Bộ suy giảm biến đổi: Các loại và cách sử dụng

 

A bộ suy giảm biếnlà thành phần RF/vi sóng thụ động hoặc chủ động được thiết kế để giảm biên độ tín hiệu xuống một lượng có thể kiểm soát được trong khi vẫn duy trì mức trở kháng phù hợp trên toàn băng thông hoạt động của nó. Không giống như các bộ suy giảm cố định cung cấp suy hao chèn được xác định trước, các bộ suy giảm có thể thay đổi cho phép điều chỉnh-liên tục hoặc rời rạc-các mức suy giảm thường dao động từ gần{3}}0 đến 30 dB hoặc cao hơn, tùy thuộc vào cấu trúc liên kết và yêu cầu ứng dụng. Thiết bị này tìm thấy ứng dụng quan trọng trong các vòng điều khiển khuếch đại tự động, điều chỉnh công suất máy phát, mở rộng dải động máy thu và thiết bị kiểm tra trong đó thao tác mức tín hiệu chính xác là cần thiết.

Tại sao tôi ngừng tin tưởng vào bảng thông số kỹ thuật

Thành thật mà nói: bộ suy giảm biến đổi đầu tiên mà tôi đưa vào thiết kế là một thảm họa. Không phải vì bộ phận đó tệ-bảng dữ liệu trông hoàn hảo. 0.5 bước dB, dải 31,5 dB, DC đến 4 GHz. Điều mà bảng dữ liệu không nhấn mạnh là sự biến đổi tổn thất chèn theo nhiệt độ. Chúng tôi đang chế tạo một dàn nóng cho hệ thống truyền tải không dây. Thử nghiệm mùa hè đã diễn ra tốt đẹp. Đến tháng 1 ở Minnesota, mức giảm 1,8 dB ở mức suy giảm tối đa. Vòng lặp AGC gặp trục trặc khi cố gắng bù đắp.

Bài học khiến chúng tôi mất một ván cờ và sáu tuần. Bây giờ tôi kiểm tra ba điều trước khi nhìn vào phạm vi suy giảm:

Mất chèn ở trạng thái suy giảm tối thiểu. Đây là hình phạt cơ bản của bạn-bạn luôn phải trả nó.

Đồng bằng mất chèn trên toàn bộ phạm vi nhiệt độ. Thường được chôn ở trang 14 của bảng dữ liệu.

VSWR tạitất cảtrạng thái suy giảm, không chỉ trạng thái mà họ{0}}đã chọn cho trang đầu.

Mọi thứ khác chỉ là thứ yếu.

Điốt PIN: Công cụ có tính năng đặc biệt

Hầu hết các kỹ sư RF đều tìm đến bộ suy giảm diode PIN trước tiên và vì lý do chính đáng. Cơ chế vật lý rất tinh tế: đưa dòng điện vào vùng bên trong, độ dẫn điện tăng, điện trở RF giảm. Đảo ngược độ lệch và bạn có trở kháng cao. Xâu chuỗi một vài trong số này vào mạng pi hoặc tee có kết hợp phù hợp và bạn có độ suy giảm biến đổi liên tục được điều khiển bởi điện áp hoặc dòng điện một chiều.

Dải tần thực sự ấn tượng. DC đến 40 GHz có thể đạt được với thiết kế tốt. Một số bộ phận chuyên dụng có tốc độ vượt quá 50 GHz. Skyworks SKY12347-362LF, mà tôi đã sử dụng trong khoảng chục thiết kế, bao phủ DC đến 6 GHz với phạm vi khoảng 32 dB. Phần rắn. Không thú vị, nhưng vững chắc.

Đây là những gì họ không cho bạn biết trong ghi chú ứng dụng: điốt PIN có hiệu ứng bộ nhớ ở tần số thấp. Dưới khoảng 10 MHz, điện tích được lưu trữ trong vùng nội tại không đủ nhanh giữa các chu kỳ RF và mức suy giảm của bạn trở nên phụ thuộc vào mức tín hiệu. Tôi đã thấy độ méo bậc ba-tăng 15 dB trong một thiết kế lẽ ra phải xử lý tần số 1 MHz đến 2 GHz. Cách khắc phục là thêm một-bộ lọc thông cao ở đầu vào-mà kiến ​​trúc sư hệ thống không hài lòng.

Hệ số nhiệt độ là vấn đề khác. Bộ suy giảm PIN được điều khiển-hiện tại bị trôi do đường cong điện trở-so với-dòng điện của đi-ốt thay đổi theo nhiệt độ. Các phiên bản được điều khiển bằng điện áp-tốt hơn một chút nhưng không tránh khỏi. Ngân sách 0,02-0,05 dB/độ cho mục đích lập kế hoạch. Trong một ứng dụng đo lường chính xác, điều đó không đáng kể.

Bộ suy giảm bước kỹ thuật số

Con vật hoàn toàn khác. DSA chuyển đổi giữa các phân đoạn bộ suy giảm cố định bằng cách sử dụng công tắc FET hoặc MEMS. Bạn gửi một từ kỹ thuật số song song hoặc nối tiếp và bộ phận này sẽ chọn tổ hợp các miếng đệm điện trở nào trong đường dẫn tín hiệu.

Ưu điểm: Khả năng lặp lại là đặc biệt. Trạng thái 01101 cung cấp cho bạn mức suy giảm tương tự hôm nay, ngày mai và năm tới. Tính đơn điệu được đảm bảo bởi thiết kế-mỗi bit sẽ tăng thêm mức tăng được chỉ định. Tốc độ chuyển đổi dao động từ nano giây (GaAs FET) đến micro giây (MEMS), đủ nhanh để kiểm soát công suất cụm TDMA.

Nhược điểm: Bạn bị mắc kẹt với các bước rời rạc. DSA 6{8}}bit cung cấp cho bạn độ phân giải 0,5 dB, nghe có vẻ ổn cho đến khi bạn cần 7,3 dB và phải chọn trong khoảng 7,0 đến 7,5. Trong vòng lặp AGC, việc lượng tử hóa này tạo ra các chu kỳ giới hạn. Vòng lặp săn lùng giữa hai trạng thái mãi mãi, không bao giờ ổn định. Tôi đã "giải quyết" vấn đề này bằng cách thêm một-VVA tương tự phạm vi nhỏ sau DSA-thô, nhưng nó vẫn hoạt động.

Điều xấu: Trục trặc trong quá trình chuyển đổi bit. Khi DSA chuyển từ 01111 (15,5 dB) sang 10000 (16 dB), sẽ có một khoảnh khắc-có thể là 5 ns, có thể là 50 ns-trong đó các công tắc bên trong nằm giữa các trạng thái và mức suy giảm đi đến một mức độ không xác định. Thường thấp hơn một trong hai điểm cuối, nghĩa là mức công suất tăng vọt chạm vào bộ khuếch đại xuôi dòng của bạn. PE43711 từ pSemi xử lý vấn đề này tốt hơn hầu hết với kiến ​​trúc "ít trục trặc hơn", nhưng đó không phải là điều kỳ diệu. Vẫn còn năng lượng nhất thời.

Bit, LSB và lý do tồn tại các bộ phận 7 bit

Bộ suy giảm 6 bit với LSB 0,5 dB cho phạm vi 31,5 dB. Khá chuẩn.

Vậy tại sao các phần 7{4}}bit lại tồn tại? Hai lý do. Đầu tiên, độ phân giải tốt hơn: các bước 0,25 dB cho phép bạn cắt giảm mức tăng hệ thống chính xác hơn. Thứ hai-và điều này ít rõ ràng hơn-bit bổ sung có thể được sử dụng để dự phòng. Một số nhà sản xuất cho phép bạn chọn giữa việc sử dụng tất cả 7 bit cho các bước 0,25 dB hoặc sử dụng 6 bit cho các bước 0,5 dB với bit thứ 7 làm "cắt mịn" bù cho toàn bộ đường cong. Thuận tiện cho việc bù đắp sự thay đổi{14}}của từng bộ phận trong quá trình sản xuất.

Peregrine (nay là pSemi) đã đi tiên phong trong quy trình UltraCMOS giúp tạo ra-các DSA silicon hiệu suất cao khả thi. Trước đó, nếu bạn muốn có băng thông rộng, bạn phải mua GaAs, nghĩa là nguồn cung cấp $$$ và 5V. PE4312 và các thế hệ kế thừa của nó đã mang DSA 50 ohm đến vùng đất CMOS 3,3V. Đã thay đổi tính kinh tế của rất nhiều thiết kế.

MEMS: Lời hứa và sự chờ đợi

Các hệ thống vi cơ điện tử hứa hẹn sẽ cách mạng hóa sự suy giảm RF. Các công tắc vật lý cực nhỏ, về cơ bản là hoàn hảo khi đóng, về cơ bản là mở khi mở. Không có ký sinh trùng bán dẫn. Tiếp xúc Ohm.

Lý thuyết giữ vững. Bộ suy giảm MEMS đạt được độ suy hao chèn và độ tuyến tính mà silicon không thể chạm tới. Thiết bị Analog ADRF5720 hoạt động ở tần số 40 GHz với mức suy hao chèn tương đương 1,5 dB. Hãy thử điều đó với một công tắc FET.

Tuy nhiên,-đây là một vấn đề lớn nhưng-độ tin cậy vẫn còn gây tranh cãi. Công tắc MEMS di chuyển vật lý. Các bộ phận chuyển động bị mòn. Các nhà sản xuất tuyên bố có hàng tỷ chu kỳ và trong điều kiện phòng thí nghiệm lành tính, họ có thể đạt được chúng. Trong một ứng dụng có chu kỳ nhiệt, độ ẩm, độ rung? Tôi hoài nghi. Tôi đã nhìn thấy chính xác một bộ suy giảm MEMS trong một thiết kế sản xuất mà tôi từng thực hiện và đó là trong một thiết bị thử nghiệm trong đó tốc độ chuyển đổi có thể là vài lần mỗi giây. Đối với một trạm cơ sở di động thực hiện hàng nghìn lần điều chỉnh công suất mỗi giây... hãy hỏi lại tôi sau 5 năm nữa.

Ngoài ra còn có vấn đề về bao bì. Các thiết bị MEMS cần được bịt kín nếu không không khí ẩm sẽ lọt vào và mọi thứ sẽ bị ăn mòn hoặc dính vào. Gói kín tốn tiền. Toàn bộ đề xuất giá trị bắt đầu lung lay khi "khuôn MEMS trị giá 15 USD" của bạn được đựng trong một "gói kín 8 USD" với "chi phí lắp ráp là 12 USD".

Bộ suy giảm cơ học: Chưa chết

Hãy đến bất kỳ phòng thử nghiệm RF nào và bạn sẽ tìm thấy bộ suy giảm cánh quạt quay trong dòng hiệu chuẩn. Những con thú dẫn sóng này-xoay một cách vật lý một thẻ điện trở để thay đổi lượng tín hiệu mà nó chặn-mang lại độ chính xác mà các bộ suy giảm điện tử khó có thể sánh được.

Dòng Weinschel 953. Hewlett-Packard 355C/D (vâng, HP, không phải Agilent hay Keysight-những thứ này đã cũ và vẫn hoạt động). Các thiết bị dẫn sóng chính xác của Lò vi sóng Flann. Chúng nặng, chậm, đắt tiền và hoàn toàn đáng tin cậy. Khi bạn cần tham chiếu 40 dB chính xác đến ±0,1 dB từ 18 đến 26,5 GHz, bạn sẽ không cần đến chất bán dẫn.

Đối với việc sử dụng trên băng ghế dự bị, bộ suy giảm bước thủ công có nút xoay{0}}nhấp chuột vẫn có liên quan một cách kỳ lạ. Một chiếc Kay 1/839 cũ có thể được bán với giá 50 USD trên eBay và cung cấp các bước từ 1 dB đến 79 dB với khả năng kết hợp tốt hơn hầu hết các DSA tích hợp. Bạn sẽ cần phải hiệu chỉnh các kết nối này, nhưng đối với các thử nghiệm nhanh, chúng hoàn hảo.

Tôi giữ một chiếc JFW 50R-142 trong ngăn kéo bàn của mình. Đã sửa lỗi đồng trục 50 ohm, DC-2 GHz định mức, các bước từ 0 đến 110 dB với bước tăng 1 dB. Các công tắc là mạng điện trở có độ chính xác thực tế, không phải chất bán dẫn. Nó được xây dựng giống như một chiếc xe tăng và sẽ tồn tại lâu hơn tôi.

Bộ suy giảm biến đổi quang học (VOA)

Thế giới khác. Trong các hệ thống sợi quang, sự suy giảm được quản lý ở lớp quang và các cơ chế rất thú vị.

VOA dựa trên MEMS-sử dụng gương nghiêng. Ánh sáng đi vào từ sợi quang đầu vào, chạm vào gương, phản xạ về sợi quang đầu ra. Nghiêng gương một chút và một số ánh sáng lọt vào lõi đầu ra. Nghiêng nó nhiều hơn, nhiều ánh sáng bị bỏ lỡ hơn. Điều khiển analog, tốc độ hợp lý, độ lặp lại tuyệt vời. DiCon MEMS VOA về cơ bản đã là tiêu chuẩn công nghiệp trong một thập kỷ.

VOA tinh thể lỏngkhai thác sự phân cực. Tinh thể lỏng làm quay trạng thái phân cực của ánh sáng truyền qua; sau đó một bộ phân cực sẽ suy giảm dựa trên góc quay. Không có bộ phận chuyển động nào cả. Chậm hơn MEMS nhưng có khả năng chống đạn cơ học.

Ngoài ra còn cócách tử Bragg sợi biến đổicách tiếp cận vàsự hấp thụ được điều khiển bằng điện tử-trong các loại sợi đặc biệt, nhưng đây là những loại thích hợp. Hầu hết các VOA viễn thông bạn sẽ gặp là MEMS hoặc LC.

Ở đây, tổn thất chèn rất quan trọng vì bạn thường ở trong một chuỗi các nhịp được khuếch đại. Mỗi 0,5 dB bạn lãng phí trong VOA là 0,5 dB OSNR mà bạn sẽ không bao giờ lấy lại được. VOA MEMS tốt đạt IL dưới 0,8 dB; những cái rẻ tiền đạt 1,5 dB hoặc tệ hơn.

Ghi chú lựa chọn thực tế

Những bộ phận tôi thực sự sử dụng

Đây không phải là sự xác nhận-Tôi không có mối quan hệ tài chính với bất kỳ nhà sản xuất nào-chỉ là quan sát từ các bản dựng đã được xuất xưởng.

VìDSA dưới 6 GHz: pSemi PE43711 (bước 31,5 dB, 0,25 dB, khả năng chống trục trặc-) hoặc PE4312 rẻ hơn (bước 31,5 dB, 0,5 dB). Cả hai đều hoạt động. Cả hai đều có những điều kỳ quặc. Cả hai đều có đủ lịch sử thị trường để biết lỗi.

Vìsuy giảm liên tục (VVA): Dòng-Mạch nhỏ ZX76 khi ngân sách cho phép. Skyworks SKY12347 khi không có. Không phải là hoàn hảo về nhiệt độ. Lập kế hoạch cho phù hợp.

Vìhigh frequency (>20GHz): Thành thật mà nói, tôi gọi cho nhà sản xuất và nói chuyện. Thiết bị Analog và Qorvo đều có các bộ phận, việc lựa chọn còn thưa thớt và lựa chọn "đúng" phụ thuộc rất nhiều vào yêu cầu cụ thể của bạn. Đây không phải là thiết bị điện tử tiêu dùng-ở sóng milimet, mọi thứ đều tùy chỉnh.

Vìviễn thông quang học: DiCon và Agiltron rất đáng tin cậy. JDS Uniphase (nay là Viavi) sản xuất những sản phẩm tốt nhưng các dòng sản phẩm đã bị phân mảnh qua nhiều thương vụ mua lại khác nhau. Kiểm tra xem ai thực sự phục vụ phần đó trước khi bạn cam kết.

Các chế độ thất bại Không ai nói đến

ESD giết chết bộ suy giảm chất bán dẫn. Đây không phải là tin tức. Điều ít được thảo luận hơn: sự thất bại có thể rất tinh tế. Tôi đã thấy các bộ phận vẫn "hoạt động" sau một sự kiện ESD nhưng đã suy giảm độ tuyến tính hoặc hiệu chỉnh độ suy giảm bị thay đổi. Nếu hệ thống của bạn đột nhiên không đạt kết quả kiểm tra EMC sau sáu tháng kể từ khi sản xuất và bạn không thay đổi gì, hãy kiểm tra bộ suy hao. Đặc biệt nếu nhà lắp ráp của bạn chuyển đổi quy trình xử lý.

Điốt PIN thường bị hỏng-suy giảm, biến dạng tăng-nhưng hiếm khi chết đột ngột. Công tắc FET trong DSA không thành công. Một công tắc ngắn, độ suy giảm của bạn sai 4 dB và trừ khi bạn theo dõi điều đó, hệ thống sẽ hoạt động sai một cách bí ẩn.

Lỗi MEMS có xu hướng bị "kẹt". Công tắc ngừng chuyển đổi. Tùy thuộc vào vị trí mà nó bám vào, bạn sẽ có kênh chết hoặc đường dẫn-vĩnh viễn. Thiết bị thử nghiệm có bộ suy giảm MEMS phải được vận hành thường xuyên; các công tắc đặt ở một vị trí trong nhiều tháng có thể bị "mắc kẹt".

Điều tôi chưa biết

Tôi chưa làm việc nghiêm túc vớidựa trên ferit-bộ suy giảm thay đổi. Lý thuyết này rất thú vị-sự hấp thụ được điều chỉnh{2}}từ tính-nhưng những phần tôi đã thấy thì lớn, ngốn điện-(nam châm điện cần dòng điện) và chỉ giới hạn ở việc triển khai ống dẫn sóng. Có thể có những ứng dụng lý tưởng. Cá nhân tôi chưa gặp ai cả.

dựa trên Graphene-bộ suy giảm tồn tại trong tài liệu học thuật. Giả sử khả năng điều chỉnh đến từ việc thay đổi mức Fermi và do đó thay đổi độ dẫn điện. Tôi tin rằng nó sẽ-sẵn sàng sản xuất khi Digi-Key dự trữ nó.

Ngoài ra còn có công việcgiai đoạn-thay đổi vật liệuđể chuyển mạch và suy giảm RF. Ý tưởng là một số vật liệu nhất định có thể chuyển đổi giữa trạng thái vô định hình và tinh thể bằng cách sử dụng các xung nhiệt, với các đặc tính RF khác nhau đáng kể ở mỗi trạng thái. Những ngày đầu.

Vì vậy, đó là bối cảnh mà tôi nhìn thấy: điốt PIN cho điều khiển tương tự, DSA cho độ chính xác kỹ thuật số, MEMS khi bạn cần thông số kỹ thuật tốt nhất, cơ học để hiệu chuẩn và đo lường, quang học cho hệ thống cáp quang. Mỗi người đều có sự thỏa hiệp. Không có gì là phổ quát. Những kỹ sư giỏi nhất mà tôi biết chọn công nghệ dựa trên những gì họ có thể chịu đựng được khi thất bại, chứ không chỉ dựa trên những gì hoạt động tốt nhất vào ngày đầu tiên.

Nếu bạn rút ra được một điều từ điều này: kiểm tra nhiệt độ. Kiểm tra ở các góc của phạm vi suy giảm. Kiểm tra ở tần số mà bạn thực sự quan tâm, không chỉ ở nơi bảng dữ liệu trông đẹp nhất. Phần hoạt động hoàn hảo ở 25 độ và 1 GHz có thể phản bội bạn ở -20 độ và 5,8 GHz.

Hỏi tôi làm sao tôi biết.