تضعیف کننده متغیر: انواع و کاربردها

 

A تضعیف کننده متغیریک جزء RF/مایکروویو غیرفعال یا فعال است که برای کاهش دامنه سیگنال به میزان قابل کنترلی طراحی شده و در عین حال تطابق امپدانس قابل قبولی را در پهنای باند عملیاتی خود حفظ می کند. برخلاف تضعیف‌کننده‌های ثابت، که یک تلفات درج از پیش تعیین‌شده را ارائه می‌کنند، تضعیف‌کننده‌های متغیر امکان تنظیم-مستمر یا گسسته{2}}سطوح تضعیف معمولاً از نزدیک-صفر تا 30 دسی‌بل یا فراتر را، بسته به نیازهای توپولوژی و کاربرد، می‌دهند. این دستگاه در حلقه‌های کنترل بهره خودکار، تنظیم توان فرستنده، گسترش دامنه دینامیکی گیرنده و ابزار دقیق آزمایشی که دستکاری دقیق سطح سیگنال ضروری است، کاربرد حیاتی دارد.

چرا من اعتماد به برگه مشخصات را متوقف کردم

صادقانه می گویم: اولین تضعیف کننده متغیری که در یک طراحی مشخص کردم یک فاجعه بود. نه به این دلیل که قطعه خراب بود-صفحه داده عالی به نظر می‌رسید. 0.5 مراحل دسی‌بل، محدوده 31.5 دسی‌بل، DC تا 4 گیگاهرتز. چیزی که دیتاشیت بر آن تاکید نکرد، تغییر از دست دادن درج در دما بود. ما در حال ساخت یک واحد بیرونی برای یک سیستم بک هال بی سیم بودیم. تست تابستان به خوبی انجام شد. در ژانویه در مینه‌سوتا، چیزی 1.8 دسی بل در حداکثر تضعیف کاهش داشت. حلقه AGC در تلاش برای جبران شکست خورد.

این درس برای ما یک چرخش تخته و شش هفته هزینه داشت. حالا قبل از اینکه به محدوده تضعیف نگاه کنم، سه چیز را بررسی می کنم:

از دست دادن درج در حداقل حالت تضعیف. این جریمه پایه شما است-شما همیشه آن را پرداخت می‌کنید.

دلتای از دست دادن درج در سراسر محدوده دمایی کامل. معمولاً در صفحه 14 دیتاشیت مدفون است.

VSWR درهمهحالت‌های کاهش، نه فقط حالتی که{0}}برای صفحه اول انتخاب کردند.

همه چیز ثانویه است.

دیود پین: اسب کاری با ویژگی های عجیب و غریب

اکثر مهندسان RF ابتدا به سراغ تضعیف کننده های دیود پین می روند و دلیل خوبی هم دارد. فیزیک ظریف است: تزریق جریان به ناحیه ذاتی، رسانایی افزایش می یابد، مقاومت RF کاهش می یابد. بایاس را معکوس کنید و امپدانس بالایی بدست می آورید. تعدادی از اینها را در یک شبکه پی یا سه با تطبیق مناسب رشته کنید، و شما تضعیف متغیر پیوسته را که توسط یک ولتاژ یا جریان DC کنترل می شود، دریافت می کنید.

محدوده فرکانس واقعاً چشمگیر است. DC تا 40 گیگاهرتز با طراحی خوب قابل دستیابی است. برخی از قطعات تخصصی از 50 گیگاهرتز عبور می کنند. Skyworks SKY12347-362LF، که من احتمالاً در چندین طرح از آن استفاده کرده ام، DC تا 6 گیگاهرتز را با حدود 32 دسی بل برد را پوشش می دهد. بخش جامد. هیجان انگیز نیست، اما محکم.

این چیزی است که آنها در یادداشت های برنامه به شما نمی گویند: دیودهای پین دارای اثر حافظه در فرکانس های پایین هستند. زیر حدود 10 مگاهرتز، شارژ ذخیره شده در ناحیه ذاتی بین چرخه های RF به اندازه کافی سریع پاک نمی شود و تضعیف شما وابسته به سطح سیگنال-می شود. من شاهد جهش اعوجاج مرتبه سوم 15 دسی بل در طرحی بودم که قرار بود 1 مگاهرتز تا 2 گیگاهرتز را مدیریت کند. راه حل اضافه کردن یک فیلتر بالا-در ورودی{10}} بود که معمار سیستم از آن راضی نبود.

ضریب دما یکی دیگر از موارد است. تضعیف‌کننده‌های پین کنترل‌شده فعلی-تغییر می‌کنند زیرا مقاومت دیود-در برابر-منحنی جریان با دما تغییر می‌کند. نسخه های کنترل شده با ولتاژ{5} کمی بهتر هستند اما مصون نیستند. بودجه 0.02-0.05 دسی بل / درجه برای اهداف برنامه ریزی. در یک برنامه اندازه گیری دقیق، این قابل چشم پوشی نیست.

تضعیف کننده های دیجیتال استپ

حیوان کاملا متفاوت DSA ها با استفاده از سوئیچ های FET یا MEMS بین بخش های تضعیف کننده ثابت سوئیچ می کنند. شما یک کلمه دیجیتال موازی یا سریال ارسال می کنید و قسمت انتخاب می کند که کدام ترکیب از پدهای مقاومتی در مسیر سیگنال قرار دارند.

خوبی: تکرار پذیری استثنایی است. حالت 01101 امروز، فردا و سال آینده همان تضعیف را به شما می دهد. یکنواختی با طراحی تضمین می شود-هر بیت افزایش مشخص شده خود را اضافه می کند. سرعت سوئیچینگ از نانوثانیه (GaAs FET) تا میکروثانیه (MEMS) متغیر است که برای کنترل توان انفجاری TDMA به اندازه کافی سریع است.

بد: شما با مراحل گسسته گیر کرده اید. یک DSA 6-بیتی وضوح 0.5 دسی بل را به شما می دهد، که تا زمانی که به 7.3 دسی بل نیاز داشته باشید خوب به نظر می رسد و باید بین 7.0 و 7.5 را انتخاب کنید. در یک حلقه AGC، این کوانتیزاسیون چرخه های حد ایجاد می کند. این حلقه برای همیشه بین دو ایالت شکار می‌کند و هرگز حل نمی‌شود. من این را با اضافه کردن یک VVA آنالوگ با برد کوچک بعد از DSA-crude "حل" کرده ام، اما کار می کند.

زشت: اشکال در حین انتقال بیت. هنگامی که یک DSA از 01111 (15.5 دسی بل) به 10000 (16 دسی بل) تغییر می کند، یک لحظه-شاید 5 ns، شاید 50 ns{8}} وجود دارد که سوئیچ های داخلی بین حالت ها قرار می گیرند و تضعیف به جایی می رسد که تعریف نشده است. معمولاً از هر دو نقطه پایانی پایین‌تر است، به این معنی که یک نوک پاور به تقویت‌کننده پایین‌دست شما برخورد می‌کند. PE43711 از pSemi با معماری "کمتر" اشکال، بهتر از بسیاری از آنها مدیریت می کند، اما جادو نیست. هنوز انرژی گذرا هست

بیت ها، LSB ها و چرا قطعات 7 بیتی وجود دارند

یک تضعیف کننده 6 بیتی با LSB 0.5 دسی بل محدوده 31.5 دسی بل را می دهد. کاملا استاندارد.

پس چرا قطعات 7-بیتی وجود دارد؟ دو دلیل اول، رزولوشن بهتر: مراحل 0.25 دسی بل به شما امکان می دهد بهره سیستم را با دقت بیشتری اصلاح کنید. دوم-و این کمتر واضح است-بیت اضافی را می توان برای افزونگی استفاده کرد. برخی از تولیدکنندگان به شما اجازه می‌دهند بین استفاده از تمام 7 بیت برای مراحل 0.25 دسی‌بل یا استفاده از 6 بیت برای گام‌های 0.5 دسی‌بل با بیت هفتم به‌عنوان «تریم ظریف» که کل منحنی را جبران می‌کند، انتخاب کنید. برای جبران تغییرات قطعه به قطعه در تولید مفید است.

Peregrine (اکنون pSemi) پیشگام فرآیند UltraCMOS بود که DSAهای سیلیکونی با کارایی بالا- را قابل دوام ساخت. قبل از آن، اگر پهنای باند جدی می‌خواستید، GaAs می‌خریدید، که به معنای منابع $$$ و 5V بود. PE4312 و فرزندان آن DSA های 50 اهم را به زمین 3.3 ولت CMOS آوردند. اقتصاد بسیاری از طرح ها را تغییر داد.

MEMS: وعده و انتظار

سیستم‌های میکروالکترومکانیکی قول دادند که تضعیف RF را متحول کنند. سوئیچ های فیزیکی کوچک، اساساً زمانی که بسته هستند عالی هستند، اساساً وقتی باز هستند باز می شوند. بدون انگل های نیمه هادی تماس اهمی

تئوری پابرجاست. تضعیف کننده های MEMS به از دست دادن درج و خطی بودن دست می یابند که سیلیکون نمی تواند آن را لمس کند. دستگاه های آنالوگ ADRF5720 تا فرکانس 40 گیگاهرتز با کاهش 1.5 دسی بل کار می کند. آن را با یک سوئیچ FET امتحان کنید.

اما-و این یک موضوع بزرگ است، اما-قابلیت اطمینان همچنان بحث برانگیز است. سوئیچ های MEMS به صورت فیزیکی حرکت می کنند. قطعات متحرک فرسوده می شوند. سازندگان ادعا می کنند که میلیاردها چرخه وجود دارد و در شرایط آزمایشگاهی خوش خیم احتمالاً آنها را دریافت می کنند. در یک برنامه با چرخه حرارتی، رطوبت، ارتعاش؟ من شک دارم من دقیقاً یک تضعیف کننده MEMS را در طراحی تولیدی که روی آن کار کرده‌ام دیده‌ام، و آن در یک ابزار آزمایشی بود که در آن نرخ سوئیچینگ شاید چند بار در ثانیه بود. برای یک ایستگاه پایه سلولی که هزاران تنظیم توان را در ثانیه انجام می دهد... پنج سال دیگر دوباره از من بپرسید.

مشکل بسته بندی هم هست دستگاه های MEMS نیاز به آب بندی هرمتیک دارند یا هوای مرطوب وارد می شود و اشیا خورده یا می چسبند. بسته های هرمتیک هزینه دارد. کل گزاره ارزش زمانی شروع به تکان خوردن می کند که "15 دلار MEMS die" شما در یک "بسته هرمتیک 8 دلاری" با "هزینه مونتاژ 12 دلار" عرضه می شود.

تضعیف کننده های مکانیکی: هنوز نمرده اند

به هر آزمایشگاه تست RF بروید و در ردیف کالیبراسیون، تضعیف کننده پره های چرخشی را خواهید یافت. این جانوران موجبر{1}}از لحاظ فیزیکی یک کارت مقاومتی را می‌چرخانند تا میزان سیگنال رهگیری آن را تغییر دهند-دقتی را ارائه می‌دهند که تضعیف‌کننده‌های الکترونیکی برای مطابقت با آن تلاش می‌کنند.

سری Weinschel 953. Hewlett-Packard 355C/D (بله، HP، نه Agilent یا Keysight{4}}این چیزها قدیمی هستند و هنوز کار می کنند). واحدهای هدایت موج دقیق مایکروویو Flann. آنها سنگین، کند، گران و کاملاً قابل اعتماد هستند. وقتی به یک مرجع 40 دسی بل با دقت 0.1 ± دسی بل از 18 تا 26.5 گیگاهرتز نیاز دارید، به دنبال نیمه هادی نیستید.

برای استفاده روی میز، تضعیف‌کننده‌های پله دستی با کلیدهای{0}}توقف به طرز عجیبی مرتبط باقی می‌مانند. یک Kay 1/839 قدیمی را می توان با قیمت 50 دلار در eBay داشت و گام های 1 دسی بل تا 79 دسی بل را با تطابق بهتری نسبت به اکثر DSA های یکپارچه ارائه می دهد. اتصالات به هم تلفاتی را اضافه می کنند که برای کالیبره کردن نیاز دارید، اما برای آزمایش های سریع، آنها عالی هستند.

من یک JFW 50R-142 را در کشوی میز خود نگه می دارم. کواکسیال 50 اهم ثابت، دارای رتبه DC-2 گیگاهرتز، گام‌هایی از 0 تا 110 دسی‌بل با افزایش 1 دسی‌بل. سوئیچ ها شبکه های مقاومتی دقیق هستند، نه نیمه هادی ها. این مانند یک تانک ساخته شده است و از من دوام خواهد آورد.

تضعیف کننده های متغیر نوری (VOA)

دنیای متفاوت در سیستم های فیبر، تضعیف در لایه نوری مدیریت می شود و مکانیسم ها شگفت انگیز هستند.

VOA مبتنی بر MEMS{0}}از آینه کج استفاده کنید نور از فیبر ورودی وارد می شود، به آینه برخورد می کند، به سمت فیبر خروجی منعکس می شود. آینه را کمی کج کنید و مقداری نور هسته خروجی را از دست می دهد. آن را بیشتر کج کنید، نور بیشتری را از دست می دهد. کنترل آنالوگ، سرعت معقول، تکرارپذیری عالی. DiCon MEMS VOA اساساً استاندارد صنعت برای یک دهه بود.

کریستال مایع VOAاز قطبی شدن استفاده کنید کریستال مایع حالت قطبش نور عبوری را می چرخاند. سپس یک پلاریزه بر اساس زاویه چرخش ضعیف می شود. هیچ قطعه متحرکی وجود ندارد. کندتر از MEMS، اما از نظر مکانیکی ضد گلوله.

همچنین وجود داردگریتینگ فیبر متغیر براگرویکردها وجذب الکترونیکی-کنترل شدهدر الیاف تخصصی، اما اینها طاقچه هستند. اکثر VOA های مخابراتی که با آنها روبرو می شوید MEMS یا LC هستند.

از دست دادن درج در اینجا به شدت اهمیت دارد زیرا اغلب در زنجیره ای از دهانه های تقویت شده قرار دارید. هر 0.5 دسی بلی که در VOA تلف می کنید 0.5 دسی بل OSNR است که هرگز به آن بر نمی گردید. MEMS VOAهای خوب به IL زیر 0.8 دسی بل می رسند. موارد ارزان قیمت به 1.5 دسی بل یا بدتر می رسد.

نکات انتخاب عملی

قطعاتی که من واقعاً استفاده می کنم

اینها تاییدیه نیستند-من هیچ رابطه مالی با هیچ سازنده‌ای ندارم-فقط مشاهده‌ای از ساخت‌هایی که ارسال شده است.

برایDSA های زیر 6 گیگاهرتز: pSemi PE43711 (31.5 دسی بل، گام های 0.25 دسی بل، مقاوم در برابر خطا) یا PE4312 ارزان تر (31.5 دسی بل، گام های 0.5 دسی بل). هر دو کار می کنند. هر دو خصلت هایی دارند هر دو به اندازه کافی سابقه بازار دارند که اشتباهات آن مشخص است.

برایتضعیف مداوم (VVAs): سری Mini-مدارهای ZX76 زمانی که بودجه اجازه می‌دهد. Skyworks SKY12347 در حالی که اینطور نیست. هیچکدام از نظر دما کامل نیستند. بر این اساس برنامه ریزی کنید.

برایhigh frequency (>20 گیگاهرتز): راستش با سازنده تماس می گیرم و صحبت می کنم. دستگاه های آنالوگ و قروو هر دو دارای قطعات هستند، انتخاب پراکنده است و انتخاب "درست" به شدت به نیازهای خاص شما بستگی دارد. این لوازم الکترونیکی مصرفی-در موج میلیمتری نیست، همه چیز سفارشی است.

برایمخابرات نوری: DiCon و Agiltron قابل اعتماد بوده اند. JDS Uniphase (اکنون Viavi) چیزهای خوبی تولید می کند اما خطوط تولید از طریق خریدهای مختلف از هم جدا شده است. اکنون قبل از اینکه متعهد شوید، بررسی کنید که واقعاً چه کسی قطعه را سرویس می کند.

حالت های شکست هیچ کس درباره آن صحبت نمی کند

ESD تضعیف کننده های نیمه هادی را از بین می برد. این خبری نیست آنچه کمتر مورد بحث قرار گرفته است: شکست می تواند ظریف باشد. من قطعاتی را دیده‌ام که هنوز پس از یک رویداد ESD "کار می‌کنند" اما خطی بودنشان کاهش یافته یا کالیبراسیون تضعیف تغییر یافته است. اگر سیستم شما به طور ناگهانی در تست EMC شش ماه پس از تولید با شکست مواجه شد و چیزی را تغییر ندادید، به تضعیف کننده مراجعه کنید. به خصوص اگر خانه مونتاژ شما رویه های جابجایی را تغییر داده باشد.

دیودهای پین به خوبی از کار می‌افتند-تضعیف حرکت می‌کند، اعوجاج افزایش می‌یابد-اما به ندرت ناگهانی می‌میرند. سوئیچ های FET در DSA ها به سختی از کار می افتند. یک سوئیچ کوتاه است، تضعیف شما تا 4 دسی بل اشتباه است، و مگر اینکه نظارت کنید، سیستم به طرز مرموزی بد رفتار می کند.

خرابی های MEMS معمولاً خرابی های "گیر" هستند. سوئیچ تغییر را متوقف می کند. بسته به موقعیتی که در آن قرار می گیرد، یا یک کانال مرده یا یک مسیر دائمی-دریافت می کنید. تجهیزات تست با تضعیف کننده های MEMS باید به طور منظم تمرین شوند. سوئیچ هایی که برای ماه ها در یک موقعیت قرار می گیرند، می توانند "چسبندگی" ایجاد کنند.

چیزی که من هنوز نمی دانم

من جدی باهاش ​​کار نکردمبر پایه فریت-تضعیف کننده های متغیر این تئوری-از لحاظ مغناطیسی-جذب تنظیم شده- جالب است، اما قطعاتی که من دیده‌ام بزرگ، انرژی-هستند (مغناطیس الکتریکی به جریان نیاز دارد) و محدود به اجرای موجبر است. ممکن است برنامه هایی وجود داشته باشند که در آن ایده آل هستند. من شخصاً با یکی از آنها برخورد نکرده ام.

بر پایه گرافن-تضعیف کننده ها در ادبیات دانشگاهی وجود دارند. ظاهراً تنظیم پذیری از تغییر سطح فرمی و در نتیجه رسانایی ناشی می شود. من معتقدم زمانی که Digi{3}}Key آن را سهام‌دار کند-آماده تولید است.

کار روی هم هستفاز-تغییر موادبرای سوئیچینگ و تضعیف RF ایده این است که مواد خاصی را می‌توان با استفاده از پالس‌های حرارتی بین حالت‌های آمورف و کریستالی جابه‌جا کرد، با خواص RF بسیار متفاوت در هر حالت. روزهای اولیه

بنابراین این چشم انداز است که من می بینم: دیودهای پین برای کنترل آنالوگ، DSA برای دقت دیجیتال، MEMS برای زمانی که به بهترین مشخصات مطلق نیاز دارید، مکانیکی برای کالیبراسیون و اندازه شناسی، نوری برای سیستم های فیبر. هر کدام سازش هایی دارند. هیچکدام جهانی نیست. بهترین مهندسانی که من می شناسم، فناوری را بر اساس آنچه که می توانند شکست را تحمل کنند، انتخاب می کنند، نه فقط بر اساس آنچه در روز اول بهترین کار را انجام می دهد.

اگر از این موضوع یک چیز را در نظر بگیرید: روی دما تست کنید. در گوشه های محدوده میرایی تست کنید. در فرکانس‌هایی که واقعاً به آن‌ها اهمیت می‌دهید، تست کنید، نه فقط جایی که برگه داده زیباتر به نظر می‌رسد. قطعه ای که در 25 درجه و 1 گیگاهرتز کاملاً کار می کند ممکن است در -20 درجه و 5.8 گیگاهرتز به شما خیانت کند.

از من بپرس از کجا می دانم.