eng
Выпуск #4/2017
В.Кочемасов, Л.Белов
Аттенюаторы с электронным управлением – производители и характеристики
Аттенюаторы с электронным управлением – производители и характеристики
Просмотры: 4300
Рассмотрены аттенюаторы СВЧ-диапазона с электронным управлением. Приведена информация о параметрах и особенностях таких аттенюаторов, выпускаемых различными производителями.
УДК 621.389
ВАК 05.27.00
DOI: 10.22184/1992-4178.2017.164.4.82.95
УДК 621.389
ВАК 05.27.00
DOI: 10.22184/1992-4178.2017.164.4.82.95
Теги: attenuator frequency range insertion attenuation аттенюатор вносимое ослабление диапазон частот
Изменение ослабления при помощи электрического сигнала позволяет строить быстродействующие и автоматизированные измерители параметров СВЧ-трактов, системы автоматической регулировки уровня мощности, амплитудные модуляторы и др.[1]
Наряду с характеристиками, общими для всех аттенюаторов СВЧ-диапазона (рабочие частоты, ослабление сигнала, входная мощность, КСВН и др.), в устройствах с электронным управлением важным параметром является быстродействие. Для его оценки необходимо учитывать сочетание длительности процессов нарастания и спада управляющего сигнала, процессов установления и спада огибающей мощности радиочастотного сигнала (рис.1). Длительность включения tвкл. (on time) определяется как время от момента прохождения управляющим сигналом границы 50% между логическими уровнями до момента достижения 90% выходной радиочастотной мощности, а длительность выключения tвыкл. (off time) – как время от момента прохождения управляющим сигналом границы 50% между логическими уровнями до момента достижения 10% уровня выходной радиочастотной мощности.
Введение электронного управления ослаблением приводит к появлению дополнительных требований по оценке линейности характеристики управления и уровня пассивных интермодуляционных искажений (ПИМ). В качестве меры линейности зависимости ослабления от управляющего воздействия часто принимают среднеквадратичное отклонение крутизны этой характеристики от постоянного значения в интервалах допустимых значений ослабления, температур и рабочих частот. Уровень радиочастотных искажений ПИМ оценивается в соответствии со стандартом IEC62037.
АНАЛОГОВЫЕ АТТЕНЮАТОРЫ
Традиционные схемы аттенюаторов могут быть выполнены на трех СВЧ-резисторах (рис.2). Для каждого значения ослабления предусмотрены параметры резисторов, которые обеспечивают 50-Ом согласование и низкий уровень КСВ в рабочей полосе частот. При замене пассивных резисторов на активные элементы (pin-диоды и полевые транзисторы, созданные по технологиям GaAs, КМОП, GaN, SiGe [2]), можно реализовать аттенюаторы с электронным управлением (рис.3). Например, при замене резисторов в схеме Т-образного аттенюатора (рис.2а) на pin-диоды (рис.3а) можно создать аттенюатор с максимальным ослаблением примерно 30 дБ. Последовательным соединением двух таких ячеек максимальное ослабление можно увеличить до 60 дБ. Здесь диоды D1 и D2 эквивалентны резисторам R1 и R2, а диод D3 – резистору R3 в схеме на рис.2а. Сопротивление pin-диодов зависит от подаваемых на них токов смещения. Соответствующим выбором этих токов для каждого значения ослабления обеспечиваются свои значения сопротивлений. По мере увеличения ослабления ток через диод D3 растет, а через диоды D1 и D2 падает. Помимо pin-диодов, в управляемых ячейках могут быть использованы и полевые транзисторы (рис.3б).
Управляемые током аналоговые аттенюаторы выпускаются как с нелинейной, так и с линейной зависимостью ослабления от тока управления. Лучшие модели линеаризаторов позволяют снизить погрешность установки ослабления до 3–5% от наибольшего ослабления. Однако надо иметь в виду, что включение линеаризаторов приводит к заметному увеличению энергопотребления и снижению быстродействия по цепи управления. Время переключения в линеаризованных аттенюаторах достигает десятков микросекунд. В нелинеаризованных изделиях оно может быть существенно меньше (около 100 нс). Исключительно малое время переключения (до 10 нс) обеспечивают модульные аттенюаторы компании G. T. Microwave, выпускающей изделия для диапазона частот 0,25–24 ГГц.
К числу компаний, специализирующихся на производстве аттенюаторов с токовым управлением, относится компания Advanced Control Components (сейчас входит в Aeroflex). Свои устройства она производит как на pin-диодах, так и на полевых GaAs-транзисторах. В основном изделия выпускаются в исполнении drop-in (в виде РЧ-вставок) и в корпусах с SMA-соединителями. Аттенюаторы этой компании могут быть использованы как в коммерческих, так и в космических применениях.
Большая часть управляемых током аналоговых аттенюаторов выпускается в модульном исполнении (табл.1). Однако встречаются изделия, выполненные по интегральной технологии (Alpha Industries).
Реализуются аналоговые аттенюаторы и в волноводном исполнении. Так, серия управляемых током волноводных устройств VVCA компании ELVA‑1 (рис.4), выполненных с использованием pin-диодов, перекрывает интервал частот от 18 до 170 ГГц, обеспечивая динамический диапазон управления ослаблением 0–60 дБ, мощность входного сигнала до 1 Вт и длительность переключения 25 мкс.
На практике чаще востребованы аналоговые аттенюаторы, управляемые напряжением, в состав которых входят управляемый током аттенюатор, линеаризатор и преобразователь "напряжение – ток". При этом обычно в аттенюаторе стараются обеспечить стандартное значение коэффициента передачи 10 дБ/В.
Количество фирм, выпускающих управляемые напряжением аттенюаторы в модульном исполнении (табл.2), весьма велико, их десятки. Еще больше число производимых ими моделей – тысячи. Широкую номенклатуру управляемых напряжением аттенюаторов в октавном и многооктавном диапазонах выпускает компания Custom Microwave Components. В зависимости от числа используемых ячеек (рис.5) динамический диапазон аттенюатора может достигать 30, 55 и 80 дБ. Зависимость ослабления от частоты для октавных и многооктавных моделей при различном числе последовательно соединенных ячеек показана на рис.6. Изделия доступны в виде модулей с SMA-соединителями или в исполнении drop-in, если они подключаются к полосковым или микрополосковым линиям. Аттенюаторы этой компании удовлетворяют самым жестким требованиям военных стандартов.
Коаксиальные и волноводные модели управляемых напряжением аттенюаторов представлены в линейке продукции компании Sage Millimeter. Диапазоны рабочих частот и ослаблений, а также вносимые потери (под этим термином подразумевается затухание сигнала при установке нулевого ослабления в аттенюаторе) согласуются с производителем при заказе. Время переключения для коаксиальных моделей составляет 100 нс, для волноводных – 20 нс.
Управляемые напряжением аттенюаторы в волноводном исполнении выпускаются также компаниями MI-WAVE и Millitech. Например, Millitech производит широкую линейку устройств серии VCA, перекрывающую диапазон частот от 18 до 100 ГГц. Максимальное вносимое ослабление составляет 20–40 дБ и зависит от выбранного диапазона частот и реализации схемы управления.
В качестве управляемых напряжением аттенюаторов могут быть также использованы устройства VCVA компании ELVA‑1 при введении в них внешнего драйвера, обеспечивающего преобразование напряжения в ток.
Большая часть аналоговых аттенюаторов рассчитана на малую входную мощность (менее 1 Вт). Поэтому представляют интерес устройства, поставляемые компанией RF-Lambda, работающие при входных мощностях 5–100 Вт.
В последнее время значительное количество управляемых напряжением аттенюаторов выпускается в интегральном исполнении (табл.3). Наиболее высокие результаты достигнуты компаниями Centellax, Hittite Microwave, MACOM, United Monolithic Semiconductors, Avago, RF Micro Devices. Так, например, сверхширокополосная (от постоянного тока до 50 ГГц) модель UVD50SC компании Centellax позволяет линейно менять ослабление от 3,6 до 35,5 дБ путем одновременного изменения двух напряжений с сохранением коэффициентов отражения на входе и выходе около –12 дБ. Этот чип-аттенюатор размером 1,64 Ч 0,92 Ч 0,10 мм реализован на pHEMT полевых транзисторах.
Широкополосный (0,05–18,00 ГГц) аттенюатор модели RFSA2113 компании RF Micro Devices с входной мощностью до 23 дБм отличается линейной характеристикой управления в пределах до 30 дБ с крутизной 23 дБ/В и встроенной схемой термокомпенсации. Аттенюатор выполнен в 16-выводном QFN-корпусе размером 3,20 Ч 3,20 Ч 0,18 мм.
ЦИФРОВЫЕ АТТЕНЮАТОРЫ
Эти устройства могут быть реализованы двумя способами: на основе последовательно включенных цифро-аналогового преобразователя и линеаризованного управляемого напряжением аттенюатора (рис.7); на основе каскадного соединения (рис.8а) ряда ослабляющих ячеек (рис.8б), переключаемых параллельным кодом.
Соответственно первые из них будем называть цифро-аналоговыми аттенюаторами, а вторые – цифровыми ступенчатыми (digital step) или цифровыми переключаемыми (digital switched) аттенюаторами.
В цифро-аналоговых аттенюаторах число разрядов управления определяется линейностью зависимости ослабления от управляющего напряжения и обычно не превышает восемь разрядов. Однако при использовании линеаризаторов на основе программируемых ПЗУ (EEPROM) и предварительной калибровке аттенюатора с использованием компьютера и векторного анализатора цепей число разрядов управления и динамический диапазон могут быть существенно увеличены. Например, в аттенюаторе A0R‑69N‑0AB компании G. T. Microwave в диапазоне частот 2–18 ГГц управление выполняется 12-разрядным двоичным кодом. При этом разрешающая способность составляет 0,03 дБ, динамический диапазон – 105 дБ и время переключения – 350 нс [3]. Многие производители (PMI, AMC, Kratos др.) на базе ослабляющих ячеек (см. рис.3) или их модификаций выпускают аттенюаторы, управляемые током или напряжением, а также цифро-аналоговые устройства. Цифровые 8-разрядные аттенюаторы модели DA13-90 компании Weinschel Associates для частот от постоянного тока до 13 ГГц отличаются большим динамическим диапазоном изменения ослабления 90 дБ, шагом 0,5 дБ и временем переключения около 100 нс.
Цифро-аналоговый 8-разрядный аттенюатор со встроенным линеаризатором A50-MH009 компании Akon для диапазона частот 0,5–18,0 ГГц (опции до 40 ГГц) обеспечивает диапазон управления до 64 дБ с шагом 0,25 дБ при времени установки до 650 нс и отличается использованием встроенного драйвера преобразования управляющего кода ТТЛ-уровней в сигналы для GaAs pin-диодов.
Сверхвысоким быстродействием обладает аттенюатор модели ADVAN‑218-15DD с опциями HS25NS и 5B компании American Microwave Corp. В этой модели для полосы частот от 2 до 18 ГГц обеспечивается управление ослаблением в диапазоне до 15 дБ с шагом 0,5 дБ при типовой длительности процесса коммутации 6 нс. Цифро-аналоговые аттенюаторы в модульном исполнении представлены в табл.4.
Цифровые ступенчатые (переключаемые) аттенюаторы имеют ряд особенностей:
• при включении аттенюаторной ячейки (см. рис.8б) вся входная мощность поглощается резистивным ослабителем и вносимые ячейкой искажения весьма малы;
• поскольку pin-диоды работают в ключевом режиме, они мало влияют на вносимое ослабление, следовательно, аттенюаторы данного типа отличаются повышенной температурной стабильностью;
• собственные вносимые потери в таких аттенюаторах весьма велики, поскольку даже при нулевом коде ослабление определяется сопротивлением pin-диодов (по два диода на каждую ячейку). Кроме того, когда ослабление ячейки с минимальным ослаблением составляет 0,5 дБ и менее, возникают проблемы с монотонностью зависимости ослабления от числа включенных разрядов. Связано это с различием резонансных частот индуктивностей, отличиями в значениях потерь pin-диодов и другими факторами, приводящими к неидеальности ослабляющих ячеек. По этой причине в таких устройствах минимальное ослабление (шаг) обычно не бывает менее 0,5 дБ;
• быстродействие этих аттенюаторов определяется скоростью используемых переключателей SP2T (с одним входом и двумя выходами), которая может составлять десятки или даже единицы наносекунд;
• аттенюаторы могут работать при более высоком по сравнению с аналоговыми устройствами уровне входных мощностей;
• поскольку в схемах переключаемых аттенюаторов бульшее, чем в аналоговых аттенюаторах, число компонентов, эти устройства стоят дороже.
Цифровые ступенчатые (переключаемые) аттенюаторы так же, как и аналоговые, могут быть реализованы на полевых транзисторах. В качестве примера можно привести 5-разрядный аттенюатор MATGM0004-DIE компании MACOM в бескорпусном исполнении с диапазоном частот 2–20 ГГц, динамическим диапазоном 23 дБ и шагом ослабления 0,75 дБ, выполненный по GaAs-технологии. Характеристики цифровых ступенчатых аттенюаторов в модульном и интегральном исполнении представлены в табл.5 и 6.
Семейство из шести моделей 5-разрядных аттенюаторов ФГУП НПП "Салют" (Россия), перекрывающих диапазон частот от 0,2 до 18,0 ГГц, характеризуется собственными потерями 3,5 дБ, динамическим диапазоном 31 дБ при входной мощности до 100 мВт, временем переключения ослабления 40 нс и интервалом рабочих температур –60…85 °C.
Цифровые ступенчатые арсенид-галлиевые аттенюаторы модели AA106-86 компании Skyworks обеспечивают 5-разрядное управление ослаблением сигнала в пределах от 0,5 до 15,5 дБ в диапазоне частот 0,5–2,0 ГГц при мощности до 500 мВт за время не более 150 нс.
Широкополосный (от 50 МГц до 8 ГГц) цифровой ступенчатый аттенюатор модели PE43705 компании Peregrine Semiconductor выполнен по схеме с семью коммутируемыми двоичными секциями, обеспечивает ослабление 31,75 дБ при высокой равномерности ослабления (±0,12 дБ) в полосе рабочих частот. Устройство отличается высоким уровнем линейности (до входной мощности 28 дБм), различными вариантами программирования (с применением последовательного или параллельного кодов), стойкостью к статическому разряду до 1,5 кВ. При максимальном ослаблении фазовый сдвиг на частоте 8 ГГц увеличивается до 80 град. Аттенюатор с цифровым ступенчатым управлением модели PE94302 предназначен для поверхностного монтажа, обеспечивает в полосе частот 0–4 ГГц ослабление 1–31 дБ с шагом 1 дБ, имеет встроенные средства параллельного и последовательного управления параметрами и выполнен в радиационно-стойком исполнении (выдерживает дозу радиации до 300 крад/с).
Один из недостатков цифровых ступенчатых аттенюаторов по сравнению с аналоговыми и цифро-аналоговыми – заметно бульшие вносимые потери, которые увеличиваются при росте числа разрядов. Автоматическая компенсация вносимых потерь в изделии AT2035 компании PST позволяет позиционировать этот программируемый аттенюатор как устройство с нулевыми потерями.
ФАЗОСТАБИЛЬНЫЕ АТТЕНЮАТОРЫ
Условием сохранения формы входного сигнала на выходе аттенюатора является его линейная фазочастотная характеристика (фиксированное групповое запаздывание) в пределах полосы частот, занимаемой сигналом. Во всех аттенюаторах изменение ослабления сопровождается изменением сдвига фаз между входным и выходным сигналами.
Характерный пример влияния вносимого ослабления и частоты входного сигнала на сдвиг фаз выходного сигнала в цифро-аналоговом аттенюаторе представлен на рис.9. Появление таких фазовых сдвигов обусловлено как влиянием паразитных реактивностей используемых pin-диодов, так и длиной соединяющих их линий передачи. Тщательное конструирование позволяет минимизировать влияние этих факторов, но полностью устранить их таким способом не удается. В тех случаях, когда фазовый сдвиг выходного сигнала относительно входного крайне нежелателен, применяют фазостабильные аттенюаторы (Phase Invariant Attenuators).
В таких устройствах входной сигнал делится в квадратурном гибридном мосте на две равные части, имеющие между собой 180°-ный фазовый сдвиг. При суммировании этих сигналов, прошедших через аттенюаторные ячейки, фазовые ошибки каждого из каналов складываются в противофазе. Каскадом из несколько таких фазостабильных аттенюаторов (рис.10а) можно добиться существенного снижения фазовых сдвигов (рис.10б) в полосе рабочих частот, обеспечив при этом расширение динамического диапазона всего аттенюатора. Дополнительное расширение динамического диапазона для цифро-аналоговых аттенюаторов можно обеспечить, применив их калибровку с использованием программируемого ПЗУ (EEPROM) и векторного анализатора [3].
Уменьшить зависимость величины фазового сдвига от вносимого ослабления и рабочей частоты можно также путем использования схемотехнических решений. Например, компании Giga Baudics при создании цифрового ступенчатого аттенюатора PA‑13 удалось обеспечить как минимум трехкратное снижение фазовых сдвигов при изменениях ослабления и рабочей частоты. Три фазостабильных устройства (модели 4246-63,
4248-63.75, 4248-103) в диапазоне частот от 10 МГц до 2,5 ГГц, реализованных на арсенид-галлиевых переключателях, предлагает компания Aeroflex-Weinschel. Одно из них выполнено на шести ячейках с ослаблениями 1, 2, 4, 8, 16 и 32 дБ и обеспечивает общее ослабление 63 дБ с шагом перестройки 1 дБ. Два других реализованы на восьми ячейках, причем в первом из них ослабления ячеек равны 0,25; 0,5; 1; 2; 4; 8; 16; 32 дБ, а во втором – 1; 2; 4; 8; 16; 24; 48 (24 + 24) дБ. Общее ослабление в этих аттенюаторах 63,75 и 103 дБ соответственно. Фазовые сдвиги во всем диапазоне ослаблений не превышают ±10°.
Характеристики фазостабильных аттенюаторов представлены в табл.7.
АТТЕНЮАТОРЫ / МОДУЛЯТОРЫ
Быстродействующие аттенюаторы, которые могут применяться для формирования сигналов с плавной или ступенчатой многоуровневой модуляцией амплитуды, производители позиционируют как аттенюаторы / модуляторы. Среди них выделяются одноразрядные устройства, формирующие сигналы с импульсной модуляцией, а также многоразрядные, позволяющие формировать огибающую сигнала с требуемой точностью. Наиболее активно продвигают эти изделия на рынок компании AMC, PMI, Kratos и Arra (табл.8).
При использовании аттенюаторов в качестве модулятора вводят понятие максимальной частоты периодического сигнала (полоса частот по цепи управления Fmax), при которой глубина амплитудной модуляции выходного сигнала снижается не более чем на 3 дБ. Ориентировочно полосу частот по цепи управления для аттенюаторов оценивают соотношением Fmax ≈ 1 / ( 4 tвкл. ).
Таким образом, сегодня существует множество типов аттенюаторов с ручным управлением. На основе информации, приведенной в статье, можно выбрать устройство, оптимальное для решения той или иной задачи.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кочемасов В., Белов Л. Аттенюаторы с ручным управлением – производители и характеристики // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2017. № 3. С. 94–102.
2. Bahl I. J. Control Components Using Si, GaAs, and GaN Technologies. – Artech House, 2014, 310 p.
3. An Ultra-Broadband 2 to 18 GHz Digital Attenuator with High Resolution and 105 dB Dynamic Range // Microwave Journal. 2006, February
Наряду с характеристиками, общими для всех аттенюаторов СВЧ-диапазона (рабочие частоты, ослабление сигнала, входная мощность, КСВН и др.), в устройствах с электронным управлением важным параметром является быстродействие. Для его оценки необходимо учитывать сочетание длительности процессов нарастания и спада управляющего сигнала, процессов установления и спада огибающей мощности радиочастотного сигнала (рис.1). Длительность включения tвкл. (on time) определяется как время от момента прохождения управляющим сигналом границы 50% между логическими уровнями до момента достижения 90% выходной радиочастотной мощности, а длительность выключения tвыкл. (off time) – как время от момента прохождения управляющим сигналом границы 50% между логическими уровнями до момента достижения 10% уровня выходной радиочастотной мощности.
Введение электронного управления ослаблением приводит к появлению дополнительных требований по оценке линейности характеристики управления и уровня пассивных интермодуляционных искажений (ПИМ). В качестве меры линейности зависимости ослабления от управляющего воздействия часто принимают среднеквадратичное отклонение крутизны этой характеристики от постоянного значения в интервалах допустимых значений ослабления, температур и рабочих частот. Уровень радиочастотных искажений ПИМ оценивается в соответствии со стандартом IEC62037.
АНАЛОГОВЫЕ АТТЕНЮАТОРЫ
Традиционные схемы аттенюаторов могут быть выполнены на трех СВЧ-резисторах (рис.2). Для каждого значения ослабления предусмотрены параметры резисторов, которые обеспечивают 50-Ом согласование и низкий уровень КСВ в рабочей полосе частот. При замене пассивных резисторов на активные элементы (pin-диоды и полевые транзисторы, созданные по технологиям GaAs, КМОП, GaN, SiGe [2]), можно реализовать аттенюаторы с электронным управлением (рис.3). Например, при замене резисторов в схеме Т-образного аттенюатора (рис.2а) на pin-диоды (рис.3а) можно создать аттенюатор с максимальным ослаблением примерно 30 дБ. Последовательным соединением двух таких ячеек максимальное ослабление можно увеличить до 60 дБ. Здесь диоды D1 и D2 эквивалентны резисторам R1 и R2, а диод D3 – резистору R3 в схеме на рис.2а. Сопротивление pin-диодов зависит от подаваемых на них токов смещения. Соответствующим выбором этих токов для каждого значения ослабления обеспечиваются свои значения сопротивлений. По мере увеличения ослабления ток через диод D3 растет, а через диоды D1 и D2 падает. Помимо pin-диодов, в управляемых ячейках могут быть использованы и полевые транзисторы (рис.3б).
Управляемые током аналоговые аттенюаторы выпускаются как с нелинейной, так и с линейной зависимостью ослабления от тока управления. Лучшие модели линеаризаторов позволяют снизить погрешность установки ослабления до 3–5% от наибольшего ослабления. Однако надо иметь в виду, что включение линеаризаторов приводит к заметному увеличению энергопотребления и снижению быстродействия по цепи управления. Время переключения в линеаризованных аттенюаторах достигает десятков микросекунд. В нелинеаризованных изделиях оно может быть существенно меньше (около 100 нс). Исключительно малое время переключения (до 10 нс) обеспечивают модульные аттенюаторы компании G. T. Microwave, выпускающей изделия для диапазона частот 0,25–24 ГГц.
К числу компаний, специализирующихся на производстве аттенюаторов с токовым управлением, относится компания Advanced Control Components (сейчас входит в Aeroflex). Свои устройства она производит как на pin-диодах, так и на полевых GaAs-транзисторах. В основном изделия выпускаются в исполнении drop-in (в виде РЧ-вставок) и в корпусах с SMA-соединителями. Аттенюаторы этой компании могут быть использованы как в коммерческих, так и в космических применениях.
Большая часть управляемых током аналоговых аттенюаторов выпускается в модульном исполнении (табл.1). Однако встречаются изделия, выполненные по интегральной технологии (Alpha Industries).
Реализуются аналоговые аттенюаторы и в волноводном исполнении. Так, серия управляемых током волноводных устройств VVCA компании ELVA‑1 (рис.4), выполненных с использованием pin-диодов, перекрывает интервал частот от 18 до 170 ГГц, обеспечивая динамический диапазон управления ослаблением 0–60 дБ, мощность входного сигнала до 1 Вт и длительность переключения 25 мкс.
На практике чаще востребованы аналоговые аттенюаторы, управляемые напряжением, в состав которых входят управляемый током аттенюатор, линеаризатор и преобразователь "напряжение – ток". При этом обычно в аттенюаторе стараются обеспечить стандартное значение коэффициента передачи 10 дБ/В.
Количество фирм, выпускающих управляемые напряжением аттенюаторы в модульном исполнении (табл.2), весьма велико, их десятки. Еще больше число производимых ими моделей – тысячи. Широкую номенклатуру управляемых напряжением аттенюаторов в октавном и многооктавном диапазонах выпускает компания Custom Microwave Components. В зависимости от числа используемых ячеек (рис.5) динамический диапазон аттенюатора может достигать 30, 55 и 80 дБ. Зависимость ослабления от частоты для октавных и многооктавных моделей при различном числе последовательно соединенных ячеек показана на рис.6. Изделия доступны в виде модулей с SMA-соединителями или в исполнении drop-in, если они подключаются к полосковым или микрополосковым линиям. Аттенюаторы этой компании удовлетворяют самым жестким требованиям военных стандартов.
Коаксиальные и волноводные модели управляемых напряжением аттенюаторов представлены в линейке продукции компании Sage Millimeter. Диапазоны рабочих частот и ослаблений, а также вносимые потери (под этим термином подразумевается затухание сигнала при установке нулевого ослабления в аттенюаторе) согласуются с производителем при заказе. Время переключения для коаксиальных моделей составляет 100 нс, для волноводных – 20 нс.
Управляемые напряжением аттенюаторы в волноводном исполнении выпускаются также компаниями MI-WAVE и Millitech. Например, Millitech производит широкую линейку устройств серии VCA, перекрывающую диапазон частот от 18 до 100 ГГц. Максимальное вносимое ослабление составляет 20–40 дБ и зависит от выбранного диапазона частот и реализации схемы управления.
В качестве управляемых напряжением аттенюаторов могут быть также использованы устройства VCVA компании ELVA‑1 при введении в них внешнего драйвера, обеспечивающего преобразование напряжения в ток.
Большая часть аналоговых аттенюаторов рассчитана на малую входную мощность (менее 1 Вт). Поэтому представляют интерес устройства, поставляемые компанией RF-Lambda, работающие при входных мощностях 5–100 Вт.
В последнее время значительное количество управляемых напряжением аттенюаторов выпускается в интегральном исполнении (табл.3). Наиболее высокие результаты достигнуты компаниями Centellax, Hittite Microwave, MACOM, United Monolithic Semiconductors, Avago, RF Micro Devices. Так, например, сверхширокополосная (от постоянного тока до 50 ГГц) модель UVD50SC компании Centellax позволяет линейно менять ослабление от 3,6 до 35,5 дБ путем одновременного изменения двух напряжений с сохранением коэффициентов отражения на входе и выходе около –12 дБ. Этот чип-аттенюатор размером 1,64 Ч 0,92 Ч 0,10 мм реализован на pHEMT полевых транзисторах.
Широкополосный (0,05–18,00 ГГц) аттенюатор модели RFSA2113 компании RF Micro Devices с входной мощностью до 23 дБм отличается линейной характеристикой управления в пределах до 30 дБ с крутизной 23 дБ/В и встроенной схемой термокомпенсации. Аттенюатор выполнен в 16-выводном QFN-корпусе размером 3,20 Ч 3,20 Ч 0,18 мм.
ЦИФРОВЫЕ АТТЕНЮАТОРЫ
Эти устройства могут быть реализованы двумя способами: на основе последовательно включенных цифро-аналогового преобразователя и линеаризованного управляемого напряжением аттенюатора (рис.7); на основе каскадного соединения (рис.8а) ряда ослабляющих ячеек (рис.8б), переключаемых параллельным кодом.
Соответственно первые из них будем называть цифро-аналоговыми аттенюаторами, а вторые – цифровыми ступенчатыми (digital step) или цифровыми переключаемыми (digital switched) аттенюаторами.
В цифро-аналоговых аттенюаторах число разрядов управления определяется линейностью зависимости ослабления от управляющего напряжения и обычно не превышает восемь разрядов. Однако при использовании линеаризаторов на основе программируемых ПЗУ (EEPROM) и предварительной калибровке аттенюатора с использованием компьютера и векторного анализатора цепей число разрядов управления и динамический диапазон могут быть существенно увеличены. Например, в аттенюаторе A0R‑69N‑0AB компании G. T. Microwave в диапазоне частот 2–18 ГГц управление выполняется 12-разрядным двоичным кодом. При этом разрешающая способность составляет 0,03 дБ, динамический диапазон – 105 дБ и время переключения – 350 нс [3]. Многие производители (PMI, AMC, Kratos др.) на базе ослабляющих ячеек (см. рис.3) или их модификаций выпускают аттенюаторы, управляемые током или напряжением, а также цифро-аналоговые устройства. Цифровые 8-разрядные аттенюаторы модели DA13-90 компании Weinschel Associates для частот от постоянного тока до 13 ГГц отличаются большим динамическим диапазоном изменения ослабления 90 дБ, шагом 0,5 дБ и временем переключения около 100 нс.
Цифро-аналоговый 8-разрядный аттенюатор со встроенным линеаризатором A50-MH009 компании Akon для диапазона частот 0,5–18,0 ГГц (опции до 40 ГГц) обеспечивает диапазон управления до 64 дБ с шагом 0,25 дБ при времени установки до 650 нс и отличается использованием встроенного драйвера преобразования управляющего кода ТТЛ-уровней в сигналы для GaAs pin-диодов.
Сверхвысоким быстродействием обладает аттенюатор модели ADVAN‑218-15DD с опциями HS25NS и 5B компании American Microwave Corp. В этой модели для полосы частот от 2 до 18 ГГц обеспечивается управление ослаблением в диапазоне до 15 дБ с шагом 0,5 дБ при типовой длительности процесса коммутации 6 нс. Цифро-аналоговые аттенюаторы в модульном исполнении представлены в табл.4.
Цифровые ступенчатые (переключаемые) аттенюаторы имеют ряд особенностей:
• при включении аттенюаторной ячейки (см. рис.8б) вся входная мощность поглощается резистивным ослабителем и вносимые ячейкой искажения весьма малы;
• поскольку pin-диоды работают в ключевом режиме, они мало влияют на вносимое ослабление, следовательно, аттенюаторы данного типа отличаются повышенной температурной стабильностью;
• собственные вносимые потери в таких аттенюаторах весьма велики, поскольку даже при нулевом коде ослабление определяется сопротивлением pin-диодов (по два диода на каждую ячейку). Кроме того, когда ослабление ячейки с минимальным ослаблением составляет 0,5 дБ и менее, возникают проблемы с монотонностью зависимости ослабления от числа включенных разрядов. Связано это с различием резонансных частот индуктивностей, отличиями в значениях потерь pin-диодов и другими факторами, приводящими к неидеальности ослабляющих ячеек. По этой причине в таких устройствах минимальное ослабление (шаг) обычно не бывает менее 0,5 дБ;
• быстродействие этих аттенюаторов определяется скоростью используемых переключателей SP2T (с одним входом и двумя выходами), которая может составлять десятки или даже единицы наносекунд;
• аттенюаторы могут работать при более высоком по сравнению с аналоговыми устройствами уровне входных мощностей;
• поскольку в схемах переключаемых аттенюаторов бульшее, чем в аналоговых аттенюаторах, число компонентов, эти устройства стоят дороже.
Цифровые ступенчатые (переключаемые) аттенюаторы так же, как и аналоговые, могут быть реализованы на полевых транзисторах. В качестве примера можно привести 5-разрядный аттенюатор MATGM0004-DIE компании MACOM в бескорпусном исполнении с диапазоном частот 2–20 ГГц, динамическим диапазоном 23 дБ и шагом ослабления 0,75 дБ, выполненный по GaAs-технологии. Характеристики цифровых ступенчатых аттенюаторов в модульном и интегральном исполнении представлены в табл.5 и 6.
Семейство из шести моделей 5-разрядных аттенюаторов ФГУП НПП "Салют" (Россия), перекрывающих диапазон частот от 0,2 до 18,0 ГГц, характеризуется собственными потерями 3,5 дБ, динамическим диапазоном 31 дБ при входной мощности до 100 мВт, временем переключения ослабления 40 нс и интервалом рабочих температур –60…85 °C.
Цифровые ступенчатые арсенид-галлиевые аттенюаторы модели AA106-86 компании Skyworks обеспечивают 5-разрядное управление ослаблением сигнала в пределах от 0,5 до 15,5 дБ в диапазоне частот 0,5–2,0 ГГц при мощности до 500 мВт за время не более 150 нс.
Широкополосный (от 50 МГц до 8 ГГц) цифровой ступенчатый аттенюатор модели PE43705 компании Peregrine Semiconductor выполнен по схеме с семью коммутируемыми двоичными секциями, обеспечивает ослабление 31,75 дБ при высокой равномерности ослабления (±0,12 дБ) в полосе рабочих частот. Устройство отличается высоким уровнем линейности (до входной мощности 28 дБм), различными вариантами программирования (с применением последовательного или параллельного кодов), стойкостью к статическому разряду до 1,5 кВ. При максимальном ослаблении фазовый сдвиг на частоте 8 ГГц увеличивается до 80 град. Аттенюатор с цифровым ступенчатым управлением модели PE94302 предназначен для поверхностного монтажа, обеспечивает в полосе частот 0–4 ГГц ослабление 1–31 дБ с шагом 1 дБ, имеет встроенные средства параллельного и последовательного управления параметрами и выполнен в радиационно-стойком исполнении (выдерживает дозу радиации до 300 крад/с).
Один из недостатков цифровых ступенчатых аттенюаторов по сравнению с аналоговыми и цифро-аналоговыми – заметно бульшие вносимые потери, которые увеличиваются при росте числа разрядов. Автоматическая компенсация вносимых потерь в изделии AT2035 компании PST позволяет позиционировать этот программируемый аттенюатор как устройство с нулевыми потерями.
ФАЗОСТАБИЛЬНЫЕ АТТЕНЮАТОРЫ
Условием сохранения формы входного сигнала на выходе аттенюатора является его линейная фазочастотная характеристика (фиксированное групповое запаздывание) в пределах полосы частот, занимаемой сигналом. Во всех аттенюаторах изменение ослабления сопровождается изменением сдвига фаз между входным и выходным сигналами.
Характерный пример влияния вносимого ослабления и частоты входного сигнала на сдвиг фаз выходного сигнала в цифро-аналоговом аттенюаторе представлен на рис.9. Появление таких фазовых сдвигов обусловлено как влиянием паразитных реактивностей используемых pin-диодов, так и длиной соединяющих их линий передачи. Тщательное конструирование позволяет минимизировать влияние этих факторов, но полностью устранить их таким способом не удается. В тех случаях, когда фазовый сдвиг выходного сигнала относительно входного крайне нежелателен, применяют фазостабильные аттенюаторы (Phase Invariant Attenuators).
В таких устройствах входной сигнал делится в квадратурном гибридном мосте на две равные части, имеющие между собой 180°-ный фазовый сдвиг. При суммировании этих сигналов, прошедших через аттенюаторные ячейки, фазовые ошибки каждого из каналов складываются в противофазе. Каскадом из несколько таких фазостабильных аттенюаторов (рис.10а) можно добиться существенного снижения фазовых сдвигов (рис.10б) в полосе рабочих частот, обеспечив при этом расширение динамического диапазона всего аттенюатора. Дополнительное расширение динамического диапазона для цифро-аналоговых аттенюаторов можно обеспечить, применив их калибровку с использованием программируемого ПЗУ (EEPROM) и векторного анализатора [3].
Уменьшить зависимость величины фазового сдвига от вносимого ослабления и рабочей частоты можно также путем использования схемотехнических решений. Например, компании Giga Baudics при создании цифрового ступенчатого аттенюатора PA‑13 удалось обеспечить как минимум трехкратное снижение фазовых сдвигов при изменениях ослабления и рабочей частоты. Три фазостабильных устройства (модели 4246-63,
4248-63.75, 4248-103) в диапазоне частот от 10 МГц до 2,5 ГГц, реализованных на арсенид-галлиевых переключателях, предлагает компания Aeroflex-Weinschel. Одно из них выполнено на шести ячейках с ослаблениями 1, 2, 4, 8, 16 и 32 дБ и обеспечивает общее ослабление 63 дБ с шагом перестройки 1 дБ. Два других реализованы на восьми ячейках, причем в первом из них ослабления ячеек равны 0,25; 0,5; 1; 2; 4; 8; 16; 32 дБ, а во втором – 1; 2; 4; 8; 16; 24; 48 (24 + 24) дБ. Общее ослабление в этих аттенюаторах 63,75 и 103 дБ соответственно. Фазовые сдвиги во всем диапазоне ослаблений не превышают ±10°.
Характеристики фазостабильных аттенюаторов представлены в табл.7.
АТТЕНЮАТОРЫ / МОДУЛЯТОРЫ
Быстродействующие аттенюаторы, которые могут применяться для формирования сигналов с плавной или ступенчатой многоуровневой модуляцией амплитуды, производители позиционируют как аттенюаторы / модуляторы. Среди них выделяются одноразрядные устройства, формирующие сигналы с импульсной модуляцией, а также многоразрядные, позволяющие формировать огибающую сигнала с требуемой точностью. Наиболее активно продвигают эти изделия на рынок компании AMC, PMI, Kratos и Arra (табл.8).
При использовании аттенюаторов в качестве модулятора вводят понятие максимальной частоты периодического сигнала (полоса частот по цепи управления Fmax), при которой глубина амплитудной модуляции выходного сигнала снижается не более чем на 3 дБ. Ориентировочно полосу частот по цепи управления для аттенюаторов оценивают соотношением Fmax ≈ 1 / ( 4 tвкл. ).
Таким образом, сегодня существует множество типов аттенюаторов с ручным управлением. На основе информации, приведенной в статье, можно выбрать устройство, оптимальное для решения той или иной задачи.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кочемасов В., Белов Л. Аттенюаторы с ручным управлением – производители и характеристики // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2017. № 3. С. 94–102.
2. Bahl I. J. Control Components Using Si, GaAs, and GaN Technologies. – Artech House, 2014, 310 p.
3. An Ultra-Broadband 2 to 18 GHz Digital Attenuator with High Resolution and 105 dB Dynamic Range // Microwave Journal. 2006, February
Отзывы читателей
