低成本的表面贴PIN管的Pi型衰减器设计

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

图1描绘了基本的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。

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，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 PIN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。

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。

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。数据以三阶截取点给出，关于截取点的详细解释，请参考附录C。

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=1/2πτ，其中τ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，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0.1fc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τ=1500nsec，故截止频率为100KHZ。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300KHZ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f1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±Kf2
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f1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——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。在进行非线性失真测量中，输入信号功率和非线性产物输出功率是最容易测出的。而且输入功率截取点随衰减量变化很小，所以输入功率截取点是一个最常用的指标。通过它我们可以简单地用一个数字来表示一个给定类型的非线性器件的特性。输入功率截取点的公式如下：
IPin=[N(Pin-a)-Pdist]/(N-1)+a，单位dBm
其中N=非线性产物的阶数，所有的功率以dBm计算。