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14mm2紧凑型+50dBm高IIP3的3级宽带电压可变衰减器模块
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本文作者：安华高科技 (Avago Technologies) Chin-Leong Lim
介绍
虽然在实现固定阻抗电压可变衰减器(VVA, Voltage Variable Attenuator)时至少有数种方法，但只有PI(π)和T拓朴结构可以真正得到10到500MHz范围内的有效实际应用[注1]，除此之外，由于不受限于会受到频率影响的元器件，如传输线、正交混和电路或循环器，PI和T配置基本特性为宽带形式，因而它们的实际实施可以连续涵盖数MHz到GHz范围，特别的是，PI型VVA由于低成本、紧凑性和广带宽，因此非常受到卫星电视(SATV, Satellite Television)和有线电视(CATV, Cable television)系统的欢迎。
相似于其他无线器件，PIN二极管PI衰减器模块也受到了强大的微型化压力，促使新一代的实施必须小于前一代。图1画出了数个世代此类型VVA的占用空间，以及每年大约以20mm2缩小的趋势线估计，在可能是第一个对于这类衰减器微型化的尝试，是把3个PIN二极管集成到DIN 50B4囊状封装而创建的Intermetall TDA 1053[注2及3]，不过，60年代的3个二极管拓朴[注4]并未被包含在图1中，原因是它大多已经被1991年由Waugh所提出的4个二极管版本[注5]取代。Waugh的设计由于可以消除3个二极管拓朴固有的非对称偏置问题，因此迅速成为产业事实上的标准，因为采用了完全表面贴装结构，它同时也代表了VVA微型化进程中的一个里程碑。此后的微型化企图有使用2个SOT-323封装实现二极管[注6]，集成二极管和其他无源器件到单一芯片[注7]，或将所有4个二极管集成到单一SOT-89封装[注8]等作法，单石化的尺寸缩减基本上无法达成，原因是必须使用nF级电容器来使衰减器能够达成CATV上行路径的5MHz较低频率限制。
这个设计的重要性在于2008年设计当时为同级产品的最小尺寸，模块的占用面积为14mm2，大约只有第一代4个二极管实施方式的4%。
图1：PIN二极管PI可变衰减器的尺寸趋势
设计
图2为基本PI固定衰减器以及它的设计方程，分流电阻R1和串接电阻R3主要用于设定目标衰减值A=20log(K)，并同时提供匹配系统阻抗特性的输入和输出阻抗。在远高于截止频率Fc的频率工作时，PIN二极管可以作为电流控制可变电阻，因而这些二极管可以用来取代电路中的固定电阻以建立可变衰减器。虽然FET场效应晶体管也可以扮演同样的角色，但它的线性度要比PIN二极管差上许多[注9]，并且需要负的控制电压。
图2：基本PI衰减器电路和设计方程
其中K为输入到输出电压比，Zo为源端和负载端阻抗。
PIN二极管因采用的制造方式，例如外延或晶块，以及它们的I层厚度(W)而不同，晶块和厚I层带来较长的载子寿命(τ)，为衰减器低失真的重要条件，在缺点方面，具有较长τ值的PIN二极管需要较大的偏置电流来控制它的阻值，为了描述τ值和线性度之间的关系，图3画出了两个不同τ值下PIN二极管的二阶(IP2)和三阶截点(IP3)，由于目标应用CATV/SATV系统的严格线性要求，较长寿命的二极管(τ=1500ns)被选用来实现VVA，原因是CATV/SATV系统必须同时承载大量频道而不会相互干扰。
图3：500ns和1500ns二个不同载子寿命模拟的IP2和IP3相对PIN二极管电阻值，二级管采1GHz串接配置
若将固定衰减器中的串接电阻以两个二极管取代，可以获得左右半边对称的衰减器，请参考图4。分割串接电阻允许偏置插入电阻R3连接到串接臂的中点，而非如3个二极管结构中的一端，电路的对称性可以保证相同的偏置电流流过分流二级管，通过成对的反向二极管反串接对实现串接臂也可以降低二阶失真，原因是非线性度会有180度相位差，因此会自相抵消。
二极管的偏置电流和衰减由Vc控制，电阻R1和R2作为串接和分流二极管的偏置返回路径，由于这二个电阻会对射频路径进行分流，因此它们的电阻值必须高到足以屏蔽射频，但又不能大到会有过大直流电压出现其上。流过分流二极管的电流由固定电压V+提供，并受R4-R5电阻限制，在这个设计中，采用1.5V的经验值V+可以得到所有衰减值的最佳回返损耗。
4个二极管配置的VVA在原始设计上控制电压可以由0V到15V变化，由于现代电子技术受到电源电压的限制，因而超过5V的工作要求会限制了客户的使用范围。限制最高Vc在5V会有提高最低衰减由3dB到9.5dB的反作用，原因是降低了进行串接二极管偏置的最大电流值。
为了在仅有1/3的控制电压下得到相似于原始设计的最小衰减，这个设计使用较小的R1-R3，以允许较大电流流过串接二极管，R1和R2降低了约42%，由560Ω改为330Ω，R3则由330Ω变成22Ω，降低超过93%，不过这些电阻分流射频路径，使得它们的电阻值小于4.Zo，如75Ω系统R<300Ω，将会减低它们作为射频扼流圈的有效性，通过R3的射频损耗特别严重，原因是R3远小于4.Zo。为了补偿R3减少的扼流能力，在R3上串接一个铁氧体磁珠电感L1来提高有效阻抗[注10]，采用铁氧体磁珠电感而非传统电感的原因是前者在宽带扼流上较为有效。
图4：衰减器模块电路图
共有4个PIN二极管、6个电阻、5个电容器和1个铁氧体磁珠电感被集成到单一3.8mm x 3.8mm大小的VVA模块中，器件以板上多芯片MCOB形式组合到10mil厚的Roger RO4350电路板(Er =3.48, tanδ = 0.004 [注 1])上，通孔连接顶端电路走线和底端的直流和射频器件接点，接着器件面被模塑形成1mm的封装高度。
图5：环氧化物模塑前模块布局和器件的微缩影图
结果和讨论
模块测试以CATV/SATV频带为主，主要是它们为目标市场，图5中的测试安排包含RO4350 PCB上50Ω的微条状走线TL1/TL2，分别连接到受测器件输入和输出的TL1和TL2大约为10.6mm长，尾端于电路板边缘的微条状走线接着通过边缘安装SMA插座J1和J2(Johnson公司142-710-851)转换到同轴电缆。
图6：测量安排和测试设置的简化框图
频率响应和衰减范围通过连接测试设置到矢量网络分析仪进行测量，Vc由0.5V到5V连续变化以产生相对于频率的不同衰减值，如图7，此图知名于非常平坦的频率响应。Vc ≥ 1.2V时，0.1到6GHz的衰减变化低于3dB，如果评估频率范围限制在CATV/SATV应用的50到2050MHz，那么振幅的变化低于1dB，不过平坦衰减特性无法在较低控制电压，如Vc ≤1.0V得到维持，原因为串接二极管会在这个低电压关断，射频信号会通过二极管的寄生电容泄漏。由于寄生电容反应与频率成反比，Vc=1.0V时衰减曲线假设受到频率控制，以每8度6dB变化，衰减可能变化的范围在低频时最大，100MHz时高于55 dB ，并随着频率增高而降低，6GHz时约为30dB。
图7：设置中衰减相对于频率为控制电压(Vc)函数
图8显示衰减相对于控制电压Vc的关系，对低于1V的Vc，衰减几乎不会变化，高于1V时，衰减会随着Vc快速改变，直到超过2V时变为平坦。虽然图中显示衰减在2V以上变为稳定，但实际上在2V到5V间还是会有大约2dB的变化，当Vc=5V时，衰减达到大约-4dB的最终值，这个数值在0.3GHz到3GHz时相对稳定，可以明显由图中交叠曲线看出，因此可用的Vc范围为1V到5V，大部分衰减集中发生在1V到2V范围，这是将控制电压由15V降低到5V无法避免的权衡结果。
图8：设置中衰减相对于控制电压为频率函数
输入三阶截点(IIP3)会随着衰减改变，如图9，串接和分流臂的电阻值以相反方向改变，例如在较大衰减时，串接臂的电阻值高而分流二极管的电阻值低，因此较大衰减值下较差的IP3来自于大部分的射频电流被送到输入端分流二极管并反向调变I层，IIP3会随着工作频率提高而改善，例如在1.9GHz时优于900MHz，在40dB的衰减范围内，IP3优于52dBm，作为比较，MESFET PI衰减器的IIP3在相同的衰减范围内会由-2到14dBm变化[注12]，比起这个设计差了约50dB。
图9：900MHz和1.9GHz时设置的三阶截点相对于衰减值
结论
自身完备的PIN二极管PI衰减器已经成功设计并实现，主要的挑战在于维持高线性以及在低控制电压范围工作，使用MCOB结构，所有必须组件被集成到3.8mm x 3.8mm的区域内，为这类型器件的微型化立下了新的标竿，以低成本塑模封装后，模块在增益平坦度和线性度上取得了非常良好的射频性能，包括优于基于MESFET相对等产品最佳IP3达50dB以上，衰减在50到1950MHz的CATV频率范围变化可达45dB，在5MHz到6GHz范围则超过30dB，虽然CATV/SATV系统为原始目标应用，但衰减器的3级带宽可以将它的应用范围扩展到更高带宽应用，如测试仪器和扫描接收器等。
感谢
作者在此感谢M. Sharifa组装原型机，H. K. Lee进行印刷电路板布局设计，R. W. Raugh教导和模拟二极管线性度，S. A. Asrul审查本论文，以及安华高科技管理阶级同意付梓。
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