基于HMC346型壓控衰減器的寬帶壓控衰減器設(shè)計(jì)

1 引言
在現(xiàn)代通信系統(tǒng)(如空間分集智能天線和相控陣系統(tǒng))中，均要進(jìn)行幅度和相位的調(diào)整。一般情況下系統(tǒng)均要求調(diào)整相位時的幅度變化越小越好和調(diào)整幅度時的相位變化越小越好，這可以由寬帶單片壓控衰減器實(shí)現(xiàn)。本文介紹的HMC346壓控衰減器(VCA)具有大動態(tài)衰減范圍、優(yōu)良的衰減隨控制電壓變化的線性度、優(yōu)異的輸入和輸出駐波等優(yōu)良特點(diǎn)。HMC346壓控衰減器可廣泛用于通信基站系統(tǒng)、寬帶通信系統(tǒng)，微波通信、衛(wèi)星通訊、軍用無線電、雷達(dá)和測試電子系統(tǒng)中。

2 HMC346的主要特點(diǎn)和功能
HMC346是Hittite微波公司的一款高性價比、吸收性寬帶壓控衰減器，利用其內(nèi)部自帶的參考衰減器和一個外部運(yùn)算放大器便可由一路O V～3 V的控制電壓實(shí)現(xiàn)對壓控衰減器的有效控制。HMC346的引腳排列如圖1所示，它的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所列。HMC346的主要特點(diǎn)如下：

●具有DC~14 GHz的寬帶衰減特性；
●具有低相移與衰減比；
●具有30 dB的較大衰減動態(tài)范圍；
●具有良好的寬帶阻抗匹配特性；
●控制方式簡單；
●采用3mmX3mmxlmm的16引腳SMT封裝。

3 壓控衰減器電路設(shè)計(jì)
該VCA需要Vl和V2二路控制電壓才可滿足互補(bǔ)關(guān)系，即它們的控制關(guān)系是V1增加時V2減小，但它們均需負(fù)電源。I的主要功能是為VCA提供驅(qū)動電流。為了減少為一路控制并實(shí)現(xiàn)良好的寬帶衰減特性，要求保持輸入、輸出均為50 Ω的特性阻抗。為此，筆者在設(shè)計(jì)中結(jié)合圖2所示的內(nèi)部衰減電路，利用圖3所示的外部運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)寬帶衰減器的有效阻抗匹配。從圖2和圖3可知，電路內(nèi)部采用T型拓?fù)涞闹鲝乃p結(jié)構(gòu)，在主衰減器中，采用連接FET的集電極和發(fā)射極之間的電阻為50 Ω，而從衰減器中為500 Ω，其10:1的目的是允許外部阻抗變換電路可以同時調(diào)節(jié)主從衰減的阻抗特性。這樣可以利用外部阻抗變換電路通過連續(xù)調(diào)節(jié)V2電壓來維持從衰減器500 Ω的特性阻抗，由于主從10:l的阻抗關(guān)系，因此，主衰減的RF輸入特性阻抗保持為50 Ω。

這里，基于運(yùn)算放大器的外部阻抗變換電路的目的是實(shí)現(xiàn)單路控制，利用傳輸鏈路的回波損失來跟蹤RF衰減器的阻抗電路。這樣，對于任何的Vl電壓值，從I端往衰減器看的阻抗均保持為500Ω。運(yùn)算放大器的正向輸入電壓端由3.92 kΩ和500 Ω
的電阻器進(jìn)行分壓以獲得輸入電壓。這樣，運(yùn)算放大器的輸出可以表示為：

V2=A(V1-VREF)
其中，A為運(yùn)算放大器開環(huán)環(huán)路增益，一般來說是非常大的；V1為運(yùn)算放大器負(fù)端輸入電壓。V2為正端輸入電壓。這樣通過對V2的控制跟蹤VREF的變化，直到由I端往衰減器看的阻抗保持500 Ω為止。
由于該VCA的正常工作需要負(fù)偏置，因此在設(shè)計(jì)中增加了一個二極管。這樣，運(yùn)算放大器輸出即將正向翻轉(zhuǎn)時二極管導(dǎo)通，將電流反饋至運(yùn)算放大器負(fù)向輸入端，使運(yùn)算放大器輸出減小從而避免運(yùn)算放大器輸出出現(xiàn)正向偏置。由于二極管的采用，運(yùn)算放大器輸入端的分壓網(wǎng)絡(luò)是至關(guān)重要的，比如：由于I端的負(fù)載阻抗為500 Ω，因此運(yùn)算放大器正向端的接地電阻也必須保持500 Ω，如果R1設(shè)定為3.92kΩ，則運(yùn)算放大器正向輸入電壓將為-0.56 V，由于二極管的導(dǎo)通電壓為O.6 V左右，所以當(dāng)運(yùn)算放大輸出為O時將使二極管導(dǎo)通；同樣，如果設(shè)定Rl為1 kΩ，則運(yùn)算放大器正向輸入電壓為-1.7 V，由于二極管的導(dǎo)通電壓為0.6 V左右，所以當(dāng)運(yùn)算放大器輸出為-0.9 V時將使二極管導(dǎo)通，如果是這種情況的話，衰減器將達(dá)不到最大衰減值。為了實(shí)現(xiàn)VCA的最大衰減值，這里將R1設(shè)定為3.92 kΩ。因此，可以得出本文所討論的壓控衰減器的完整電路如圖4所示。此外，需要注意的是VCA在高頻段時會受寄生電感的影響而使衰減質(zhì)量下降，而且如果RF信號存在潛在的直流信號，則必須在RF輸入端采用隔直處理。

在設(shè)計(jì)過程中，利用Hittile公司提供的S參數(shù)，結(jié)合ADS軟件對電路進(jìn)行了匹配設(shè)計(jì)，在50 Ω輸入和輸出特性阻抗下，其傳輸線線寬為2l.249 mil，板材介電常數(shù)為3.5，板厚為0.254 mm，銅箔厚度為0.035 mm，在RF輸入和輸出端采用0.33μF的隔直電容器，在以上設(shè)計(jì)參數(shù)條件下，利用ADS軟件獲得的15 dB衰減情況下的仿真結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，S21反映的幅頻特性表明在15 dB衰減時的幅頻起伏為0.25 dB左右。從極性圓圖中可以看出此時的輸入駐波比最大為1.22/0.78=1.6。
筆者按照上文介紹的設(shè)計(jì)方法和要求，設(shè)計(jì)了一個X波段寬帶壓控衰減器，并對實(shí)際電路進(jìn)行了調(diào)試，測試結(jié)果與上面的仿真結(jié)果基本一致。

4 注意事項(xiàng)和討論
實(shí)現(xiàn)寬帶微波鏈路的阻抗匹配比較困難，可以說完全理想的寬帶微波阻抗匹配是不可能實(shí)現(xiàn)的，筆者設(shè)計(jì)阻抗匹配電路的目的是盡可能地減小誤差。如果傳輸鏈路呈容抗?fàn)顟B(tài)，這種情況應(yīng)該體現(xiàn)為低端損失大而高端損失小；同樣如果傳輸鏈路呈感抗?fàn)顟B(tài)，則應(yīng)該體現(xiàn)為低端損失小而高端損失大。因此，必須仔細(xì)考慮壓控衰減器射頻輸入端和輸出端的阻抗匹配電路，盡可能避免VCA電路RF輸入端、輸出端的隔直電容器和傳輸鏈路產(chǎn)生的寄生電感不匹配。由于該VCA本身需要V1和V2二路互補(bǔ)負(fù)電源進(jìn)行控制，即便在實(shí)際設(shè)計(jì)中采用運(yùn)算放大器來調(diào)節(jié)V2的范圍，為了保證VCA的30 dB衰減動態(tài)范圍，必須保證Vl在O V和-3 V之間，V2=-2.5V~-0.6V。
由于該VCA的封裝非常小，而且引腳在芯片下面，不是標(biāo)準(zhǔn)的BGA封裝，很容易造成短路。所以必須保證良好的PCB設(shè)計(jì)，并應(yīng)該考慮微帶傳輸線效應(yīng)。這種微型的封裝也給表貼造成不便，最好采用機(jī)焊，不應(yīng)采用手工焊接。所有這些措施對保證產(chǎn)品性能是至關(guān)重要的。
屏蔽、濾波和接地是解決這種工程實(shí)際問題的主要措施。屏蔽的作用是限制內(nèi)部輻射的電磁能越出某一區(qū)域和防止外來輻射進(jìn)入某一區(qū)域。屏蔽是通過一個與上述區(qū)域封閉起來的殼體實(shí)現(xiàn)的，這個殼體可以做成金屬隔板或盒式，也可以做成電纜屏蔽和連接器屏蔽的形式，采用銅和鋁這樣的良導(dǎo)體制成的屏蔽體對電磁波具有很大的反射損耗，適用于電屏蔽。由于該VCA的工作頻段在X波段，故電路設(shè)計(jì)中不合適的PCB布線既可能成為發(fā)射天線也可能成為接收天線，因此必須合理布局并盡量縮短長度，以降低它們之間的相互干擾。電源質(zhì)量也與壓控衰減器的性能直接相關(guān)，對電源尤其是電源變壓器要采用良好的屏蔽措施。為此，在印制板的電源輸入端接濾波去耦電路。同時為了減少傳導(dǎo)電阻，電源線在印制板上的饋電線要足夠?qū)挕ｋ娫淳€不宜形成閉路，不要有并行線，要盡可能短。如果接地和濾波都很好，就可以減少對屏蔽的要求甚至可以不屏蔽，在低頻電路中一般采用這種方法。

5 結(jié)束語
Hittite公司的HMC346系列壓控衰減器具有大動態(tài)衰減范圍、優(yōu)良的衰減隨控制電壓變化的線性度、優(yōu)異的駐波比等特點(diǎn)。基于HMC346設(shè)計(jì)了X波段寬帶壓控衰減器，討論了保證設(shè)計(jì)性能必須考慮的電磁兼容性問題。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明HMC346壓控衰減器具有線性度好、駐波比小等優(yōu)良特點(diǎn)；它可廣泛用于通信基站系統(tǒng)、寬帶通信系統(tǒng)，微波通信、衛(wèi)星通訊、軍用無線電、雷達(dá)和測試系統(tǒng)。筆者設(shè)計(jì)的衰減器已經(jīng)應(yīng)用在某雷達(dá)系統(tǒng)中。