Zmienny tłumik: rodzaje i zastosowania

A zmienny tłumikto pasywny lub aktywny element RF/mikrofalowy zaprojektowany w celu zmniejszenia amplitudy sygnału o kontrolowaną wielkość, przy jednoczesnym zachowaniu akceptowalnego dopasowania impedancji w całym paśmie roboczym. W przeciwieństwie do tłumików stałych, które zapewniają pojedynczą, z góry określoną tłumienność wtrąceniową, tłumiki zmienne umożliwiają regulację-ciągłą lub dyskretną-poziomów tłumienia w zakresie zwykle od-zera do 30 dB lub więcej, w zależności od topologii i wymagań aplikacji. Urządzenie znajduje krytyczne zastosowanie w automatycznych pętlach kontroli wzmocnienia, regulacji mocy nadajnika, rozszerzaniu zakresu dynamiki odbiornika i oprzyrządowaniu testowym, gdzie niezbędna jest precyzyjna manipulacja poziomem sygnału.

Będę szczery: pierwszy tłumik zmienny, który zastosowałem w projekcie, był katastrofą. Nie dlatego, że część była zła,-arkusz danych wyglądał idealnie. 0.5 kroki dB, zakres 31,5 dB, od prądu stałego do 4 GHz. W arkuszu danych nie podkreślono różnicy w tłumieniu wtrąceniowym w zależności od temperatury. Budowaliśmy jednostkę zewnętrzną dla bezprzewodowego systemu dosyłowego. Letnie testy wypadły pomyślnie. W styczniu w Minnesocie poziom głośności był obniżony o 1,8 dB przy maksymalnym tłumieniu. Pętla AGC oszalała, próbując to zrekompensować.

Lekcja kosztowała nas zmianę na planszy i sześć tygodni. Teraz sprawdzam trzy rzeczy, zanim w ogóle spojrzę na zakres tłumienia:

Tłumienie wtrąceniowe w stanie minimalnego tłumienia. To jest Twoja podstawowa kara,-którą płacisz cały czas.

Delta tłumienności wtrąceniowej w pełnym zakresie temperatur. Zazwyczaj pochowany na stronie 14 arkusza danych.

WSWR o godzWszystkostany tłumienia, a nie tylko ten, który-wybrali na pierwszą stronę.

Wszystko inne jest drugorzędne.

Większość inżynierów RF sięga w pierwszej kolejności po tłumiki diodowe PIN i nie bez powodu. Fizyka jest elegancka: wprowadź prąd do obszaru wewnętrznego, wzrasta przewodność, spada rezystancja RF. Odwróć nastawienie, a uzyskasz wysoką impedancję. Połącz kilka z nich w sieć typu pi lub trójnik z odpowiednim dopasowaniem, a uzyskasz płynną zmienność tłumienia kontrolowaną przez napięcie lub prąd stały.

Zakres częstotliwości jest naprawdę imponujący. DC do 40 GHz jest osiągalne przy dobrym projekcie. Niektóre wyspecjalizowane części przekraczają 50 GHz. Skyworks SKY12347-362LF, którego użyłem w prawdopodobnie kilkunastu projektach, pokrywa zakres od prądu stałego do 6 GHz z zasięgiem około 32 dB. Solidna część. Nie ekscytujące, ale solidne.

Oto, czego nie mówią w notatkach aplikacyjnych: Diody PIN mają efekt pamięci przy niskich częstotliwościach. Poniżej około 10 MHz zmagazynowany ładunek w obszarze wewnętrznym nie jest usuwany wystarczająco szybko pomiędzy cyklami częstotliwości radiowej, a tłumienie zależy od-poziomu sygnału. Widziałem, że zniekształcenia-trzeciego rzędu wzrosły o 15 dB w konstrukcji, która miała obsługiwać częstotliwości od 1 MHz do 2 GHz. Rozwiązaniem było dodanie-filtra górnoprzepustowego na wejściu-, z czego architekt systemu nie był zadowolony.

Kolejnym problemem jest współczynnik temperaturowy. Tłumiki PIN sterowane prądem-dryfują, ponieważ rezystancja diody-w funkcji-krzywej prądu zmienia się wraz z temperaturą. Wersje sterowane-napięciem są nieco lepsze, ale nie odporne. Budżet 0,02-0,05 dB/stopień do celów planowania. W zastosowaniach związanych z pomiarami precyzyjnymi nie jest to pomijalne.

Variable Attenuator

Zupełnie inne zwierzę. DSA przełączają się pomiędzy stałymi segmentami tłumika za pomocą przełączników FET lub MEMS. Wysyłasz równoległe lub szeregowe słowo cyfrowe, a część wybiera, która kombinacja podkładek rezystancyjnych znajduje się w ścieżce sygnału.

Dobra: Powtarzalność jest wyjątkowa. Stan 01101 zapewnia takie samo tłumienie dzisiaj, jutro i w przyszłym roku. Konstrukcja gwarantuje monotoniczność.-Każdy bit dodaje określony przyrost. Szybkość przełączania waha się od nanosekund (GaAs FET) do mikrosekund (MEMS), wystarczająco szybko, aby sterować mocą impulsową TDMA.

Wady: utknąłeś w dyskretnych krokach. 6-bitowy przetwornik DSA zapewnia rozdzielczość 0,5 dB, co brzmi nieźle, dopóki nie potrzebujesz 7,3 dB i nie będziesz musiał wybierać pomiędzy 7,0 a 7,5. W pętli AGC ta kwantyzacja tworzy cykle graniczne. Pętla krąży pomiędzy dwoma stanami w nieskończoność, nigdy się nie stabilizując. „Rozwiązałem” ten problem, dodając-analogowy VVA o małym zakresie po surowym DSA, ale to działa.

Brzydkie: usterki podczas przejść bitowych. Kiedy DSA przełącza się z 01111 (15,5 dB) na 10000 (16 dB), następuje moment-może 5 ns, może 50 ns-, w którym wewnętrzne przełączniki przełączają się między stanami, a tłumienie przechodzi w miejsce nieokreślone. Zwykle jest niższa niż którykolwiek punkt końcowy, co oznacza, że skok mocy uderza w wzmacniacz znajdujący się poniżej. PE43711 firmy pSemi radzi sobie z tym lepiej niż większość dzięki architekturze „mniejszej od usterek”, ale to nie magia. Wciąż jest przejściowa energia.

6-bitowy tłumik z 0,5 dB LSB daje zakres 31,5 dB. Całkiem standardowe.

Dlaczego więc istnieją części 7-bitowe? Dwa powody. Po pierwsze, lepsza rozdzielczość: kroki co 0,25 dB umożliwiają dokładniejsze dostrojenie wzmocnienia systemu. Po drugie,-jest to mniej oczywiste,-dodatkowy bit można wykorzystać w celu zapewnienia redundancji. Niektórzy producenci umożliwiają wybór pomiędzy użyciem wszystkich 7 bitów w krokach co 0,25 dB lub użyciem 6 bitów w krokach co 0,5 dB z 7. bitem jako „dokładnym przycięciem”, które kompensuje całą krzywą. Przydatny do kompensowania różnic-części w produkcji.

Peregrine (obecnie pSemi) był pionierem procesu UltraCMOS, który umożliwił-opłacalność krzemowych DSA o wysokiej wydajności. Wcześniej, jeśli zależało Ci na dużej przepustowości, kupowałeś GaA, co oznaczało dostawy $$$ i 5V. PE4312 i jego potomkowie przenieśli 50-omowe przetworniki DSA na ziemię CMOS 3,3 V. Zmieniono ekonomikę wielu projektów.

Systemy mikroelektromechaniczne miały zrewolucjonizować tłumienie częstotliwości radiowych. Malutkie fizyczne przełączniki, zasadniczo idealne po zamknięciu, zasadniczo otwarte po otwarciu. Żadnych pasożytów półprzewodnikowych. Styk omowy.

Teoria się trzyma. Tłumiki MEMS osiągają tłumienność wtrąceniową i liniowość, których krzem nie jest w stanie dosięgnąć. Urządzenie Analog Devices ADRF5720 działa na częstotliwości 40 GHz z tłumieniem wtrąceniowym wynoszącym około 1,5 dB. Spróbuj tego z przełącznikiem FET.

Ale-jest to duża, ale-rzetelność pozostaje kontrowersyjna. Przełączniki MEMS fizycznie się poruszają. Części ruchome zużywają się. Producenci twierdzą, że miliardy cykli i w łagodnych warunkach laboratoryjnych prawdopodobnie je dostają. W aplikacji, w której występują cykle termiczne, wilgotność i wibracje? Jestem sceptyczny. Widziałem dokładnie jeden tłumik MEMS w projekcie produkcyjnym, nad którym pracowałem, i to w instrumencie testowym, w którym częstotliwość przełączania wynosiła może kilka razy na sekundę. W przypadku komórkowej stacji bazowej wykonującej tysiące regulacji mocy na sekundę... zapytaj mnie ponownie za pięć lat.

Jest jeszcze problem z opakowaniem. Urządzenia MEMS wymagają hermetycznego uszczelnienia, w przeciwnym razie do środka dostanie się wilgotne powietrze, co spowoduje korozję lub przyklejenie się elementów. Hermetyczne opakowania kosztują. Cała propozycja wartości zaczyna się chwiać, gdy „kostka MEMS za 15 dolarów” jest dostarczana w „hermetycznym opakowaniu za 8 dolarów” i „koszt montażu 12 dolarów”.

Variable Attenuator

Przejdź do dowolnego laboratorium testowego RF, a w ofercie kalibracji znajdziesz obrotowe tłumiki łopatkowe. Te bestie falowodowe-fizycznie obracają kartę rezystancyjną, aby zmienić ilość przechwytywanego przez nią sygnału,-zapewniają precyzję, z którą trudno jest dorównać tłumikom elektronicznym.

Seria Weinschela 953. Hewlett-Packard 355C/D (tak, HP, nie Agilent czy Keysight-te rzeczy są tak stare, że wciąż działają). Precyzyjne jednostki falowodowe Flann Microwave. Są ciężkie, powolne, drogie i absolutnie godne zaufania. Kiedy potrzebujesz odniesienia 40 dB z dokładnością do ±0,1 dB w zakresie od 18 do 26,5 GHz, nie sięgasz po półprzewodnik.

W przypadku zastosowań laboratoryjnych ręczne tłumiki krokowe z pokrętłami-klikającymi wydają się dziwnie przydatne. Starego Kay 1/839 można kupić za 50 dolarów w serwisie eBay i zapewnia on krok od 1 dB do 79 dB z lepszym dopasowaniem niż większość zintegrowanych DSA. Interkonekty zwiększają straty, które trzeba skalibrować, ale do szybkich eksperymentów są idealne.

Trzymam JFW 50R-142 w szufladzie biurka. Stały, koncentryczny 50-omowy, znamionowy prąd stały – 2 GHz, krok od 0 do 110 dB w odstępach co 1 dB. Przełączniki to rzeczywiste precyzyjne sieci rezystorów, a nie półprzewodniki. Jest zbudowany jak czołg i wytrzyma mnie dłużej.

Inny świat. W systemach światłowodowych tłumieniem zarządza się w warstwie optycznej, a mechanizmy są fascynujące.

VOA oparte na MEMS-użyj uchylnego lustra. Światło przychodzi ze światłowodu wejściowego, uderza w lustro i odbija się w kierunku światłowodu wyjściowego. Pochyl trochę lustro, a część światła ominie rdzeń wyjściowy. Przechyl go bardziej, aby przegapić więcej światła. Sterowanie analogowe, rozsądna prędkość, doskonała powtarzalność. DiCon MEMS VOA był w zasadzie standardem branżowym przez dekadę.

Ciekłokrystaliczne VOAwykorzystać polaryzację. Ciekły kryształ obraca stan polaryzacji przechodzącego światła; polaryzator następnie tłumi w oparciu o kąt obrotu. Żadnych ruchomych części. Wolniejszy niż MEMS, ale mechanicznie kuloodporny.

Jest teżsiatka Bragga ze zmiennymi włóknamipodchodzi ielektronicznie-kontrolowana absorpcjawe włóknach specjalistycznych, ale są one niszowe. Większość telekomunikacyjnych VOA, z którymi się spotkasz, to MEMS lub LC.

Tłumienie wtrąceniowe ma tutaj ogromne znaczenie, ponieważ często znajdujesz się w łańcuchu wzmocnionych zakresów. Każde 0,5 dB zmarnowane w VOA to 0,5 dB OSNR, którego nigdy nie odzyskasz. Dobre MEMS VOA osiągają IL poniżej 0,8 dB; tanie osiągają 1,5 dB lub gorzej.

Chciałbym, żeby ktoś powiedział mi wcześniej kilka rzeczy:

Dopasowanie tłumików do impedancji systemu nie jest opcjonalne.

Tak, Twój DSA ma „obciążalność 50 omów”. Ale jeśli linie transmisyjne twojej płyty mają w rzeczywistości 52 omy, ponieważ połączenie nie przekroczyło-celu, zobaczysz tętnienie w S21 na częstotliwości, które doprowadzi cię do szaleństwa podczas charakteryzowania. To nie jest wina tłumika.

Dane dotyczące zasilania zakładają doskonałe odprowadzanie ciepła.

Wartość znamionową „maksymalnego wejścia 1 W” zmierzono przy płycie ewaluacyjnej przykręconej do aluminiowego bloku. Na twojej rzeczywistej płytce drukowanej z 1 uncją miedzi i bez przelotek termicznych? Prawdopodobnie jesteś bezpieczny przy 0,4 W. Może.

Interfejs sterowania ma większe znaczenie niż myślisz.

Interfejs równoległy-DSA wymaga 6-7 GPIO. Jeśli Twój mikrokontroler jest-ograniczony przez GPIO, dodajesz teraz rejestr przesuwny lub ekspander I²C. DSA z interfejsem szeregowym unikają tego, ale zwiększają opóźnienie. W szybkiej pętli AGC to opóźnienie może mieć znaczenie. Sprawdź schematy rozrządu.

Notatki aplikacyjne dostawcy są pisane przez osoby, które chcą Ci sprzedać części.

Pokazują złotą tablicę, idealny układ, idealne warunki. Twój przebieg będzie się różnić. Zapoznaj się z notatką aplikacji, aby poznać koncepcje, a następnie zweryfikuj je na podstawie własnych pomiarów.

Nie są to żadne rekomendacje.-Nie mam powiązań finansowych z żadnym producentem-tylko obserwacje na podstawie dostarczonych modeli.

DlaDSA poniżej 6 GHz: pSemi PE43711 (31,5 dB, krok co 0,25 dB,-odporny na zakłócenia) lub tańszy PE4312 (31,5 dB, krok co 0,5 dB). Obydwa działają. Obaj mają dziwactwa. Obydwa mają na tyle długą historię rynkową, że errata jest znana.

Dlaciągłe tłumienie (VVA): Seria Mini-Circuits ZX76, jeśli pozwala na to budżet. Skyworks SKY12347, gdy tak nie jest. Żadne z nich nie jest idealne w zależności od temperatury. Zaplanuj odpowiednio.

Dlahigh frequency (>20 GHz): Szczerze mówiąc, dzwonię do producenta i rozmawiam. Zarówno Analog Devices, jak i Qorvo mają części, wybór jest niewielki, a „właściwy” wybór zależy w dużej mierze od konkretnych wymagań. To nie jest elektronika użytkowa-na falach milimetrowych, wszystko jest robione na zamówienie.

Dlatelekomunikacja optyczna: DiCon i Agiltron są niezawodne. JDS Uniphase (obecnie Viavi) produkuje dobre produkty, ale linie produktów uległy fragmentacji w wyniku różnych przejęć. Zanim zatwierdzisz, sprawdź, kto faktycznie obsługuje tę część.

ESD niszczy tłumiki półprzewodnikowe. To nie jest wiadomość. Co jest mniej omawiane: awaria może być subtelna. Widziałem części, które nadal „działają” po zdarzeniu ESD, ale mają obniżoną liniowość lub przesuniętą kalibrację tłumienia. Jeśli Twój system nagle nie przejdzie testów EMC po sześciu miesiącach od rozpoczęcia produkcji i nic nie zmieniłeś, sprawdź tłumik. Zwłaszcza jeśli Twój montażownia zmieniła procedury obsługi.

Diody PIN ładnie zawodzą,-dryfują tłumienie, zwiększają się zniekształcenia-ale rzadko gasną nagle. Przełączniki FET w DSA mocno zawodzą. Jedno zwarcie przełącznika powoduje, że tłumienie jest błędne o 4 dB i jeśli nie monitorujesz tego, system po prostu zachowuje się niewłaściwie w tajemniczy sposób.

Awarie MEMS to zazwyczaj awarie „zablokowane”. Przełącznik przestaje przełączać. W zależności od tego, w której pozycji się zatrzyma, uzyskasz albo kanał martwy, albo stałą-ścieżkę. Sprzęt testowy z tłumikami MEMS powinien być regularnie sprawdzany; przełączniki, które pozostają w jednej pozycji przez wiele miesięcy, mogą spowodować „zatarcie”.

Z którym nie pracowałem na poważniena bazie ferrytu-tłumiki zmienne. Teoria jest fajna-magnetycznie-dostrojona absorpcja-, ale części, które widziałem, są duże,-energochłonne (elektromagnes potrzebuje prądu) i ograniczają się do implementacji falowodu. Mogą istnieć zastosowania, w których są idealne. Osobiście nie spotkałem.

Na bazie grafenu-tłumiki istnieją w literaturze akademickiej. Podobno przestrajalność wynika ze zmiany poziomu Fermiego, a tym samym przewodności. Wierzę, że będzie gotowy do produkcji,-kiedy Digi-Key go zaopatrzy.

Jest też pracafaza-zmiana materiałówdo przełączania i tłumienia RF. Pomysł polega na tym, że niektóre materiały można przełączać między stanem amorficznym i krystalicznym za pomocą impulsów termicznych, przy czym w każdym stanie występują radykalnie różne właściwości RF. Wczesne dni.

Tak to widzę: diody PIN do sterowania analogowego, DSA do cyfrowej precyzji, MEMS do zastosowań, gdy potrzebujesz absolutnie najlepszych specyfikacji, mechaniczne do kalibracji i metrologii, optyczne do systemów światłowodowych. Każdy ma kompromisy. Żadne nie jest uniwersalne. Najlepsi inżynierowie, jakich znam, wybierają technologię w oparciu o to, co mogą tolerować niepowodzenia, a nie tylko to, co działa najlepiej pierwszego dnia.

Jeśli weźmiesz z tego jedną rzecz: przetestuj temperaturę. Przetestuj w rogach zakresu tłumienia. Testuj na częstotliwościach, na których naprawdę Ci zależy, a nie tylko tam, gdzie arkusz danych wygląda najładniej. Część, która działa idealnie przy 25 stopniach i 1 GHz, może Cię zdradzić przy -20 stopniach i 5,8 GHz.

Zapytaj mnie, skąd wiem.