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用于1900MHz的平衡式PIN二极管衰减器的设计




关键词:
在TDMA系统中,许多移动通信单位都会共用使用不同时隙的相同下行链路频率,对基地台的发射器链路来说,一个以电子控制的可变衰减器是绝对必要的。由于不同的移动通信单位对于基地台所发射的功率位准有不同的要求,所以基地台的发射器功率必须能够被动态而迅速地加以控制才行。
  PIN二极管有一项已知且特殊的特性,那就是它在射频下的电阻,可由改变偏压电流来加以变更。因此,PIN二极管对于RF与微波中的可变衰减器设计来说,是一个非常适合且实用的元件。使用正交耦合器作为输入与输出耦合元件的平衡式拓朴,可以产生一个具有良好回返损耗与高动态范围的PIN二极管可变衰减器。使用安捷伦的HSMP-481B PIN二极管作为衰减元件时,衰减器所产生的失真会非常低,因此相当适合最新的数字通信系统使用。
简单的单一PIN二极管衰减器

  利用图1所示的方法,可以设计出非常简单的单一PIN二极管衰减器。不过,在这样的设计中,很难达到良好的阻抗匹配,因为二极体的阻抗会明显随着偏压而改变。不良的阻抗匹配会产生问题,因为连接到衰减器的滤波器的响应,通常会因负载的不同而改变。
循环器为衰减器前面的阶段提供一个低VSWR的负载

理想的固定阻抗设计

  改善整个频宽的VSWR的一个解决方案,就是在设计中使用耦合元件来达到不
变的阻抗特性。在图2所显示的设计中,循环器为衰减器前面的阶段提供一个低VSWR的负载。一个理想的固定阻抗设计,会采用以两个正交耦合器作为输入与输出耦合元件的平衡结构,如图3所示。如果正交耦合器是完美的,则所有反射的RF都会传送到50 Ω终端(图15会简单的说明)。因此,只要提供给0度与90度输出埠的负载阻抗是相同的,不管它们实际的阻抗值为何,在正交耦合器的输入埠所出现的阻抗将会是50 Ω。平衡式设计也会提供比非平衡式设计高3 dB的第三级截点(IP3)效能。
  PIN二极管模型
  在设计平衡式衰减器时,我们选择了安捷伦科技的HSMP-481B PIN二极管来作为衰减元件,因为它们拥有非常低的失真,而且只需要较少的偏压电流。在进行平衡式衰减器的模拟时,主要利用安捷伦的先进设计系统(ADS)来验证设计,并优化电路参数以配合所需的效能,例如回返损耗与注入损耗。在模拟的过程中,我们非常谨慎地建立了HSMP-481B的模型,如图4所示。
在模拟的过程中

  就这个特殊的二极体来说,阴极会将1.5 nH的寄生电感分别传到接脚1和2,正极则会将1.0 nH的寄生电感传到接脚3。接面电容为0.3 pF。这些寄生值在至少高达3 GHz的频率下都有效。
  PIN二极管会被当作以电流控制的电阻器来制作模型。它的RF电阻值可能介于未使用偏压时的大约2000 Ω,与大约20 mA的高偏压通过接面时的2 Ω之间。
  电路拓朴与模拟
平衡式PIN二极管衰减器的线路图

  图5显示一个平衡式PIN二极管衰减器的线路图。要达到大于50 dB的最大衰减,必须在衰减器的上、下臂使用两对PIN二极管。
  由于正交耦合器(Mini-Circuits的QBA-18)的接脚5和10与直流连接,所以50 Ω终端会为偏压电流提供一个直流路径。上面分支的二极体会使直流从接脚10流经接脚5,再到左边耦合器上的50 Ω终端,而下面分支的二极体,则会使直流从右边的耦合器返回接地。透过这个偏压技巧,就不必使用RF抗流器来完成接地回返,在零偏压下,使用它会使注入损耗从1.7 GHz增加到2.2 GHz。
在最大衰减与衰减平坦度之间取舍的情况

当正极的导线电感为0.5 nH时,这些线脚的尺寸位置相当于图7a与7b所示的大约1.84 GHz

当正极的导线电感为0.5 nH时,这些线脚的尺寸位置相当于图7a与7b所示的大约1.84 GHz

图7c与7d所示的2.03 GHz

图7c与7d所示的2.03 GHz

使用ADS所优化的各个参数

  PIN二极管的正极会连接到辐射状的线脚(stub),而非透过电容连接到RF接地。辐射状线脚的电容加上导线电感,可形成一个串联谐振电路。这个串联谐振提供一个低阻抗路径,可将二极体的正极连到接地。可以预期的是,串联L-C谐振应该发生在频带的中央,也就是1.9 GHz的位置。虽然将所有的辐射状线脚设计成与中心频率的正极导线电感共振,可以在1.9 GHz下产生较大的衰减,但模拟显示如果需要较平坦的衰减vs频率响应,则不适合这么做。图6显示在最大衰减与衰减平坦度之间取舍的情况。就所需要的衰减平坦度来优化ADS被设定为优化的目标之一后,左、右边的辐射状线脚的尺寸位置就会不太一样。当正极的导线电感为0.5 nH时,这些线脚的尺寸位置相当于图7a与7b所示的大约1.84 GHz,以及图7c与7d所示的2.03 GHz。因为辐射与耦合器损耗的关系,导致测得的注入损耗大于模拟的数值,这是模拟器未考虑到的地方。使用ADS所优化的各个参数,以及理想的耦合器,在零偏压与高偏压下最后模拟出来的注入损耗与回返损耗结果,显示于图8。
  回返损耗量测
  平衡式衰减器电路是以0.8 mm厚的FR4材料制成的。衰减器的输入回返损耗,可利用Agilent 8753E网路分析仪来量测。网路分析仪的输入驱动位准设在-30 dBm。针对整个PCS频带,在所有的衰减器电流下量测衰减器电路板,所得到的输入回返损耗优于13 dB。当输入驱动位准在-40 dBm与0 dBm之间波动
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