Pi型衰减器设计

1、低成本的表面贴PIN管的Pi型衰减器简介模拟衰减器在射频以及微波网络方面得到了很广泛的应用。无论是采用砷化镓 微波集成电路(GaAs MMICs )还是采用PIN管的网络，它们都是通过电压来控制 射频信号的功率的。在商业应用中，比如蜂窝电话网，个人通信网络，无线局域网 以及便携式无线电等，衰减器的造价是设计中的一个重要因素。本文描述了一种利 用塑胶封装的表面贴片设计的低造价、宽频带的PIN管Pi型衰减器。背景WHERE K LS THE INPUT TO OUTPLTVOLTAGE RTIOAND Zo IE THEIF.1PE 口明CE C F THE SOURCE AND LOAD图1描绘

2、了基本的Pi型衰减器以及它的设计 方程。调整分流电阻 R1和串联电阻R3以满足 衰减值A=20 log(K)，同时提供与系统特性阻抗 匹配的输入输出阻抗。当PIN管工作在高于其截 止频率fc (见附录A)时，它可以用作为流控可 变电阻。故可用三个 PIN管代替Pi型电路中的 固定电阻来构造一个可变衰减器。FLiujfr 1. Bitiik r AtleJiimiur.作为一个例子，图2给出了一个由三个 PIN管构成的衰减器，这个电路在10MHZ到500MHZ的频率范围内有良好的性能。然而，在 Pi型电路中用三个PIN 管作为三个可变电阻导致了网络的不对称，这就使偏置电路相当复杂4个PIN管组成

3、的Pi型衰减器如图3,如果用两个PIN管来代替电阻R3，会有很多好处。首先，由于网络的 最大隔离度是由串联的PIN管决定的，用两个PIN管取代一个管子将提高衰减的最 大值，或是在一定的衰减量下使频率上限增加一倍。第二，代替串联电阻的两个PIN管180度反相工作，使得偶数阶的非线性产物得以抵消。第三，构成的衰减器网络 是对称的，而且偏置电路非常简单。V+是一固定电压，Vc是控制网络衰减量的可变电压。采用两个串联PIN管代替一个管子的唯一负面影响就是导致插损的轻微增 加，合计小于0.5dB。R1和R2分别作为串联PIN管D2和D3的偏流电阻，它们 必须做得足够高以减小插损；然而，如果它们作得太高，

4、就需要非常高的控制电压 Vc。如果设计者不需要很大的带宽的话，可以通过在R1和R2及RF线之间加装一些扼流圈来改善插损特性，这些电感可以降低网络射频部份的电阻。R3和R4的 选择视具体的PIN管而定；选择合适的话，它们将在串联与并联的PIN管之间提供恰当的电流分配，以保持在整个衰减动态范围内的良好的阻抗匹配特性。虽然我们 可以通过分析计算来确定 R1和R4的阻值，但由经验来确定它们显然更快更简单。 惠普的HSMP-3810系列表面装置PIN二极管有良好的线性，较低的截止频率和较 低的价格。为了节省成本和板子空间，我们选择了两个共阴极的HSMP-3814来代 替四个单独的HSMP-3810 PI

5、N管。在选择了管子，V+=5V及0 Vc 15V后，R1和R4可以由经验值确定。测试电路中所有组件的指标都在图3中给出|N.UTIhTOUTK 忖尸 口 INENTVALUENUMELRRbRy羽口口Rs33DLJKYOCERA CF2 仁l-JB 1Rdieo uKYOGRA CR21-1S2JE1RsC80 LJKYOCERA CR21-GB 1JB I47000 pFKYOCERA 0BD5Z7aM2R0Oi-DjHtW_TT-PACKARD HSWlP-3614Figure 氛 Widebauid 4 Diode如图5示，衰减器装在一个2平方英尺的0.032 厚的HT-2 PC板上。这

6、种材料相对传统的FR4有较高的性能，在附录 B中对它有详细的介绍。使用贴片电阻和电容，如图5所示，完整的衰减器占用了 0,5平方英尺的空间卩叩iiir LRiuud JjjnuLFirfurp S. DnitJI nl Ct wait Uyom,测试结果图6给出了不同控制电压值下测量的衰减量与频率的关系曲线。在300KHZ到 3GHZ范围内获得了良好的性能。图 7给出了在Vc取最大值和最小值时回波损耗 与频率的关系曲线。Vc取其它值时，回波损耗将更高，Vc=0时的数据是最坏情况下的结果。图8给出了在一系列频率下衰减量与控制电压之间的关系曲线。最后，图9给出了衰减器的交调失真曲线。数据以三阶截取

7、点给出，关于截取点的详细解 释，请参考附录CWWKFREQUENCY, hNHeFigure Attvnuion 柞.rrocraenqflIDO1QOOrREQU日删毗m30M-w bp 叩 SQz.Kn 卜.ILIUFlfluro 仁 Remm Lo館 vs, Frequency.TWO 7OHE, TlilRQCROER INTEF?MCDUI-AT|ON DBTDRTIGH INFMIT INTFRCETT PHfNTz AriTNUATK i 5iFTTIh*ntoX?3D40ao4TTENU4.il 口卅 5E TUNG. dPs35-一誓 uuelm在邑二二二二二-5.h-J-D

8、3110 厲C?NTECL VOLTAjE Vr VC-LFSFlgtir尹 8 AtnmiEloft yb. Control VoEtaao.FllHirtf 仇 llea&ured DinturtJ qrPrrfnrmanre*结论从测试数据中，我们可以看出，4个PIN管的Pi型衰减器提供了很好的匹配特性，和在极宽的频带下的很平坦的衰减度。此外由于使用表面贴片设计，它还有低成本的优点附录 A-PIN 管的截止频率PIN 管通常当作流控 RF 电阻使用。然而，这个模型仅在管子工作在其截止频率 fc以上才准确，fc=1/2 nT,其中T是管子中少数载流子的生存周期。工作在十倍于fc 的频率上，

9、 PIN 管可以准确的设计为一个流控电阻，相当于一个小的结电容（忽略 管壳的寄生电容参量）。在 0.1fc 以下的频率工作时， PIN 管的特性就相当于一个 PN结二极管。当工作在O.lfc到10fc之间时,它的特性变得非常复杂；通常它表现 为一个随频率变化的电阻 ,随电流变化的电感或电容。另外 ,在这个频率范围内工作 时，管子的非线性特性较差。HSMP-3810系列的管子t=15OOnsec，故截止频率为 1OOKHZ 。这个管子应在 1MHZ 以上频率工作时表现为一个随频率变化的纯电阻。 然而，由于管子被优化用于宽带的衰减器， 所以它在 fc 以下工作时的特性仍然很好， 图6 给出了工作在

10、 3OOKHZ 时的测量数据。附录 B -板子材料许多印刷板通常采用这两类材料：FR4和PTFE （聚四氟氯乙烯）。前者的机械 强度和稳定性较好，而且价格较低。但是，它引入的损耗很高，而且介电常数难以 控制，有很强的频率依赖性。后者的射频特性很好，但是价格昂贵，机械强度差， 不能胜任表面贴片技术（SMT）。惠普公司的新式HT-2板材较FR4稳定，并提供 了更高的温度特性， 而且它的介电常数可控， 插入损耗是 FR4 的一半。 这些特性使 得微带电路能够更理想地工作在 6GHZ 以上。附录 C- （三阶）截取点在众多的非线性产品中，互调干扰是一个棘手的问题。与谐波干扰不同的是，互调干扰是当两个或

11、以上的等幅信号同时加在一个非线性器件上时（如PIN管）产生的多频点产物。它们的频率取决于输入信号的幅度。在某些工业场合，输入的信 号可能在10个以上，这时进行测试和分析都很复杂。为了简化这一问题，许多半 导体厂商采用二频法测量，即用两个等幅且频率间隔较小的信号加在非线性器件上。 已知这两个信号的频率fl和f2，我们可以通过下公式来算出一系列重要的互调产物Kf1 f2其中K,M=1,2,3,交调产物由下式给出：N=K+M在公式描述的无数的互调产物中，三阶交调产物尤为重要，因为它存在于两原始信号fl和f2的频带内，而且不能被滤波器滤除图10给出了所有交调产 物的随输入信号功率变化的 曲线，可以看出当信号功率增 长1dBm时，二阶产物将增长 2dBm，三阶产物将增长 3dBm。既然交调产物的电平 依赖输入信号的电平而变化， 我们就可以用一个虚构的常 数一一截取点，来表征交调产 物的大小。这一点就是基波信号曲线的延长线同交调产物曲线延长线的交点。在进行非