Variabilný atenuátor: Typy a použitie

A variabilný atenuátorje pasívny alebo aktívny vysokofrekvenčný/mikrovlnný komponent určený na zníženie amplitúdy signálu o regulovateľné množstvo pri zachovaní prijateľnej impedančnej zhody v celej prevádzkovej šírke pásma. Na rozdiel od pevných atenuátorov, ktoré poskytujú jedinú vopred určenú vložnú stratu, variabilné atenuátory umožňujú nastavenie -buď nepretržitej alebo diskrétnej{2}}úrovne útlmu v rozsahu zvyčajne od nuly do 30 dB alebo viac, v závislosti od topológie a požiadaviek aplikácie. Zariadenie nachádza kritické uplatnenie v automatických slučkách riadenia zisku, regulácii výkonu vysielača, rozšírení dynamického rozsahu prijímača a testovacích prístrojoch, kde je nevyhnutná presná manipulácia s úrovňou signálu.

Budem úprimný: prvý variabilný atenuátor, ktorý som špecifikoval do dizajnu, bol katastrofou. Nie preto, že by súčiastka bola zlá-údajový list vyzeral perfektne. 0.5 dB kroky, rozsah 31,5 dB, DC až 4 GHz. Čo údajový list nezdôraznil, bola zmena vložnej straty pri teplote. Stavali sme vonkajšiu jednotku pre bezdrôtový backhaul systém. Letné testovanie dopadlo dobre. V januári v Minnesote sa to znížilo o 1,8 dB pri maximálnom útlme. Slučka AGC sa zbláznila pri pokuse o kompenzáciu.

Lekcia nás stála točenie dosky a šesť týždňov. Teraz skontrolujem tri veci predtým, ako sa pozriem na rozsah útlmu:

Vkladný úbytok v stave minimálneho útlmu. Toto je váš základný trest-, ktorý platíte stále.

Delta vložnej straty v celom rozsahu teplôt. Zvyčajne je pochovaný na strane 14 technického listu.

VSWR atvšetkystavy útlmu, nielen ten, ktorý si vybrali-na titulnú stránku.

Všetko ostatné je druhoradé.

Väčšina RF inžinierov siahne najskôr po tlmičoch PIN diód, a to z dobrého dôvodu. Fyzika je elegantná: vstreknite prúd do vnútornej oblasti, vodivosť sa zvýši, RF odpor klesne. Otočte predpätie a získate vysokú impedanciu. Zaveste niekoľko z nich do siete pi alebo T so správnym prispôsobením a máte plynule premenlivý útlm riadený jednosmerným napätím alebo prúdom.

Frekvenčný rozsah je skutočne pôsobivý. DC až 40 GHz je dosiahnuteľný s dobrým dizajnom. Niektoré špecializované časti presahujú 50 GHz. Skyworks SKY12347-362LF, ktorý som použil v pravdepodobne tuctu prevedení, pokrýva jednosmerný prúd až 6 GHz s dosahom asi 32 dB. Pevná časť. Nie vzrušujúce, ale pevné.

Tu je to, čo vám v poznámkach k aplikácii nepovedia: PIN diódy majú pri nízkych frekvenciách pamäťový efekt. Pri frekvencii nižšej ako 10 MHz sa uložený náboj vo vnútornej oblasti medzi vysokofrekvenčnými cyklami nevyčistí dostatočne rýchlo a váš útlm sa stáva závislým od úrovne signálu-. Videl som, že skreslenie tretieho{4} rádu vyskočilo o 15 dB v dizajne, ktorý mal zvládnuť 1 MHz až 2 GHz. Opravou bolo pridanie -vysokopriepustného filtra na vstup{10}}, s ktorým systémový architekt nebol spokojný.

Teplotný koeficient je druhá gotcha. Súčasné-riadené tlmiče PIN sa posúvajú, pretože krivka odporu diódy-vs-prúdu sa mení s teplotou. Verzie riadené napätím-sú o niečo lepšie, ale nie sú imúnne. Rozpočet 0,02-0,05 dB/stupeň pre účely plánovania. V aplikácii presného merania to nie je zanedbateľné.

Variable Attenuator

Úplne iné zviera. DSA prepínajú medzi pevnými atenuátorovými segmentmi pomocou FET alebo MEMS prepínačov. Pošlete paralelné alebo sériové digitálne slovo a časť vyberie, ktorá kombinácia odporových plôšok je v signálovej ceste.

Dobré: Opakovateľnosť je výnimočná. Stav 01101 vám dáva rovnaký útlm dnes, zajtra a budúci rok. Monotónnosť je zaručená dizajnom-každý bit pridáva svoj špecifikovaný prírastok. Rýchlosť prepínania sa pohybuje od nanosekúnd (GaAs FET) po mikrosekundy (MEMS), čo je dostatočne rýchle na riadenie nárazového výkonu TDMA.

Zlé: Zasekli ste sa pri diskrétnych krokoch. 6-bitový DSA vám poskytuje rozlíšenie 0,5 dB, čo znie dobre, kým nebudete potrebovať 7,3 dB a nebudete si musieť vybrať medzi 7,0 a 7,5. V slučke AGC toto kvantovanie vytvára limitné cykly. Slučka loví medzi dvoma stavmi navždy, nikdy sa neusadí. „Vyriešil som to“ pridaním malého-rozsahu analógového VVA za DSA-surový, ale funguje to.

Škaredé: Chyby počas bitových prechodov. Keď sa DSA prepne z 01111 (15,5 dB) na 10 000 (16 dB), nastane moment,-možno 5 ns, možno 50 ns-, kedy sú interné prepínače medzi stavmi a útlm je niekde nedefinovaný. Zvyčajne nižšie ako ktorýkoľvek koncový bod, čo znamená, že výkonový hrot zasiahne váš downstream zosilňovač. PE43711 od spoločnosti pSemi to zvláda lepšie ako väčšina ostatných s architektúrou „menej{12}}závady, ale nie je to kúzlo. Stále je tu prechodná energia.

6-bitový atenuátor s 0,5 dB LSB poskytuje rozsah 31,5 dB. Celkom štandardne.

Prečo teda existujú 7-bitové časti? Dva dôvody. Po prvé, jemnejšie rozlíšenie: kroky 0,25 dB vám umožňujú presnejšie upravovať zisk systému. Po druhé,-to je menej zrejmé,-dodatočný bit možno použiť na redundanciu. Niektorí výrobcovia vám umožňujú vybrať si medzi použitím všetkých 7 bitov pre 0,25 dB kroky alebo použitím 6 bitov pre 0,5 dB kroky so 7. bitom ako "jemným orezaním", ktoré kompenzuje celú krivku. Užitočné na kompenzáciu{14}}odchýlok od dielu k dielu vo výrobe.

Spoločnosť Peregrine (teraz pSemi) je priekopníkom procesu UltraCMOS, vďaka ktorému sú vysokovýkonné{0}}kremíkové DSA životaschopné. Predtým, ak ste chceli serióznu šírku pásma, kupovali ste GaAs, čo znamenalo $ $ $ a 5V dodávky. PE4312 a jeho potomkovia priniesli 50-ohmové DSA do 3,3 V CMOS krajiny. Zmenila ekonomiku mnohých návrhov.

Mikroelektromechanické systémy sľubovali revolúciu v útlme RF. Drobné fyzické spínače, v podstate dokonalé, keď sú zatvorené, v podstate otvorené, keď sú otvorené. Žiadne polovodičové parazity. Ohmický kontakt.

Teória obstojí. Atenuátory MEMS dosahujú stratu vloženia a linearitu, ktorej sa kremík nemôže dotknúť. Analog Devices ADRF5720 pracuje na frekvencii 40 GHz so stratou vloženia približne 1,5 dB. Skúste to pomocou prepínača FET.

Ale-a to je veľká, ale-spoľahlivosť zostáva sporná. MEMS spínače sa fyzicky pohybujú. Pohyblivé časti sa opotrebúvajú. Výrobcovia uvádzajú miliardy cyklov a v benígnych laboratórnych podmienkach ich pravdepodobne dostanú. V aplikácii s tepelným cyklovaním, vlhkosťou, vibráciami? Som skeptický. Videl som presne jeden tlmič MEMS vo výrobnom dizajne, na ktorom som pracoval, a to v testovacom prístroji, kde bola rýchlosť spínania možno niekoľkokrát za sekundu. Pre mobilnú základňovú stanicu, ktorá vykonáva tisíce úprav výkonu za sekundu... opýtajte sa ma znova o päť rokov.

Je tu aj problém s balením. Zariadenia MEMS potrebujú hermetické utesnenie, inak sa dovnútra dostane vlhký vzduch a veci korodujú alebo sa lepia. Hermetické balíčky stoja peniaze. Celá hodnotová ponuka sa začne kolísať, keď vaša „15$ MEMS kocka“ príde v „8$ hermetickom balení“ s „nákladmi na montáž 12$“.

Variable Attenuator

Choďte do akéhokoľvek RF testovacieho laboratória a v kalibračnej zostave nájdete rotačné lamelové tlmiče. Tieto vlnovodné príšery-fyzicky otáčajú odporovú kartu, aby zmenili, koľko signálu zachytí-ponúkajú presnosť, ktorej sa elektronické tlmiče len ťažko vyrovnávajú.

Séria Weinschel 953. Hewlett-Packard 355C/D (áno, HP, nie Agilent alebo Keysight-tieto veci sú také staré a stále fungujú). Presné vlnovodné jednotky Flann Microwave. Sú ťažké, pomalé, drahé a absolútne dôveryhodné. Keď potrebujete referenciu 40 dB s presnosťou ±0,1 dB od 18 do 26,5 GHz, nesiahnete po polovodiči.

Pre stolné použitie zostávajú ručné krokové tlmiče s klikaním{0}}zastavovacím voličom zvláštne relevantné. Starý Kay 1/839 sa dá kúpiť za 50 dolárov na eBay a poskytuje 1 dB kroky na 79 dB s lepšou zhodou ako väčšina integrovaných DSA. Prepojenia zvyšujú stratu, ktorú budete musieť kalibrovať, ale na rýchle experimenty sú perfektné.

Mám JFW 50R-142 v zásuvke môjho stola. Pevný 50-ohmový koaxiálny, menovitý DC-2 GHz, kroky od 0 do 110 dB v krokoch po 1 dB. Prepínače sú skutočné presné odporové siete, nie polovodiče. Je postavený ako tank a prežije ma.

Iný svet. Vo vláknových systémoch je útlm riadený na optickej vrstve a mechanizmy sú fascinujúce.

VOA-založené na MEMSpoužite sklápacie zrkadlo. Svetlo prichádza zo vstupného vlákna, dopadá na zrkadlo a odráža sa smerom k výstupnému vláknu. Trochu nakloňte zrkadlo a nejaké svetlo minie výstupné jadro. Nakloňte ho viac, unikne viac svetla. Analógové ovládanie, primeraná rýchlosť, výborná opakovateľnosť. DiCon MEMS VOA bol v podstate priemyselným štandardom po celé desaťročie.

VOA z tekutých kryštálovvyužiť polarizáciu. Tekutý kryštál otáča polarizačný stav prechádzajúceho svetla; polarizátor potom zoslabuje na základe uhla natočenia. Žiadne pohyblivé časti. Pomalšie ako MEMS, ale mechanicky nepriestrelné.

Je tam tiežvariabilná vláknitá Braggova mriežkaprístupy aelektronicky-riadená absorpciav špeciálnych vláknach, ale tieto sú výklenkové. Väčšina telekomunikačných VOA, s ktorými sa stretnete, sú MEMS alebo LC.

Strata vloženia je tu veľmi dôležitá, pretože ste často v reťazci zosilnených rozpätí. Každých 0,5 dB, ktoré premrháte vo VOA, je 0,5 dB OSNR, ktoré už nikdy nezískate späť. Dobré MEMS VOA dosahujú IL pod 0,8 dB; lacné dosahujú 1,5 dB alebo horšie.

Pár vecí, o ktorých by som si želal, aby mi niekto povedal skôr:

Prispôsobenie atenuátorov impedancii systému nie je voliteľné.

Áno, váš DSA je „dimenzovaný na 50 ohmov“. Ale ak sú prenosové linky vašej dosky v skutočnosti 52 ohmov, pretože váš stack sa dostal mimo-cieľ, uvidíte vlnenie v S21 naprieč frekvenciou, čo vás pri charakterizácii privedie k šialenstvu. Toto nie je chyba tlmiča.

Špecifikácie manipulácie s výkonom predpokladajú dokonalé chladenie.

Hodnotenie "maximálny vstup 1 W" sa meralo s hodnotiacou doskou priskrutkovanou k hliníkovému bloku. Na vašej skutočnej PCB s 1 oz medi a bez tepelných priechodov? Pravdepodobne ste v bezpečí na 0,4 W. Možno.

Na ovládacom rozhraní záleží viac, ako si myslíte.

Paralelné-rozhranie DSA potrebuje 6-7 GPIO. Ak je váš mikrokontrolér GPIO-obmedzený, teraz pridávate posuvný register alebo expandér I²C. DSA so sériovým rozhraním sa tomu vyhýbajú, ale zvyšujú latenciu. V rýchlej slučke AGC môže na tejto latencii záležať. Skontrolujte časové diagramy.

Poznámky k aplikácii dodávateľa píšu ľudia, ktorí vám chcú predať diely.

Ukazujú zlatú tabuľu, dokonalé rozloženie, ideálne podmienky. Váš počet najazdených kilometrov sa bude líšiť. Prečítajte si poznámku aplikácie pre koncepty a potom ich overte vlastnými meraniami.

Toto nie sú odporúčania-Nemám žiadny finančný vzťah so žiadnym výrobcom-iba pozorovanie zo stavieb, ktoré boli odoslané.

PreDSA pod 6 GHz: pSemi PE43711 (31,5 dB, 0,25 dB kroky, odolný proti chybám-) alebo lacnejší PE4312 (31,5 dB, 0,5 dB kroky). Obidve fungujú. Obaja majú zvláštnosti. Obaja majú dostatočnú trhovú históriu na to, aby boli errata známe.

Prekontinuálny útlm (VVA): Séria Mini{0}}Circuits ZX76, ak to rozpočet dovoľuje. Skyworks SKY12347, keď nie. Ani jedno nie je dokonalé vzhľadom na teplotu. Podľa toho plánujte.

Prehigh frequency (>20 GHz): Úprimne, zavolám výrobcovi a porozprávam sa. Analog Devices aj Qorvo majú časti, výber je riedky a „správna“ voľba do značnej miery závisí od vašich špecifických požiadaviek. Toto nie je spotrebná elektronika-na milimetrovej vlne, všetko je vlastné.

Preoptický telekomunik: DiCon a Agiltron boli spoľahlivé. JDS Uniphase (teraz Viavi) vyrába dobré veci, ale produktové rady sa roztrieštili rôznymi akvizíciami. Predtým, ako sa zaviažete, skontrolujte, kto skutočne obsluhuje súčiastku.

ESD zabíja polovodičové atenuátory. Toto nie je novinka. O čom sa už menej diskutuje: zlyhanie môže byť nenápadné. Videl som časti, ktoré po udalosti ESD stále "fungujú", ale majú zníženú linearitu alebo posunutú kalibráciu útlmu. Ak váš systém náhle zlyhá pri testovaní EMC po šiestich mesiacoch od výroby a nič ste nezmenili, choďte skontrolovať atenuátor. Najmä ak váš montážny dom zmenil manipulačné postupy.

Diódy PIN elegantne zlyhávajú-útlm sa posúva, skreslenie sa zvyšuje-, ale zriedka náhle zomrú. Prepínače FET v DSA ťažko zlyhávajú. Jeden spínač skratuje, váš útlm je nesprávny o 4 dB, a pokiaľ to nesledujete, systém sa záhadne správa zle.

Zlyhania MEMS majú tendenciu byť „zaseknutými“ zlyhaniami. Spínač prestane spínať. V závislosti od toho, na ktorej pozícii sa drží, získate buď mŕtvy kanál, alebo trvalo{2}}na ceste. Testovacie zariadenie s atenuátormi MEMS by sa malo pravidelne cvičiť; spínače, ktoré sedia v jednej polohe celé mesiace, môžu vyvinúť "prilepenie".

Nespolupracoval som s ním vážnena feritoch-variabilné tlmiče. Táto teória je skvelá-magneticky{2}}vyladená absorpcia-, ale časti, ktoré som videl, sú veľké,-náročné na energiu (elektromagnet potrebuje prúd) a obmedzené na implementáciu vlnovodu. Môžu existovať aplikácie, kde sú ideálne. Osobne som sa s takým nestretol.

Na báze grafénu-atenuátory existujú v akademickej literatúre. Údajne laditeľnosť pochádza z menenia Fermiho úrovne a tým aj vodivosti. Uverím, že je to-pripravené na výrobu, keď ho Digi-Key naskladní.

Je tu aj prácamateriály fázy-zmenypre RF spínanie a útlm. Myšlienkou je, že určité materiály možno prepínať medzi amorfnými a kryštalickými stavmi pomocou tepelných impulzov s dramaticky odlišnými RF vlastnosťami v každom stave. Skoré dni.

Takže toto je krajina, ako ju vidím ja: PIN diódy pre analógové ovládanie, DSA pre digitálnu presnosť, MEMS, keď potrebujete absolútne najlepšie špecifikácie, mechanické pre kalibráciu a metrológiu, optické pre vláknové systémy. Každý má kompromisy. Žiadna nie je univerzálna. Najlepší inžinieri, ktorých poznám, vyberajú technológiu na základe toho, čo dokážu tolerovať zlyhanie, nielen podľa toho, čo najlepšie funguje v prvý deň.

Ak si z toho vezmete jednu vec: otestujte teplotu. Otestujte v rohoch rozsahu útlmu. Testujte na frekvenciách, na ktorých vám skutočne záleží, nielen tam, kde katalógový list vyzerá najkrajšie. Časť, ktorá funguje perfektne pri 25 stupňoch a 1 GHz, vás môže zradiť pri -20 stupňoch a 5,8 GHz.

Opýtajte sa ma, ako to viem.