基于HMC346型压控衰减器的宽带压控衰减器设计

基于ＨＭＣ３４６型压控衰减器的宽带压控衰减器设计　●应用与设计　－２５－　基于ＨＭＣ３４６型压控衰减器的宽带　压控衰减器设计　王文钦　（中国科学院电子学研究所微波成像技术国防重点实验室，北京１０００８０）　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　压控衰减器．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　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—６９７７（２００６）０５—００２５—０４　中图分类号：ＴＮ７１５　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｗｉｄｅｂａｎｄ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＨＭＣ３４６　ＷＡＮＧ　Ｗｅｎ—’ｑｉｎ　（Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒｔａｏｒｙ　ｏｆＭｉｃｒｏｗａｖｅ　ｔｍｏａｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，　Ｃｈｉｎ＇ｅｓｅ　ＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｗｉｄｅｂａｎｄ　ｖｏｈａｇｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ（ＶＣＡ）ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｕｓｅｄ　ｍｏｒｅ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ｗｉｄｅｌｙ　ｉｎ　ｍｏｄｅｒｎ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ＶＣＡ　ＨＭＣ３４６　ｏｆ　Ｈｉｔｔｉｔｅ　Ｉｎｃ．ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｆｒｓｔｌｙ，　ｗｈｉｃｈ　ｈａｓ　ｈｉｇｈ　ｄｙｎａｍｉｃ　ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ　ｒａｎｇｅ，ｇｏｏｄ　ｌｉｎｅａｒｉｔｙ　ｗｉｔｈ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｗｅｌｌ　ＶＳＷＲ　ｏｆ　ｉｎ－　ｐｕｔ　ａｎｄ　ｏｕｔｐｕｔ．Ｔｈｅｎ　ｏｎｅ　Ｘ－ｂａｎｄ　ｗｉｄｅｂａｎｄ　ＶＣＡ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＨＭＣ３４６　ｉｓ　ｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｓｏｍｅ　ＥＭＣ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ　ＳＯ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｉｄｅａｌ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｖｏｈａｇｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ；ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ；ＨＭＣ３４６；　ｗｉｄｅｂａｎｄ；ｄｙｎａｍｉｃ　ｒａｎｇｅ　１　引言　在现代通信系统ｆ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【ｕ．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　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０　Ｖ一３　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１２１：　●具有ＤＣ一１４　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：　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、　维普资讯 http://www.cqvip.com

一２６一　《国外电子元器件》２ｏ０６年第５期　２００６年５月　表１　ＨＭＣ３４６的主要电气特性　参数　插损　ｃＣ￣～最小值　典型值　最大值　单位　１Ｉ：ＧＧＨｚ　５　￣２１．７８　１０　２３．２３　ｄＢ　ｄＢ　回波损失ＤＣ～１４　ＧＨｚ　Ｃ衰减范围Ｄｃ～１：ＧＧＨｚ　　１２７２　３２０７　＋８　—４　＋２５　＋１０　ｄＢ　ｄＢｍ　ｄＢｍ　０．２５　ｄＢ压缩点输入功率（０．５　ＧＨｚ一８　ＧＨｚ）　（最小衰减值为２　ｄＢ）　输入３阶交调（０．５　ＧＨｚ～８　ＧＨｚ）　（最小衰减值为２　ｄＢ）　●具有良好的宽带阻抗匹配特性；　●控制方式简单：　●采用３　ｍｉｎｘ３　ｍｍｘｌ　ｍｍ的１６引脚ＳＭＴ封装。　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　１　电压值．从，端往衰减器看的阻抗均保持为５００　Ｑ。　运算放大器的正向输入电压端由３．９２　ｋＱ和５ｏ０　Ｑ　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【４】：　Ｖ２－－Ａ（　１一　ＲＥＦ）　３压控衰减器电路设计　该ＶＣＡ需要　１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　１增加时　２减　小，但它们均需负电源。，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　Ｑ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　Ｑ。而从衰减器中为５００　Ｑ。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［３１。这样可以利用外部阻抗变换电路通过连续　调节　２电压来维持从衰减器５００　Ｑ的特性阻抗，　由于主从１０：１的阻抗关系，因此，主衰减的ＲＦ输　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，　２为　正端输入电压。这样通过对　２的控制跟踪Ｖ　的变　化．直到由，端往衰减器看的阻抗保持５００　Ｑ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　，端的负载阻抗为５００　Ｑ，因此运算放大器正向端的　接地电阻也必须保持５００　Ｑ．如果Ｒ１设定为３．９２　ｋＱ。则运算放大器正向输入电压将为一０．５６　Ｖ，由于　二极管的导通电压为０．６　Ｖ左右，所以当运算放大　入特性阻抗保持为５０　Ｑ。　这里．基于运算放大器的外部阻抗变换电路的　输出为０时将使二极管导通；同样，如果设定Ｒ１为　１Ｎ４１４８－．Ｉ．．．Ｌ．　渤　图２　ＨＭＣ３４６的内部参考衰减电路　图３基于外部运算放大器的外部阻抗匹配电路　维普资讯 http://www.cqvip.com

基于ＨＭＣ３４６型压控衰减器的宽带压控衰减器设计　一２７一　的幅频起伏为０．２５　ｄＢ左右。从极性圆图中可以看出　此时的输入驻波比最大为１．２２，０．７８＝１．６。　笔者按照上文介绍的设计方法和要求，设计了　一个Ｘ波段宽带压控衰减器，并对实际电路进行了　调试．测试结果与上面的仿真结果基本一致。　４注意事项和讨论　实现宽带微波链路的阻抗匹配比较困难，可以　说完全理想的宽带微波阻抗匹配是不可能实现的，　笔者设计阻抗匹配电路的目的是尽可能地减小误　差。如果传输链路呈容抗状态，这种情况应该体现为　低端损失大而高端损失小：同样如果传输链路呈感　抗状态，则应该体现为低端损失小而高端损失大。因　此．必须仔细考虑压控衰减器射频输入端和输出端　图４压控衰减器的完整电路　的阻抗匹配电路，尽可能避免ＶＣＡ电路ＲＦ输入　１　ｋ１２．则运算放大器正向输入电压将为一１．７　Ｖ，由于　端、输出端的隔直电容器和传输链路产生的寄生电　二极管的导通电压为０．６　Ｖ左右，所以当运算放大　感不匹配。由于该ＶＣＡ本身需要　１和Ｖ２二路互　器输出为一０．９　Ｖ时将使二极管导通，如果是这种情　补负电源进行控制，即便在实际设计中采用运算放　况的话．衰减器将达不到最大衰减值。为了实现　大器来调节　２的范围，为了保证ＶＣＡ的３０　ｄＢ衰　ＶＣＡ的最大衰减值，这里将　１设定为３．９２　ｋ１２。因　减动态范围，必须保证　１在０　Ｖ和一３　Ｖ之间，　此．可以得出本文所讨论的压控衰减器的完整电路　Ｖ２＝一２．５　Ｖ～一０．６　Ｖ。　如图４所示。此外，需要注意的是ＶＣＡ在高频段时　由于该ＶＣＡ的封装非常小，而且引脚在芯片下　会受寄生电感的影响而使衰减质量下降，而且如果　面．不是标准的ＢＧＡ封装，很容易造成短路。所以必　ＲＦ信号存在潜在的直流信号，则必须在ＲＦ输入端　须保证良好的ＰＣＢ设计，并应该考虑微带传输线效　采用隔直处理。　应。这种微型的封装也给表贴造成不便，最好采用机　在设计过程中，利用Ｈｉｔｔｉｌｅ公司提供的Ｓ参数［５１，　焊．不应采用手工焊接。所有这些措施对保证产品性　结合ＡＤＳ软件对电路进行了匹配设计［６ｔ，在５０　Ｑ输　能是至关重要的。　入和输出特性阻抗下，其传输线线宽为２１．２４９　ｍｉｌ，板　屏蔽、滤波和接地是解决这种工程实际问题的　材介电常数为３．５，板厚为０．２５４　ｍｍ，铜箔厚度为　主要措施［７１。屏蔽的作用是限制内部辐射的电磁能　０．０３５　ｍｉｌ１．在ＲＦ输入和输出端采用０．３３　ＩｘＦ的隔直　越出某一区域和防止外来辐射进入某一区域。屏蔽　电容器，在以上设计参数条件下，利用ＡＤＳ软件获得　是通过一个与上述区域封闭起来的壳体实现的，这　的１５　ｄＢ衰减情况下的仿真结果如图５所示。从图中　个壳体可以做成金属隔板或盒式，也可以做成电缆　可以看出，￥２１反映的幅频特性表明在１５　ｄＢ衰减时　屏蔽和连接器屏蔽的形式，采用铜和铝这样的良导　邕　矗　８　　—是　；　；　ｇ　　；（ｃ　Ｊ频率（８．０００ＧＨｚ～１１．００ＧＨｚ）　图５　ｌ５　ｄＢ衰减时的仿真结果　维普资讯 http://www.cqvip.com

一２８一　《国外电子元器￣）２００６年第５期　２００６年５月　参考文献：　ｆｌ１戴永胜，陈堂胜，俞土法．一种新颖的ＤＣ～５０　ＧＨｚ　体制成的屏蔽体对电磁波具有很大的反射损耗。适　用于电屏蔽。由于该ＶＣＡ的工作频段在Ｘ波段，故　电路设计中不合适的ＰＣＢ布线既可能成为发射天　线也可能成为接收天线。因此必须合理布局并尽量　低插入相移ＭＭＩＣ可变衰减器『Ｊ］．固体电子学研　究与发展，２００３，２３ｆ２１：１８６一ｌ８８．　缩短长度，以降低它们之间的相互干扰。电源质量　也与压控衰减器的性能直接相关，对电源尤其是电　源变压器要采用良好的屏蔽措施。为此，在印制板　的电源输入端接滤波去耦电路。同时为了减少传导　电阻，电源线在印制板上的馈电线要足够宽。电源　线不宜形成闭路，不要有并行线，要尽可能短。如果　接地和滤波都很好，就可以减少对屏蔽的要求甚至　可以不屏蔽，在低频电路中一般采用这种方法口ｌ。　［２］ＨＭＣ３４６ＬＰ３　Ｄａｔａ　Ｓｈｅｅｔ［Ｚ］．Ｈｉｔｔｉｔｅ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．２００３．　［３］ＴＨＳ３００１　Ｄａｔａ　Ｓｈｅｅｔ［Ｚ］．ＴＩ，２０ｏ４．　［４］Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ｗｉｔｈ　Ｔｈｅ　ＨＭＣ３４６ＭＳ８Ｇ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｖａｒｉ—　ａｂｌｅ　Ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ［Ｚ］．Ｈｉｔｔｉｔｅ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，２００３．　［５］ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈｉｔｔｉｔｅ．ｃｏｍ［ＥＢ／ＯＬ］．　［６］ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｇｉｌｅｎｔ．ｃｏｍ．ｃｎ［ＥＢ／ＯＬ］．　【７］王文钦．ＤＳＰ工程实践中的电磁兼容性问题【Ｊ］．　安全与电磁兼容，２００４，（３）：８－９．　『８１　Ｍａｒｋ　Ｉ．Ｍｏｎｔｒｏｓｅ．电磁兼容和印刷电路板Ｆ理　论、设计和布线『Ｍ】．刘元安译．北京：人民邮电出　版社．２００２．　５　结束语　Ｈｉｔｔｉｔｅ公司的ＨＭＣ３４６系列压控衰减器具有大　动态衰减范围、优良的衰减随控制电压变化的线性　度、优异的驻波比等特点。基于ＨＭＣ３４６设计了Ｘ　波段宽带压控衰减器，讨论了保证设计性能必须考　虑的电磁兼容性问题。仿真和实验结果表明　ＨＭＣ３４６压控衰减器具有线性度好、驻波比小等优　作者简介：王文钦（１９７９一），男，四川人，２００２年获山　东大学电子工程系学士学位。２００５年获电子科技大　学通信学院硕士学位；现在中国科学院电子学研究　所微波成像技术国家级重点实验室攻读博士学位。　研究方向是微波成像技术、双／多基地合成孔径雷达　良特点；它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、雷达和测试系　统。笔者设计的衰减器已经应用在某雷达系统中。　（上接第２４页）　系统和现代信号处理等。　收稿日期：２００５一ｌ０—０８　咨询编号：０６０５０８　应用这种ＩＧＢＴ模块的有源滤波器的样机通过　试验，证明硬件能够协调配合，控制效果稳定、精确，　并且已经批量制板。　参考文献：　『ｌ１王兆安，张明勋．电力电子设备设计和应用手册　［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００２．　［２］康光华．电子技术基础［Ｍ］．北京：高等教育出版　社．１９９８．　【３】用于隔离栅双极性晶体￣０ＧＢＴ）的混合ＩＣ驱动　器手册　１．富士电机．　图６过电流保护扩展　［４］ＩＧＢＴ　Ｄｅｓｉｇｎｅｒ’Ｓ　ＭａｎｕＭ［Ｚ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ，　１９９３．　４　结束语　本设计应用以上电路对ＩＧＢＴ进行驱动和保　护。此驱动电路是在典型驱动电路的基础上进行改　进和完善的，并且自行设计了隔离部分和过电流保　护扩展部分。此驱动电路相对简单、实用。对被驱动　的ＩＧＢＴ有完善的保护能力，输出阻抗低，具有较强　的抗干扰性能。　作者简介：张勤（１９７９一），女，硕士研究生，主要研　究方向为电力系统电磁兼容。电力系统过电压。何润　华（１９７７一），男，硕士研究生，主要研究方向为电力　系统电能质量控制。　收稿日期：２００５—１０—１４　咨询编号：０６０５０７