基于HMC346型压控衰减器的宽带压控衰减器设计

摘要：宽带压控衰减器在现代通信系统中的应用越来越广泛，首先介绍Hittite公司的HMC346型压控衰减嚣，它具有大动态衰减范围、衰减随控制电压线性变化、优异的输入和输出驻波等特点；然后给出基于HMC346的X波段宽带压控衰减器设计，最后讨论保证设计性能必须考虑的电磁兼容性。
关键词：压控；衰减器；HMC346；宽带；动态范围

1 引言
在现代通信系统(如空间分集智能天线和相控阵系统)中，均要进行幅度和相位的调整。一般情况下系统均要求调整相位时的幅度变化越小越好和调整幅度时的相位变化越小越好，这可以由宽带单片压控衰减器实现。本文介绍的HMC346压控衰减器(VCA)具有大动态衰减范围、优良的衰减随控制电压变化的线性度、优异的输入和输出驻波等优良特点。HMC346压控衰减器可广泛用于通信基站系统、宽带通信系统，微波通信、卫星通讯、军用无线电、雷达和测试电子系统中。

2 HMC346的主要特点和功能
HMC346是Hittite微波公司的一款高性价比、吸收性宽带压控衰减器，利用其内部自带的参考衰减器和一个外部运算放大器便可由一路O V～3 V的控制电压实现对压控衰减器的有效控制。HMC346的引脚排列如图1所示，它的主要技术指标如表1所列。HMC346的主要特点如下：

●具有DC~14 GHz的宽带衰减特性；
●具有低相移与衰减比；
●具有30 dB的较大衰减动态范围；
●具有良好的宽带阻抗匹配特性；
●控制方式简单；
●采用3mmX3mmxlmm的16引脚SMT封装。

3 压控衰减器电路设计
该VCA需要Vl和V2二路控制电压才可满足互补关系，即它们的控制关系是V1增加时V2减小，但它们均需负电源。I的主要功能是为VCA提供驱动电流。为了减少为一路控制并实现良好的宽带衰减特性，要求保持输入、输出均为50 Ω的特性阻抗。为此，笔者在设计中结合图2所示的内部衰减电路，利用图3所示的外部运算放大器来实现宽带衰减器的有效阻抗匹配。从图2和图3可知，电路内部采用T型拓扑的主从衰减结构，在主衰减器中，采用连接FET的集电极和发射极之间的电阻为50 Ω，而从衰减器中为500 Ω，其10:1的目的是允许外部阻抗变换电路可以同时调节主从衰减的阻抗特性。这样可以利用外部阻抗变换电路通过连续调节V2电压来维持从衰减器500 Ω的特性阻抗，由于主从10:l的阻抗关系，因此，主衰减的RF输入特性阻抗保持为50 Ω。

这里，基于运算放大器的外部阻抗变换电路的目的是实现单路控制，利用传输链路的回波损失来跟踪RF衰减器的阻抗电路。这样，对于任何的Vl电压值，从I端往衰减器看的阻抗均保持为500Ω。运算放大器的正向输入电压端由3.92 kΩ和500 Ω
的电阻器进行分压以获得输入电压。这样，运算放大器的输出可以表示为：

V2=A(V1-VREF)
其中，A为运算放大器开环环路增益，一般来说是非常大的；V1为运算放大器负端输入电压。V2为正端输入电压。这样通过对V2的控制跟踪VREF的变化，直到由I端往衰减器看的阻抗保持500 Ω为止。
由于该VCA的正常工作需要负偏置，因此在设计中增加了一个二极管。这样，运算放大器输出即将正向翻转时二极管导通，将电流反馈至运算放大器负向输入端，使运算放大器输出减小从而避免运算放大器输出出现正向偏置。由于二极管的采用，运算放大器输入端的分压网络是至关重要的，比如：由于I端的负载阻抗为500 Ω，因此运算放大器正向端的接地电阻也必须保持500 Ω，如果R1设定为3.92kΩ，则运算放大器正向输入电压将为-0.56 V，由于二极管的导通电压为O.6 V左右，所以当运算放大输出为O时将使二极管导通；同样，如果设定Rl为1 kΩ，则运算放大器正向输入电压为-1.7 V，由于二极管的导通电压为0.6 V左右，所以当运算放大器输出为-0.9 V时将使二极管导通，如果是这种情况的话，衰减器将达不到最大衰减值。为了实现VCA的最大衰减值，这里将R1设定为3.92 kΩ。因此，可以得出本文所讨论的压控衰减器的完整电路如图4所示。此外，需要注意的是VCA在高频段时会受寄生电感的影响而使衰减质量下降，而且如果RF信号存在潜在的直流信号，则必须在RF输入端采用隔直处理。

在设计过程中，利用Hittile公司提供的S参数，结合ADS软件对电路进行了匹配设计，在50 Ω输入和输出特性阻抗下，其传输线线宽为2l.249 mil，板材介电常数为3.5，板厚为0.254 mm，铜箔厚度为0.035 mm，在RF输入和输出端采用0.33μF的隔直电容器，在以上设计参数条件下，利用ADS软件获得的15 dB衰减情况下的仿真结果如图5所示。从图中可以看出，S21反映的幅频特性表明在15 dB衰减时的幅频起伏为0.25 dB左右。从极性圆图中可以