מנחת משתנה: סוגים ושימושים

 

A מנחת משתנההוא רכיב RF/מיקרוגל פסיבי או אקטיבי שנועד להפחית את משרעת האות בכמות הניתנת לשליטה תוך שמירה על התאמת עכבות מקובלת על פני רוחב הפס ההפעלה שלו. בניגוד למנחתים קבועים, המספקים אובדן הכנסה אחד שנקבע מראש, מחלשים משתנים מאפשרים התאמה-מתמשכת או נפרדת-של רמות הנחתה הנעות בדרך כלל בין קרוב ל-אפס ל-30 dB או יותר, בהתאם לטופולוגיה ולדרישות היישום. המכשיר מוצא יישום קריטי בלולאות בקרת רווח אוטומטי, ויסות כוח משדר, הרחבת טווח דינמי של מקלט, ומכשור בדיקה שבו מניפולציה מדויקת של רמת האות חיונית.

למה הפסקתי לסמוך על גיליונות מפרט

אני אהיה כנה: המנחת המשתנה הראשון שסימנתי לעיצוב היה אסון. לא בגלל שהחלק היה גרוע-גיליון הנתונים נראה מושלם. 0.5 שלבי dB, טווח של 31.5 dB, DC עד 4 GHz. מה שגיליון הנתונים לא הדגיש הוא שינוי אובדן ההכנסה על פני הטמפרטורה. בנינו יחידה חיצונית עבור מערכת backhaul אלחוטית. בדיקות הקיץ עברו בסדר. בינואר במינסוטה, הדבר היה הנחה של 1.8 dB בהנחתה מקסימלית. לולאת ה-AGC השתגעה בניסיון לפצות.

השיעור עלה לנו בסיבוב לוח ושישה שבועות. עכשיו אני בודק שלושה דברים לפני שאני בכלל מסתכל על טווח הנחתה:

אובדן הכנסה במצב הנחתה מינימלית. זהו הקנס הבסיסי שלך-אתה משלם אותו כל הזמן.

דלתא של אובדן הכנסה על פני כל טווח הטמפרטורות. קבור בעמוד 14 של גיליון הנתונים, בדרך כלל.

VSWR בכֹּלמצבי הנחתה, לא רק זה שהם בוחרים-בעמוד הראשון.

כל השאר משני.

דיודת ה-PIN: סוס עבודה עם מוזרויות

רוב מהנדסי ה-RF מגיעים תחילה למנחתי דיודות PIN, ומסיבה טובה. הפיזיקה אלגנטית: הזרקת זרם לאזור הפנימי, המוליכות עולה, התנגדות ה-RF יורדת. הפוך את ההטיה ותקבל עכבה גבוהה. שרט כמה כאלה ברשת pi או טי עם התאמה נכונה, וקיבלת הנחתה משתנה ברציפות הנשלטת על ידי מתח או זרם DC.

טווח התדרים באמת מרשים. ניתן להשיג DC עד 40 GHz עם עיצוב טוב. חלקים מיוחדים דוחפים מעבר ל-50 GHz. ה-Skyworks SKY12347-362LF, שהשתמשתי בו כנראה בתריסר עיצובים, מכסה DC עד 6 GHz עם טווח של כ-32 dB. חלק מוצק. לא מרגש, אבל מוצק.

הנה מה שהם לא אומרים לך בהערות היישום: לדיודות PIN יש אפקט זיכרון בתדרים נמוכים. מתחת ל-10 מגה-הרץ בערך, המטען המאוחסן באזור הפנימי אינו מתנקה מהר מספיק בין מחזורי RF, וההנחתה שלך הופכת לתלויה ברמת האות.- ראיתי עיוות מסדר שלישי- קופץ ב-15 dB בעיצוב שהיה אמור להתמודד עם 1 מגה-הרץ עד 2 גיגה-הרץ. התיקון היה הוספת מסנן גבוה-בכניסה{10}}שארכיטקט המערכת לא היה מרוצה ממנו.

מקדם הטמפרטורה הוא הגוצ'ה השני. מנחתי PIN מבוקרים-נוכחיים נסחפים מכיוון שההתנגדות של הדיודה-לעומת-עקומת הזרם משתנה עם הטמפרטורה. גרסאות מבוקרות-מתח מעט טובות יותר אך אינן חסינות. תקציב 0.02-0.05 dB/מעלה לצרכי תכנון. ביישום מדידה מדויקת, זה לא מבוטל.

מנחתי צעדים דיגיטליים

חיה אחרת לגמרי. DSAs עוברים בין מקטעי מנחת קבועים באמצעות מתגי FET או MEMS. אתה שולח מילה דיגיטלית מקבילה או טורית, והחלק בוחר איזה שילוב של רפידות התנגדות נמצא בנתיב האות.

הטוב: החזרה יוצאת דופן. מדינה 01101 נותן לך את אותה הנחתה היום, מחר ובשנה הבאה. מונוטוניות מובטחת על ידי העיצוב-כל סיביות מוסיפות את התוספת שצוינה. מהירות המעבר נעה בין ננו-שניות (GaAs FET) למיקרו-שניות (MEMS), מספיק מהירה עבור בקרת הספק TDMA פרץ.

הרע: אתה תקוע עם צעדים בדידים. DSA של 6-bit נותן לך רזולוציה של 0.5 dB, מה שנשמע בסדר עד שאתה צריך 7.3 dB וצריך לבחור בין 7.0 ל-7.5. בלולאת AGC, קוונטיזציה זו יוצרת מחזורי מגבלה. הלולאה צדדת בין שתי מדינות לנצח, לעולם אינה מתיישבת. "פתרתי" את זה על ידי הוספת VVA אנלוגי-קטן אחרי ה-DSA-crude, אבל זה עובד.

המכוער: תקלות במהלך מעברי סיביות. כאשר DSA עובר מ-01111 (15.5 dB) ל-10000 (16 dB), יש רגע-אולי 5 ns, אולי 50 ns- שבו המתגים הפנימיים נמצאים בין מצבים וההנחתה עוברת למקום לא מוגדר. בדרך כלל נמוך משתי נקודות הקצה, כלומר ספייק כוח פוגע במגבר במורד הזרם שלך. PE43711 מ-pSemi מטפל בזה טוב יותר מרובם עם ארכיטקטורת "פחות תקלות"-, אבל זה לא קסם. עדיין יש אנרגיה חולפת.

סיביות, LSBs ומדוע קיימים חלקים של 7 סיביות

מנחת 6 ביט עם 0.5 dB LSB נותן טווח של 31.5 dB. די סטנדרטי.

אז למה קיימים חלקים של 7-bit? שתי סיבות. ראשית, רזולוציה עדינה יותר: צעדים של 0.25 dB מאפשרים לך לחתוך את רווחי המערכת בצורה מדויקת יותר. שנית-וזה פחות ברור-ניתן להשתמש בסיבית הנוספת עבור יתירות. חלק מהיצרנים מאפשרים לך לבחור בין שימוש בכל 7 הסיביות עבור צעדים של 0.25 dB או שימוש ב-6 סיביות עבור צעדים של 0.5 dB כאשר הביט ה-7 הוא "קצץ עדין" שמקזז את כל העקומה. שימושי לפיצוי חלק-לחלק בשינויים בייצור.

Peregrine (כיום pSemi) הייתה חלוצה בתהליך ה-UltraCMOS שהפך את-סיליקון DSAs עם ביצועים גבוהים לקיימא. לפני כן, אם רצית רוחב פס רציני קנית GaAs, שפירושה היה $$$ ואספקה ​​של 5V. ה-PE4312 וצאצאיו הביאו DSAs של 50 אוהם לקרקע CMOS של 3.3V. שינה את הכלכלה של הרבה עיצובים.

MEMS: ההבטחה וההמתנה

מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות הבטיחו לחולל מהפכה בהנחתת RF. מתגים פיזיים זעירים, מושלמים בעצם כאשר הם סגורים, פתוחים למעשה כאשר הם פתוחים. אין טפילי מוליכים למחצה. מגע אוהמי.

התיאוריה מחזיקה מעמד. מנחתי MEMS משיגים אובדן הכנסה וליניאריות שסיליקון לא יכול לגעת בהם. ההתקנים האנלוגיים ADRF5720 פועלים במהירות של 40 גיגה-הרץ עם אובדן הכנסה של 1.5 dB. נסה את זה עם מתג FET.

אבל-וזו עניין גדול אבל-מהימנות נשארת שנויה במחלוקת. מתגי MEMS נעים פיזית. חלקים נעים נשחקים. היצרנים טוענים למיליארדי מחזורים, ובתנאי מעבדה שפירים הם כנראה מקבלים אותם. ביישום עם רכיבה תרמית, לחות, רטט? אני סקפטי. ראיתי בדיוק מנחת MEMS אחד בתכנון ייצור שעבדתי עליו, וזה היה במכשיר בדיקה שבו קצב המיתוג היה אולי כמה פעמים בשנייה. לתחנת בסיס סלולרית שעושה אלפי התאמות חשמל בשנייה... תשאל אותי שוב בעוד חמש שנים.

יש גם בעיית האריזה. מכשירי MEMS זקוקים לאיטום הרמטי או שהאוויר הלח נכנס פנימה ודברים נשחקים או נדבקים. חבילות הרמטיות עולות כסף. כל הצעת הערך מתחילה להתנדנד כאשר ה-"$15 MEMS die" שלך מגיע ב"$8 חבילה הרמטית" עם "$12 עלות הרכבה".

מנחתים מכניים: עדיין לא מתים

לכו לכל מעבדת בדיקות RF ותמצאו מנחתי שבשבת סיבובית במערך הכיול. חיות מוליכי גל אלה-מסובבות פיזית כרטיס התנגדות כדי לשנות את כמות האות שהוא מיירט-מציעות דיוק שמחלישים אלקטרוניים מתקשים להתאים.

סדרת ויינשל 953. Hewlett-Packard 355C/D (כן, HP, לא Agilent או Keysight-הדברים האלה כל כך ישנים ועדיין עובדים). יחידות מוליך גל מדויק של Flann Microwave. הם כבדים, איטיים, יקרים ואמינים לחלוטין. כאשר אתה צריך הפניה של 40 dB מדויקת ל-±0.1 dB מ-18 עד 26.5 גיגה-הרץ, אתה לא מושיט יד אל מוליכים למחצה.

לשימוש בספסל, מחלשי הצעדים הידניים עם חוגי עצירה ללחיצה- נשארים רלוונטיים בצורה מוזרה. ניתן להשיג Kay 1/839 ישן במחיר של $50 ב-eBay ומספק 1 dB שלבים עד 79 dB עם התאמה טובה יותר מרוב ה-DSAs המשולבים. החיבורים מוסיפים אובדן שתצטרך לכייל החוצה, אבל עבור ניסויים מהירים, הם מושלמים.

אני מחזיק JFW 50R-142 במגירת השולחן שלי. קואקסיאלי קבוע של 50 אוהם, מדורג DC-2 GHz, צעדים מ-0 ל-110 dB במרווחים של 1 dB. המתגים הם רשתות נגד דיוק בפועל, לא מוליכים למחצה. הוא בנוי כמו טנק ויחזיק מעמד יותר ממני.

מנחתים אופטיים משתנים (VOAs)

עולם אחר. במערכות סיבים, הנחתה מנוהלת בשכבה האופטית והמנגנונים מרתקים.

VOAs מבוססי MEMS-השתמש במראה הטיה. אור נכנס מסיב הקלט, פוגע במראה, משתקף לכיוון סיב המוצא. הטה מעט את המראה וקצת אור מחמיץ את ליבת הפלט. הטה אותו יותר, יותר החמצות אור. שליטה אנלוגית, מהירות סבירה, יכולת חזרה מעולה. ה- DiCon MEMS VOA היה בעצם הסטנדרט בתעשייה במשך עשור.

VOAs של גביש נוזלילנצל את הקיטוב. גביש נוזלי מסובב את מצב הקיטוב של אור חולף; לאחר מכן מקטב מוחלש על סמך זווית הסיבוב. ללא חלקים נעים בכלל. איטי יותר מ-MEMS, אבל חסין כדורים מבחינה מכנית.

יש גםסיב משתנה Bragg סורגמתקרב וקליטה מבוקרת- אלקטרוניתבסיבים מיוחדים, אבל אלה נישה. רוב ה-VOA של הטלקום שתתקלו בהם הם MEMS או LC.

אובדן ההכנסה חשוב כאן מאוד מכיוון שאתה נמצא לעתים קרובות בשרשרת של טווחים מוגברים. כל 0.5 dB שאתה מבזבז ב-VOA הוא 0.5 dB של OSNR שלעולם לא תקבל בחזרה. MEMS VOAs הטובים משיגים IL מתחת ל-0.8 dB; זולים מגיעים ל-1.5 dB או פחות.

הערות בחירה מעשיות

החלקים שבהם אני משתמש בפועל

אלו אינן המלצות-אין לי קשר פיננסי עם אף יצרן-רק תצפית מ-builds שנשלחו.

עֲבוּרDSAs מתחת ל-6 GHz: pSemi PE43711 (31.5 dB, 0.25 dB צעדים, עמיד בפני תקלות) או PE4312 הזול יותר (31.5 dB, 0.5 dB צעדים). שניהם עובדים. לשניהם יש מוזרויות. לשניהם יש מספיק היסטוריית שוק כדי שהשגיאה ידועה.

עֲבוּרהנחתה מתמשכת (VVAs): סדרת Mini-Circuits ZX76 כאשר התקציב מאפשר זאת. Skyworks SKY12347 כשזה לא. אף אחד מהם אינו מושלם בטמפרטורה. תכננו בהתאם.

עֲבוּרhigh frequency (>20 GHz): בכנות, אני מתקשר ליצרן ומקיים שיחה. למכשירים אנלוגיים ול-Qorvo יש חלקים, המבחר דליל, והבחירה ה"נכונה" תלויה במידה רבה בדרישות הספציפיות שלך. זו לא מוצרי אלקטרוניקה-בגל מילימטר, הכל מותאם אישית.

עֲבוּרטלקום אופטי: DiCon ואגילטרון היו אמינים. JDS Uniphase (כיום Viavi) מייצרת דברים טובים אבל קווי המוצרים התפצלו באמצעות רכישות שונות. בדוק מי באמת משרת את החלק עכשיו לפני שאתה מתחייב.

מצבי כשל שאף אחד לא מדבר עליהם

ESD הורג מנחתי מוליכים למחצה. זה לא חדשות. מה שפחות דנים בו: הכישלון יכול להיות עדין. ראיתי חלקים שעדיין "עובדים" לאחר אירוע ESD אבל יש להם הליניאריות פגומה או כיול הנחתה הוסט. אם המערכת שלך נכשלת פתאום בבדיקת EMC שישה חודשים לייצור, ולא שינית כלום, לך תבדוק את המחליש. במיוחד אם בית הכינוס שלך החליף נהלי טיפול.

דיודות ה-PIN נכשלות בחן-הנחתה, העיוות גובר-אך לעתים נדירות הן מתות בפתאומיות. מתגי FET ב-DSAs נכשלים קשה. מתג אחד מקצר, ההנחתה שלך שגויה ב-4 dB, אלא אם כן אתה מפקח על כך, המערכת פשוט מתנהגת בצורה לא נכונה באופן מסתורי.

כשלים ב-MEMS נוטים להיות כשלים "תקועים". המתג מפסיק לעבור. תלוי באיזה מיקום הוא נצמד, אתה מקבל ערוץ מת או נתיב- קבוע. יש להפעיל ציוד בדיקה עם מנחתי MEMS באופן קבוע; מתגים שיושבים במצב אחד במשך חודשים יכולים לפתח "סטיקה".

מה שאני עדיין לא יודע

לא עבדתי ברצינות עםמבוסס על פריט-מנחתים משתנים. התיאוריה מגניבה -מגנטית-בליטה מכווננת-אבל החלקים שראיתי הם גדולים, תואבי חשמל-(האלקטרומגנט צריך זרם), ומוגבלים למימושים של מוליך גל. ייתכנו יישומים שבהם הם אידיאליים. לא נתקלתי באחד באופן אישי.

מבוסס על גרפן-מחלישים קיימים בספרות האקדמית. כביכול הכוונון נובע משינוי רמת הפרמי ובכך המוליכות. אני מאמין שהוא-מוכן לייצור כאשר Digi-מחזיק אותו במלאי.

יש גם עבודה עלחומרי שינוי שלב-עבור מיתוג והנחתה RF. הרעיון הוא שניתן להחליף חומרים מסוימים בין מצבים אמורפיים וגבישים באמצעות פולסים תרמיים, עם תכונות RF שונות באופן דרמטי בכל מצב. ימים מוקדמים.

אז זה הנוף כפי שאני רואה אותו: דיודות PIN לשליטה אנלוגית, DSAs לדיוק דיגיטלי, MEMS כאשר אתה צריך את המפרט הטוב ביותר, מכאני לכיול ומטרולוגיה, אופטי למערכות סיבים. לכל אחד יש פשרות. אף אחד אינו אוניברסלי. המהנדסים הטובים ביותר שאני מכיר בוחרים את הטכנולוגיה על סמך מה שהם יכולים לסבול להיכשל, לא רק מה שעובד הכי טוב ביום הראשון.

אם אתה לוקח דבר אחד מזה: בדוק את הטמפרטורה. בדוק בפינות טווח הנחתה. בדוק בתדרים שבאמת אכפת לך מהם, לא רק היכן שגיליון הנתונים נראה הכי יפה. החלק שעובד בצורה מושלמת ב-25 מעלות וב-1 גיגה-הרץ עלול להסגיר אותך ב-20 מעלות וב-5.8 גיגה-הרץ.

שאל אותי איך אני יודע.