問(wèn)題：

什么是射頻衰減器？如何為我的應用選擇合適的RF衰減器？

答案：

衰減器是一種控制元件，主要功能是降低通過(guò)衰減器的信號強度。這種元件一般用于平衡信號鏈中的信號電平、擴展系統的動(dòng)態(tài)范圍、提供阻抗匹配，以及在終端應用設計中實(shí)施多種校準技術(shù)。

簡(jiǎn)介

本文延續之前一系列短文，面向非射頻工程師講解射頻技術(shù)。ADI將在文中探討IC衰減器，并針對其類(lèi)型、配置和規格提出一些見(jiàn)解，旨在幫助工程師更快了解各種IC產(chǎn)品，并為終端應用選擇合適的產(chǎn)品。該系列的相關(guān)文章包括：“為應用選擇合適的RF放大器指南”、“如何輕松選擇合適的頻率產(chǎn)生器件”和“RF解密–了解波反射”。

衰減器的類(lèi)型

從關(guān)鍵功能這個(gè)角度，衰減器可以分為固定衰減器和可變衰減器，前者的衰減電平保持不變，后者的衰減電平可調。根據可變衰減器支持的衰減控制方式，還可以進(jìn)一步細分為電壓可變衰減器(VVA)和數字步進(jìn)衰減器(DSA)，前者采用模擬控制技術(shù)，后者采用數字控制技術(shù)。 

VVA可以持續調節衰減電平，電平可以設置為給定范圍內的任何值。對于自動(dòng)增益控制電路、校準校正以及其他需要平穩、精確地控制信號的處理功能，通常采用模擬可變衰減器。

數字步進(jìn)衰減器采用一組離散衰減電平，可以按照預先設置的衰減步長(cháng)調節信號強度。數字控制RFIC衰減器具有可兼容微控制器的控制接口，并提供出色的解決方案，可用于在復雜設計中保持功能完整性。

設計配置

衰減器IC可以使用電阻、PIN二極管、FET、HEMT和CMOS晶體管，并通過(guò)GaAs、GaN、SiC或CMOS技術(shù)來(lái)實(shí)現。圖1顯示了構成各種衰減器設計配置的三種基本拓撲：T型、π型和橋接T型網(wǎng)絡(luò )。

圖1.基本的衰減器拓撲：(a) T型，(b) π型，(c)橋接T型網(wǎng)絡(luò )。

固定值衰減器利用通過(guò)薄膜和厚膜混合技術(shù)實(shí)現的這些核心拓撲來(lái)提供固定衰減電平。

VVA一般使用T型或π型配置，二極管或晶體管元件工作在非線(xiàn)性電阻區。利用基本元件的電阻特性，通過(guò)改變控制電壓來(lái)調節所需的衰減電平。

DSA通常采用代表單個(gè)位的多個(gè)級聯(lián)單元，它們可以輸入或輸出，以實(shí)現所需的衰減電平。圖2顯示了DSA設計使用的幾種配置示例。其中包括：采用了集成SPDT開(kāi)關(guān)，可通過(guò)衰減器和直通線(xiàn)來(lái)切換輸入和輸出端口的配置；開(kāi)關(guān)調節器件設計，使用晶體管或二極管作為可調電阻；開(kāi)關(guān)電阻配置，電阻可以切換，在電路中作為輸入或輸出；以及器件嵌入式設計，晶體管或二極管是該設計的組成部分。

圖2.DSA設計配置示例：(a) π型配置，采用集成開(kāi)關(guān)，(b)開(kāi)關(guān)調節FET配置，(c)開(kāi)關(guān)電阻配置，(d)FET嵌入式配置。

衰減器拓撲可以用在反射或平衡類(lèi)型的設計中，原理圖如圖3所示。反射型器件使用同等衰減器，它們連接至3dB正交耦合器的輸出端，一般提供寬動(dòng)態(tài)范圍。平衡配置使用兩個(gè)3dB正交耦合器連接一對完全相同的衰減器，以提供出色的VSWR和功率處理能力。

圖3.(a)反射型和(b)平衡型衰減器設計拓撲。

除了本文中描述的主要設計配置之外，還可使用其他類(lèi)型的電路來(lái)實(shí)現IC衰減器元件；但是，本文對這些內容不做討論。

主要規格

為了針對終端應用選擇合適的衰減器，工程師必須深入了解其主要規格。除了衰減功能和一些基本參數（例如插入和回波損耗）之外，還有許多其他特性也可用于描述衰減器元件，主要包括：

?           頻率范圍(Hz)：IC保持其指定特性的頻率

?           衰減(dB)：超過(guò)插入損耗的抑制量

?           頻率響應：整個(gè)頻率范圍(Hz)內衰減電平(dB)的變化

?           衰減范圍(dB)：該元件提供的總衰減值

?           輸入線(xiàn)性度(dBm)：通常使用3階交調點(diǎn)(IP3)表示，IP3定義輸入功率電平的假設點(diǎn)，在該點(diǎn)相應雜散分量的功率將達到與基波分量相同的水平

?           功率處理(dBm)：通常使用輸入1dB壓縮點(diǎn)表示，該點(diǎn)定義了衰減器的插入損耗降低1dB時(shí)的輸入功率電平；功率處理特性一般針對穩態(tài)和熱切換模式下的平均和峰值輸入功率電平來(lái)確定

?           相對相位（度）：由衰減器元件引入信號中的相位偏移 

除了這些常用參數之外，還使用開(kāi)關(guān)特性來(lái)描述可變衰減器，通常以ns為單位來(lái)描述上升時(shí)間和下降時(shí)間、導通和關(guān)斷時(shí)間，以及RF輸出信號的幅度和相位建立時(shí)間。此外，每種類(lèi)型的可變衰減器都有其固有特性。

對于VVA，它們與其模擬控制操作相關(guān)，包括：

?           電壓控制范圍(V)：在衰減范圍內調節衰減電平所需的電壓

?           控制特性一般用衰減斜率(dB/V)和性能曲線(xiàn)表示，從中可以看出，衰減電平與控制電壓成函數關(guān)系

對于DSA，其固有特性包括：

?    衰減精度（也稱(chēng)為狀態(tài)誤差）(dB)：衰減電平相對于標稱(chēng)值的變化極限

?    衰減步長(cháng)(dB)：任何兩個(gè)連續衰減狀態(tài)之間的變化量

?    步進(jìn)誤差(dB)：衰減步長(cháng)相對于標稱(chēng)值的變化極限

?    過(guò)沖、下沖(dB)：狀態(tài)轉換期間的信號瞬變電平（毛刺）

良好的衰減器元件通常需要在工作頻率范圍內提供平坦的衰減性能和出色的VSWR，提供足夠的精度和功率處理能力，并確保在狀態(tài)轉換期間實(shí)現平穩、無(wú)毛刺運行（信號僅少量失真），或者是提供線(xiàn)性控制特性。

結論

IC衰減器元件的多樣性當然不限于本文中討論的這些，還可以找出其他類(lèi)型的IC，包括基于頻率的相位補償衰減器、溫度可變衰減器、帶集成式DAC的可編程VVA等。本文僅介紹了一些常見(jiàn)的IC衰減器類(lèi)型，主要探討其采用的拓撲和關(guān)鍵規格，以幫助RF設計人員為終端應用選擇合適的元件。

ADI公司提供非常豐富的集成式RF元件。ADI的衰減器IC提供多種架構和尺寸選項，設計人員可以根據系統要求靈活選擇合適的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品旨在提供出色的性能，實(shí)現高度可靠的運行，以滿(mǎn)足儀器儀表、通信、軍用和航空市場(chǎng)各種應用的嚴苛要求。

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關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)在現代數字經(jīng)濟的中心發(fā)揮重要作用，憑借其種類(lèi)豐富的模擬與混合信號、電源管理、RF、數字與傳感技術(shù)，將現實(shí)世界的現象轉化成有行動(dòng)意義的洞察。ADI服務(wù)于全球12.5萬(wàn)家客戶(hù)，在工業(yè)、通信、汽車(chē)與消費市場(chǎng)提供超過(guò)7.5萬(wàn)種產(chǎn)品。ADI公司總部位于馬薩諸塞州威明頓市。

關(guān)于作者

Anton Patyuchenko是一名擁有超過(guò)15年行業(yè)經(jīng)驗的RF專(zhuān)家。他于2007年獲得慕尼黑技術(shù)大學(xué)微波工程碩士學(xué)位。畢業(yè)之后，Anton曾在DLR微波雷達所擔任助理研究員。他于2015年加入ADI公司，目前擔任現場(chǎng)應用技術(shù)負責人，重點(diǎn)關(guān)注RF技術(shù)。