eng
Аттенюаторы, или ослабители, СВЧ-сигналов находят широкое применение в электронных устройствах*. Такие узлы разрабатывают и выпускают все ведущие производители электронных компонентов. При кажущейся простоте аттенюаторов их функциональное назначение и технические требования к параметрам отличаются значительным разнообразием. В мире десятки фирм выпускают множество различных вариантов аттенюаторов. Поэтому обзор современного состояния этого сектора рынка и анализ тенденций его развития представляют несомненный интерес.
Ослабители СВЧ-сигналов используются для калиброванного измерения уровня мощности сигнала, для снижения чувствительности характеристик узла аппаратуры к изменениям импеданса нагрузки, для оперативного изменения коэффициента передачи, балансировки каналов электронной аппаратуры, согласования импедансов в межкаскадных СВЧ-цепях, создания векторных модуляторов, а также при формировании сигналов со сложными видами модуляции. Во многих случаях применение аттенюаторов осложняется расширенной до десятков гигагерц полосой рабочих частот системы, высоким и быстро изменяющимся уровнем мощности входного сигнала, необходимостью контролировать параметры сигналов и цепей с прецизионной точностью, требованиями сохранения основных характеристик узла в широком интервале температуры и другими дестабилизирующими воздействиями.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ И КЛАССИФИКАЦИЯ АТТЕНЮАТОРОВ
Для корректного определения параметров аттенюатора представим его как четырёхполюсник СВЧ-цепи, характеризующийся S-матрицей передачи с следующими комплексными коэффициентами: S·21 – коэффициент передачи сигнала от входа к выходу; S·11 – коэффициент отражения от входа (Return Loss – RL); S·22 – коэффициент отражения от выхода и S·12 – коэффициент обратного прохождения сигнала с выхода на вход. Для пассивных ослабителей с взаимными свойствами входной и выходной цепей S·21 = S·12. К параметрам, описывающим аттенюатор, относятся следующие:
· k = |S·21| – коэффициент ослабления (Insertion Loss – IL);
· j = arg (S·21) – фазовый сдвиг сигнала в ослабителе;
· kсв = (1 + r)/(1 - r) – коэффициент стоячей волны (КСВ) во входной цепи, характеризующий реакцию входной цепи аттенюатора на импеданс нагрузки, где r = |S11| – модуль коэффициента отражения от входа.
Для невзаимных моделей дополнительно указывается коэффициент обратного прохождения мощности kобр = |S·12|. Каждый из коэффициентов k, r (или kсв), kобр зависит от полосы рабочих частот, поэтому необходимо знать их частотные характеристики. Для сверхширокополосных аттенюаторов нормируют также значение наибольшей неравномерности коэффициента ослабления в полосе рабочих частот e, измеряемое в децибелах.
Общепринятого определения нижней fн и верхней fв границ рабочей полосы частот для аттенюаторов нет. Обычно в качестве этих величин принимают частоты, на которых коэффициент ослабления k изменяется более чем на ±6 дБ по сравнению со средним значением в рабочей полосе частот. Для каждого аттенюатора с калиброванным ослаблением или шкалой изменения ослабления должна быть установлена наибольшая погрешность калибровки D. Для перестраиваемых ослабителей указывается также наибольшая скорость перестройки в виде граничной частоты по цепи управления Fгр или длительности переключения дискретных значений ослабления t.
Допустимый уровень мощности входного сигнала указывается производителем либо в виде границы линейного режима Р1дБ – мощности входного СВЧ-сигнала, при которой коэффициент передачи уменьшается на 1 дБ по сравнению со значением при малом сигнале, либо в виде максимальной мощности входного сигнала Рм, превышение которой может привести к необратимым изменениям характеристик ослабителя. Для аттенюаторов, работающих в импульсном режиме, дополнительно приводится предельная пиковая мощность при определённых значениях длительности импульсов и их скважности (обычно – длительность 5 мкс и частота повторения 100 Гц).
Классификация аттенюаторов СВЧ-сигналов (рис.1) осложнена наличием разнообразных сочетаний основных характеристик, таких как интервал рабочих частот; значение ослабления и возможность его изменения; тип соединителя и конструкция; допустимый уровень входной мощности; погрешность калибровки. Существуют три основные группы моделей аттенюаторов: с фиксированным значением ослабления, с плавным и с дискретным его изменением. Каждая модель может быть выполнена в корпусе для поверхностного монтажа, иметь коаксиальное или волноводное исполнение и отличаться особыми свойствами. Рассмотрим эти группы.
АТТЕНЮАТОРЫ С ФИКСИРОВАННЫМ ОСЛАБЛЕНИЕМ
Пассивные аттенюаторы с фиксированным ослаблением, или фиксированные аттенюаторы (ФА) (табл.1), часто выполняются на основе взаимной резистивной цепи Т- или П-конфигурации (рис.2а,б). Значения сопротивления резисторов рассчитываются по правилам линейной электротехники, исходя из нужного ослабления и значений входного и выходного импедансов. Например,
в П-образной схеме (рис.2б) при R11 = R21 = 150 Ом и R31 = 37 Ом и сопротивлении нагрузки RL = 50 Ом входное сопротивление Rвх = 49,8 Ом, k = kобр = -6 дБ; r = -53 дБ. На сайтах некоторых компаний-производителей аттенюаторов (например, Amplifonix) можно найти таблицы или калькуляторы, позволяющие быстро рассчитать нужные номиналы элементов таких схем. С ростом рабочей частоты входного сигнала uвх(t) и увеличением ослабления k в схемах ФА типа приведенных на рис.2а,б усиливается влияние паразитных параметров, обусловленных межэлектродными ёмкостями и индуктивностями выводов, параметрами корпусов резисторов. Это приводит к ограничению полосы рабочих частот, снижению КСВ входной и выходной цепей до недопустимых значений.
Аттенюатор с безынерционным нелинейным элементом (НЭ) (рис.2в) позволяет изменять значения коэффициента ослабления k = uвых(t)/uвх(t) в широких пределах путем оперативного изменения смещения Е во входной цепи НЭ. Кроме того, в таком аттенюаторе за счёт невзаимных свойств входной и выходной цепей обеспечивается высокое значение их развязки kобр = |S·12| № |S·21|. Однако в такой схеме с ростом мощности входного сигнала uвх(t) могут появляться нелинейные и перекрёстные искажения его спектрального состава, а обеспечение постоянства коэффициентов отражения S·11 и S·22 в требуемом диапазоне частот и ослаблений затрудняется. Поэтому многие производители в качестве управляемых двухполюсников используют СВЧ-узлы на полевых транзисторах, включая их, например, по схеме рис.2б. Возможно также каскадное включение схем типа показанных на рис. 2а или 2б.
ФА выпускаются в виде твердотельных бескорпусных устройств (в терминологии производителей – chip или die) или микросхем для поверхностного монтажа (ПМ). Различия между этими двумя типами ФА незначительны: размеры бескорпусных моделей минимальны (например, 0,85ґ0,85ґ0,1 мм), тогда как ПМ-модели лучше защищены от влияния окружающей среды и имеют от 4 до 16 контактных площадок. Компания Skyworks выполняет бескорпусные тонкопленочные аттенюаторы на высокоомной кремниевой подложке, что позволяет поднять верхнюю границу рабочей температуры до 175°С. Твёрдотельные ФА фирмы Skyworks работают в сверхширокой полосе частот 0–40 ГГц при допустимой мощности Рм = 1 Вт (серия ATN3580). В такой полосе частот при достаточно стабильном значении k качество согласования с повышением частоты ухудшается: коэффициент отражения r = -45 дБ для f = 1 ГГц, -30 дБ для 10 ГГц, -25 дБ для 20 ГГц, -20 дБ для 30 ГГц и -18 дБ для 40 ГГц.
Производители ФА используют подложку из нитрида алюминия (AlN) или окиси бериллия (BeO): при одинаковых размерах элемента в первом случае получают на 25% более высокую граничную частоту и более низкий КСВ, во втором – более высокую максимальную рассеиваемую мощность.
Значение ослабления в резистивных ФА, предназначенных для поверхностного монтажа (рис.3), составляет 1–60 дБ при рассеиваемой мощности менее 1 Вт и рабочей частоте до 60 ГГц. Коэффициент неравномерности амплитудно-частотной характеристики для лучших образцов равен ±0,5 дБ в полосе частот 0–20 ГГц и возрастает до ±2 дБ для частот в полосе 40–60 ГГц.
Характерные особенности аттенюаторов для поверхностного монтажа серии TS04 фирмы EMC Technology – отсутствие полупроводниковых компонентов, тройная защита от воздействия внешней среды, возможность рассеяния мощности до 2 Вт. Фирма EMC разработала и выпускает термочувствительные аттенюаторы по запатентованной технологии Thermopad. Коэффициент чувствительности ослабления к изменению температуры аттенюаторов фирмы калибруется и может принимать заданные положительные или отрицательные значения.
В сверхмощных аттенюаторах для поверхностного монтажа применяют фланцевую конструкцию с внешним теплоотводом. Фланцевые изделия фирмы RF Labs выпускаются на среднюю мощность 10–250 Вт, работают в диапазоне частот до 4 ГГц, размер их не более 1,3ґ1,3ґ0,3 мм. Значение ослабления в аттенюаторах полуфланцевой конструкции компании MITEQ достигает 30±1 дБ в полосе частот 0–3 ГГц при мощности до 100 Вт. 75-ваттный ослабитель этой фирмы ATT-75-30-HF работает с КСВ 1,15:1 при температуре среды -55…75°С и по стойкости к механическим воздействиям (не менее 7 g) удовлетворяет требованиям военного стандарта MIL-STD-810B.
Интерес представляют адаптоаттенюаторы, т.е. устройства, которые согласуют импедансы цепей и одновременно обеспечивают заданное значение ослабления. Лучшие модели таких устройств (фирм Mini-Circuits, ХМА) выполняются из нержавеющей стали с золочеными контактными зонами.
Значительное число моделей ФА выполняются с коаксиальными соединителями, что позволяет улучшить согласование значений входного и выходного импедансов в широкой полосе частот, снизить погрешность калибровки аттенюатора (до 0,5% от номинального значения), использовать при проведении измерений сменные наборы калиброванных ослабителей. ФА с коаксиальными соединителями способны рассеивать до 1 кВт непрерывной СВЧ-мощности в полосе частот 0–3 ГГц (модели серии 82 фирмы Aeroflex Weinschel с ослаблением 10–40 дБ, работающие в диапазоне температур -55…125°С), до 500 Вт на частотах 4–26 ГГц и до 20 Вт на частотах до 40 ГГц (аттенюаторы фирмы Microlab/FXR).
Аттенюаторы с коаксиальными соединителями, отличающиеся малыми погрешностями установки и малой неравномерностью коэффициента передачи в широкой полосе частот, часто применяются при измерении параметров СВЧ-цепей и трактов. Ряд фирм предлагают наборы сменных измерительных ФА в коаксиальном исполнении.
В аттенюаторах с коаксиальными соединителями (рис.4) применяются разъёмы типа N, SMA, BNC и другие. Для частот до 60 ГГц фирма Picosecond Pulse Labs использует микроминиатюрные V-образные разъёмы диаметром 1,85 мм. Групповое запаздывание аттенюатора модели 5510V-302-20dB фирмы составляет 90 пс при полосе рабочих частот 0–60 ГГц и при превосходном КСВ = 1,06:1. Длительность фронта выходного сигнала при коммутации мощности на входе ФА, по значению которой проверятся фактическая ширина полосы сверхширокополосных моделей, не превышает 5 пс.
АТТЕНЮАТОРЫ С ПЛАВНЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ ОСЛАБЛЕНИЯ
Для изделий с изменяющимся ослаблением указывают значение, соответствующее минимальному управляющему воздействию, и диапазон изменения ослабления. Аттенюаторы этого класса выпускаются с ручным управлением и управлением аналоговым сигналом.
Ручной способ управления реализуется в аттенюаторах с коаксиальными и волноводными конструкциями (табл.2). Для подобных устройств иногда нормируют такой дополнительный параметр, как допустимое для механической конструкции число перемещений регулятора, например 200 тысяч. В качестве примера аттенюаторов с ручным управлением можно привести регулировочный аттенюатор фирмы Alan Industries, в котором ослабление изменяется вращением винта с некалиброванным углом поворота (рис.5), а также калиброванные измерительные аттенюаторы (рис.6). Для снижения погрешности установки положение регулятора иногда фиксируется механически, например через каждые 30° поворота ротора или используют двухроторную конструкцию. При этом значения ослабления становятся дискретными и изменяются с малым шагом.
Для частот 20–170 ГГц выпускаются волноводные модели измерительных аттенюаторов с нониусной установкой ослабления (рис.7). Полоса рабочих частот таких аттенюаторов ограничена сечением волновода, но облегчена прецизионная установка калиброванного ослабления с малой погрешностью и реализована самая высокая для данного диапазона частот допустимая мощность Рм. Например, прецизионные (погрешность ±0,2 дБ при ослаблении 30 дБ) волноводные аттенюаторы серии 020 фирмы Flann Microwave рассчитаны на мощность 0,2 Вт на частоте 140 ГГц.
Аттенюаторы с изменением ослабления аналоговым сигналом (табл.3) позволяют строить быстродействующие измерители параметров СВЧ-трактов, системы автоматической регулировки уровня мощности, амплитудные модуляторы. В аттенюаторах этого типа дополнительно нормируют нелинейность статической зависимости ослабления от управляющего воздействия (напряжения или тока) и скорость установки заданного ослабления при скачке управляющего сигнала. В аттенюаторах с аналоговым управлением обеспечивается достаточно большой динамический диапазон регулировки ослабления. Так, для неотражающих аттенюаторов серии D196 фирмы Herley управляемое напряжением изменение ослабления в многооктавной полосе 0,5–18 ГГц может достигать 60 дБ.
Для плавного изменения ослабления обычно используются одно- или двухкаскадные схемы вида, приведенного на рис.2а и 2б, где активные поглотители выполняются на широкополосных p-i-n-диодах или полевых транзисторах с управляемым смещением. В некоторых моделях применяются невзаимные управляемые устройства типа показанных на рис.2в. Для сверхширокополосных моделей предлагается настроечная таблица с сочетаниями управляющих сигналов. На рис.8 приведены зависимости ослабления от частоты для разных значений управляющего напряжения аттенюатора модели UVD50SC фирмы Centellax, выполненного на пяти полевых транзисторах и работающего в полосе частот 0–50 ГГц с ослаблением 0–30 дБ.
Технические трудности создания аттенюаторов с плавным изменением ослабления аналоговым сигналом связаны с необходимостью обеспечения в широкой полосе частот одновременного изменения импедансов нескольких сосредоточенных элементов так, чтобы коэффициент ослабления монотонно изменялся в больших пределах, а коэффициенты отражения от входа и выхода изменялись незначительно. Для решения этой задачи разработчики включают в состав аттенюатора узел линеаризатора с одним аналоговым входом (для управления током или напряжением) и необходимым числом выходных сигналов, подключаемых к управляемым элементам. Лучшие модели линеаризаторов позволяют уменьшить погрешность отклонения от линейности до 3–5% наибольшего ослабления. Однако надо иметь в виду, что энергопотребление линеаризаторов как отдельных аналоговых узлов достаточно велико. К тому же, в результате их применения снижается быстродействие по цепи управления.
В быстродействующей модели HMC346 компании Hittite использована двухзвенная цепь вида, приведенного на рис.2б, на шести управляемых напряжением полевых транзисторах. Продолжительность изменения ослабления модели с 0 до 32 дБ не превышает 2 нс. Эту микросхему рекомендуется применять для быстродействующей автоматической регулировки усиления и для формирования амплитудно-модулированных сигналов, т.е. она представляет собой аттенюатор-модулятор.
В аттенюаторах с управлением аналоговым сигналом для регулировки ослабления используются полупроводниковые нелинейные элементы (p-i-n-диоды или полевые транзисторы), поэтому актуальный для них параметр – допустимая входная мощность в линейном режиме Р1дБ. Эта величина в сильной степени зависит от установленного значения ослабления. Например, для модели UVD50SC фирмы Centellax на частоте 25 ГГц при k < 10 дБ допустимое значение мощности в линейном режиме Р1дБ равно 2 мВт, при k > 15 дБ эта величина возрастает до 18 мВт, а на частоте 5 ГГц – до 40 мВт. Фирма UMCC для двухкратного повышения допустимой мощности использует на входе квадратурный разветвитель, в каналах – регуляторы и на выходе – квадратурный сумматор.
На рынке представлены модели с встроенными согласующими драйверами, благодаря чему управляющим сигналом по выбору потребителя может быть либо напряжение, либо ток. В некоторых из них в состав драйвера входят программируемая энергонезависимая память, ЦАП и преобразователь тока в напряжение, что позволяет выбирать любой из вариантов управляющего сигнала. Аттенюатор модели 3495Н-64 фирмы Herley Farmingdale имеет тройное управление: током, напряжением или кодом. В полосе частот 0,75–18 ГГц он обеспечивает изменение ослабления на 80 дБ при входной мощности до 1 Вт и времени переходного процесса по установке нового значения ослабления 300 нс.
В ряде применений к аттенюатору СВЧ-сигнала предъявляется требование незначительно изменять фазовый сдвиг j в диапазоне рабочих частот при регулировке ослабления, а также в интервале температур окружающей среды. В стандартных моделях аттенюаторов на частоту 4 ГГц изменение ослабления от 1 до 60 дБ приводит к изменению фазового сдвига до 50°. В модели AP-N000-32D фирмы UMCC, разработанной с учётом требования стабилизации этого параметра, гарантируется фазовый сдвиг не более ±5° для полосы частот 6-18 ГГц при ослаблении 32 дБ.
АТТЕНЮАТОРЫ С ДИСКРЕТНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
В эту группу входят самые разнообразные аттенюаторы (табл.4), позволяющие смягчить противоречие между стабильностью значения ослабления в диапазоне рабочих частот и в интервале дестабилизирующих факторов с одной стороны, и возможностью быстрого изменения ослабления в широких пределах, с другой. Аттенюаторы с дискретным управлением (ДУ) можно разделить на три подгруппы: а) с механическим (электромеханическим) переключением или регулятором; б) с аналоговым управляющим сигналом, снабжённые ЦАП; б) электронные коммутаторы.
Модели аттенюаторов с ДУ с механическим переключением предназначены для измерения или отладки СВЧ-систем. У них кнопочное или шаговое поворотное управление (например, серия Pushbutton – PB или роторные аттенюаторы серии RSA фирмы Trilithic, работающие в полосе частот 0–4,5 ГГц с ослаблением -1… -110 дБ).
Электромеханическое переключение при помощи системы реле в аттенюаторах серии TTL фирмы Alan Industries в полосе частот 0–1,5 ГГц обеспечивает коммутацию ослабления в пределах 1–127 дБ с шагом 1 дБ при времени переключения между дискретными значениями ослабления (дискретами) 6 мс. Для электромеханических коммутаторов нормируется гарантированное число циклов коммутации, которое в предлагаемых на рынке моделях колеблется от 200 тыс. до 10 млн. В некоторых моделях регуляторов предусмотрена установка заданного дискрета ослабления при помощи набора клавиш (тумблеров). В других – значение ослабления устанавливается стандартным двоичным кодом по параллельной шине входных сигналов.
Аттенюаторы волноводного типа с моторизованным управлением, выпускаемые фирмой Millitech (серия MWA-06), предназначены для автоматизированных измерителей или регуляторов мощности в диапазонах частот 18–170 ГГц. В эти модели встроены соответствующие драйверы интерфейса, позволяющие организовать автоматизированное электромеханическое управление с малой погрешностью установки ослабления за счёт ступенчатого регулирования.
Дискретные аттенюаторы на основе аналоговых регуляторов с ЦАП (рис.9) по сравнению с электромеханическими устройствами имеют более высокую (от 8 до 12 бит) разрядность по цифровому входу, допускают применение средств линеаризации характеристики управления, но уступают им по допустимому уровню входной мощности при широкополосном сигнале.
Модели, использующие СВЧ-ключи для коммутации широкополосных цепей, типа приведенных на рис.2а и 2б, обеспечивают наибольшее быстродействие по цепи управления и высокий допустимый уровень СВЧ-сигнала. Поскольку в этих моделях могут быть использованы несколько конфигураций ослабляющих цепей, их динамический диапазон изменения ослабления предельно широк.
Среди аттенюаторов ключевого типа можно выделить двухпозиционные модели (с одним разрядом по цепи управления). По существу – это узлы с быстрой двоичной манипуляцией коэффициента передачи. Например, для модели AT-204 на основе аттенюатора-ключа фирмы Synergy Microwave с полосой частот 10 МГц–1 ГГц время изменения затухания в цепи с -3,5 до -50 дБ не превышает 2 мкс, а в модели AT-213 с полосой частот 5–400 МГц изменение затухания с -6 до -70 дБ занимает 10 нс. Это свойство аттенюатора может использоваться для измерений или для защиты приёмника при работе с приёмопередающей антенной.
В аттенюатор модели ADP-69N-DAP фирмы G.T.Microwave встроены энергонезависимая память, хранящая значения ослабления и закон связи между ослаблением и управляющим сигналом (линейный или логарифмический); АЦП для преобразования аналогового сигнала управления; цифровой термокомпенсатор, позволяющий исключить влияние температуры окружающей среды. Такие модели с развитым цифровым управлением называют программируемыми, в отличие от моделей с простой установкой кода заданного дискрета ослабления. Модель ADP-69N-DAP представляет собой аттенюатор-модулятор ключевого типа: модуляция амплитуды выходного сигнала на 40 дБ в сверхширокой полосе частот 0,25–24 ГГц занимает менее 10 нс.
Интерес представляет аттенюатор с цифровым управлением модели PE94302 фирмы Peregrine Microwave, предназначенный для поверхностного монтажа. Его ослабление в полосе частот 0–4 ГГц составляет 1–31 дБ с шагом 1 дБ. Аттенюатор имеет встроенные средства параллельного и последовательного управления параметрами и радиационно-стойкое исполнение (выдерживает дозу радиации до 300 крад/с).
Представленные в статье модели аттенюаторов СВЧ-сигналов отличаются большим разнообразием по полосе рабочих частот, глубине ослабления, уровню погрешностей, функциональным возможностям. Можно выделить такие новые области их применения, как узлы, входящие в состав фазовых и векторных модуляторов миллиметрового диапазона с высокой скоростью управления. Близкими характеристиками обладают аттенюаторы сигналов оптического диапазона, предназначенные для применения в волоконно-оптических линиях передачи (например, изделия фирмы Fiber Optic Communication, www.foci.com.tw ).
За последние несколько лет отмечается значительное увеличение числа моделей в микрополосковом исполнении, функционирующих в полосе частот 0–50 ГГц, а также моделей в коаксиальном исполнении, рассчитанных на полосу частот 0–60 ГГц, и в волноводном исполнении на частоты до 170 ГГц. Обширная база данных по выпущенным в мире моделям аттенюаторов и других радиокомпонентов представлена на сайте ООО Радиокомп [2].
Мировой рынок СВЧ-аттенюаторов насыщен высококачественными моделями, производство которых требует высокой технологической культуры. Можно отметить продвижение на передовые места в этом секторе фирм из Юго-Восточной Азии, Японии, Израиля.
США, как ведущая страна-производитель СВЧ-компонентов, проводит известную политику ограничения экспорта в Россию электронных узлов для формирования и обработки сигналов на частоту свыше 18 ГГц. Чтобы поддержать развитие наукоёмких отраслей промышленности нашей страны, необходимо развивать собственные исследования и технологию производства узлов миллиметрового и субмиллиметрового диапазона.
Автор благодарит В.Н.Кочемасова за полезные обсуждения и предоставление информационной поддержки.
Литература
1. Белов Л.А. Портрет MITEQ. –ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2005, № 4, с. 99; Mini-Сircuits – надёжный поставщик микроволновых компонентов. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2005, № 6, с.38; Hittite Microwave – Портрет фирмы. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2005, № 8, с.46.
2. РАДИОКОМП – радиокомпоненты мировых производителей. http://www.radiocomp.ru
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ И КЛАССИФИКАЦИЯ АТТЕНЮАТОРОВ
Для корректного определения параметров аттенюатора представим его как четырёхполюсник СВЧ-цепи, характеризующийся S-матрицей передачи с следующими комплексными коэффициентами: S·21 – коэффициент передачи сигнала от входа к выходу; S·11 – коэффициент отражения от входа (Return Loss – RL); S·22 – коэффициент отражения от выхода и S·12 – коэффициент обратного прохождения сигнала с выхода на вход. Для пассивных ослабителей с взаимными свойствами входной и выходной цепей S·21 = S·12. К параметрам, описывающим аттенюатор, относятся следующие:
· k = |S·21| – коэффициент ослабления (Insertion Loss – IL);
· j = arg (S·21) – фазовый сдвиг сигнала в ослабителе;
· kсв = (1 + r)/(1 - r) – коэффициент стоячей волны (КСВ) во входной цепи, характеризующий реакцию входной цепи аттенюатора на импеданс нагрузки, где r = |S11| – модуль коэффициента отражения от входа.
Для невзаимных моделей дополнительно указывается коэффициент обратного прохождения мощности kобр = |S·12|. Каждый из коэффициентов k, r (или kсв), kобр зависит от полосы рабочих частот, поэтому необходимо знать их частотные характеристики. Для сверхширокополосных аттенюаторов нормируют также значение наибольшей неравномерности коэффициента ослабления в полосе рабочих частот e, измеряемое в децибелах.
Общепринятого определения нижней fн и верхней fв границ рабочей полосы частот для аттенюаторов нет. Обычно в качестве этих величин принимают частоты, на которых коэффициент ослабления k изменяется более чем на ±6 дБ по сравнению со средним значением в рабочей полосе частот. Для каждого аттенюатора с калиброванным ослаблением или шкалой изменения ослабления должна быть установлена наибольшая погрешность калибровки D. Для перестраиваемых ослабителей указывается также наибольшая скорость перестройки в виде граничной частоты по цепи управления Fгр или длительности переключения дискретных значений ослабления t.
Допустимый уровень мощности входного сигнала указывается производителем либо в виде границы линейного режима Р1дБ – мощности входного СВЧ-сигнала, при которой коэффициент передачи уменьшается на 1 дБ по сравнению со значением при малом сигнале, либо в виде максимальной мощности входного сигнала Рм, превышение которой может привести к необратимым изменениям характеристик ослабителя. Для аттенюаторов, работающих в импульсном режиме, дополнительно приводится предельная пиковая мощность при определённых значениях длительности импульсов и их скважности (обычно – длительность 5 мкс и частота повторения 100 Гц).
Классификация аттенюаторов СВЧ-сигналов (рис.1) осложнена наличием разнообразных сочетаний основных характеристик, таких как интервал рабочих частот; значение ослабления и возможность его изменения; тип соединителя и конструкция; допустимый уровень входной мощности; погрешность калибровки. Существуют три основные группы моделей аттенюаторов: с фиксированным значением ослабления, с плавным и с дискретным его изменением. Каждая модель может быть выполнена в корпусе для поверхностного монтажа, иметь коаксиальное или волноводное исполнение и отличаться особыми свойствами. Рассмотрим эти группы.
АТТЕНЮАТОРЫ С ФИКСИРОВАННЫМ ОСЛАБЛЕНИЕМ
Пассивные аттенюаторы с фиксированным ослаблением, или фиксированные аттенюаторы (ФА) (табл.1), часто выполняются на основе взаимной резистивной цепи Т- или П-конфигурации (рис.2а,б). Значения сопротивления резисторов рассчитываются по правилам линейной электротехники, исходя из нужного ослабления и значений входного и выходного импедансов. Например,
в П-образной схеме (рис.2б) при R11 = R21 = 150 Ом и R31 = 37 Ом и сопротивлении нагрузки RL = 50 Ом входное сопротивление Rвх = 49,8 Ом, k = kобр = -6 дБ; r = -53 дБ. На сайтах некоторых компаний-производителей аттенюаторов (например, Amplifonix) можно найти таблицы или калькуляторы, позволяющие быстро рассчитать нужные номиналы элементов таких схем. С ростом рабочей частоты входного сигнала uвх(t) и увеличением ослабления k в схемах ФА типа приведенных на рис.2а,б усиливается влияние паразитных параметров, обусловленных межэлектродными ёмкостями и индуктивностями выводов, параметрами корпусов резисторов. Это приводит к ограничению полосы рабочих частот, снижению КСВ входной и выходной цепей до недопустимых значений.
Аттенюатор с безынерционным нелинейным элементом (НЭ) (рис.2в) позволяет изменять значения коэффициента ослабления k = uвых(t)/uвх(t) в широких пределах путем оперативного изменения смещения Е во входной цепи НЭ. Кроме того, в таком аттенюаторе за счёт невзаимных свойств входной и выходной цепей обеспечивается высокое значение их развязки kобр = |S·12| № |S·21|. Однако в такой схеме с ростом мощности входного сигнала uвх(t) могут появляться нелинейные и перекрёстные искажения его спектрального состава, а обеспечение постоянства коэффициентов отражения S·11 и S·22 в требуемом диапазоне частот и ослаблений затрудняется. Поэтому многие производители в качестве управляемых двухполюсников используют СВЧ-узлы на полевых транзисторах, включая их, например, по схеме рис.2б. Возможно также каскадное включение схем типа показанных на рис. 2а или 2б.
ФА выпускаются в виде твердотельных бескорпусных устройств (в терминологии производителей – chip или die) или микросхем для поверхностного монтажа (ПМ). Различия между этими двумя типами ФА незначительны: размеры бескорпусных моделей минимальны (например, 0,85ґ0,85ґ0,1 мм), тогда как ПМ-модели лучше защищены от влияния окружающей среды и имеют от 4 до 16 контактных площадок. Компания Skyworks выполняет бескорпусные тонкопленочные аттенюаторы на высокоомной кремниевой подложке, что позволяет поднять верхнюю границу рабочей температуры до 175°С. Твёрдотельные ФА фирмы Skyworks работают в сверхширокой полосе частот 0–40 ГГц при допустимой мощности Рм = 1 Вт (серия ATN3580). В такой полосе частот при достаточно стабильном значении k качество согласования с повышением частоты ухудшается: коэффициент отражения r = -45 дБ для f = 1 ГГц, -30 дБ для 10 ГГц, -25 дБ для 20 ГГц, -20 дБ для 30 ГГц и -18 дБ для 40 ГГц.
Производители ФА используют подложку из нитрида алюминия (AlN) или окиси бериллия (BeO): при одинаковых размерах элемента в первом случае получают на 25% более высокую граничную частоту и более низкий КСВ, во втором – более высокую максимальную рассеиваемую мощность.
Значение ослабления в резистивных ФА, предназначенных для поверхностного монтажа (рис.3), составляет 1–60 дБ при рассеиваемой мощности менее 1 Вт и рабочей частоте до 60 ГГц. Коэффициент неравномерности амплитудно-частотной характеристики для лучших образцов равен ±0,5 дБ в полосе частот 0–20 ГГц и возрастает до ±2 дБ для частот в полосе 40–60 ГГц.
Характерные особенности аттенюаторов для поверхностного монтажа серии TS04 фирмы EMC Technology – отсутствие полупроводниковых компонентов, тройная защита от воздействия внешней среды, возможность рассеяния мощности до 2 Вт. Фирма EMC разработала и выпускает термочувствительные аттенюаторы по запатентованной технологии Thermopad. Коэффициент чувствительности ослабления к изменению температуры аттенюаторов фирмы калибруется и может принимать заданные положительные или отрицательные значения.
В сверхмощных аттенюаторах для поверхностного монтажа применяют фланцевую конструкцию с внешним теплоотводом. Фланцевые изделия фирмы RF Labs выпускаются на среднюю мощность 10–250 Вт, работают в диапазоне частот до 4 ГГц, размер их не более 1,3ґ1,3ґ0,3 мм. Значение ослабления в аттенюаторах полуфланцевой конструкции компании MITEQ достигает 30±1 дБ в полосе частот 0–3 ГГц при мощности до 100 Вт. 75-ваттный ослабитель этой фирмы ATT-75-30-HF работает с КСВ 1,15:1 при температуре среды -55…75°С и по стойкости к механическим воздействиям (не менее 7 g) удовлетворяет требованиям военного стандарта MIL-STD-810B.
Интерес представляют адаптоаттенюаторы, т.е. устройства, которые согласуют импедансы цепей и одновременно обеспечивают заданное значение ослабления. Лучшие модели таких устройств (фирм Mini-Circuits, ХМА) выполняются из нержавеющей стали с золочеными контактными зонами.
Значительное число моделей ФА выполняются с коаксиальными соединителями, что позволяет улучшить согласование значений входного и выходного импедансов в широкой полосе частот, снизить погрешность калибровки аттенюатора (до 0,5% от номинального значения), использовать при проведении измерений сменные наборы калиброванных ослабителей. ФА с коаксиальными соединителями способны рассеивать до 1 кВт непрерывной СВЧ-мощности в полосе частот 0–3 ГГц (модели серии 82 фирмы Aeroflex Weinschel с ослаблением 10–40 дБ, работающие в диапазоне температур -55…125°С), до 500 Вт на частотах 4–26 ГГц и до 20 Вт на частотах до 40 ГГц (аттенюаторы фирмы Microlab/FXR).
Аттенюаторы с коаксиальными соединителями, отличающиеся малыми погрешностями установки и малой неравномерностью коэффициента передачи в широкой полосе частот, часто применяются при измерении параметров СВЧ-цепей и трактов. Ряд фирм предлагают наборы сменных измерительных ФА в коаксиальном исполнении.
В аттенюаторах с коаксиальными соединителями (рис.4) применяются разъёмы типа N, SMA, BNC и другие. Для частот до 60 ГГц фирма Picosecond Pulse Labs использует микроминиатюрные V-образные разъёмы диаметром 1,85 мм. Групповое запаздывание аттенюатора модели 5510V-302-20dB фирмы составляет 90 пс при полосе рабочих частот 0–60 ГГц и при превосходном КСВ = 1,06:1. Длительность фронта выходного сигнала при коммутации мощности на входе ФА, по значению которой проверятся фактическая ширина полосы сверхширокополосных моделей, не превышает 5 пс.
АТТЕНЮАТОРЫ С ПЛАВНЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ ОСЛАБЛЕНИЯ
Для изделий с изменяющимся ослаблением указывают значение, соответствующее минимальному управляющему воздействию, и диапазон изменения ослабления. Аттенюаторы этого класса выпускаются с ручным управлением и управлением аналоговым сигналом.
Ручной способ управления реализуется в аттенюаторах с коаксиальными и волноводными конструкциями (табл.2). Для подобных устройств иногда нормируют такой дополнительный параметр, как допустимое для механической конструкции число перемещений регулятора, например 200 тысяч. В качестве примера аттенюаторов с ручным управлением можно привести регулировочный аттенюатор фирмы Alan Industries, в котором ослабление изменяется вращением винта с некалиброванным углом поворота (рис.5), а также калиброванные измерительные аттенюаторы (рис.6). Для снижения погрешности установки положение регулятора иногда фиксируется механически, например через каждые 30° поворота ротора или используют двухроторную конструкцию. При этом значения ослабления становятся дискретными и изменяются с малым шагом.
Для частот 20–170 ГГц выпускаются волноводные модели измерительных аттенюаторов с нониусной установкой ослабления (рис.7). Полоса рабочих частот таких аттенюаторов ограничена сечением волновода, но облегчена прецизионная установка калиброванного ослабления с малой погрешностью и реализована самая высокая для данного диапазона частот допустимая мощность Рм. Например, прецизионные (погрешность ±0,2 дБ при ослаблении 30 дБ) волноводные аттенюаторы серии 020 фирмы Flann Microwave рассчитаны на мощность 0,2 Вт на частоте 140 ГГц.
Аттенюаторы с изменением ослабления аналоговым сигналом (табл.3) позволяют строить быстродействующие измерители параметров СВЧ-трактов, системы автоматической регулировки уровня мощности, амплитудные модуляторы. В аттенюаторах этого типа дополнительно нормируют нелинейность статической зависимости ослабления от управляющего воздействия (напряжения или тока) и скорость установки заданного ослабления при скачке управляющего сигнала. В аттенюаторах с аналоговым управлением обеспечивается достаточно большой динамический диапазон регулировки ослабления. Так, для неотражающих аттенюаторов серии D196 фирмы Herley управляемое напряжением изменение ослабления в многооктавной полосе 0,5–18 ГГц может достигать 60 дБ.
Для плавного изменения ослабления обычно используются одно- или двухкаскадные схемы вида, приведенного на рис.2а и 2б, где активные поглотители выполняются на широкополосных p-i-n-диодах или полевых транзисторах с управляемым смещением. В некоторых моделях применяются невзаимные управляемые устройства типа показанных на рис.2в. Для сверхширокополосных моделей предлагается настроечная таблица с сочетаниями управляющих сигналов. На рис.8 приведены зависимости ослабления от частоты для разных значений управляющего напряжения аттенюатора модели UVD50SC фирмы Centellax, выполненного на пяти полевых транзисторах и работающего в полосе частот 0–50 ГГц с ослаблением 0–30 дБ.
Технические трудности создания аттенюаторов с плавным изменением ослабления аналоговым сигналом связаны с необходимостью обеспечения в широкой полосе частот одновременного изменения импедансов нескольких сосредоточенных элементов так, чтобы коэффициент ослабления монотонно изменялся в больших пределах, а коэффициенты отражения от входа и выхода изменялись незначительно. Для решения этой задачи разработчики включают в состав аттенюатора узел линеаризатора с одним аналоговым входом (для управления током или напряжением) и необходимым числом выходных сигналов, подключаемых к управляемым элементам. Лучшие модели линеаризаторов позволяют уменьшить погрешность отклонения от линейности до 3–5% наибольшего ослабления. Однако надо иметь в виду, что энергопотребление линеаризаторов как отдельных аналоговых узлов достаточно велико. К тому же, в результате их применения снижается быстродействие по цепи управления.
В быстродействующей модели HMC346 компании Hittite использована двухзвенная цепь вида, приведенного на рис.2б, на шести управляемых напряжением полевых транзисторах. Продолжительность изменения ослабления модели с 0 до 32 дБ не превышает 2 нс. Эту микросхему рекомендуется применять для быстродействующей автоматической регулировки усиления и для формирования амплитудно-модулированных сигналов, т.е. она представляет собой аттенюатор-модулятор.
В аттенюаторах с управлением аналоговым сигналом для регулировки ослабления используются полупроводниковые нелинейные элементы (p-i-n-диоды или полевые транзисторы), поэтому актуальный для них параметр – допустимая входная мощность в линейном режиме Р1дБ. Эта величина в сильной степени зависит от установленного значения ослабления. Например, для модели UVD50SC фирмы Centellax на частоте 25 ГГц при k < 10 дБ допустимое значение мощности в линейном режиме Р1дБ равно 2 мВт, при k > 15 дБ эта величина возрастает до 18 мВт, а на частоте 5 ГГц – до 40 мВт. Фирма UMCC для двухкратного повышения допустимой мощности использует на входе квадратурный разветвитель, в каналах – регуляторы и на выходе – квадратурный сумматор.
На рынке представлены модели с встроенными согласующими драйверами, благодаря чему управляющим сигналом по выбору потребителя может быть либо напряжение, либо ток. В некоторых из них в состав драйвера входят программируемая энергонезависимая память, ЦАП и преобразователь тока в напряжение, что позволяет выбирать любой из вариантов управляющего сигнала. Аттенюатор модели 3495Н-64 фирмы Herley Farmingdale имеет тройное управление: током, напряжением или кодом. В полосе частот 0,75–18 ГГц он обеспечивает изменение ослабления на 80 дБ при входной мощности до 1 Вт и времени переходного процесса по установке нового значения ослабления 300 нс.
В ряде применений к аттенюатору СВЧ-сигнала предъявляется требование незначительно изменять фазовый сдвиг j в диапазоне рабочих частот при регулировке ослабления, а также в интервале температур окружающей среды. В стандартных моделях аттенюаторов на частоту 4 ГГц изменение ослабления от 1 до 60 дБ приводит к изменению фазового сдвига до 50°. В модели AP-N000-32D фирмы UMCC, разработанной с учётом требования стабилизации этого параметра, гарантируется фазовый сдвиг не более ±5° для полосы частот 6-18 ГГц при ослаблении 32 дБ.
АТТЕНЮАТОРЫ С ДИСКРЕТНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
В эту группу входят самые разнообразные аттенюаторы (табл.4), позволяющие смягчить противоречие между стабильностью значения ослабления в диапазоне рабочих частот и в интервале дестабилизирующих факторов с одной стороны, и возможностью быстрого изменения ослабления в широких пределах, с другой. Аттенюаторы с дискретным управлением (ДУ) можно разделить на три подгруппы: а) с механическим (электромеханическим) переключением или регулятором; б) с аналоговым управляющим сигналом, снабжённые ЦАП; б) электронные коммутаторы.
Модели аттенюаторов с ДУ с механическим переключением предназначены для измерения или отладки СВЧ-систем. У них кнопочное или шаговое поворотное управление (например, серия Pushbutton – PB или роторные аттенюаторы серии RSA фирмы Trilithic, работающие в полосе частот 0–4,5 ГГц с ослаблением -1… -110 дБ).
Электромеханическое переключение при помощи системы реле в аттенюаторах серии TTL фирмы Alan Industries в полосе частот 0–1,5 ГГц обеспечивает коммутацию ослабления в пределах 1–127 дБ с шагом 1 дБ при времени переключения между дискретными значениями ослабления (дискретами) 6 мс. Для электромеханических коммутаторов нормируется гарантированное число циклов коммутации, которое в предлагаемых на рынке моделях колеблется от 200 тыс. до 10 млн. В некоторых моделях регуляторов предусмотрена установка заданного дискрета ослабления при помощи набора клавиш (тумблеров). В других – значение ослабления устанавливается стандартным двоичным кодом по параллельной шине входных сигналов.
Аттенюаторы волноводного типа с моторизованным управлением, выпускаемые фирмой Millitech (серия MWA-06), предназначены для автоматизированных измерителей или регуляторов мощности в диапазонах частот 18–170 ГГц. В эти модели встроены соответствующие драйверы интерфейса, позволяющие организовать автоматизированное электромеханическое управление с малой погрешностью установки ослабления за счёт ступенчатого регулирования.
Дискретные аттенюаторы на основе аналоговых регуляторов с ЦАП (рис.9) по сравнению с электромеханическими устройствами имеют более высокую (от 8 до 12 бит) разрядность по цифровому входу, допускают применение средств линеаризации характеристики управления, но уступают им по допустимому уровню входной мощности при широкополосном сигнале.
Модели, использующие СВЧ-ключи для коммутации широкополосных цепей, типа приведенных на рис.2а и 2б, обеспечивают наибольшее быстродействие по цепи управления и высокий допустимый уровень СВЧ-сигнала. Поскольку в этих моделях могут быть использованы несколько конфигураций ослабляющих цепей, их динамический диапазон изменения ослабления предельно широк.
Среди аттенюаторов ключевого типа можно выделить двухпозиционные модели (с одним разрядом по цепи управления). По существу – это узлы с быстрой двоичной манипуляцией коэффициента передачи. Например, для модели AT-204 на основе аттенюатора-ключа фирмы Synergy Microwave с полосой частот 10 МГц–1 ГГц время изменения затухания в цепи с -3,5 до -50 дБ не превышает 2 мкс, а в модели AT-213 с полосой частот 5–400 МГц изменение затухания с -6 до -70 дБ занимает 10 нс. Это свойство аттенюатора может использоваться для измерений или для защиты приёмника при работе с приёмопередающей антенной.
В аттенюатор модели ADP-69N-DAP фирмы G.T.Microwave встроены энергонезависимая память, хранящая значения ослабления и закон связи между ослаблением и управляющим сигналом (линейный или логарифмический); АЦП для преобразования аналогового сигнала управления; цифровой термокомпенсатор, позволяющий исключить влияние температуры окружающей среды. Такие модели с развитым цифровым управлением называют программируемыми, в отличие от моделей с простой установкой кода заданного дискрета ослабления. Модель ADP-69N-DAP представляет собой аттенюатор-модулятор ключевого типа: модуляция амплитуды выходного сигнала на 40 дБ в сверхширокой полосе частот 0,25–24 ГГц занимает менее 10 нс.
Интерес представляет аттенюатор с цифровым управлением модели PE94302 фирмы Peregrine Microwave, предназначенный для поверхностного монтажа. Его ослабление в полосе частот 0–4 ГГц составляет 1–31 дБ с шагом 1 дБ. Аттенюатор имеет встроенные средства параллельного и последовательного управления параметрами и радиационно-стойкое исполнение (выдерживает дозу радиации до 300 крад/с).
Представленные в статье модели аттенюаторов СВЧ-сигналов отличаются большим разнообразием по полосе рабочих частот, глубине ослабления, уровню погрешностей, функциональным возможностям. Можно выделить такие новые области их применения, как узлы, входящие в состав фазовых и векторных модуляторов миллиметрового диапазона с высокой скоростью управления. Близкими характеристиками обладают аттенюаторы сигналов оптического диапазона, предназначенные для применения в волоконно-оптических линиях передачи (например, изделия фирмы Fiber Optic Communication, www.foci.com.tw ).
За последние несколько лет отмечается значительное увеличение числа моделей в микрополосковом исполнении, функционирующих в полосе частот 0–50 ГГц, а также моделей в коаксиальном исполнении, рассчитанных на полосу частот 0–60 ГГц, и в волноводном исполнении на частоты до 170 ГГц. Обширная база данных по выпущенным в мире моделям аттенюаторов и других радиокомпонентов представлена на сайте ООО Радиокомп [2].
Мировой рынок СВЧ-аттенюаторов насыщен высококачественными моделями, производство которых требует высокой технологической культуры. Можно отметить продвижение на передовые места в этом секторе фирм из Юго-Восточной Азии, Японии, Израиля.
США, как ведущая страна-производитель СВЧ-компонентов, проводит известную политику ограничения экспорта в Россию электронных узлов для формирования и обработки сигналов на частоту свыше 18 ГГц. Чтобы поддержать развитие наукоёмких отраслей промышленности нашей страны, необходимо развивать собственные исследования и технологию производства узлов миллиметрового и субмиллиметрового диапазона.
Автор благодарит В.Н.Кочемасова за полезные обсуждения и предоставление информационной поддержки.
Литература
1. Белов Л.А. Портрет MITEQ. –ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2005, № 4, с. 99; Mini-Сircuits – надёжный поставщик микроволновых компонентов. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2005, № 6, с.38; Hittite Microwave – Портрет фирмы. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2005, № 8, с.46.
2. РАДИОКОМП – радиокомпоненты мировых производителей. http://www.radiocomp.ru
Отзывы читателей
