什么是射频衰减器

Anton Patyuchenko

为了继续针对非RF工程师的RF系列简短讨论，我们将讨论IC衰减器，并对其类型、配置和规格提供一些见解。本文旨在帮助工程师开始使用各种IC产品，并为最终应用选择合适的产品。

衰减器的类型

从关键功能的角度来看，衰减器可分为衰减水平不变的固定衰减器和衰减水平可调的可变衰减器。根据可变衰减器支持的衰减控制形式，它们可以进一步分类为具有模拟控制的电压可变衰减器（VVA）和数字控制的数字步进衰减器（DSA）。

VVA提供衰减水平的连续调整，可以设置为给定范围内的任何值。模拟可变衰减器通常用于自动增益控制电路、校准校正和其他需要平滑和精确控制信号的处理功能。

DSA具有一组离散衰减电平，允许以预定的衰减步长调整信号强度。数字控制RFIC衰减器提供与微控制器兼容的控制接口，并为在复杂设计中保持功能完整性提供了良好的解决方案。

设计配置

衰减器IC可以在砷化镓、氮化镓、碳化硅或CMOS技术中使用电阻器、PIN二极管、FET、HEMT和CMOS晶体管来实现。图1显示了作为各种类型的衰减器设计配置基础的三种基本拓扑：T型、π型和桥接T型网络。

图1.基本衰减器拓扑：（a） T 型，（b） π型，（c） 桥接 T 型。

固定值衰减器利用这些通过薄膜和厚膜混合技术的电阻实现的内核拓扑，以提供固定水平的衰减。

VVA通常使用T型或π型配置，二极管或晶体管元件在非线性电阻区域工作。利用基元件的电阻特性，通过改变控制电压来调整所需的衰减水平。

DSA通常采用多个级联单元，代表各个位，可以切换入或切换出以实现所需的衰减水平。用于DSA设计的几个配置示例如图2所示。它们包括集成 SPDT 开关的配置（使用衰减焊盘和直通线切换输入和输出端口）、使用晶体管或二极管作为可切换电阻的开关缩放器件设计、电阻器可以切换入或切换出电路的开关电阻配置，以及将晶体管或二极管作为设计组成部分的器件嵌入式类型设计。

图2.DSA 设计配置示例：（a） 带集成开关的 π 型配置，（b） 开关缩放 FET 配置，（c） 开关电阻器配置，（d） FET 嵌入式配置。

衰减器拓扑结构可以布置成反射型或平衡型设计，示意图如图3所示。反射型器件使用连接到3 dB正交耦合器输出的相等衰减器，通常提供较大的动态范围。平衡配置使用两个3 dB正交耦合器组合了一对相同的衰减器，并提供良好的VSWR和功率处理能力。

图3.（a） 反射型和（b） 平衡型衰减器设计拓扑。

除了本文介绍的主要设计配置外，还有其他类型的电路用于实现IC衰减器组件;但是，它们的考虑超出了这篇短文的范围。1,2

主要规格

为了为最终应用选择正确类型的衰减器，工程师必须对其关键规格有很好的了解。除了衰减能力和一些基本参数（如输入和输出阻抗以及插入损耗和回波损耗）外，还有其他各种特性用于描述衰减器组件，其中关键特性包括：

频率范围（Hz）：IC保持其指定特性的频率

衰减（dB）：超过插入损耗的抑制量

频率响应：衰减水平 （dB） 在整个频率范围内的变化 （Hz）

衰减范围（dB）：组件提供的衰减总值

输入线性度（dBm）：通常用三阶交调截点（IP3）表示，该交调截点定义了输入功率电平的假设点，在该点上，相应杂散分量的功率将达到基波分量的相同电平

功率处理（dBm）：通常用输入1 dB压缩点来描述，该压缩点定义了衰减器插入损耗降低1 dB的输入功率电平;功率处理特性通常针对稳态和热开关模式下的平均和峰值输入功率电平指定

相对相位（度）：衰减器分量引入信号的相位偏移

除了这些常用参数外，可变衰减器还通过其开关特性来描述，这些特性通常以ns表示，表示上升和下降时间、开和关时间以及RF输出信号的幅度和相位建立时间。

每种类型的可变衰减器也有固有的特定特性。

对于VVA，它们与其模拟控制操作有关，包括：

电压控制范围（V）：在衰减范围内调整衰减水平所需的电压

控制特性通常用衰减斜率（dB/V）和性能曲线表示，显示衰减水平与控制电压的函数关系

就每日生活津贴而言，其固有特征又包括：

衰减精度（也称为状态误差）（dB）：衰减电平相对于标称值的变化极限

衰减步长 （dB）：任意两个连续衰减状态之间的增量

步进误差（dB）：衰减步长相对于标称值的变化极限

过冲、下冲（dB）：状态转换期间的信号瞬变（毛刺）电平

通常需要良好的衰减器组件，以在整个工作频率范围内提供平坦的衰减性能和良好的VSWR，以提供足够的精度和功率处理能力，并确保在状态转换期间平滑无毛刺操作且信号失真很小，或提供线性控制特性。

结论

IC衰减器元件的广泛多样性当然不仅限于本文讨论的那些。我们可以识别其他类型的IC，包括频率相关和相位补偿衰减器、温度可变衰减器、带有集成DAC的可编程VVA等。然而，在本文中，我们研究了最常见的IC衰减器类别，并讨论了它们的主要拓扑结构和关键规格，这有助于RF设计人员为最终应用选择合适的元件。

ADI公司提供业界最广泛的集成RF元件产品组合。ADI公司的衰减器IC具有多种架构和外形尺寸，使设计人员能够灵活地选择最符合其系统要求的器件。这些器件旨在提供一流的性能和高度可靠的操作，以满足仪器仪表、通信、军事和航空航天市场中各种应用中最苛刻的要求。

审核编辑：郭婷