가변 감쇠기: 유형 및 용도

 

A 가변 감쇠기작동 대역폭 전체에서 허용 가능한 임피던스 일치를 유지하면서 제어 가능한 양만큼 신호 진폭을 줄이도록 설계된 수동 또는 능동 RF/마이크로파 구성 요소입니다. 미리 결정된 단일 삽입 손실을 제공하는 고정 감쇠기와 달리 가변 감쇠기는 토폴로지 및 애플리케이션 요구 사항에 따라 일반적으로 거의 0에서 30dB 이상까지 범위의 감쇠 수준을-연속 또는 이산{2}}으로 조정할 수 있습니다.- 이 장치는 자동 이득 제어 루프, 송신기 전력 조절, 수신기 동적 범위 확장 및 정확한 신호 레벨 조작이 필수적인 테스트 계측 분야에서 중요한 응용 분야를 찾습니다.

내가 사양서를 더 이상 신뢰하지 않게 된 이유

솔직히 말해서 제가 디자인에 적용한 첫 번째 가변 감쇠기는 재앙이었습니다. 부품이 나빠서가 아닙니다.-데이터시트가 완벽해 보였습니다.. 0.5 dB 단계, 31.5dB 범위, DC ~ 4GHz. 데이터시트에서 강조하지 않은 것은 온도에 따른 삽입 손실 변화였습니다. 우리는 무선 백홀 시스템을 위한 실외기를 구축하고 있었습니다. 여름 테스트는 잘 진행되었습니다. 1월 미네소타에서는 최대 감쇠 시 1.8dB가 감소했습니다. AGC 루프는 보상을 시도하면서 미쳐버렸습니다.

수업을 받으려면 보드를 돌리는 데 6주가 소요되었습니다. 이제 감쇠 범위를 보기 전에 세 가지 사항을 확인합니다.

최소 감쇠 상태에서의 삽입 손실. 이것이 기본 벌금입니다.-항상 지불하게 되는 것입니다.

전체 온도 범위에 걸친 삽입 손실 델타. 일반적으로 데이터시트 14페이지에 묻혀 있습니다.

VSWR모두감쇠 상태는 그들이 첫 페이지에 선택한 -상태만이 아닙니다.

다른 모든 것은 부차적입니다.

PIN 다이오드: 기발한 기능을 갖춘 주력 장치

대부분의 RF 엔지니어는 PIN 다이오드 감쇠기를 먼저 찾는 데에는 그럴 만한 이유가 있습니다. 물리학은 우아합니다. 전류를 고유 영역에 주입하면 전도성이 증가하고 RF 저항이 떨어집니다. 바이어스를 반대로 하면 높은 임피던스를 얻을 수 있습니다. 이들 중 몇 개를 적절하게 매칭하여 파이 또는 티 네트워크에 연결하면 DC 전압 또는 전류에 의해 제어되는 연속 가변 감쇠를 얻을 수 있습니다.

주파수 범위는 정말 인상적입니다. 좋은 설계로 DC~40GHz를 달성할 수 있습니다. 일부 특수 부품은 50GHz를 초과합니다. 제가 아마 십여 개의 디자인에 사용해 본 Skyworks SKY12347-362LF는 약 32dB의 범위로 DC~6GHz를 포괄합니다. 단단한 부분. 흥미롭지는 않지만 견고합니다.

애플리케이션 노트에서 말하지 않은 내용은 다음과 같습니다. PIN 다이오드는 저주파에서 메모리 효과가 있습니다. 약 10MHz 미만에서는 고유 영역에 저장된 전하가 RF 사이클 사이에서 충분히 빠르게 제거되지 않으며 감쇠는 신호-레벨에 따라 달라집니다. 저는 1MHz ~ 2GHz를 처리해야 하는 설계에서 3차{4}}차 왜곡이 15dB 점프하는 것을 보았습니다. 수정 사항은 시스템 설계자가 만족하지 못한{9}}입력에 고역 통과 필터를 추가하는 것이었습니다.{10}}

온도 계수는 또 다른 문제입니다. 다이오드의 저항-대-전류 곡선이 온도에 따라 이동하기 때문에 전류-제어 PIN 감쇠기가 표류합니다. 전압-제어 버전은 약간 더 좋지만 면역성이 없습니다. 계획 목적으로 0.02-0.05dB/도 예산을 책정하세요. 정밀 측정 응용 분야에서는 이는 무시할 수 없는 수준입니다.

디지털 스텝 감쇠기

완전히 다른 동물. DSA는 FET 또는 MEMS 스위치를 사용하여 고정 감쇠기 세그먼트 간에 전환합니다. 병렬 또는 직렬 디지털 워드를 전송하면 부품이 신호 경로에 있는 저항 패드 조합을 선택합니다.

장점: 반복성이 탁월합니다. 상태 01101은 오늘, 내일, 내년에도 동일한 감쇠를 제공합니다. 설계상 단조로움이 보장됩니다.-각 비트는 지정된 증분을 추가합니다. 스위칭 속도 범위는 나노초(GaAs FET)부터 마이크로초(MEMS)까지이며 TDMA 버스트 전력 제어에 충분히 빠릅니다.

나쁜 점: 개별 단계에 갇혀 있습니다. 6-비트 DSA는 0.5dB 해상도를 제공합니다. 이는 7.3dB가 필요할 때까지는 괜찮고 7.0과 7.5 사이에서 선택해야 합니다. AGC 루프에서 이 양자화는 한계 사이클을 생성합니다. 루프는 영원히 두 상태 사이를 탐색하며 결코 정착하지 않습니다. 저는 DSA-crude 뒤에 작은 범위의 아날로그 VVA를 추가하여 이 문제를 "해결"했지만 작동합니다.

추악한 점: 비트 전환 중 결함이 발생합니다. DSA가 01111(15.5dB)에서 10000(16dB)으로 전환되면 내부 스위치가 상태 사이에 있고 감쇠가 정의되지 않은 위치로 이동하는 순간이 있습니다.-아마도 5ns, 아마도 50ns- 일반적으로 두 끝점보다 낮습니다. 이는 전력 스파이크가 다운스트림 증폭기에 도달한다는 의미입니다. pSemi의 PE43711은 "글리치-가 없는" 아키텍처를 통해 대부분의 제품보다 이 문제를 더 잘 처리하지만 마법은 아닙니다. 여전히 일시적인 에너지가 있습니다.

비트, LSB 및 7비트 부품이 존재하는 이유

0.5dB LSB를 갖춘 6비트 감쇠기는 31.5dB 범위를 제공합니다. 꽤 표준적입니다.

그렇다면 7-비트 부분이 존재하는 이유는 무엇일까요? 두 가지 이유. 첫째, 더 미세한 해상도: 0.25dB 단계로 시스템 게인을 더 정확하게 다듬을 수 있습니다. 둘째,-이것은 덜 명확합니다.-추가 비트는 중복성을 위해 사용될 수 있습니다. 일부 제조업체에서는 0.25dB 단계에 7비트를 모두 사용하거나 0.5dB 단계에 6비트를 사용하고 7번째 비트를 전체 곡선을 오프셋하는 "미세 트림"으로 사용하는 중에서 선택할 수 있습니다. 생산 시 부품-간 변동을 보정하는 데 유용합니다.

Peregrine(현재 pSemi)은 고성능 실리콘 DSA를 실행 가능하게 만드는 UltraCMOS 프로세스를 개척했습니다. 그 전에는 상당한 대역폭을 원한다면 $$$ 및 5V 공급 장치를 의미하는 GaAs를 구입했습니다. PE4312와 그 후속 제품은 50Ω DSA를 3.3V CMOS 랜드로 가져왔습니다. 많은 디자인의 경제성을 변경했습니다.

MEMS: 약속과 기다림

마이크로 전자 기계 시스템은 RF 감쇠에 혁명을 가져올 것을 약속했습니다. 닫혀도 완벽하고 열리면 열리는 작은 물리적 스위치입니다. 반도체 기생 물질이 없습니다. 옴 접촉.

이론은 유지됩니다. MEMS 감쇠기는 실리콘이 건드릴 수 없는 삽입 손실과 선형성을 달성합니다. Analog Devices ADRF5720은 1.5dB 삽입 손실로 40GHz까지 작동합니다. FET 스위치로 시도해 보십시오.

하지만-이것은 큰 문제지만-신뢰성에 대해서는 여전히 논쟁의 여지가 있습니다. MEMS 스위치는 물리적으로 움직입니다. 움직이는 부품이 마모되었습니다. 제조업체는 수십억 주기를 요구하며, 양호한 실험실 조건에서는 아마도 이를 얻을 수 있습니다. 열 순환, 습도, 진동이 있는 응용 분야에서? 나는 회의적이다. 제가 작업한 생산 설계에서 정확히 하나의 MEMS 감쇠기를 본 적이 있는데, 그것은 전환 속도가 초당 몇 번 정도였던 테스트 장비에 있었습니다. 초당 수천 번의 전력 조정을 수행하는 셀룰러 기지국에 대해서는 5년 후에 다시 물어보세요.

포장 문제도 있어요. MEMS 장치에는 밀폐 밀봉이 필요합니다. 그렇지 않으면 습한 공기가 유입되어 부식되거나 달라붙습니다. 밀폐형 패키지에는 비용이 듭니다. "15달러 MEMS 다이"가 "12달러 조립 비용"과 "8달러 밀폐 패키지"로 제공되면 전체 가치 제안이 흔들리기 시작합니다.

기계식 감쇠기: 아직 죽지 않았습니다.

RF 테스트 연구소에 가면 교정 라인업에서 회전 날개 감쇠기를 찾을 수 있습니다. 이러한 도파관 괴물은-저항성 카드를 물리적으로 회전시켜 차단하는 신호의 양을 변경합니다.-전자 감쇠기가 일치시키기 어려운 정밀도를 제공합니다.

바인셸 953 시리즈. Hewlett-Packard 355C/D(예, Agilent나 Keysight가 아닌 HP입니다.-이것들은 오래되었고 여전히 작동합니다.) Flann Microwave의 정밀 도파관 장치. 무겁고, 느리고, 비싸고, 절대적으로 신뢰할 수 있습니다. 18~26.5GHz에서 ±0.1dB까지 정확한 40dB 레퍼런스가 필요한 경우 반도체를 사용할 수 없습니다.

벤치 사용의 경우 클릭-스톱 다이얼이 있는 수동 단계 감쇠기는 이상하게도 관련성이 있습니다. 오래된 Kay 1/839는 eBay에서 50달러에 구입할 수 있으며 대부분의 통합 DSA보다 더 잘 일치하는 79dB까지 1dB 단계를 제공합니다. 상호 연결은 교정이 필요한 손실을 추가하지만 빠른 실험에는 완벽합니다.

나는 책상 서랍에 JFW 50R-142를 보관합니다. 고정 50옴 동축, 정격 DC-2GHz, 0에서 110dB까지 1dB 단위로 증가합니다. 스위치는 반도체가 아닌 실제 정밀 저항 네트워크입니다. 그것은 탱크처럼 만들어졌고 나보다 오래 지속될 것입니다.

VOA(광 가변 감쇠기)

다른 세계. 광섬유 시스템에서 감쇠는 광학 레이어에서 관리되며 메커니즘은 매우 매력적입니다.

MEMS-기반 VOA기울어지는 거울을 사용하세요. 빛은 입력 광섬유에서 들어와 거울에 닿고 출력 광섬유쪽으로 반사됩니다. 거울을 약간 기울이면 일부 빛이 출력 코어를 놓칩니다. 더 기울이면 더 많은 빛이 그리워집니다. 아날로그 제어, 합리적인 속도, 뛰어난 반복성. DiCon MEMS VOA는 본질적으로 10년 동안 업계 표준이었습니다.

액정 VOA양극화를 이용하라. 액정은 통과하는 빛의 편광 상태를 회전시킵니다. 그런 다음 편광판은 회전 각도에 따라 감쇠됩니다. 움직이는 부품이 전혀 없습니다. MEMS보다 느리지만 기계적으로는 방탄 기능이 있습니다.

또한 있습니다가변 섬유 브래그 격자접근하고전자적으로{0}}제어되는 흡수특수 섬유에서는 틈새 시장입니다. 접하게 될 대부분의 통신 VOA는 MEMS 또는 LC입니다.

증폭된 범위 체인에 속해 있는 경우가 많기 때문에 여기서 삽입 손실은 매우 중요합니다. VOA에서 낭비되는 0.5dB마다 다시는 되돌릴 수 없는 OSNR의 0.5dB가 됩니다. 우수한 MEMS VOA는 0.8dB 미만의 IL을 달성합니다. 값싼 것들은 1.5dB 이하에 도달했습니다.

실용적인 선택 참고 사항

제가 실제로 사용하고 있는 부품들

이것은 보증이 아닙니다.{0}}저는 어떤 제조업체와 금전적인 관계도 없습니다.-출시된 빌드를 관찰한 것뿐입니다.

을 위한6GHz 미만의 DSA: pSemi PE43711(31.5dB, 0.25dB 단계, 글리치{3}}저항성) 또는 더 저렴한 PE4312(31.5dB, 0.5dB 단계). 둘 다 작동합니다. 둘 다 특징이 있습니다. 둘 다 정오표가 알려져 있을 만큼 충분한 시장 이력을 가지고 있습니다.

을 위한연속 감쇠(VVA): Mini{0}}예산이 허락하는 한 ZX76 시리즈를 회로로 구성합니다. 그렇지 않은 경우 Skyworks SKY12347. 어느 쪽도 온도에 따라 완벽하지 않습니다. 그에 따라 계획을 세우세요.

을 위한high frequency (>20GHz): 솔직히 제조사에 전화해서 얘기를 해요. Analog Devices와 Qorvo에는 모두 부품이 있고 선택 항목이 드물며 "올바른" 선택은 특정 요구 사항에 따라 크게 달라집니다. 이것은 밀리미터파의 가전제품이 아니며-모든 것이 맞춤 제작됩니다.

을 위한광통신: DiCon과 Agiltron은 믿음직했습니다. JDS Uniphase(현 Viavi)는 좋은 제품을 만들었지만 다양한 인수를 통해 제품 라인이 세분화되었습니다. 커밋하기 전에 실제로 부품 서비스를 제공하는 사람이 누구인지 확인하십시오.

실패 모드에 대해서는 아무도 이야기하지 않습니다.

ESD는 반도체 감쇠기를 죽입니다. 이것은 뉴스가 아닙니다. 덜 논의되는 점은 실패가 미묘할 수 있다는 것입니다. ESD 이벤트 후에도 여전히 "작동"하지만 선형성이 저하되거나 감쇠 보정이 변경된 부품을 본 적이 있습니다. 시스템이 생산 6개월 후 EMC 테스트에서 갑자기 실패했는데 아무것도 변경하지 않은 경우 감쇠기를 확인하십시오. 특히 조립업체가 처리 절차를 바꾼 경우에는 더욱 그렇습니다.

PIN 다이오드는 정상적으로 작동하지 않지만-감쇠 드리프트, 왜곡 증가-그러나 갑자기 사라지는 경우는 거의 없습니다. DSA의 FET 스위치는 제대로 작동하지 않습니다. 스위치 하나가 단락되면 감쇠가 4dB만큼 잘못되며 이를 모니터링하지 않으면 시스템이 이상하게 오작동합니다.

MEMS 오류는 "고착" 오류인 경향이 있습니다. 스위치가 전환을 중지합니다. 어떤 위치에 고정되는지에 따라 데드 채널이 생기거나 영구적인-경로가 생깁니다. MEMS 감쇠기가 있는 테스트 장비는 정기적으로 시험되어야 합니다. 몇 달 동안 한 위치에 앉아 있는 스위치는 "고정"을 일으킬 수 있습니다.

내가 아직 모르는 것

나는 진지하게 일한 적이 없다페라이트-기반가변 감쇠기. 이론은 -자기적으로-조정된 흡수-이지만 제가 본 부분은 크고 전력이 부족하며(전자석에는 전류가 필요함) 도파관 구현으로 제한되어 있습니다. 이상적인 애플리케이션이 있을 수 있습니다. 개인적으로 만난 적은 없습니다.

그래핀-기반감쇠기는 학술 문헌에 존재합니다. 아마도 조정 가능성은 페르미 레벨과 그에 따른 전도도의 변화에서 비롯됩니다. Digi가-Key에 재고를 확보하면-생산 준비가 완료될 것으로 믿습니다.

작업도 있어요단계-변화 자료RF 스위칭 및 감쇠용. 아이디어는 각 상태에서 극적으로 다른 RF 특성을 갖는 열 펄스를 사용하여 특정 재료를 비정질 상태와 결정질 상태 사이에서 전환할 수 있다는 것입니다. 초기.

이것이 제가 보는 풍경입니다. 아날로그 제어를 위한 PIN 다이오드, 디지털 정밀도를 위한 DSA, 최고의 사양이 필요할 때를 위한 MEMS, 교정 및 계측을 위한 기계, 광섬유 시스템을 위한 광학. 각각에는 타협이 있습니다. 어느 것도 보편적이지 않습니다. 내가 아는 최고의 엔지니어들은 처음에 가장 잘 작동하는 기술이 아니라 실패를 견딜 수 있는 수준을 기준으로 기술을 선택합니다.

이것에서 한 가지를 취한다면: 온도에 대해 테스트하십시오. 감쇠 범위의 모서리에서 테스트하십시오. 데이터시트가 가장 예뻐 보이는 주파수뿐만 아니라 실제로 관심 있는 주파수에서 테스트하세요. 25도 및 1GHz에서 완벽하게 작동하는 부품이 -20도 및 5.8GHz에서는 배신할 수 있습니다.

내가 어떻게 아는지 물어보세요.