Varijabilni prigušivač: Vrste i uporaba

A promjenjivi prigušivačje pasivna ili aktivna RF/mikrovalna komponenta dizajnirana za smanjenje amplitude signala za kontrolirani iznos uz održavanje prihvatljive impedancije u cijelom radnom pojasu. Za razliku od fiksnih prigušivača, koji daju jedan unaprijed određeni uneseni gubitak, varijabilni prigušivači dopuštaju prilagodbu-bilo kontinuiranu ili diskretnu-razinu prigušenja u rasponu obično od blizu-nule do 30 dB ili više, ovisno o topologiji i zahtjevima primjene. Uređaj pronalazi kritičnu primjenu u automatskim petljama kontrole pojačanja, regulaciji snage odašiljača, proširenju dinamičkog raspona prijemnika i ispitnim instrumentima gdje je bitna precizna manipulacija razinom signala.

Bit ću iskren: prvi varijabilni prigušivač koji sam uključio u dizajn bio je katastrofa. Ne zato što je dio bio loš-podatkovna je tablica izgledala savršeno. 0.5 dB u koracima, raspon od 31,5 dB, DC do 4 GHz. Ono što podatkovna tablica nije naglasila je varijacija unesenog gubitka ovisno o temperaturi. Gradili smo vanjsku jedinicu za bežični backhaul sustav. Ljetno testiranje je prošlo dobro. U siječnju u Minnesoti, stvar je bila smanjena za 1,8 dB pri maksimalnom prigušenju. AGC petlja je poludjela pokušavajući to kompenzirati.

Lekcija nas je koštala vrtnje ploče i šest tjedana. Sada provjeravam tri stvari prije nego što uopće pogledam raspon prigušenja:

Gubitak unosa pri minimalnom stanju prigušenja. Ovo je vaša osnovna kazna-koju stalno plaćate.

Delta unesenog gubitka u cijelom temperaturnom rasponu. Obično je zakopan na stranici 14 podatkovne tablice.

VSWR nasvestanja slabljenja, a ne samo ono koje su-odabrali za naslovnu stranicu.

Sve ostalo je sporedno.

Većina RF inženjera prvo poseže za PIN diodnim prigušivačima, i to s dobrim razlogom. Fizika je elegantna: ubacite struju u intrinzično područje, vodljivost se povećava, RF otpor opada. Obrnite prednapon i dobit ćete visoku impedanciju. Spojite nekoliko takvih u pi ili tee mrežu s pravilnim podudaranjem i dobit ćete kontinuirano promjenjivu atenuaciju kontroliranu istosmjernim naponom ili strujom.

Frekvencijski raspon je doista impresivan. DC do 40 GHz je moguće postići uz dobar dizajn. Neki specijalizirani dijelovi prelaze 50 GHz. Skyworks SKY12347-362LF, koji sam koristio u vjerojatno desetak dizajna, pokriva DC do 6 GHz s oko 32 dB raspona. Čvrsti dio. Ne uzbudljivo, ali solidno.

Evo što vam ne kažu u bilješkama o aplikaciji: PIN diode imaju učinak pamćenja na niskim frekvencijama. Ispod otprilike 10 MHz, pohranjeni naboj u intrinzičnom području ne čisti se dovoljno brzo između RF ciklusa, a vaše slabljenje postaje-ovisno o razini signala. Vidio sam kako izobličenje trećeg-reda skoči za 15 dB u dizajnu koji je trebao raditi od 1 MHz do 2 GHz. Popravak je bio dodavanje visokopropusnog-filtra na ulaz-što arhitektu sustava nije bilo drago.

Temperaturni koeficijent je druga stvar. Strujno{1}}kontrolirani PIN prigušivači pomiču jer se krivulja otpora diode-prema-struji pomiče s temperaturom. Verzije s-kontrolom napona malo su bolje, ali nisu imune. Proračun 0,02-0,05 dB/ stupanj za potrebe planiranja. U primjeni preciznog mjerenja to nije zanemarivo.

Variable Attenuator

Potpuno druga životinja. DSA se prebacuju između fiksnih segmenata prigušivača pomoću FET ili MEMS sklopki. Šaljete paralelnu ili serijsku digitalnu riječ, a dio odabire koja je kombinacija otpornih jastučića na putu signala.

Dobra strana: Ponovljivost je izuzetna. Stanje 01101 daje vam isto prigušenje danas, sutra i sljedeće godine. Monotonost je zajamčena dizajnom-svaki bit dodaje svoj navedeni inkrement. Brzina prebacivanja kreće se od nanosekundi (GaAs FET) do mikrosekundi (MEMS), dovoljno brzo za kontrolu snage TDMA praska.

Loše: Zapeli ste s diskretnim koracima. 6-bitni DSA daje vam rezoluciju od 0,5 dB, što zvuči dobro dok vam ne zatreba 7,3 dB i morate birati između 7,0 i 7,5. U AGC petlji ova kvantizacija stvara granične cikluse. Petlja zauvijek lovi između dva stanja, nikad se ne smiri. Ovo sam "riješio" dodavanjem analognog VVA malog-dometa nakon DSA-sirovog, ali radi.

Ružno: Greške tijekom prijelaza bitova. Kada se DSA prebaci s 01111 (15,5 dB) na 10000 (16 dB), postoji trenutak-možda 5 ns, možda 50 ns-gdje su interni prekidači između stanja, a prigušenje ide negdje nedefinirano. Obično je niža od bilo koje krajnje točke, što znači da skok snage pogađa vaše nizvodno pojačalo. PE43711 iz pSemi-a to rješava bolje od većine s arhitekturom s "-manje kvarova", ali to nije magija. Još uvijek postoji prolazna energija.

6-bitni prigušivač s 0,5 dB LSB daje raspon od 31,5 dB. Prilično standardno.

Dakle, zašto postoje 7-bitni dijelovi? Dva razloga. Prvo, finija razlučivost: koraci od 0,25 dB omogućuju vam preciznije podešavanje pojačanja sustava. Drugo-i ovo je manje očito-dodatni bit može se koristiti za redundantnost. Neki proizvođači vam dopuštaju odabir između korištenja svih 7 bitova za korake od 0,25 dB ili korištenja 6 bitova za korake od 0,5 dB sa 7. bitom kao "finim podešavanjem" koje pomiče cijelu krivulju. Zgodan za kompenzaciju varijacija-od dijela do dijela u proizvodnji.

Peregrine (sada pSemi) uveo je UltraCMOS proces koji je silicijske DSA-ove visokih-učinio održivima. Prije toga, ako ste željeli ozbiljnu propusnost, kupovali ste GaAs, što je značilo $$$ i 5V napajanje. PE4312 i njegovi potomci donijeli su DSA od 50 ohma na 3,3 V CMOS zemlju. Promijenio ekonomiju mnogih dizajna.

Mikroelektromehanički sustavi obećavali su revoluciju prigušenja RF signala. Sićušni fizički prekidači, u biti savršeni kada su zatvoreni, u biti otvoreni kada su otvoreni. Nema parazita poluvodiča. Ohmski kontakt.

Teorija stoji. MEMS prigušivači postižu uneseni gubitak i linearnost koju silicij ne može dodirnuti. Analog Devices ADRF5720 radi na 40 GHz s unesenim gubitkom od otprilike 1,5 dB. Pokušajte to s FET sklopkom.

Ali-i ovo je veliki, ali-pouzdanost ostaje sporna. MEMS sklopke se fizički pomiču. Pokretni dijelovi se troše. Proizvođači tvrde milijarde ciklusa, au benignim laboratorijskim uvjetima vjerojatno ih i dobivaju. U aplikaciji s toplinskim ciklusima, vlagom, vibracijama? Ja sam skeptičan. Vidio sam točno jedan MEMS prigušivač u proizvodnom dizajnu na kojem sam radio, a to je bilo u ispitnom instrumentu gdje je brzina prebacivanja bila možda nekoliko puta u sekundi. Za mobilnu baznu stanicu koja vrši tisuće podešavanja snage u sekundi... pitajte me ponovno za pet godina.

Tu je i problem pakiranja. MEMS uređaji trebaju hermetičko zatvaranje ili vlažan zrak uđe unutra i stvari će korodirati ili se zalijepiti. Hermetički paketi koštaju. Cijeli prijedlog vrijednosti počinje se kolebati kada vaša "MEMS matrica od 15 USD" dođe u "hermetičkom paketu od 8 USD" s "cijenom sklapanja od 12 USD".

Variable Attenuator

Idite u bilo koji RF laboratorij za testiranje i pronaći ćete prigušivače s rotirajućim lopaticama u ponudi za kalibraciju. Ove valovodne zvijeri-fizički okreću otporničku karticu da bi promijenile koliko signala presreće-nude preciznost koju elektronički prigušivači jedva uspijevaju uskladiti.

Serija Weinschel 953. Hewlett-Packard 355C/D (da, HP, ne Agilent ili Keysight-ove stvari su toliko stare i još rade). Precizne valovodne jedinice Flann Microwave. Teški su, spori, skupi i apsolutno pouzdani. Kada vam je potrebna referenca od 40 dB točna do ±0,1 dB od 18 do 26,5 GHz, ne posežete za poluvodičem.

Za rad na stolu, ručni prigušivači s stupnjevitim prigušivačima s klik-stop brojčanicima i dalje su neobično relevantni. Stari Kay 1/839 može se kupiti za 50 USD na eBayu i nudi korake od 1 dB do 79 dB s boljim podudaranjem od većine integriranih DSA. Međuspojni spojevi dodaju gubitak koji ćete morati kalibrirati, ali savršeni su za brze eksperimente.

Držim JFW 50R-142 u ladici svog stola. Fiksni 50-ohmski koaksijalni, nazivni DC-2 GHz, koraci od 0 do 110 dB u koracima od 1 dB. Prekidači su stvarne mreže preciznih otpornika, a ne poluvodiči. Napravljen je kao tenk i nadživjet će me.

Drugačiji svijet. U sustavima s vlaknima, atenuacijom se upravlja na optičkom sloju, a mehanizmi su fascinantni.

MEMS-temeljeni VOAkoristite nagibno ogledalo. Svjetlo dolazi iz ulaznog vlakna, udara u zrcalo, reflektira se prema izlaznom vlaknu. Malo nagnite zrcalo i nešto svjetla promaši izlaznu jezgru. Nagnite ga više, više svjetla nedostaje. Analogna kontrola, razumna brzina, izvrsna ponovljivost. DiCon MEMS VOA bio je u biti industrijski standard cijelo desetljeće.

VOA s tekućim kristalimaiskoristiti polarizaciju. Tekući kristal rotira stanje polarizacije prolazne svjetlosti; polarizator zatim prigušuje na temelju kuta rotacije. Bez ikakvih pokretnih dijelova. Sporiji od MEMS-a, ali mehanički otporan na metke.

Postoji takođervarijabilna vlaknasta Braggova rešetkapristupi ielektronički{0}}kontrolirana apsorpcijau posebnim vlaknima, ali to su niša. Većina telekom VOA na koje ćete naići su MEMS ili LC.

Insercijski gubitak ovdje je jako bitan jer ste često u lancu pojačanih raspona. Svakih 0,5 dB koje izgubite u VOA je 0,5 dB OSNR-a koji nikada nećete dobiti natrag. Dobri MEMS VOA postižu IL ispod 0,8 dB; jeftini postižu 1,5 dB ili gore.

Nekoliko stvari za koje bih volio da mi je netko ranije rekao:

Usklađivanje atenuatora s impedancijom sustava nije izborno.

Da, vaš DSA je "ocijenjen za 50 ohma." Ali ako su prijenosne linije vaše ploče zapravo 52 ohma jer je vaš skup bio van-cilja, vidjet ćete valovitost u S21 po frekvenciji koja će vas izluditi tijekom karakterizacije. Ovo nije greška prigušivača.

Specifikacije za rukovanje snagom pretpostavljaju savršeno rashladno tijelo.

Ocjena "1W max input" izmjerena je s pločom za ocjenu pričvršćenom za aluminijski blok. Na vašoj stvarnoj tiskanoj ploči s bakrom od 1 oz i bez toplinskih otvora? Vjerojatno ste sigurni na 0,4 W. Možda.

Upravljačko sučelje važnije je nego što mislite.

Paralelno-sučelje DSA treba 6-7 GPIO-ova. Ako je vaš mikrokontroler GPIO-ograničen, sada dodajete registar pomaka ili I²C ekspander. DSA-ovi serijskog sučelja to izbjegavaju, ali dodaju kašnjenje. U brzoj AGC petlji ta bi latencija mogla biti važna. Provjerite vremenske dijagrame.

Bilješke o prijavi dobavljača pišu ljudi koji vam žele prodati dijelove.

Prikazuju zlatnu ploču, savršen raspored, idealne uvjete. Vaša će kilometraža varirati. Pročitajte bilješku aplikacije za koncepte, a zatim provjerite vlastitim mjerenjima.

Ovo nisu preporuke-Nemam nikakav financijski odnos ni s jednim proizvođačem-samo opažanja iz isporučenih verzija.

ZaDSA ispod 6 GHz: pSemi PE43711 (31,5 dB, koraci od 0,25 dB, otporan na smetnje) ili jeftiniji PE4312 (31,5 dB, koraci od 0,5 dB). Oba rade. Oboje imaju svoje karakteristike. Obje imaju dovoljno tržišne povijesti da se pogreške znaju.

Zakontinuirano prigušenje (VVA): Serija Mini-Circuits ZX76 kada to proračun dopušta. Skyworks SKY12347 kad nema. Ni jedno ni drugo nije savršeno po svim temperaturama. Planirajte u skladu s tim.

Zahigh frequency (>20 GHz): Iskreno, zovem proizvođača i razgovaramo. I Analog Devices i Qorvo imaju dijelove, izbor je oskudan, a "pravi" izbor uvelike ovisi o vašim specifičnim zahtjevima. Ovo nije potrošačka elektronika-na milimetarskom valu, sve je prilagođeno.

Zaoptički telekom: DiCon i Agiltron su pouzdani. JDS Uniphase (sada Viavi) proizvodi dobre stvari, ali su se linije proizvoda rascjepkale kroz razne akvizicije. Prije nego što se obvežete, provjerite tko zapravo servisira dio.

ESD uništava poluvodičke prigušivače. Ovo nije vijest. Ono o čemu se manje raspravlja: neuspjeh može biti suptilan. Vidio sam dijelove koji i dalje "rade" nakon ESD događaja, ali imaju degradiranu linearnost ili pomaknutu kalibraciju prigušenja. Ako vaš sustav iznenada ne prođe EMC testiranje nakon šest mjeseci proizvodnje, a niste ništa promijenili, idite provjeriti prigušivač. Pogotovo ako je vaša montažna kuća promijenila postupke rukovanja.

PIN diode elegantno otkazuju-slabljenje se pomjera, izobličenje se povećava-ali rijetko nestaju iznenada. FET sklopke u DSA teško kvare. Jedan prekidač u kratkom spoju, vaše prigušenje je krivo za 4 dB, i osim ako to ne nadzirete, sustav se samo misteriozno loše ponaša.

Kvarovi MEMS-a obično su "zaglavljeni" kvarovi. Prekidač se zaustavlja. Ovisno o tome u kojem se položaju zaglavi, dobivate ili mrtvi kanal ili trajno-uključenu stazu. Opremu za testiranje s MEMS prigušivačima treba redovito koristiti; prekidači koji stoje u istom položaju mjesecima mogu razviti "zatikanje".

Nisam ozbiljno radio sana bazi-feritapromjenjivi prigušivači. Teorija je super-magnetski-podešena apsorpcija-ali dijelovi koje sam vidio su veliki,-željni energije (elektromagnet treba struju) i ograničeni na implementacije valovoda. Možda postoje aplikacije u kojima su idealne. Osobno se nisam susreo ni s jednim.

Na temelju-grafenaatenuatori postoje u akademskoj literaturi. Navodno podesivost dolazi od variranja Fermijeve razine, a time i vodljivosti. Vjerovat ću da je-spreman za proizvodnju kada ga Digi-Key stavi na zalihe.

Ima i poslamaterijali-promjene fazeza RF prebacivanje i prigušenje. Ideja je da se određeni materijali mogu prebacivati između amorfnog i kristalnog stanja pomoću toplinskih impulsa, s dramatično različitim RF svojstvima u svakom stanju. Rani dani.

Dakle, to je krajolik kako ga ja vidim: PIN diode za analognu kontrolu, DSA za digitalnu preciznost, MEMS kada su vam potrebne apsolutno najbolje specifikacije, mehaničke za kalibraciju i mjeriteljstvo, optičke za optičke sustave. Svaki ima kompromise. Nijedan nije univerzalan. Najbolji inženjeri koje poznajem odabiru tehnologiju na temelju onoga što mogu tolerirati da ne uspiju, a ne samo onoga što najbolje funkcionira prvog dana.

Ako iz ovoga uzmete jednu stvar: testirajte preko temperature. Testirajte na uglovima raspona prigušenja. Testirajte na frekvencijama do kojih vam je zapravo stalo, a ne samo tamo gdje podatkovna tablica izgleda najljepše. Dio koji radi savršeno na 25 stupnjeva i 1 GHz može vas izdati na -20 stupnjeva i 5,8 GHz.

Pitaj me kako znam.