Pytanie:

Co to jest tłumik częstotliwości radiowych i jak wybrać odpowiedni dla danego rozwiązania?

Odpowiedź:

Tłumik jest elementem, którego główną funkcją jest zmniejszenie siły sygnału, który przez niego przechodzi. Zazwyczaj używany jest do dopasowywania poziomów sygnałów w torze sygnałowym, rozszerzenia zakresu dynamicznego systemu, dopasowania impedancji oraz implementacji różnych technik kalibracji w konstrukcji.

Wstęp

W kolejnym odcinku serii krótkich wykładów na temat techniki radiowej dla inżynierów nie zajmujących się tą dziedziną omówimy układy tłumików oraz podamy informacje na temat ich typów, konfiguracji i specyfikacji. Artykuł ten ma na celu pomoc inżynierom w rozpoczęciu pracy z szeroką gamą układów i wybraniu odpowiedniego dla ostatecznego rozwiązania. Wśród innych artykułów z tej serii znajdziemy m.in. “Przewodnik wyboru właściwego wzmacniacza RF” (ang. “A Guide for Choosing the Right RF Amplifier for Your application”), “Jak dobrać układ generatora zegara” i “Zrozumieć technikę radiową – odbicia fali”.

Rodzaje tłumików

Tłumiki można podzielić na tłumiki stałe, o niezmiennym poziomie tłumienia oraz tłumiki zmienne o regulowanym tłumieniu. W zależności od formy regulacji, można je następnie podzielić na napięciowe tłumiki zmienne (ang. voltage variable attenuators, VVA), ze sterowaniem analogowym, oraz tłumiki sterowane cyfrowo (ang. digital step attenuators, DSA).

Tłumiki zmienne zapewniają płynną regulację poziomu tłumienia, które można ustawić na dowolną wartość w dostępnym zakresie. Analogowe tłumiki zmienne są zwykle używane w obwodach automatycznej regulacji wzmocnienia, korektach kalibracji i innych funkcjach przetwarzania, gdzie wymagana jest płynna i precyzyjna kontrola sygnału.

Natomiast tłumiki cyfrowe oferują szereg dyskretnych poziomów tłumienia, umożliwiających regulację siły sygnału z uprzednio ustaloną wielkością kroku. Cyfrowo sterowane tłumiki mają interfejs sterowania kompatybilny z mikrokontrolerami i stanowią dobre rozwiązanie dla utrzymania integralności funkcji w złożonych projektach.

Konfiguracje konstrukcyjne

Układy scalone tłumików można wykonać w technologiach GaAs, GaN, SiC lub CMOS z wykorzystaniem rezystorów, diod PIN, tranzystorów FET, HEMT oraz CMOS. Na rysunku 1 przedstawiono trzy podstawowe topologie, na których opierają się różnego rodzaju konfiguracje konstrukcyjne tłumików: sieci typu T, π oraz mostkowane sieci typu T.

Rysunek 1. Podstawowe topologie tłumika: sieci (a) typu T, (b) typu π, (c) mostkowane typu T

Tłumiki o stałej wartości wykorzystują podstawowe topologie przy wykorzystaniu rezystorów w technologiach hybrydowych cienko- i grubowarstwowych.

Układy VVA zazwyczaj wykorzystują konfigurację typu T lub π z diodą lub elementami tranzystorowymi pracującymi w nieliniowym obszarze rezystancji. Charakterystykę rezystancyjną elementów bazowych wykorzystuje się do regulacji wymaganego poziomu tłumienia poprzez zmianę napięcia sterującego.

Tłumiki DSA wykorzystują typowo wiele jednostek ułożonych kaskadowo reprezentujących poszczególne bity. Elementy włącza się i wyłącza w celu osiągnięcia wymaganego poziomu tłumienia. Kilka przykładów konfiguracji stosowanych w projektach DSA przedstawiono na rysunku 2. Obejmują one konfiguracje z wbudowanymi przełącznikami SPDT, które przełączają porty wejściowe i wyjściowe pomiędzy wkładką tłumiącą i linią bypass, projekty układów z tranzystorami lub diodami używanymi jako przełączalne rezystancje, konfiguracje przełączalnych rezystorów, w których rezystory mogą być dołączane lub odłączane od obwodu, a także układy z tranzystorem lub diodą jako integralną częścią konstrukcji.

Rysunek 2. Przykłady konstrukcji DSA: (a) konfiguracja typu π z wbudowanymi przełącznikami i linią bypass, (b) konfiguracja z FET jako zmiennymi rezystancjami, (c) konfiguracja z odłączalnymi rezystorami, (d) konfiguracja z wbudowanym FET

Topologie odbiciowe i zbalansowane

Topologie tłumików można ułożyć w konstrukcje typu odbiciowego lub zbalansowanego, przedstawione schematycznie na rysunku 3. Układy typu odbiciowego wykorzystują identyczne tłumiki połączone z wyjściem 3 dB sprzęgacza kwadraturowego. Zazwyczaj oferują duży zakres dynamiczny. Natomiast konstrukcje zbalansowane łączą parę identycznych tłumików za pomocą dwóch łączników kwadraturowych 3 dB. Ten typ tłumika zapewnia dobry współczynnik VSWR oraz możliwość przenoszenia większych mocy.

Rysunek 3. Schematy tłumików typu (a) odbiciowego i (b) zbalansowanego

Poza podstawowymi konstrukcjami opisanymi w niniejszym artykule, istnieją również inne rodzaje układów wykorzystywanych do realizacji tłumików, jednak ich omówienie wykracza poza zakres tego krótkiego artykułu.^1,2

Główne dane techniczne

Aby wybrać odpowiedni typ tłumika do projektu, inżynier musi dobrze zrozumieć jego kluczowe specyfikacje. Poza zdolnościami tłumienia oraz stratami wtrąceniowymi i odbiciowymi, istnieją różne inne parametry używane do opisywania tłumików. Kluczowe z nich to:

• Zakres częstotliwości (Hz): częstotliwości, w których układ scalony zachowuje swoje określone właściwości,
• Tłumienie (dB): wielkość tłumienia przekraczająca straty wtrąceniowe,
• Odpowiedź częstotliwościowa: charakterystyka poziomu tłumienia (dB) w całym zakresie częstotliwości (Hz),
• Zakres tłumienia (dB): całkowita wartość tłumienia oferowana przez komponent,
• Liniowość wejściowa (dBm): zazwyczaj wyrażana za pomocą punktu przecięcia trzeciego rzędu (IP3), określającego hipotetyczny punkt poziomu mocy wejściowej, przy którym moc odpowiadających mu składowych zakłócających trzeciego rządu osiągnie ten sam poziom co składowa podstawowa,
• Moc (dBm): zwykle opisywana w kategoriach punktu kompresji 1 dB określającego poziom mocy wejściowej, przy którym straty wtrąceniowe tłumika maleją o 1 dB. Charakterystyka obsługi mocy jest często określana dla średniego i szczytowego poziomu mocy wejściowej,
• Faza względna (stopnie): przesunięcie w fazie wprowadzane do sygnału przez tłumik.

Oprócz powyższych parametrów tłumiki zmienne są również opisywane za pomocą charakterystyk przełączania. Zwykle wyrażane są one jako czasy narastania i opadania, czasy włączania i wyłączania, a także czas ustalania amplitudy i fazy sygnału wyjściowego – zazwyczaj w nanosekundach.

Parametry charakterystyczne dla typu czujnika

Istnieją również specyficzne charakterystyki właściwe dla każdego typu tłumików zmiennych. W przypadku VVA są one związane z ich analogowym sterowaniem i obejmują:

• Zakres sterowania napięciowego (V): napięcia wymagane do regulacji poziomu tłumienia,
• Charakterystyka sterowania wyrażona zwykle jako nachylenie tłumienia (dB/V) oraz charakterystyki pokazujące poziom tłumienia w funkcji napięcia sterującego.

Natomiast dla DSA są to:

• Dokładność tłumienia (zwana również błędem stanu) (dB): granica zmienności poziomu tłumienia w stosunku do wartości nominalnej,
• Wielkość kroku tłumienia (dB): różnica pomiędzy dwoma kolejnymi stanami tłumienia,
• Błąd kroku (dB): granica zmiany wielkości kroku tłumienia w stosunku do wartości nominalnej,
• Przeregulowanie (dB): poziom transjentów sygnału (zakłóceń) podczas przejść między stanami.

Ogólnie wymaga się na tyle dobrego układu tłumika, aby zapewniał w miarę płaską charakterystykę tłumienia i dobry współczynnik VSWR w całym zakresie częstotliwości operacyjnych. Pozwala to uzyskać wystarczającą dokładność i obsługę odpowiedniej mocy sygnału, a także zapewnić pracę bez zakłóceń z niewielkimi zniekształceniami sygnału podczas przejść stanów lub też zapewnić liniową charakterystykę sterowania.

Wnioski

Szeroka różnorodność komponentów tłumików z pewnością nie ogranicza się tylko do tych omówionych w niniejszym artykule. Można wyróżnić także inne typy układów scalonych, w tym tłumiki zależne od częstotliwości i te kompensowane fazowo, tłumiki zmienne temperaturowo, programowalne VVA z wbudowanym przetwornikiem C/A i inne. Jednakże w tym artykule rozważono najbardziej powszechne kategorie tłumików, jak również omówiono ich główne topologie i kluczowe parametry. To pomoże projektantowi w wyborze odpowiedniego komponentu dla projektu.

Analog Devices oferuje najszersze portfolio zintegrowanych komponentów RF w branży. Układy scalone tłumików ADI są dostępne w szerokim zakresie architektur i funkcji, co daje projektantom elastyczność w wyborze części, która najlepiej sprosta wymaganiom projektowanego systemu. Elementy zaprojektowano tak, aby oferować najlepszą wydajność i niezawodne działanie. Pozwala to spełnić najwyższej klasy wymagania urządzeń używanych i projektowanych dla komunikacji, wojska i przemysłu lotniczego.³

Przypisy

¹Inder J. Bahl. Control Components Using Si, GaAs, and GaN Technologies. Artech House, 2014.

²Ian Robertson and Stepan Lucyszyn. RFIC and MMIC Design and Technology. The Institution of Engineering and Technology, November 2001.

³“RF, Microwave, and Millimeter Wave Products Selection Guide 2021.” Analog Devices, Inc., September 2021.