RF解密--什么是射頻衰減器？
2022-11-01 13:25:54 ADI現場應用技術主管Anton Patyuchenko
衰減器是一種控制元件，主要功能是降低通過衰減器的信號強度。這種元件一般用于平衡信號鏈中的信號電平、擴展系統的動態范圍、提供阻抗匹配，以及在終端應用設計中實施多種校準技術。
本文延續之前一系列短文，面向非射頻工程師講解射頻技術。ADI將在文中探討IC衰減器，并針對其類型、配置和規格提出一些見解，旨在幫助工程師更快了解各種IC產品，并為終端應用選擇合適的產品。該系列的相關文章包括：“為應用選擇合適的RF放大器指南”、“如何輕松選擇合適的頻率產生器件”和“RF解密–了解波反射”。
從關鍵功能這個角度，衰減器可以分為固定衰減器和可變衰減器，前者的衰減電平保持不變，后者的衰減電平可調。根據可變衰減器支持的衰減控制方式，還可以進一步細分為電壓可變衰減器(VVA)和數字步進衰減器(DSA)，前者采用模擬控制技術，后者采用數字控制技術。
VVA可以持續調節衰減電平，電平可以設置為給定范圍內的任何值。對于自動增益控制電路、校準校正以及其他需要平穩、精確地控制信號的處理功能，通常采用模擬可變衰減器。
數字步進衰減器采用一組離散衰減電平，可以按照預先設置的衰減步長調節信號強度。數字控制RFIC衰減器具有可兼容微控制器的控制接口，并提供出色的解決方案，可用于在復雜設計中保持功能完整性。
衰減器IC可以使用電阻、PIN二極管、FET、HEMT和CMOS晶體管，并通過GaAs、GaN、SiC或CMOS技術來實現。圖1顯示了構成各種衰減器設計配置的三種基本拓撲：T型、π型和橋接T型網絡。
圖1.基本的衰減器拓撲：(a) T型，(b) π型，(c)橋接T型網絡。
固定值衰減器利用通過薄膜和厚膜混合技術實現的這些核心拓撲來提供固定衰減電平。
VVA一般使用T型或π型配置，二極管或晶體管元件工作在非線性電阻區。利用基本元件的電阻特性，通過改變控制電壓來調節所需的衰減電平。
DSA通常采用代表單個位的多個級聯單元，它們可以輸入或輸出，以實現所需的衰減電平。圖2顯示了DSA設計使用的幾種配置示例。其中包括：采用了集成SPDT開關，可通過衰減器和直通線來切換輸入和輸出端口的配置；開關調節器件設計，使用晶體管或二極管作為可調電阻；開關電阻配置，電阻可以切換，在電路中作為輸入或輸出；以及器件嵌入式設計，晶體管或二極管是該設計的組成部分。
圖2.DSA設計配置示例：(a) π型配置，采用集成開關，(b)開關調節FET配置，(c)開關電阻配置，(d)FET嵌入式配置。
衰減器拓撲可以用在反射或平衡類型的設計中，原理圖如圖3所示。反射型器件使用同等衰減器，它們連接至3dB正交耦合器的輸出端，一般提供寬動態范圍。平衡配置使用兩個3dB正交耦合器連接一對完全相同的衰減器，以提供出色的VSWR和功率處理能力。
圖3.(a)反射型和(b)平衡型衰減器設計拓撲。
除了本文中描述的主要設計配置之外，還可使用其他類型的電路來實現IC衰減器元件；但是，本文對這些內容不做討論。
為了針對終端應用選擇合適的衰減器，工程師必須深入了解其主要規格。除了衰減功能和一些基本參數（例如插入和回波損耗）之外，還有許多其他特性也可用于描述衰減器元件，主要包括：
? 頻率范圍(Hz)：IC保持其指定特性的頻率
? 衰減(dB)：超過插入損耗的抑制量
? 頻率響應：整個頻率范圍(Hz)內衰減電平(dB)的變化
? 衰減范圍(dB)：該元件提供的總衰減值
? 輸入線性度(dBm)：通常使用3階交調點(IP3)表示，IP3定義輸入功率電平的假設點，在該點相應雜散分量的功率將達到與基波分量相同的水平
? 功率處理(dBm)：通常使用輸入1dB壓縮點表示，該點定義了衰減器的插入損耗降低1dB時的輸入功率電平；功率處理特性一般針對穩態和熱切換模式下的平均和峰值輸入功率電平來確定
? 相對相位（度）：由衰減器元件引入信號中的相位偏移
除了這些常用參數之外，還使用開關特性來描述可變衰減器，通常以ns為單位來描述上升時間和下降時間、導通和關斷時間，以及RF輸出信號的幅度和相位建立時間。此外，每種類型的可變衰減器都有其固有特性。
對于VVA，它們與其模擬控制操作相關，包括：
? 電壓控制范圍(V)：在衰減范圍內調節衰減電平所需的電壓
? 控制特性一般用衰減斜率(dB/V)和性能曲線表示，從中可以看出，衰減電平與控制電壓成函數關系
對于DSA，其固有特性包括：
? 衰減精度（也稱為狀態誤差）(dB)：衰減電平相對于標稱值的變化極限
? 衰減步長(dB)：任何兩個連續衰減狀態之間的變化量
? 步進誤差(dB)：衰減步長相對于標稱值的變化極限
? 過沖、下沖(dB)：狀態轉換期間的信號瞬變電平（毛刺）
良好的衰減器元件通常需要在工作頻率范圍內提供平坦的衰減性能和出色的VSWR，提供足夠的精度和功率處理能力，并確保在狀態轉換期間實現平穩、無毛刺運行（信號僅少量失真），或者是提供線性控制特性。
IC衰減器元件的多樣性當然不限于本文中討論的這些，還可以找出其他類型的IC，包括基于頻率的相位補償衰減器、溫度可變衰減器、帶集成式DAC的可編程VVA等。本文僅介紹了一些常見的IC衰減器類型，主要探討其采用的拓撲和關鍵規格，以幫助RF設計人員為終端應用選擇合適的元件。
ADI公司提供非常豐富的集成式RF元件。ADI的衰減器IC提供多種架構和尺寸選項，設計人員可以根據系統要求靈活選擇合適的產品。這些產品旨在提供出色的性能，實現高度可靠的運行，以滿足儀器儀表、通信、軍用和航空市場各種應用的嚴苛要求。
Anton Patyuchenko是一名擁有超過15年行業經驗的RF專家。他于2007年獲得慕尼黑技術大學微波工程碩士學位。畢業之后，Anton曾在DLR微波雷達所擔任助理研究員。他于2015年加入ADI公司，目前擔任現場應用技術負責人，重點關注RF技術。
