Atenuador Variável: Tipos e Usos

 

A atenuador variávelé um componente de RF/microondas passivo ou ativo projetado para reduzir a amplitude do sinal em uma quantidade controlável, mantendo ao mesmo tempo uma correspondência de impedância aceitável em sua largura de banda operacional. Ao contrário dos atenuadores fixos, que fornecem uma única perda de inserção predeterminada, os atenuadores variáveis ​​permitem o ajuste-contínuo ou discreto-de níveis de atenuação que variam normalmente de quase{3}}zero a 30 dB ou mais, dependendo da topologia e dos requisitos da aplicação. O dispositivo encontra aplicação crítica em loops de controle de ganho automático, regulação de potência do transmissor, extensão de faixa dinâmica do receptor e instrumentação de teste onde a manipulação precisa do nível do sinal é essencial.

Por que parei de confiar nas folhas de especificações

Serei honesto: o primeiro atenuador variável que especifiquei em um projeto foi um desastre. Não porque a peça fosse ruim-a folha de dados parecia perfeita. 0.5 passos de dB, faixa de 31,5 dB, DC a 4 GHz. O que a folha de dados não enfatizou foi a variação da perda de inserção em função da temperatura. Estávamos construindo uma unidade externa para um sistema de backhaul sem fio. Os testes de verão correram bem. Em janeiro, em Minnesota, a coisa estava 1,8 dB desligada na atenuação máxima. O circuito AGC enlouqueceu tentando compensar.

A lição nos custou um giro na prancha e seis semanas. Agora verifico três coisas antes mesmo de olhar para a faixa de atenuação:

Perda de inserção no estado de atenuação mínimo. Esta é a sua penalidade básica-você a paga o tempo todo.

Delta de perda de inserção em toda a faixa de temperatura. Enterrado na página 14 da folha de dados, geralmente.

VSWR emtodosestados de atenuação, não apenas aquele-escolhido a dedo para a primeira página.

Todo o resto é secundário.

O diodo PIN: burro de carga com peculiaridades

A maioria dos engenheiros de RF recorre primeiro aos atenuadores de diodo PIN, e por um bom motivo. A física é elegante: injete corrente na região intrínseca, a condutividade aumenta, a resistência à RF cai. Inverta a polarização e você obterá alta impedância. Coloque alguns deles em uma rede pi ou tee com correspondência adequada e você terá atenuação continuamente variável controlada por uma tensão ou corrente CC.

A faixa de frequência é genuinamente impressionante. DC a 40 GHz é possível com um bom design. Algumas peças especializadas ultrapassam os 50 GHz. O Skyworks SKY12347-362LF, que usei provavelmente em uma dúzia de designs, cobre DC a 6 GHz com cerca de 32 dB de alcance. Parte sólida. Não é emocionante, mas sólido.

Aqui está o que eles não dizem nas notas de aplicação: os diodos PIN têm um efeito de memória em baixas frequências. Abaixo de cerca de 10 MHz, a carga armazenada na região intrínseca não é eliminada com rapidez suficiente entre os ciclos de RF, e sua atenuação torna-se dependente do nível do sinal-. Já vi distorções de terceira{4}}ordem saltarem 15 dB em um design que deveria suportar de 1 MHz a 2 GHz. A correção foi adicionar um filtro-passa-alta na entrada-que não deixou o arquiteto do sistema satisfeito.

O coeficiente de temperatura é a outra pegadinha. Os atenuadores de PIN controlados por corrente-desviam porque a curva de resistência-vs-da corrente do diodo muda com a temperatura. Versões-controladas por voltagem são um pouco melhores, mas não imunes. Orçamento 0,02-0,05 dB/grau para fins de planejamento. Em uma aplicação de medição de precisão, isso não é desprezível.

Atenuadores de Passo Digitais

Animal completamente diferente. Os DSAs alternam entre segmentos de atenuadores fixos usando switches FET ou MEMS. Você envia uma palavra digital paralela ou serial e a parte seleciona qual combinação de blocos resistivos está no caminho do sinal.

O bom: a repetibilidade é excepcional. O estado 01101 oferece a mesma atenuação hoje, amanhã e no próximo ano. A monotonicidade é garantida pelo design-cada bit adiciona seu incremento especificado. A velocidade de comutação varia de nanossegundos (GaAs FET) a microssegundos (MEMS), rápido o suficiente para controle de potência de burst TDMA.

O ruim: você está preso a etapas discretas. Um DSA de 6-bits oferece resolução de 0,5 dB, o que parece bom até que você precise de 7,3 dB e tenha que escolher entre 7,0 e 7,5. Num loop AGC, esta quantização cria ciclos limite. O loop caça entre dois estados para sempre, nunca se estabelecendo. Eu "resolvi" isso adicionando um VVA analógico de pequeno alcance após o DSA bruto, mas funciona.

O feio: falhas durante transições de bits. Quando um DSA muda de 01111 (15,5 dB) para 10.000 (16 dB), há um momento-talvez 5 ns, talvez 50 ns-em que as mudanças internas estão entre estados e a atenuação vai para algum lugar indefinido. Geralmente menor que qualquer ponto final, o que significa que um pico de potência atinge seu amplificador downstream. PE43711 da pSemi lida com isso melhor do que a maioria com uma arquitetura com "menos falhas", mas não é mágica. Ainda há energia transitória.

Bits, LSBs e por que existem peças de 7 bits

Um atenuador de 6 bits com 0,5 dB LSB fornece faixa de 31,5 dB. Bastante padrão.

Então, por que existem partes de 7-bits? Duas razões. Primeiro, uma resolução mais precisa: passos de 0,25 dB permitem ajustar o ganho do sistema com mais precisão. Segundo-e isso é menos óbvio-o bit extra pode ser usado para redundância. Alguns fabricantes permitem escolher entre usar todos os 7 bits para passos de 0,25 dB ou usar 6 bits para passos de 0,5 dB com o 7º bit como um "ajuste fino" que compensa toda a curva. Útil para compensar variações entre peças-na produção.

A Peregrine (agora pSemi) foi pioneira no processo UltraCMOS que viabilizou DSAs de silício de alto{0}}desempenho. Antes disso, se você quisesse largura de banda séria, você compraria GaAs, o que significava $$$ e suprimentos de 5V. O PE4312 e seus descendentes trouxeram DSAs de 50 ohms para CMOS de 3,3 V. Mudou a economia de muitos designs.

MEMS: A Promessa e a Espera

Os sistemas microeletromecânicos prometeram revolucionar a atenuação de RF. Pequenos interruptores físicos, essencialmente perfeitos quando fechados, essencialmente abertos quando abertos. Sem parasitas semicondutores. Contato ôhmico.

A teoria se sustenta. Os atenuadores MEMS alcançam perda de inserção e linearidade que o silício não consegue atingir. O Analog Devices ADRF5720 opera a 40 GHz com perda de inserção de 1,5 dB. Tente isso com um switch FET.

Mas-e este é um grande problema-a confiabilidade permanece controversa. Os switches MEMS se movem fisicamente. As peças móveis desgastam-se. Os fabricantes afirmam ter bilhões de ciclos e, em condições benignas de laboratório, provavelmente os conseguem. Em uma aplicação com ciclagem térmica, umidade, vibração? Estou cético. Eu vi exatamente um atenuador MEMS em um projeto de produção em que trabalhei, e ele estava em um instrumento de teste onde a taxa de comutação era talvez algumas vezes por segundo. Para uma estação base celular fazendo milhares de ajustes de energia por segundo... pergunte-me novamente em cinco anos.

Há também o problema da embalagem. Os dispositivos MEMS precisam de vedação hermética ou o ar úmido entra e as coisas corroem ou grudam. Pacotes herméticos custam dinheiro. Toda a proposta de valor começa a oscilar quando seu “matriz MEMS de US$ 15” vem em um “pacote hermético de US$ 8” com um “custo de montagem de US$ 12”.

Atenuadores mecânicos: ainda não mortos

Vá a qualquer laboratório de testes de RF e você encontrará atenuadores de palhetas rotativas na linha de calibração. Essas feras guias de ondas-giram fisicamente uma placa resistiva para alterar a quantidade de sinal que ela intercepta-oferecem uma precisão que os atenuadores eletrônicos têm dificuldade em igualar.

Série Weinschel 953. Hewlett-Packard 355C/D (sim, HP, não Agilent ou Keysight-essas coisas são antigas e ainda funcionam). Unidades de guia de onda de precisão da Flann Microwave. Eles são pesados, lentos, caros e absolutamente confiáveis. Quando você precisa de uma referência de 40 dB com precisão de ±0,1 dB de 18 a 26,5 GHz, você não está procurando um semicondutor.

Para uso em bancada, os atenuadores de passo manuais com mostradores de parada de clique{0} permanecem estranhamente relevantes. Um antigo Kay 1/839 pode ser adquirido por US$ 50 no eBay e fornece passos de 1 dB a 79 dB com melhor correspondência do que a maioria dos DSAs integrados. As interconexões adicionam perdas que você precisará calibrar, mas para experimentos rápidos, elas são perfeitas.

Guardo um JFW 50R-142 na gaveta da minha mesa. Coaxial fixo de 50 ohms, classificado como DC-2 GHz, varia de 0 a 110 dB em incrementos de 1 dB. Os interruptores são redes reais de resistores de precisão, não semicondutores. É construído como um tanque e vai durar mais que eu.

Atenuadores Variáveis ​​Ópticos (VOAs)

Mundo diferente. Nos sistemas de fibra, a atenuação é gerenciada na camada óptica e os mecanismos são fascinantes.

VOAs-baseados em MEMSuse um espelho inclinável. A luz entra pela fibra de entrada, atinge o espelho e reflete em direção à fibra de saída. Incline um pouco o espelho e alguma luz passa despercebida no núcleo de saída. Incline mais, mais falta de luz. Controle analógico, velocidade razoável, excelente repetibilidade. O DiCon MEMS VOA foi essencialmente o padrão da indústria durante uma década.

VOAs de cristal líquidoexplorar a polarização. O cristal líquido gira o estado de polarização da luz que passa; um polarizador então atenua com base no ângulo de rotação. Nenhuma peça móvel. Mais lento que MEMS, mas mecanicamente à prova de balas.

Há tambémgrade de Bragg de fibra variávelabordagens eabsorção-controlada eletronicamenteem fibras especiais, mas estas são de nicho. A maioria dos VOAs de telecomunicações que você encontrará são MEMS ou LC.

A perda de inserção é muito importante aqui porque muitas vezes você está em uma cadeia de extensões amplificadas. Cada 0,5 dB que você desperdiça no VOA é 0,5 dB de OSNR que você nunca recuperará. Os bons MEMS VOAs atingem IL abaixo de 0,8 dB; os baratos atingem 1,5 dB ou pior.

Notas Práticas de Seleção

As peças que eu realmente uso

Não se trata de endossos-Não tenho relacionamento financeiro com nenhum fabricante-apenas observações de versões enviadas.

ParaDSAs abaixo de 6 GHz: pSemi PE43711 (31,5 dB, passos de 0,25 dB, resistente a falhas-) ou o mais barato PE4312 (31,5 dB, passos de 0,5 dB). Ambos funcionam. Ambos têm peculiaridades. Ambos têm histórico de mercado suficiente para que a errata seja conhecida.

Paraatenuação contínua (VVAs): Os mini{0}}circuitos da série ZX76 quando o orçamento permite. Skyworks SKY12347 quando isso não acontece. Nenhum dos dois é perfeito em termos de temperatura. Planeje adequadamente.

Parahigh frequency (>20GHz): Sinceramente, ligo para o fabricante e converso. Analog Devices e Qorvo possuem peças, a seleção é escassa e a escolha “certa” depende muito de seus requisitos específicos. Não se trata de produtos eletrônicos de consumo-em ondas milimétricas, tudo é personalizado.

Paratelecomunicações ópticas: DiCon e Agiltron têm sido confiáveis. A JDS Uniphase (agora Viavi) fabrica bons produtos, mas as linhas de produtos foram fragmentadas por meio de várias aquisições. Verifique quem realmente atende a peça agora antes de se comprometer.

Modos de falha sobre os quais ninguém fala

ESD mata atenuadores de semicondutores. Isso não é novidade. O que é menos discutido: a falha pode ser sutil. Já vi peças que ainda "funcionam" após um evento de ESD, mas degradaram a linearidade ou alteraram a calibração de atenuação. Se o seu sistema falhar repentinamente no teste da EMC seis meses após o início da produção e você não tiver alterado nada, verifique o atenuador. Principalmente se sua casa de montagem mudou os procedimentos de manuseio.

Os diodos PIN falham normalmente-desvios de atenuação, a distorção aumenta-mas raramente morrem repentinamente. Os switches FET em DSAs falham muito. Um interruptor entra em curto, sua atenuação está errada em 4 dB e, a menos que você esteja monitorando isso, o sistema simplesmente se comporta mal misteriosamente.

As falhas de MEMS tendem a ser falhas "travadas". O interruptor para de mudar. Dependendo da posição em que ele permanecer, você terá um canal morto ou um caminho permanentemente-ligado. Os equipamentos de teste com atenuadores MEMS devem ser exercitados regularmente; interruptores que ficam em uma posição por meses podem desenvolver "atrito".

O que eu ainda não sei

Eu não trabalhei seriamente comà base de ferrita-atenuadores variáveis. A teoria é legal, com absorção -magneticamente-sintonizada-, mas as peças que vi são grandes, consomem muita energia-(o eletroímã precisa de corrente) e são limitadas a implementações de guias de ondas. Pode haver aplicações em que sejam ideais. Eu não encontrei nenhum pessoalmente.

Baseado em grafeno-atenuadores existem na literatura acadêmica. Supostamente, a sintonização vem da variação do nível de Fermi e, portanto, da condutividade. Acredito que ele estará-pronto para produção quando a Digi-Key o estocar.

Também há trabalhomateriais de{0}mudança de fasepara comutação e atenuação de RF. A ideia é que certos materiais possam ser alternados entre os estados amorfo e cristalino usando pulsos térmicos, com propriedades de RF dramaticamente diferentes em cada estado. Primeiros dias.

Então esse é o cenário a meu ver: diodos PIN para controle analógico, DSAs para precisão digital, MEMS para quando você precisa das melhores especificações, mecânicos para calibração e metrologia, ópticos para sistemas de fibra. Cada um tem compromissos. Nenhum é universal. Os melhores engenheiros que conheço escolhem a tecnologia com base no que podem tolerar falhas, e não apenas no que funciona melhor no primeiro dia.

Se você tirar uma coisa disso: teste a temperatura. Teste nos cantos da faixa de atenuação. Teste nas frequências que realmente lhe interessam, não apenas onde a folha de dados parece mais bonita. A parte que funciona perfeitamente em 25 graus e 1 GHz pode traí-lo em -20 graus e 5,8 GHz.

Pergunte-me como eu sei.