Atenuator Variabel: Jenis dan Kegunaannya

 

A attenuator variabeladalah komponen RF/gelombang mikro pasif atau aktif yang dirancang untuk mengurangi amplitudo sinyal dengan jumlah yang dapat dikontrol sambil mempertahankan kecocokan impedansi yang dapat diterima di seluruh bandwidth operasinya. Tidak seperti attenuator tetap, yang memberikan satu kerugian penyisipan yang telah ditentukan sebelumnya, attenuator variabel memungkinkan penyesuaian tingkat atenuasi-kontinu atau diskrit-yang biasanya berkisar dari mendekati-nol hingga 30 dB atau lebih, bergantung pada topologi dan persyaratan aplikasi. Perangkat ini menemukan aplikasi penting dalam loop kontrol penguatan otomatis, pengaturan daya pemancar, perluasan jangkauan dinamis penerima, dan instrumentasi pengujian yang memerlukan manipulasi level sinyal yang tepat.

Mengapa Saya Berhenti Mempercayai Lembar Spesifikasi

Jujur saja: attenuator variabel pertama yang saya masukkan ke dalam desain adalah bencana. Bukan karena bagiannya buruk-lembar data tampak sempurna. 0.5 langkah dB, rentang 31,5 dB, DC hingga 4 GHz. Apa yang tidak ditekankan dalam lembar data adalah variasi kerugian penyisipan pada suhu. Kami sedang membangun unit luar ruangan untuk sistem backhaul nirkabel. Pengujian musim panas berjalan dengan baik. Pada bulan Januari di Minnesota, penurunannya menjadi 1,8 dB pada redaman maksimal. Lingkaran AGC menjadi gila saat mencoba memberikan kompensasi.

Pelajaran ini membuat kami harus berputar-putar dan enam minggu. Sekarang saya memeriksa tiga hal bahkan sebelum saya melihat rentang atenuasi:

Kerugian penyisipan pada kondisi atenuasi minimum. Ini adalah penalti dasar Anda-Anda membayarnya sepanjang waktu.

Delta kerugian penyisipan pada rentang suhu penuh. Biasanya terkubur di halaman 14 lembar data.

VSWR disemuastatus atenuasi, bukan hanya yang-dipilih untuk halaman depan.

Segala sesuatu yang lain bersifat sekunder.

Dioda PIN: Pekerja Keras Dengan Keunikan

Kebanyakan insinyur RF menggunakan attenuator dioda PIN terlebih dahulu, dan untuk alasan yang bagus. Fisikanya elegan: menyuntikkan arus ke wilayah intrinsik, konduktivitas meningkat, resistansi RF turun. Balikkan bias dan Anda mendapatkan impedansi tinggi. Rangkai beberapa di antaranya dalam jaringan pi atau tee dengan pencocokan yang tepat, dan Anda akan mendapatkan atenuasi variabel kontinu yang dikontrol oleh tegangan atau arus DC.

Rentang frekuensinya sungguh mengesankan. DC hingga 40 GHz dapat dicapai dengan desain yang bagus. Beberapa bagian khusus melampaui 50 GHz. Skyworks SKY12347-362LF, yang mungkin telah saya gunakan dalam selusin desain, mencakup DC hingga 6 GHz dengan jangkauan sekitar 32 dB. Bagian padat. Tidak mengasyikkan, tapi solid.

Inilah yang tidak mereka beritahukan kepada Anda dalam catatan aplikasi: Dioda PIN memiliki efek memori pada frekuensi rendah. Di bawah sekitar 10 MHz, muatan yang disimpan di wilayah intrinsik tidak hilang cukup cepat di antara siklus RF, dan redaman Anda menjadi-tergantung pada tingkat sinyal. Saya telah melihat distorsi-tingkat ketiga melonjak sebesar 15 dB dalam desain yang seharusnya menangani 1 MHz hingga 2 GHz. Perbaikannya adalah menambahkan-filter lolos tinggi pada masukan-yang tidak disukai oleh arsitek sistem.

Koefisien suhu adalah masalah lainnya. Atenuator PIN yang dikontrol arus-bergerak karena kurva resistansi-vs-arus dioda bergeser seiring suhu. Versi-tegangan yang dikontrol sedikit lebih baik tetapi tidak kebal. Anggaran 0,02-0,05 dB/derajat untuk tujuan perencanaan. Dalam aplikasi pengukuran presisi, hal ini tidak dapat diabaikan.

Atenuasi Langkah Digital

Hewan yang sangat berbeda. DSA beralih antara segmen attenuator tetap menggunakan sakelar FET atau MEMS. Anda mengirim kata digital paralel atau serial, dan bagian tersebut memilih kombinasi bantalan resistif yang ada di jalur sinyal.

Kelebihannya: Pengulangannya luar biasa. Negara 01101 memberi Anda redaman yang sama hari ini, besok, dan tahun depan. Monotonisitas dijamin oleh desain-setiap bit menambahkan kenaikan yang ditentukan. Kecepatan peralihan berkisar dari nanodetik (GaAs FET) hingga mikrodetik (MEMS), cukup cepat untuk kontrol daya burst TDMA.

Sisi buruknya: Anda terjebak dengan langkah-langkah terpisah. DSA 6-bit memberi Anda resolusi 0,5 dB, yang terdengar bagus hingga Anda memerlukan 7,3 dB dan harus memilih antara 7,0 dan 7,5. Dalam loop AGC, kuantisasi ini menciptakan siklus batas. Lingkaran ini memburu antara dua negara bagian selamanya, tidak pernah menetap. Saya telah "menyelesaikannya" dengan menambahkan VVA analog rentang kecil setelah DSA-crude, tetapi berhasil.

Yang jelek: Gangguan selama transisi bit. Saat DSA beralih dari 01111 (15,5 dB) ke 10.000 (16 dB), ada momen-mungkin 5 ns, mungkin 50 ns-saat peralihan internal berada di antara status dan redaman berada di suatu tempat yang tidak ditentukan. Biasanya lebih rendah dari titik akhir mana pun, yang berarti lonjakan daya mengenai amplifier hilir Anda. PE43711 dari pSemi menangani hal ini lebih baik daripada kebanyakan lainnya dengan arsitektur "glitch-kurang", namun ini bukan keajaiban. Masih ada energi sementara.

Bit, LSB, dan Mengapa Bagian 7-Bit Ada

Attenuator 6-bit dengan LSB 0,5 dB memberikan rentang 31,5 dB. Cukup standar.

Jadi mengapa ada bagian 7-bit? Dua alasan. Pertama, resolusi yang lebih baik: langkah 0,25 dB memungkinkan Anda memangkas penguatan sistem dengan lebih tepat. Kedua-dan ini kurang jelas-bit tambahan dapat digunakan untuk redundansi. Beberapa produsen membiarkan Anda memilih antara menggunakan semua 7 bit untuk langkah 0,25 dB atau menggunakan 6 bit untuk langkah 0,5 dB dengan bit ke-7 sebagai "finish trim" yang mengimbangi keseluruhan kurva. Berguna untuk mengkompensasi variasi-bagian ke bagian dalam produksi.

Peregrine (sekarang pSemi) memelopori proses UltraCMOS yang membuat DSA silikon{0}}berperforma tinggi dapat dijalankan. Sebelumnya, jika Anda menginginkan bandwidth yang serius, Anda membeli GaA, yang berarti persediaan $$$ dan 5V. PE4312 dan turunannya membawa DSA 50 ohm ke lahan CMOS 3,3V. Mengubah keekonomian banyak desain.

MEMS: Janji dan Penantian

Sistem mikroelektromekanis berjanji untuk merevolusi redaman RF. Sakelar fisik kecil, pada dasarnya sempurna saat ditutup, pada dasarnya terbuka saat terbuka. Tidak ada parasit semikonduktor. Kontak ohmik.

Teorinya bertahan. Attenuator MEMS mencapai kerugian penyisipan dan linearitas yang tidak dapat disentuh oleh silikon. Perangkat Analog ADRF5720 beroperasi hingga 40 GHz dengan kehilangan penyisipan sekitar 1,5 dB. Cobalah dengan saklar FET.

Namun-dan ini adalah hal yang besar, tetapi-keandalannya masih diperdebatkan. Sakelar MEMS bergerak secara fisik. Bagian yang bergerak menjadi aus. Produsen mengklaim miliaran siklus, dan dalam kondisi laboratorium yang baik mereka mungkin mendapatkannya. Dalam aplikasi dengan siklus termal, kelembapan, getaran? Saya skeptis. Saya telah melihat satu attenuator MEMS dalam desain produksi yang saya kerjakan, dan itu ada pada instrumen pengujian yang tingkat perpindahannya mungkin beberapa kali per detik. Untuk stasiun pangkalan seluler yang melakukan ribuan penyesuaian daya per detik... tanyakan lagi dalam lima tahun.

Ada juga masalah pengemasan. Perangkat MEMS memerlukan penyegelan kedap udara atau udara lembap akan masuk dan benda akan terkorosi atau lengket. Paket kedap udara memerlukan biaya. Seluruh proposisi nilai mulai goyah ketika "cetakan MEMS $15" Anda hadir dalam "paket kedap udara $8" dengan "biaya perakitan $12".

Attenuator Mekanis: Belum Mati

Kunjungi lab uji RF mana pun dan Anda akan menemukan attenuator baling-baling putar dalam jajaran kalibrasi. Binatang pandu gelombang ini-memutar kartu resistif secara fisik untuk mengubah jumlah sinyal yang disadap-menawarkan presisi yang sulit ditandingi oleh attenuator elektronik.

Seri Weinschel 953. Hewlett-Packard 355C/D (ya, HP, bukan Agilent atau Keysight-hal-hal ini sudah lama dan masih berfungsi). Unit pandu gelombang presisi Flann Microwave. Mereka berat, lambat, mahal, dan benar-benar dapat dipercaya. Saat Anda memerlukan referensi 40 dB yang akurat hingga ±0,1 dB dari 18 hingga 26,5 GHz, Anda tidak memerlukan semikonduktor.

Untuk penggunaan di bangku cadangan, peredam langkah manual dengan tombol klik{0}}berhenti tetap relevan. Kay 1/839 lama dapat diperoleh seharga $50 di eBay dan memberikan langkah 1 dB hingga 79 dB dengan pencocokan yang lebih baik daripada kebanyakan DSA terintegrasi. Interkoneksinya menambah kerugian yang perlu Anda kalibrasi, tetapi untuk eksperimen cepat, semuanya sempurna.

Saya menyimpan JFW 50R-142 di laci meja saya. Memperbaiki koaksial 50 ohm, dengan rating DC-2 GHz, berkisar dari 0 hingga 110 dB dalam peningkatan 1 dB. Sakelar adalah jaringan resistor presisi sebenarnya, bukan semikonduktor. Itu dibuat seperti tank dan akan bertahan lebih lama dari saya.

Attenuator Variabel Optik (VOA)

Dunia yang berbeda. Dalam sistem serat, redaman dikelola pada lapisan optik, dan mekanismenya sangat menarik.

VOA berbasis MEMS-gunakan cermin miring. Cahaya masuk dari serat masukan, mengenai cermin, dan dipantulkan ke serat keluaran. Miringkan cermin sedikit dan sebagian cahaya tidak mengenai inti keluaran. Miringkan lebih banyak, lebih banyak cahaya yang meleset. Kontrol analog, kecepatan wajar, pengulangan luar biasa. DiCon MEMS VOA pada dasarnya adalah standar industri selama satu dekade.

VOA kristal cairmengeksploitasi polarisasi. Kristal cair memutar keadaan polarisasi cahaya yang lewat; polarizer kemudian dilemahkan berdasarkan sudut rotasi. Tidak ada bagian yang bergerak sama sekali. Lebih lambat dari MEMS, tapi secara mekanis antipeluru.

Ada jugakisi Bragg serat variabelpendekatan danpenyerapan yang dikontrol secara elektronik-dalam serat khusus, tapi ini adalah serat khusus. Kebanyakan VOA telekomunikasi yang Anda temui adalah MEMS atau LC.

Kehilangan penyisipan sangat penting di sini karena Anda sering kali berada dalam rantai bentang yang diperkuat. Setiap 0,5 dB yang Anda buang di VOA berarti 0,5 dB OSNR yang tidak akan pernah Anda dapatkan kembali. VOA MEMS yang baik mencapai IL di bawah 0,8 dB; yang murah mencapai 1,5 dB atau lebih buruk.

Catatan Seleksi Praktis

Bagian yang Sebenarnya Saya Gunakan

Ini bukan dukungan-Saya tidak memiliki hubungan keuangan dengan produsen mana pun-hanya pengamatan dari bangunan yang dikirimkan.

UntukDSA di bawah 6 GHz: pSemi PE43711 (31,5 dB, langkah 0,25 dB, tahan kesalahan-) atau PE4312 yang lebih murah (31,5 dB, langkah 0,5 dB). Keduanya bekerja. Keduanya memiliki keunikan. Keduanya memiliki sejarah pasar yang cukup sehingga kesalahannya diketahui.

Untukredaman berkelanjutan (VVA): Mini-Sirkuit seri ZX76 bila anggaran memungkinkan. Skyworks SKY12347 padahal tidak. Tidak ada yang sempurna dalam suhu. Rencanakan dengan tepat.

Untukhigh frequency (>20GHz): Sejujurnya, saya menelepon pabrikan dan mengobrol. Perangkat Analog dan Qorvo keduanya memiliki bagian, pilihannya jarang, dan pilihan yang "tepat" sangat bergantung pada kebutuhan spesifik Anda. Ini bukan barang elektronik konsumen-pada gelombang milimeter, semuanya dibuat khusus.

Untuktelekomunikasi optik: DiCon dan Agiltron dapat diandalkan. JDS Uniphase (sekarang Viavi) menghasilkan produk bagus tetapi lini produknya terfragmentasi melalui berbagai akuisisi. Periksa siapa yang sebenarnya melayani bagian tersebut sekarang sebelum Anda berkomitmen.

Mode Kegagalan Tidak Ada yang Membicarakannya

ESD membunuh attenuator semikonduktor. Ini bukan berita. Apa yang kurang dibahas: kegagalannya bisa jadi tidak kentara. Saya telah melihat bagian-bagian yang masih "berfungsi" setelah peristiwa ESD tetapi mengalami penurunan linearitas atau pergeseran kalibrasi atenuasi. Jika sistem Anda tiba-tiba gagal dalam pengujian EMC enam bulan setelah produksi, dan Anda tidak mengubah apa pun, periksa attenuatornya. Apalagi jika rumah perakitan Anda beralih prosedur penanganan.

Dioda PIN gagal dengan baik-penyimpangan atenuasi, distorsi meningkat-tetapi jarang mati secara tiba-tiba. Sakelar FET di DSA gagal total. Satu saklar pendek, redaman Anda salah sebesar 4 dB, dan kecuali Anda memantaunya, sistem akan berperilaku buruk secara misterius.

Kegagalan MEMS cenderung merupakan kegagalan yang "terjebak". Sakelar berhenti berpindah. Bergantung pada posisinya, Anda akan mendapatkan saluran mati atau jalur-yang aktif secara permanen. Peralatan uji dengan attenuator MEMS harus digunakan secara teratur; saklar yang berada pada satu posisi selama berbulan-bulan dapat menimbulkan "kejang".

Yang Belum Saya Ketahui

Saya belum pernah bekerja secara seriusberbasis ferit-attenuator variabel. Teorinya keren-secara magnetis-penyerapan yang disetel-tetapi bagian yang saya lihat berukuran besar,-haus daya (elektromagnet membutuhkan arus), dan terbatas pada implementasi pandu gelombang. Mungkin ada aplikasi yang ideal. Saya belum pernah menemukannya secara pribadi.

Berbasis Grafena-attenuator ada dalam literatur akademis. Seharusnya kemampuan merdu berasal dari memvariasikan tingkat Fermi dan juga konduktivitasnya. Saya yakin produksinya-siap ketika Digi-Key menyediakannya.

Ada juga pekerjaan yang sedang dikerjakanfase-perubahan materiuntuk peralihan dan redaman RF. Idenya adalah bahwa material tertentu dapat diubah antara keadaan amorf dan kristal menggunakan pulsa termal, dengan sifat RF yang sangat berbeda di setiap keadaan. Dini hari.

Jadi itulah pemandangan yang saya lihat: dioda PIN untuk kontrol analog, DSA untuk presisi digital, MEMS untuk saat Anda membutuhkan spesifikasi terbaik, mekanis untuk kalibrasi dan metrologi, optik untuk sistem serat. Masing-masing mempunyai kompromi. Tidak ada yang bersifat universal. Insinyur terbaik yang saya kenal memilih teknologi berdasarkan kemampuan mereka dalam mentolerir kegagalan, bukan hanya berdasarkan apa yang paling berhasil pada hari pertama.

Jika Anda mengambil satu hal dari ini: uji suhu. Uji di sudut rentang atenuasi. Uji pada frekuensi yang benar-benar Anda pedulikan, bukan hanya pada frekuensi yang terlihat paling indah pada lembar data. Bagian yang berfungsi sempurna pada 25 derajat dan 1 GHz mungkin mengkhianati Anda pada -20 derajat dan 5,8 GHz.

Tanyakan padaku bagaimana aku tahu.