基于HMC346型壓控衰減器的寬帶壓控衰減器設計

1 引言
在現代通信系統(如空間分集智能天線(xiàn)和相控陣系統)中，均要進(jìn)行幅度和相位的調整。一般情況下系統均要求調整相位時(shí)的幅度變化越小越好和調整幅度時(shí)的相位變化越小越好，這可以由寬帶單片壓控衰減器實(shí)現。本文介紹的HMC346壓控衰減器(VCA)具有大動(dòng)態(tài)衰減范圍、優(yōu)良的衰減隨控制電壓變化的線(xiàn)性度、優(yōu)異的輸入和輸出駐波等優(yōu)良特點(diǎn)。HMC346壓控衰減器可廣泛用于通信基站系統、寬帶通信系統，微波通信、衛星通訊、軍用無(wú)線(xiàn)電、雷達和測試電子系統中。

2 HMC346的主要特點(diǎn)和功能
HMC346是Hittite微波公司的一款高性?xún)r(jià)比、吸收性寬帶壓控衰減器，利用其內部自帶的參考衰減器和一個(gè)外部運算放大器便可由一路O V～3 V的控制電壓實(shí)現對壓控衰減器的有效控制。HMC346的引腳排列如圖1所示，它的主要技術(shù)指標如表1所列。HMC346的主要特點(diǎn)如下：

●具有DC~14 GHz的寬帶衰減特性；
●具有低相移與衰減比；
●具有30 dB的較大衰減動(dòng)態(tài)范圍；
●具有良好的寬帶阻抗匹配特性；
●控制方式簡(jiǎn)單；
●采用3mmX3mmxlmm的16引腳SMT封裝。

3 壓控衰減器電路設計
該VCA需要Vl和V2二路控制電壓才可滿(mǎn)足互補關(guān)系，即它們的控制關(guān)系是V1增加時(shí)V2減小，但它們均需負電源。I的主要功能是為VCA提供驅動(dòng)電流。為了減少為一路控制并實(shí)現良好的寬帶衰減特性，要求保持輸入、輸出均為50 Ω的特性阻抗。為此，筆者在設計中結合圖2所示的內部衰減電路，利用圖3所示的外部運算放大器來(lái)實(shí)現寬帶衰減器的有效阻抗匹配。從圖2和圖3可知，電路內部采用T型拓撲的主從衰減結構，在主衰減器中，采用連接FET的集電極和發(fā)射極之間的電阻為50 Ω，而從衰減器中為500 Ω，其10:1的目的是允許外部阻抗變換電路可以同時(shí)調節主從衰減的阻抗特性。這樣可以利用外部阻抗變換電路通過(guò)連續調節V2電壓來(lái)維持從衰減器500 Ω的特性阻抗，由于主從10:l的阻抗關(guān)系，因此，主衰減的RF輸入特性阻抗保持為50 Ω。

這里，基于運算放大器的外部阻抗變換電路的目的是實(shí)現單路控制，利用傳輸鏈路的回波損失來(lái)跟蹤RF衰減器的阻抗電路。這樣，對于任何的Vl電壓值，從I端往衰減器看的阻抗均保持為500Ω。運算放大器的正向輸入電壓端由3.92 kΩ和500 Ω
的電阻器進(jìn)行分壓以獲得輸入電壓。這樣，運算放大器的輸出可以表示為：

V2=A(V1-VREF)
其中，A為運算放大器開(kāi)環(huán)環(huán)路增益，一般來(lái)說(shuō)是非常大的；V1為運算放大器負端輸入電壓。V2為正端輸入電壓。這樣通過(guò)對V2的控制跟蹤VREF的變化，直到由I端往衰減器看的阻抗保持500 Ω為止。
由于該VCA的正常工作需要負偏置，因此在設計中增加了一個(gè)二極管。這樣，運算放大器輸出即將正向翻轉時(shí)二極管導通，將電流反饋至運算放大器負向輸入端，使運算放大器輸出減小從而避免運算放大器輸出出現正向偏置。由于二極管的采用，運算放大器輸入端的分壓網(wǎng)絡(luò )是至關(guān)重要的，比如：由于I端的負載阻抗為500 Ω，因此運算放大器正向端的接地電阻也必須保持500 Ω，如果R1設定為3.92kΩ，則運算放大器正向輸入電壓將為-0.56 V，由于二極管的導通電壓為O.6 V左右，所以當運算放大輸出為O時(shí)將使二極管導通；同樣，如果設定Rl為1 kΩ，則運算放大器正向輸入電壓為-1.7 V，由于二極管的導通電壓為0.6 V左右，所以當運算放大器輸出為-0.9 V時(shí)將使二極管導通，如果是這種情況的話(huà)，衰減器將達不到最大衰減值。為了實(shí)現VCA的最大衰減值，這里將R1設定為3.92 kΩ。因此，可以得出本文所討論的壓控衰減器的完整電路如圖4所示。此外，需要注意的是VCA在高頻段時(shí)會(huì )受寄生電感的影響而使衰減質(zhì)量下降，而且如果RF信號存在潛在的直流信號，則必須在RF輸入端采用隔直處理。

在設計過(guò)程中，利用Hittile公司提供的S參數，結合ADS軟件對電路進(jìn)行了匹配設計，在50 Ω輸入和輸出特性阻抗下，其傳輸線(xiàn)線(xiàn)寬為2l.249 mil，板材介電常數為3.5，板厚為0.254 mm，銅箔厚度為0.035 mm，在RF輸入和輸出端采用0.33μF的隔直電容器，在以上設計參數條件下，利用ADS軟件獲得的15 dB衰減情況下的仿真結果如圖5所示。從圖中可以看出，S21反映的幅頻特性表明在15 dB衰減時(shí)的幅頻起伏為0.25 dB左右。從極性圓圖中可以看出此時(shí)的輸入駐波比最大為1.22/0.78=1.6。
筆者按照上文介紹的設計方法和要求，設計了一個(gè)X波段寬帶壓控衰減器，并對實(shí)際電路進(jìn)行了調試，測試結果與上面的仿真結果基本一致。

4 注意事項和討論
實(shí)現寬帶微波鏈路的阻抗匹配比較困難，可以說(shuō)完全理想的寬帶微波阻抗匹配是不可能實(shí)現的，筆者設計阻抗匹配電路的目的是盡可能地減小誤差。如果傳輸鏈路呈容抗狀態(tài)，這種情況應該體現為低端損失大而高端損失??；同樣如果傳輸鏈路呈感抗狀態(tài)，則應該體現為低端損失小而高端損失大。因此，必須仔細考慮壓控衰減器射頻輸入端和輸出端的阻抗匹配電路，盡可能避免VCA電路RF輸入端、輸出端的隔直電容器和傳輸鏈路產(chǎn)生的寄生電感不匹配。由于該VCA本身需要V1和V2二路互補負電源進(jìn)行控制，即便在實(shí)際設計中采用運算放大器來(lái)調節V2的范圍，為了保證VCA的30 dB衰減動(dòng)態(tài)范圍，必須保證Vl在O V和-3 V之間，V2=-2.5V~-0.6V。
由于該VCA的封裝非常小，而且引腳在芯片下面，不是標準的BGA封裝，很容易造成短路。所以必須保證良好的PCB設計，并應該考慮微帶傳輸線(xiàn)效應。這種微型的封裝也給表貼造成不便，最好采用機焊，不應采用手工焊接。所有這些措施對保證產(chǎn)品性能是至關(guān)重要的。
屏蔽、濾波和接地是解決這種工程實(shí)際問(wèn)題的主要措施。屏蔽的作用是限制內部輻射的電磁能越出某一區域和防止外來(lái)輻射進(jìn)入某一區域。屏蔽是通過(guò)一個(gè)與上述區域封閉起來(lái)的殼體實(shí)現的，這個(gè)殼體可以做成金屬隔板或盒式，也可以做成電纜屏蔽和連接器屏蔽的形式，采用銅和鋁這樣的良導體制成的屏蔽體對電磁波具有很大的反射損耗，適用于電屏蔽。由于該VCA的工作頻段在X波段，故電路設計中不合適的PCB布線(xiàn)既可能成為發(fā)射天線(xiàn)也可能成為接收天線(xiàn)，因此必須合理布局并盡量縮短長(cháng)度，以降低它們之間的相互干擾。電源質(zhì)量也與壓控衰減器的性能直接相關(guān)，對電源尤其是電源變壓器要采用良好的屏蔽措施。為此，在印制板的電源輸入端接濾波去耦電路。同時(shí)為了減少傳導電阻，電源線(xiàn)在印制板上的饋電線(xiàn)要足夠寬。電源線(xiàn)不宜形成閉路，不要有并行線(xiàn)，要盡可能短。如果接地和濾波都很好，就可以減少對屏蔽的要求甚至可以不屏蔽，在低頻電路中一般采用這種方法。

5 結束語(yǔ)
Hittite公司的HMC346系列壓控衰減器具有大動(dòng)態(tài)衰減范圍、優(yōu)良的衰減隨控制電壓變化的線(xiàn)性度、優(yōu)異的駐波比等特點(diǎn)。基于HMC346設計了X波段寬帶壓控衰減器，討論了保證設計性能必須考慮的電磁兼容性問(wèn)題。仿真和實(shí)驗結果表明HMC346壓控衰減器具有線(xiàn)性度好、駐波比小等優(yōu)良特點(diǎn)；它可廣泛用于通信基站系統、寬帶通信系統，微波通信、衛星通訊、軍用無(wú)線(xiàn)電、雷達和測試系統。筆者設計的衰減器已經(jīng)應用在某雷達系統中。