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