Pi型衰減器設(shè)計

1、低成本的表面貼PIN管的Pi型衰減器簡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)，它們都是通過電壓來控制射頻信號的功率的。在商業(yè)應(yīng)用中，比如蜂窩電話網(wǎng)，個人通信網(wǎng)絡(luò)，無線局域網(wǎng)以及便攜式無線電等，衰減器的造價是設(shè)計中的一個重要因素。本文描述了一種利用塑膠封裝的表面貼片設(shè)計的低造價、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)計方程。調(diào)整分流電阻R1和串聯(lián)電阻R3以滿足衰減值A(chǔ)=20 log(K)，同時提供與系統(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（見附錄A

2、）時，它可以用作為流控可變電阻。故可用三個PIN管代替Pi型電路中的固定電阻來構(gòu)造一個可變衰減器。作為一個例子，圖2給出了一個由三個PIN管構(gòu)成的衰減器，這個電路在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PIN管作為三個可變電阻導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)的不對稱，這就使偏置電路相當(dāng)復(fù)雜。4個PIN管組成的Pi型衰減器如圖3，如果用兩個PIN管來代替電阻R3，會有很多好處。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PIN管取代一個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PIN管180度反相工作，使得偶數(shù)階的非線性

3、產(chǎn)物得以抵消。第三，構(gòu)成的衰減器網(wǎng)絡(luò)是對稱的，而且偏置電路非常簡單。V+是一固定電壓，Vc是控制網(wǎng)絡(luò)衰減量的可變電壓。采用兩個串聯(lián)PIN管代替一個管子的唯一負面影響就是導(dǎo)致插損的輕微增加，合計小于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)計者不需要很大的帶寬的話，可以通過在R1和R2及RF線之間加裝一些扼流圈來改善插損特性，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，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€衰減動態(tài)范圍

4、內(nèi)的良好的阻抗匹配特性。雖然我們可以通過分析計算來確定R1和R4的阻值，但由經(jīng)驗來確定它們顯然更快更簡單?；萜盏腍SMP-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格。為了節(jié)省成本和板子空間，我們選擇了兩個共陰極的HSMP-3814來代替四個單獨的HSMP-3810 PIN管。在選擇了管子，V+=5V及0Vc15V后，R1和R4可以由經(jīng)驗值確定。測試電路中所有組件的指標都在圖3中給出。如圖5示，衰減器裝在一個2平方英尺的0.032厚的HT-2 PC板上。這種材料相對傳統(tǒng)的FR4有較高的性能，在附錄B中對它有詳細的介紹。使用貼片電阻和電容，如圖5所示，完整的衰減器占用

5、了0,5平方英尺的空間。測試結(jié)果圖6給出了不同控制電壓值下測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回波損耗與頻率的關(guān)系曲線。Vc取其它值時，回波損耗將更高，Vc=0時的數(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)以三階截取點給出，關(guān)于截取點的詳細解釋，請參考附錄C。結(jié)論從測試數(shù)據(jù)中，我們可以看出，4個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，它還有低成本的優(yōu)點。附錄A-PIN管的截止頻

6、率PIN管通常當(dāng)作流控RF電阻使用。然而，這個模型僅在管子工作在其截止頻率fc以上才準確，fc=1/2，其中是管子中少數(shù)載流子的生存周期。工作在十倍于fc的頻率上，PIN管可以準確的設(shè)計為一個流控電阻，相當(dāng)于一個小的結(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，PIN管的特性就相當(dāng)于一個PN結(jié)二極管。當(dāng)工作在0.1fc到10fc之間時,它的特性變得非常復(fù)雜;通常它表現(xiàn)為一個隨頻率變化的電阻,隨電流變化的電感或電容。另外,在這個頻率范圍內(nèi)工作時,管子的非線性特性較差。HSMP-3810系列的管子=1500nsec，故截止頻率為100KHZ。這個管子應(yīng)在1MHZ以上頻率工作時表現(xiàn)

7、為一個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以下工作時的特性仍然很好，圖6給出了工作在300KHZ時的測量數(shù)據(jù)。附錄B-板子材料許多印刷板通常采用這兩類材料：FR4和PTFE（聚四氟氯乙烯）。前者的機械強度和穩(wěn)定性較好，而且價格較低。但是，它引入的損耗很高，而且介電常數(shù)難以控制，有很強的頻率依賴性。后者的射頻特性很好，但是價格昂貴，機械強度差，不能勝任表面貼片技術(shù)（SMT）?；萜展镜男率紿T-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）截取點在眾多

8、的非線性產(chǎn)品中，互調(diào)干擾是一個棘手的問題。與諧波干擾不同的是，互調(diào)干擾是當(dāng)兩個或以上的等幅信號同時加在一個非線性器件上時（如PIN管）產(chǎn)生的多頻點產(chǎn)物。它們的頻率取決于輸入信號的幅度。在某些工業(yè)場合，輸入的信號可能在10個以上，這時進行測試和分析都很復(fù)雜。為了簡化這一問題，許多半導(dǎo)體廠商采用二頻法測量，即用兩個等幅且頻率間隔較小的信號加在非線性器件上。已知這兩個信號的頻率f1和f2，我們可以通過下公式來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在公式描述的無數(shù)的互調(diào)產(chǎn)物中，三階交調(diào)產(chǎn)物尤為重要，因為它存在于兩原始信號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)物的隨輸入信號功率變化的曲線，可以看出當(dāng)信號功率增長1dBm時，二階產(chǎn)物將增長2dBm，三階產(chǎn)物將增長3dBm。既然交調(diào)產(chǎn)物的電平依賴輸入信號的電平而變化，我們就可以用一個虛構(gòu)的常數(shù)截取點，來表征交調(diào)產(chǎn)物的大小。這一點就是基波信號曲線的延長線同交調(diào)產(chǎn)物曲線延長線的交點。在進行非線性失真測量中，輸入信號功率和非線性產(chǎn)物輸出功率是最容易測出的。而且輸入功率