A variabler Dämpferist eine passive oder aktive HF-/Mikrowellenkomponente, die die Signalamplitude um einen kontrollierbaren Betrag reduziert und gleichzeitig eine akzeptable Impedanzanpassung über die gesamte Betriebsbandbreite aufrechterhält. Im Gegensatz zu festen Dämpfungsgliedern, die eine einzige vorgegebene Einfügungsdämpfung bieten, ermöglichen variable Dämpfungsglieder die Einstellung-entweder kontinuierlicher oder diskreter-Dämpfungspegel, die je nach Topologie und Anwendungsanforderungen typischerweise von nahe{{3}Null bis 30 dB oder mehr reichen. Das Gerät findet wichtige Anwendung in automatischen Verstärkungsregelkreisen, der Senderleistungsregelung, der Erweiterung des Empfängerdynamikbereichs und Testinstrumenten, bei denen eine präzise Manipulation des Signalpegels unerlässlich ist.
Warum ich aufgehört habe, Datenblättern zu vertrauen
Ich bin ehrlich: Der erste variable Dämpfer, den ich in ein Design eingebaut habe, war eine Katastrophe. Nicht weil das Teil schlecht war-das Datenblatt sah perfekt aus. 0.5 dB-Schritte, 31,5-dB-Bereich, DC bis 4 GHz. Was im Datenblatt nicht hervorgehoben wurde, war die Schwankung des Einfügungsverlusts über die Temperatur. Wir bauten eine Außeneinheit für ein drahtloses Backhaul-System. Die Sommertests verliefen gut. Im Januar in Minnesota war das Ding bei maximaler Dämpfung um 1,8 dB daneben. Die AGC-Schleife war beim Versuch, dies zu kompensieren, verrückt geworden.
Der Unterricht kostete uns einen Boardspin und sechs Wochen. Jetzt überprüfe ich drei Dinge, bevor ich überhaupt auf den Dämpfungsbereich schaue:
Einfügungsdämpfung bei minimaler Dämpfung. Dies ist Ihre Grundstrafe-Sie zahlen sie ständig.
Einfügedämpfungsdelta über den gesamten Temperaturbereich. Normalerweise auf Seite 14 des Datenblatts vergraben.
VSWR beialleDämpfungszustände, nicht nur die, die sie -für die Titelseite ausgewählt haben.
Alles andere ist zweitrangig.
Die PIN-Diode: Arbeitstier mit Macken
Die meisten HF-Ingenieure greifen aus gutem Grund zuerst zu PIN-Dioden-Dämpfern. Die Physik ist elegant: Wird Strom in den intrinsischen Bereich eingespeist, erhöht sich die Leitfähigkeit, der HF-Widerstand sinkt. Wenn Sie die Vorspannung umkehren, erhalten Sie eine hohe Impedanz. Wenn Sie einige davon in einem Pi- oder T-Netzwerk mit der richtigen Anpassung aneinanderreihen, erhalten Sie eine stufenlos variable Dämpfung, die durch eine Gleichspannung oder einen Gleichstrom gesteuert wird.
Der Frequenzbereich ist wirklich beeindruckend. DC bis 40 GHz ist mit gutem Design erreichbar. Einige Spezialteile erreichen Geschwindigkeiten über 50 GHz. Der Skyworks SKY12347-362LF, den ich wahrscheinlich in einem Dutzend Designs verwendet habe, deckt Gleichstrom bis 6 GHz mit einer Reichweite von etwa 32 dB ab. Solides Teil. Nicht aufregend, aber solide.
Folgendes wird Ihnen in Anwendungshinweisen nicht gesagt: PIN-Dioden haben bei niedrigen Frequenzen einen Memory-Effekt. Unterhalb von etwa 10 MHz wird die gespeicherte Ladung im intrinsischen Bereich zwischen den HF-Zyklen nicht schnell genug gelöscht, und Ihre Dämpfung wird signalpegelabhängig. Ich habe gesehen, dass die Verzerrung dritter Ordnung um 15 dB anstieg, und zwar bei einem Design, das 1 MHz bis 2 GHz verarbeiten sollte. Die Lösung bestand darin, einen Hochpassfilter am Eingang hinzuzufügen-womit der Systemarchitekt nicht zufrieden war.
Der Temperaturkoeffizient ist das andere Problem. Strom-gesteuerte PIN-Dämpfungsglieder driften ab, da sich die Widerstandskurve der Diode-gegen-mit der Temperatur verschiebt. Spannungsgesteuerte Versionen sind etwas besser, aber nicht immun. Budgetieren Sie für Planungszwecke 0,02–0,05 dB/Grad. Bei einer Präzisionsmessanwendung ist das nicht zu vernachlässigen.
Digitale Stufenabschwächer
Ganz anderes Tier. DSAs schalten mithilfe von FET- oder MEMS-Schaltern zwischen festen Dämpfungsgliedsegmenten um. Sie senden ein paralleles oder serielles digitales Wort und das Teil wählt aus, welche Kombination von Widerstandspads sich im Signalpfad befinden.
Das Gute: Die Wiederholgenauigkeit ist außergewöhnlich. Der Zustand 01101 bietet Ihnen heute, morgen und nächstes Jahr die gleiche Dämpfung. Monotonie ist konstruktionsbedingt garantiert-Jedes Bit fügt sein angegebenes Inkrement hinzu. Die Schaltgeschwindigkeit reicht von Nanosekunden (GaAs-FET) bis zu Mikrosekunden (MEMS) und ist schnell genug für die TDMA-Burst-Leistungssteuerung.
Das Schlechte: Sie bleiben bei einzelnen Schritten hängen. Ein 6-Bit-DSA bietet eine Auflösung von 0,5 dB, was gut klingt, bis Sie 7,3 dB benötigen und zwischen 7,0 und 7,5 wählen müssen. In einer AGC-Schleife erzeugt diese Quantisierung Grenzzyklen. Die Schleife pendelt ewig zwischen zwei Zuständen hin und her und beruhigt sich nie. Ich habe das „gelöst“, indem ich nach dem DSA-Rohbau einen analogen VVA mit kleinem{9}}Bereich hinzugefügt habe, aber es funktioniert.
Das Hässliche: Störungen bei Bitübergängen. Wenn ein DSA von 01111 (15,5 dB) auf 10000 (16 dB) umschaltet, gibt es einen Moment-vielleicht 5 ns, vielleicht 50 ns-in dem sich die internen Schalter zwischen den Zuständen befinden und die Dämpfung an einen undefinierten Ort geht. Normalerweise niedriger als an beiden Endpunkten, was bedeutet, dass eine Leistungsspitze Ihren nachgeschalteten Verstärker trifft. PE43711 von pSemi bewältigt dies besser als die meisten anderen mit einer „Glitch-weniger“ Architektur, aber es ist keine Zauberei. Es gibt immer noch vorübergehende Energie.
Bits, LSBs und warum 7-Bit-Teile existieren
Ein 6-Bit-Dämpfer mit 0,5 dB LSB ergibt einen Bereich von 31,5 dB. Ziemlich normal.
Warum gibt es also 7-Bit-Teile? Zwei Gründe. Erstens eine feinere Auflösung: Mit Schritten von 0,25 dB können Sie die Systemverstärkung präziser anpassen. Zweitens-und das ist weniger offensichtlich-das zusätzliche Bit kann für Redundanz verwendet werden. Bei einigen Herstellern haben Sie die Wahl zwischen der Verwendung aller 7 Bits für 0,25-dB-Schritte oder der Verwendung von 6 Bits für 0,5-dB-Schritte, wobei das 7. Bit als „Feintrimmung“ dient, die die gesamte Kurve verschiebt. Praktisch zum Ausgleich von Abweichungen von Teil-zu Teil in der Produktion.
Peregrine (jetzt pSemi) war Pionier des UltraCMOS-Prozesses, der Hochleistungs-Silizium-DSAs möglich machte. Wenn Sie vorher ernsthafte Bandbreite wollten, kauften Sie GaAs, was $$$ und 5-V-Versorgung bedeutete. Der PE4312 und seine Nachkommen brachten 50-Ohm-DSAs auf 3,3-V-CMOS-Land. Die Wirtschaftlichkeit vieler Designs wurde verändert.
MEMS: Das Versprechen und das Warten
Mikroelektromechanische Systeme versprachen, die HF-Dämpfung zu revolutionieren. Winzige physische Schalter, im geschlossenen Zustand im Wesentlichen perfekt, im geöffneten Zustand im Wesentlichen offen. Keine Halbleiterparasiten. Ohmscher Kontakt.
Die Theorie hat Bestand. MEMS-Dämpfungsglieder erreichen Einfügungsdämpfung und Linearität, die Silizium nicht erreichen kann. Der ADRF5720 von Analog Devices arbeitet mit 40 GHz und einer Einfügungsdämpfung von etwa 1,5 dB. Versuchen Sie das mit einem FET-Schalter.
Aber-und das ist ein großes Problem, aber-die Zuverlässigkeit bleibt umstritten. MEMS-Schalter bewegen sich physisch. Bewegliche Teile verschleißen. Hersteller behaupten Milliarden von Zyklen, und unter harmlosen Laborbedingungen erreichen sie diese wahrscheinlich. In einer Anwendung mit Temperaturwechsel, Feuchtigkeit, Vibration? Ich bin skeptisch. Ich habe in einem Produktionsdesign, an dem ich gearbeitet habe, genau ein MEMS-Dämpfungsglied gesehen, und das war in einem Testgerät, bei dem die Schaltrate vielleicht ein paar Mal pro Sekunde betrug. Für eine Mobilfunk-Basisstation, die Tausende von Leistungsanpassungen pro Sekunde durchführt ... fragen Sie mich in fünf Jahren noch einmal.
Hinzu kommt das Verpackungsproblem. MEMS-Geräte müssen hermetisch abgedichtet sein, sonst dringt feuchte Luft ein und es kommt zu Korrosion oder Verklebungen. Hermetische Verpackungen kosten Geld. Das gesamte Wertversprechen gerät ins Wanken, wenn Ihr „15-Dollar-MEMS-Chip“ in einem „8-Dollar-hermetischen Gehäuse“ mit „12-Dollar-Montagekosten“ geliefert wird.
Mechanische Dämpfungsglieder: Noch nicht tot
Wenn Sie in ein beliebiges HF-Testlabor gehen, finden Sie im Kalibriersortiment Drehflügeldämpfer. Diese Wellenleiter-Monster -drehen eine Widerstandskarte physisch, um zu ändern, wie viel Signal sie abfängt-bieten eine Präzision, die elektronische Dämpfungsglieder nur schwer erreichen können.
Weinschel 953-Serie. Hewlett-Packard 355C/D (ja, HP, nicht Agilent oder Keysight-diese Dinge sind so alt und funktionieren immer noch). Präzisionswellenleitereinheiten von Flann Microwave. Sie sind schwer, langsam, teuer und absolut vertrauenswürdig. Wenn Sie eine 40-dB-Referenz mit einer Genauigkeit von ±0,1 dB von 18 bis 26,5 GHz benötigen, greifen Sie nicht zu einem Halbleiter.
Für den Laborgebrauch bleiben die manuellen Stufendämpfer mit Klick-{0}}Stopp-Reglern seltsam relevant. Ein alter Kay 1/839 ist für 50 US-Dollar bei eBay erhältlich und bietet 1-dB-Schritte bis 79 dB mit besserer Anpassung als die meisten integrierten DSAs. Die Verbindungen verursachen Verluste, die kalibriert werden müssen, aber für schnelle Experimente sind sie perfekt.
Ich habe einen JFW 50R-142 in meiner Schreibtischschublade. Festes 50-Ohm-Koaxialkabel, ausgelegt für DC-2 GHz, Stufen von 0 bis 110 dB in 1-dB-Schritten. Bei den Schaltern handelt es sich um echte Präzisionswiderstandsnetzwerke, nicht um Halbleiter. Es ist wie ein Panzer gebaut und wird mich überleben.
Optische variable Abschwächer (VOAs)
Andere Welt. In Fasersystemen wird die Dämpfung auf der optischen Ebene gesteuert, und die Mechanismen sind faszinierend.
MEMS-basierte VOAsVerwenden Sie einen Kippspiegel. Licht kommt von der Eingangsfaser, trifft auf den Spiegel und wird zur Ausgangsfaser reflektiert. Kippen Sie den Spiegel ein wenig und etwas Licht verfehlt den Ausgangskern. Wenn Sie es stärker neigen, fällt mehr Licht aus. Analoge Steuerung, angemessene Geschwindigkeit, hervorragende Wiederholgenauigkeit. Das DiCon MEMS VOA war ein Jahrzehnt lang im Wesentlichen der Industriestandard.
Flüssigkristall-VOAsPolarisierung ausnutzen. Flüssigkristalle drehen den Polarisationszustand des durchtretenden Lichts; Ein Polarisator dämpft dann basierend auf dem Drehwinkel. Keine beweglichen Teile. Langsamer als MEMS, aber mechanisch kugelsicher.
Es gibt auchVariables Faser-Bragg-GitterAnsätze undelektronisch-gesteuerte Absorptionin Spezialfasern, aber das sind Nischenfasern. Die meisten Telekommunikations-VOAs, denen Sie begegnen, sind MEMS oder LC.
Der Einfügedämpfungsverlust spielt hier eine große Rolle, da man sich oft in einer Kette verstärkter Spannen befindet. Alle 0,5 dB, die Sie im VOA verschwenden, sind 0,5 dB OSNR, die Sie nie zurückbekommen. Die guten MEMS-VOAs erreichen eine IL unter 0,8 dB; Billige erreichen 1,5 dB oder schlechter.
Praktische Auswahlhinweise
Ich wünschte, jemand hätte mir früher ein paar Dinge gesagt:
Die Anpassung der Dämpfungsglieder an die Systemimpedanz ist nicht optional.
Ja, Ihr DSA ist „für 50 Ohm ausgelegt“. Aber wenn die Übertragungsleitungen Ihres Boards tatsächlich 52 Ohm haben, weil Ihr Stackup vom-Ziel abgekommen ist, werden Sie in S21 eine Welligkeit über die Frequenz sehen, die Sie während der Charakterisierung in den Wahnsinn treibt. Das ist nicht die Schuld des Dämpfers.
01
Die Angaben zur Belastbarkeit gehen von einem perfekten Kühlkörper aus.
Die Nennleistung „1 W max. Eingangsleistung“ wurde gemessen, wobei die Evaluierungsplatine an einen Aluminiumblock geschraubt war. Auf Ihrer tatsächlichen Leiterplatte mit 1 Unze Kupfer und ohne thermische Durchkontaktierungen? Bei 0,4 W sind Sie wahrscheinlich sicher. Vielleicht.
02
Die Steuerungsschnittstelle ist wichtiger als Sie denken.
Ein paralleles-Schnittstellen-DSA benötigt 6-7 GPIOs. Wenn Ihr Mikrocontroller GPIO-beschränkt ist, fügen Sie jetzt ein Schieberegister oder einen I²C-Expander hinzu. DSAs mit serieller Schnittstelle vermeiden dies, erhöhen aber die Latenz. In einer schnellen AGC-Schleife könnte diese Latenz von Bedeutung sein. Überprüfen Sie die Zeitdiagramme.
03
Anwendungshinweise für Anbieter werden von Personen verfasst, die Ihnen Teile verkaufen möchten.
Sie zeigen die goldene Tafel, das perfekte Layout, die idealen Bedingungen. Ihr Kilometerstand variiert. Lesen Sie die App-Hinweise für Konzepte und überprüfen Sie sie dann anhand Ihrer eigenen Messungen.
04
Die Teile, die ich tatsächlich verwende
Dies sind keine Empfehlungen-Ich habe keine finanzielle Beziehung zu irgendeinem Hersteller-nur Beobachtungen von ausgelieferten Builds.
FürDSAs unter 6 GHz: pSemi PE43711 (31,5 dB, 0,25-dB-Schritte, glitch-resistent) oder das günstigere PE4312 (31,5 dB, 0,5-dB-Schritte). Beide funktionieren. Beide haben Macken. Beide haben genügend Marktgeschichte, sodass die Errata bekannt sind.
Fürkontinuierliche Dämpfung (VVAs): Die Mini-Circuits ZX76-Serie, wenn das Budget es zulässt. Skyworks SKY12347, wenn dies nicht der Fall ist. Keiner von beiden ist in allen Temperaturbereichen perfekt. Planen Sie entsprechend.
Fürhigh frequency (>20 GHz): Ehrlich gesagt, ich rufe den Hersteller an und führe ein Gespräch. Analog Devices und Qorvo haben beide Teile, die Auswahl ist spärlich und die „richtige“ Wahl hängt stark von Ihren spezifischen Anforderungen ab. Das ist keine Unterhaltungselektronik-im Millimeterwellenbereich, alles ist maßgeschneidert.
Füroptische Telekommunikation: DiCon und Agiltron waren zuverlässig. JDS Uniphase (jetzt Viavi) stellt gute Produkte her, aber die Produktlinien sind durch verschiedene Übernahmen fragmentiert. Prüfen Sie jetzt, wer das Teil tatsächlich wartet, bevor Sie sich verpflichten.
Fehlermodi, über die niemand spricht
ESD tötet Halbleiterdämpfer ab. Das sind keine Neuigkeiten. Was weniger diskutiert wird: Der Fehler kann subtil sein. Ich habe Teile gesehen, die nach einem ESD-Ereignis immer noch „funktionieren“, aber eine verschlechterte Linearität oder eine verschobene Dämpfungskalibrierung aufweisen. Wenn Ihr System sechs Monate nach Produktionsstart plötzlich die EMV-Prüfung nicht besteht und Sie nichts geändert haben, überprüfen Sie das Dämpfungsglied. Vor allem, wenn Ihr Montagebetrieb die Handhabungsverfahren geändert hat.
PIN-Dioden fallen ordnungsgemäß aus-Dämpfungsdrifts, Verzerrungen nehmen zu-aber sie gehen selten plötzlich kaputt. FET-Schalter in DSAs fallen stark aus. Wenn ein Schalter kurzgeschlossen wird, ist die Dämpfung um 4 dB falsch, und wenn Sie dies nicht überwachen, verhält sich das System einfach auf mysteriöse Weise daneben.
Bei MEMS-Ausfällen handelt es sich in der Regel um „steckengebliebene“ Ausfälle. Der Schalter hört auf zu schalten. Je nachdem, an welcher Position es hängen bleibt, erhalten Sie entweder einen toten Kanal oder einen permanent-aktiven Pfad. Testgeräte mit MEMS-Dämpfungsgliedern sollten regelmäßig getestet werden; Schalter, die monatelang in einer Position sitzen, können „Haftwirkung“ entwickeln.
Was ich noch nicht weiß
Ich habe nicht ernsthaft damit gearbeitetFerrit-basiertVariable Dämpfungsglieder. Die Theorie ist eine coole -magnetisch-abgestimmte Absorption-, aber die Teile, die ich gesehen habe, sind groß, energiehungrig- (der Elektromagnet benötigt Strom) und auf Wellenleiterimplementierungen beschränkt. Es kann Anwendungen geben, bei denen sie ideal sind. Persönlich ist mir noch keiner begegnet.
Auf Graphen-BasisDämpfungsglieder gibt es in der wissenschaftlichen Literatur. Angeblich beruht die Abstimmbarkeit auf der Variation des Fermi-Niveaus und damit der Leitfähigkeit. Ich gehe davon aus, dass es produktionsbereit ist, wenn Digi{3}Key es auf Lager hat.
Es gibt auch ArbeitPhase-Materialien ändernzur HF-Umschaltung und Dämpfung. Die Idee besteht darin, dass bestimmte Materialien mithilfe von Wärmeimpulsen zwischen amorphen und kristallinen Zuständen umgeschaltet werden können, wobei sich die HF-Eigenschaften in jedem Zustand erheblich unterscheiden. Frühe Tage.
Das ist also die Landschaft, wie ich sie sehe: PIN-Dioden für die analoge Steuerung, DSAs für digitale Präzision, MEMS, wenn Sie die absolut besten Spezifikationen benötigen, mechanisch für Kalibrierung und Messtechnik, optisch für Fasersysteme. Jeder hat Kompromisse. Keiner ist universell. Die besten Ingenieure, die ich kenne, wählen die Technologie danach aus, was sie ausfallen lassen und nicht nur danach, was am ersten Tag am besten funktioniert.
Wenn Sie daraus eines mitnehmen: Übertemperatur testen. Testen Sie an den Ecken des Dämpfungsbereichs. Testen Sie bei den Frequenzen, die Sie tatsächlich interessieren, und nicht nur dort, wo das Datenblatt am schönsten aussieht. Der Teil, der bei 25 Grad und 1 GHz perfekt funktioniert, kann Sie bei -20 Grad und 5,8 GHz verraten.
Frag mich, woher ich das weiß.
