smyčka věčně loví mezi dvěma stavy a nikdy se neusazuje. „Vyřešil jsem to“ přidáním analogového VVA malého-rozsahu za DSA-surový, ale funguje to.

Ošklivé: Závady během bitových přechodů. Když DSA přepne z 01111 (15,5 dB) na 10 000 (16 dB), nastane okamžik,-možná 5 ns, možná 50 ns-, kdy jsou vnitřní přepínače mezi stavy a útlum je někde nedefinovaný. Obvykle nižší než kterýkoli koncový bod, což znamená, že výkonová špička zasáhne váš downstream zesilovač. PE43711 od pSemi to zvládá lépe než většina ostatních s architekturou „menší{12}}závady, ale není to kouzlo. Stále je tu přechodná energie.

6bitový atenuátor s 0,5 dB LSB poskytuje rozsah 31,5 dB. Docela standardní.

Proč tedy existují 7-bitové části? Dva důvody. Za prvé, jemnější rozlišení: kroky po 0,25 dB vám umožní přesněji upravit zisk systému. Zadruhé-a to je méně zřejmé-další bit lze použít pro redundanci. Někteří výrobci vám umožňují vybrat si mezi použitím všech 7 bitů pro kroky po 0,25 dB nebo použitím 6 bitů pro kroky po 0,5 dB se 7. bitem jako „jemným trimem“, který vyrovná celou křivku. Užitečné pro kompenzaci{14}}oddílu od dílu odchylky ve výrobě.

Společnost Peregrine (nyní pSemi) byla průkopníkem procesu UltraCMOS, díky kterému jsou vysoce{0}}výkonné křemíkové DSA životaschopné. Předtím, pokud jste chtěli seriózní šířku pásma, kupovali jste GaAs, což znamenalo $ $ $ a 5V dodávky. PE4312 a jeho potomci přinesli 50ohmové DSA do 3,3V CMOS země. Změnil ekonomiku mnoha návrhů.

Mikroelektromechanické systémy slibovaly revoluci v RF útlumu. Drobné fyzické spínače, v podstatě dokonalé, když jsou zavřené, v podstatě otevřené, když jsou otevřené. Žádné polovodičové parazity. Ohmický kontakt.

Teorie obstojí. Atenuátory MEMS dosahují vložného útlumu a linearity, kterých se křemík nemůže dotknout. Analogová zařízení ADRF5720 pracuje na frekvenci 40 GHz se ztrátou přibližně 1,5 dB. Zkuste to pomocí FET přepínače.

Ale-a to je velká, ale-spolehlivost zůstává sporná. Spínače MEMS se fyzicky pohybují. Pohyblivé části se opotřebovávají. Výrobci uvádějí miliardy cyklů a v benigních laboratorních podmínkách je pravděpodobně dostanou. V aplikaci s tepelným cyklem, vlhkostí, vibracemi? Jsem skeptický. Viděl jsem přesně jeden MEMS atenuátor ve výrobním návrhu, na kterém jsem pracoval, a to v testovacím přístroji, kde byla rychlost přepínání možná několikrát za sekundu. Pro mobilní základnovou stanici provádějící tisíce úprav výkonu za sekundu... zeptejte se mě znovu za pět let.

Je tu také problém s balením. Zařízení MEMS potřebují hermetické uzavření, jinak se dovnitř dostane vlhký vzduch a věci korodují nebo se lepí. Hermetické balíčky stojí peníze. Celá hodnotová nabídka se začne kolísat, když vaše „kocka MEMS za 15 $“ přijde v „hermetickém balení za 8 $“ s „náklady na montáž 12 $“.

Variable Attenuator

Jděte do jakékoli RF testovací laboratoře a v kalibrační řadě najdete rotační lamelové tlumiče. Tyto vlnovodné bestie-fyzicky otáčejí odporovou kartou, aby změnily, kolik signálu zachycuje-, nabízejí přesnost, které se elektronické útlumové články jen těžko vyrovnávají.

Řada Weinschel 953. Hewlett-Packard 355C/D (ano, HP, ne Agilent nebo Keysight-tyto věci jsou tak staré a stále fungují). Přesné vlnovodné jednotky Flann Microwave. Jsou těžké, pomalé, drahé a naprosto důvěryhodné. Když potřebujete referenci 40 dB s přesností ±0,1 dB od 18 do 26,5 GHz, nesáhnete po polovodiči.

Pro stolní použití zůstávají ruční tlumiče kroku s klikacími-zastavovacími voliči podivně relevantní. Starý Kay 1/839 lze mít za 50 dolarů na eBay a poskytuje 1 dB kroky až 79 dB s lepší shodou než většina integrovaných DSA. Propojení zvyšují ztrátu, kterou budete muset kalibrovat, ale pro rychlé experimenty jsou perfektní.

Mám JFW 50R-142 v zásuvce svého stolu. Pevný 50ohmový koaxiální kabel, jmenovitý DC-2 GHz, kroky od 0 do 110 dB v krocích po 1 dB. Přepínače jsou skutečné sítě s přesným odporem, nikoli polovodiče. Je stavěný jako tank a přežije mě.

Jiný svět. Ve vláknových systémech je útlum řízen na optické vrstvě a mechanismy jsou fascinující.

VOA-založené na MEMSpoužijte sklopné zrcátko. Světlo přichází ze vstupního vlákna, dopadá na zrcadlo a odráží se směrem k výstupnímu vláknu. Trochu nakloňte zrcátko a nějaké světlo mine výstupní jádro. Nakloňte jej více, unikne více světla. Analogové ovládání, rozumná rychlost, výborná opakovatelnost. DiCon MEMS VOA byl v podstatě průmyslovým standardem po celé desetiletí.

VOA z tekutých krystalůvyužít polarizaci. Tekutý krystal otáčí stav polarizace procházejícího světla; polarizátor pak zeslabuje na základě úhlu natočení. Žádné pohyblivé části. Pomalejší než MEMS, ale mechanicky neprůstřelné.

Je tam takévariabilní vlákno Braggova mřížkapřístupy aelektronicky-řízená absorpceve speciálních vláknech, ale ty jsou úzce specializované. Většina telekomunikačních VOA, se kterými se setkáte, jsou MEMS nebo LC.

Ztráta vložení je zde velmi důležitá, protože se často nacházíte v řetězci zesílených rozpětí. Každých 0,5 dB, které promarníte ve VOA, je 0,5 dB OSNR, které už nikdy nezískáte zpět. Dobré MEMS VOA dosahují IL pod 0,8 dB; levné dosahují 1,5 dB nebo horší.

Pár věcí, které bych si přál, aby mi někdo řekl dříve:

Přizpůsobení atenuátorů impedanci systému není volitelné.

Ano, váš DSA je „jmenován pro 50 ohmů“. Ale pokud jsou přenosové linky vaší desky ve skutečnosti 52 ohmů, protože váš stack se dostal mimo-cíl, uvidíte vlnění v S21 napříč frekvencí, které vás během charakterizace přivede k šílenství. Není to chyba tlumiče.

Specifikace výkonu předpokládají perfektní chladič.

Hodnota "1W max input" byla měřena s vyhodnocovací deskou přišroubovanou k hliníkovému bloku. Na vaší skutečné desce plošných spojů s 1 uncí mědi a bez tepelných průchodů? Pravděpodobně jste v bezpečí na 0,4 W. Možná.

Ovládací rozhraní je důležitější, než si myslíte.

Paralelní-rozhraní DSA potřebuje 6-7 GPIO. Pokud je váš mikrokontrolér GPIO-omezený, nyní přidáváte posuvný registr nebo expandér I²C. DSA se sériovým rozhraním se tomu vyhýbají, ale zvyšují latenci. V rychlé smyčce AGC může na této latenci záležet. Zkontrolujte časové diagramy.

Poznámky k aplikaci dodavatele píší lidé, kteří vám chtějí prodat díly.

Ukazují zlatou tabuli, perfektní rozložení, ideální podmínky. Váš počet najetých kilometrů se bude lišit. Přečtěte si poznámku k aplikaci pro koncepty a poté ověřte pomocí vlastních měření.

Toto nejsou doporučení-Nemám žádný finanční vztah s žádným výrobcem-jen pozorování z odeslaných sestav.

ProDSA pod 6 GHz: pSemi PE43711 (31,5 dB, kroky 0,25 dB, odolný proti závadám-) nebo levnější PE4312 (31,5 dB, kroky 0,5 dB). Oba fungují. Oba mají zvláštnosti. Oba mají dostatek tržní historie, aby byla errata známá.

Prokontinuální útlum (VVA): Řada Mini{0}}Circuits ZX76, pokud to rozpočet dovolí. Skyworks SKY12347, když tomu tak není. Ani jedno není dokonalé přes teplotu. Podle toho plánujte.

Prohigh frequency (>20 GHz): Upřímně, zavolám výrobci a domluvím se. Analog Devices i Qorvo mají díly, výběr je řídký a "správná" volba silně závisí na vašich konkrétních požadavcích. Toto není spotřební elektronika-na milimetrové vlně, vše je zakázkové.

Prooptický telekomunikační: DiCon a Agiltron byly spolehlivé. JDS Uniphase (nyní Viavi) dělá dobré věci, ale produktové řady se roztříštily různými akvizicemi. Než se zavážete, zkontrolujte, kdo skutečně obsluhuje součást.

ESD zabíjí polovodičové atenuátory. To nejsou novinky. O čem se méně diskutuje: selhání může být nenápadné. Viděl jsem díly, které po události ESD stále "fungují", ale mají zhoršenou linearitu nebo posunutou kalibraci útlumu. Pokud váš systém náhle po šesti měsících výroby selže při testování EMC a vy jste nic nezměnili, jděte zkontrolovat útlumový člen. Zvláště pokud váš montážní dům změnil manipulační postupy.

Diody PIN s grácií selžou-útlum se posune, zkreslení se zvětší-, ale jen zřídka náhle zaniknou. Přepínače FET v DSA těžce selhávají. Jeden spínač zkratuje, váš útlum je o 4 dB špatný, a pokud to nesledujete, systém se prostě záhadně chová špatně.

Selhání MEMS bývají selháním „zaseknutým“. Spínač přestane spínat. V závislosti na tom, na jaké pozici se drží, získáte buď mrtvý kanál, nebo trvale -na cestě. Zkušební zařízení s MEMS atenuátory by mělo být pravidelně cvičeno; spínače, které sedí v jedné poloze po celé měsíce, mohou vyvinout "přilepení".

Nepracoval jsem vážněna feritu-variabilní atenuátory. Tato teorie je skvělá-magneticky{2}}vyladěná absorpce-, ale části, které jsem viděl, jsou velké,-mají spotřebu energie (elektromagnet potřebuje proud) a omezují se na implementace vlnovodů. Mohou existovat aplikace, kde jsou ideální. Osobně jsem se s žádným nesetkal.

Na bázi grafenu-atenuátory existují v akademické literatuře. Údajně laditelnost pochází z měnící se Fermiho úrovně a tím i vodivosti. Až bude Digi-Key naskladněn, uvěřím, že je to-připraveno na výrobu.

Je tam také prácemateriály fáze-změnypro RF spínání a útlum. Myšlenka je taková, že určité materiály lze přepínat mezi amorfními a krystalickými stavy pomocí tepelných pulzů, s dramaticky odlišnými RF vlastnostmi v každém stavu. Rané dny.

Takže to je krajina, jak ji vidím: PIN diody pro analogové ovládání, DSA pro digitální přesnost, MEMS pro případy, kdy potřebujete absolutně nejlepší specifikace, mechanické pro kalibraci a metrologii, optické pro vláknové systémy. Každý má kompromisy. Žádná není univerzální. Nejlepší inženýři, které znám, vybírají technologii podle toho, co dokážou tolerovat selhání, nejen podle toho, co funguje nejlépe v první den.

Pokud si z toho vezmete jednu věc: otestujte teplotu. Otestujte v rozích rozsahu útlumu. Testujte na frekvencích, na kterých vám skutečně záleží, nejen tam, kde datasheet vypadá nejhezčí. Část, která funguje perfektně při 25 stupních a 1 GHz, vás může zradit při -20 stupních a 5,8 GHz.

Zeptej se mě, jak to vím.