簡(jiǎn)介

模擬衰減器在射頻以及微波網(wǎng)絡(luò)方面得到了很廣泛的應(yīng)用。無(wú)論是采用砷化鎵微波集成電路（GaAs MMICs）還是采用PIN管的網(wǎng)絡(luò)，它們都是通過(guò)電壓來(lái)控制射頻信號(hào)的功率的。在商業(yè)應(yīng)用中，比如蜂窩電話(huà)網(wǎng)，個(gè)人通信網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線局域網(wǎng)以及便攜式無(wú)線電等，衰減器的造價(jià)是設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要因素。本文描述了一種利用塑膠封裝的表面貼片設(shè)計(jì)的低造價(jià)、寬頻帶的PIN管Pi型衰減器。

背景

圖1描繪了基本的Pi型衰減器以及它的設(shè)計(jì)方程。調(diào)整分流電阻R1和串聯(lián)電阻R3以滿(mǎn)足衰減值A(chǔ)=20 log(K)，同時(shí)提供與系統(tǒng)特性阻抗匹配的輸入輸出阻抗。當(dāng)PIN管工作在高于其截止頻率fc（見(jiàn)附錄A）時(shí)，它可以用作為流控可變電阻。故可用三個(gè)PIN管代替Pi型電路中的固定電阻來(lái)構(gòu)造一個(gè)可變衰減器。

作為一個(gè)例子，圖2給出了一個(gè)由三個(gè)PIN管構(gòu)成的衰減器，這個(gè)電路在10MHZ到500MHZ的頻率范圍內(nèi)有良好的性能。然而，在Pi型電路中用三個(gè)PIN管作為三個(gè)可變電阻導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)的不對(duì)稱(chēng)，這就使偏置電路相當(dāng)復(fù)雜。

4個(gè)PIN管組成的Pi型衰減器

如圖3，如果用兩個(gè)PIN管來(lái)代替電阻R3，會(huì)有很多好處。首先，由于網(wǎng)絡(luò)的最大隔離度是由串聯(lián)的PIN管決定的，用兩個(gè)PIN管取代一個(gè)管子將提高衰減的最大值，或是在一定的衰減量下使頻率上限增加一倍。第二，代替串聯(lián)電阻的兩個(gè)PIN管180度反相工作，使得偶數(shù)階的非線性產(chǎn)物得以抵消。第三，構(gòu)成的衰減器網(wǎng)絡(luò)是對(duì)稱(chēng)的，而且偏置電路非常簡(jiǎn)單。V+是一固定電壓，Vc是控制網(wǎng)絡(luò)衰減量的可變電壓。采用兩個(gè)串聯(lián)PIN管代替一個(gè)管子的唯一負(fù)面影響就是導(dǎo)致插損的輕微增加，合計(jì)小于0.5dB。R1和R2分別作為串聯(lián)PIN管D2和D3的偏流電阻，它們必須做得足夠高以減小插損；然而，如果它們作得太高，就需要非常高的控制電壓Vc。如果設(shè)計(jì)者不需要很大的帶寬的話(huà)，可以通過(guò)在R1和R2及RF線之間加裝一些扼流圈來(lái)改善插損特性，這些電感可以降低網(wǎng)絡(luò)射頻部份的電阻。R3和R4的選擇視具體的PIN管而定；選擇合適的話(huà)，它們將在串聯(lián)與并聯(lián)的PIN管之間提供恰當(dāng)?shù)碾娏鞣峙洌员３衷谡麄€(gè)衰減動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的良好的阻抗匹配特性。雖然我們可以通過(guò)分析計(jì)算來(lái)確定R1和R4的阻值，但由經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定它們顯然更快更簡(jiǎn)單。

惠普的HSMP-3810系列表面裝置PIN二極管有良好的線性，較低的截止頻率和較低的價(jià)格。為了節(jié)省成本和板子空間，我們選擇了兩個(gè)共陰極的HSMP-3814來(lái)代替四個(gè)單獨(dú)的HSMP-3810 PIN管。在選擇了管子，V+=5V及0≤Vc≤15V后，R1和R4可以由經(jīng)驗(yàn)值確定。測(cè)試電路中所有組件的指標(biāo)都在圖3中給出。

如圖5示，衰減器裝在一個(gè)2平方英尺的0.032’’厚的HT-2 PC板上。這種材料相對(duì)傳統(tǒng)的FR4有較高的性能，在附錄B中對(duì)它有詳細(xì)的介紹。使用貼片電阻和電容，如圖5所示，完整的衰減器占用了0,5平方英尺的空間。

測(cè)試結(jié)果

圖6給出了不同控制電壓值下測(cè)量的衰減量與頻率的關(guān)系曲線。在300KHZ到3GHZ范圍內(nèi)獲得了良好的性能。圖7給出了在Vc取最大值和最小值時(shí)回波損耗與頻率的關(guān)系曲線。Vc取其它值時(shí)，回波損耗將更高，Vc=0時(shí)的數(shù)據(jù)是最壞情況下的結(jié)果。圖8給出了在一系列頻率下衰減量與控制電壓之間的關(guān)系曲線。最后，圖9給出了衰減器的交調(diào)失真曲線。數(shù)據(jù)以三階截取點(diǎn)給出，關(guān)于截取點(diǎn)的詳細(xì)解釋?zhuān)?qǐng)參考附錄C。

結(jié)論

從測(cè)試數(shù)據(jù)中，我們可以看出，4個(gè)PIN管的Pi型衰減器提供了很好的匹配特性，和在極寬的頻帶下的很平坦的衰減度。此外由于使用表面貼片設(shè)計(jì)，它還有低成本的優(yōu)點(diǎn)。

附錄A-PIN管的截止頻率

PIN管通常當(dāng)作流控RF電阻使用。然而，這個(gè)模型僅在管子工作在其截止頻率fc以上才準(zhǔn)確，fc=1/2πτ，其中τ是管子中少數(shù)載流子的生存周期。工作在十倍于fc的頻率上，PIN管可以準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)為一個(gè)流控電阻，相當(dāng)于一個(gè)小的結(jié)電容（忽略管殼的寄生電容參量）。在0.1fc以下的頻率工作時(shí)，PIN管的特性就相當(dāng)于一個(gè)PN結(jié)二極管。當(dāng)工作在0.1fc到10fc之間時(shí),它的特性變得非常復(fù)雜;通常它表現(xiàn)為一個(gè)隨頻率變化的電阻,隨電流變化的電感或電容。另外,在這個(gè)頻率范圍內(nèi)工作時(shí),管子的非線性特性較差。HSMP-3810系列的管子τ=1500nsec，故截止頻率為100KHZ。這個(gè)管子應(yīng)在1MHZ以上頻率工作時(shí)表現(xiàn)為一個(gè)隨頻率變化的純電阻。然而，由于管子被優(yōu)化用于寬帶的衰減器，所以它在fc以下工作時(shí)的特性仍然很好，圖6給出了工作在300KHZ時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)。
附錄B-板子材料

許多印刷板通常采用這兩類(lèi)材料：FR4和PTFE（聚四氟氯乙烯）。前者的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性較好，而且價(jià)格較低。但是，它引入的損耗很高，而且介電常數(shù)難以控制，有很強(qiáng)的頻率依賴(lài)性。后者的射頻特性很好，但是價(jià)格昂貴，機(jī)械強(qiáng)度差，不能勝任表面貼片技術(shù)（SMT）。惠普公司的新式HT-2板材較FR4穩(wěn)定，并提供了更高的溫度特性，而且它的介電常數(shù)可控，插入損耗是FR4的一半。這些特性使得微帶電路能夠更理想地工作在6GHZ以上。
附錄C-（三階）截取點(diǎn)

在眾多的非線性產(chǎn)品中，互調(diào)干擾是一個(gè)棘手的問(wèn)題。與諧波干擾不同的是，互調(diào)干擾是當(dāng)兩個(gè)或以上的等幅信號(hào)同時(shí)加在一個(gè)非線性器件上時(shí)（如PIN管）產(chǎn)生的多頻點(diǎn)產(chǎn)物。它們的頻率取決于輸入信號(hào)的幅度。在某些工業(yè)場(chǎng)合，輸入的信號(hào)可能在10個(gè)以上，這時(shí)進(jìn)行測(cè)試和分析都很復(fù)雜。為了簡(jiǎn)化這一問(wèn)題，許多半導(dǎo)體廠商采用二頻法測(cè)量，即用兩個(gè)等幅且頻率間隔較小的信號(hào)加在非線性器件上。已知這兩個(gè)信號(hào)的頻率f1和f2，我們可以通過(guò)下公式來(lái)算出一系列重要的互調(diào)產(chǎn)物
Kf1±Kf2
其中K,M=1,2,3,……
交調(diào)產(chǎn)物由下式給出：
N=K+M
在公式描述的無(wú)數(shù)的互調(diào)產(chǎn)物中，三階交調(diào)產(chǎn)物尤為重要，因?yàn)樗嬖谟趦稍夹盘?hào)f1和f2的頻帶內(nèi)，而且不能被濾波器濾除。

圖10給出了所有交調(diào)產(chǎn)物的隨輸入信號(hào)功率變化的曲線，可以看出當(dāng)信號(hào)功率

增長(zhǎng)1dBm時(shí)，二階產(chǎn)物將增長(zhǎng)2dBm，三階產(chǎn)物將增長(zhǎng)3dBm。既然交調(diào)產(chǎn)物的電平依賴(lài)輸入信號(hào)的電平而變化，我們就可以用一個(gè)虛構(gòu)的常數(shù)——截取點(diǎn)，來(lái)表征交調(diào)產(chǎn)物的大小。這一點(diǎn)就是基波信號(hào)曲線的延長(zhǎng)線同交調(diào)產(chǎn)物曲線延長(zhǎng)線的交點(diǎn)。在進(jìn)行非線性失真測(cè)量中，輸入信號(hào)功率和非線性產(chǎn)物輸出功率是最容易測(cè)出的。而且輸入功率截取點(diǎn)隨衰減量變化很小，所以輸入功率截取點(diǎn)是一個(gè)最常用的指標(biāo)。通過(guò)它我們可以簡(jiǎn)單地用一個(gè)數(shù)字來(lái)表示一個(gè)給定類(lèi)型的非線性器件的特性。輸入功率截取點(diǎn)的公式如下：
IPin=[N(Pin-a)-Pdist]/(N-1)+a，單位dBm
其中N=非線性產(chǎn)物的階數(shù)，所有的功率以dBm計(jì)算。