基于HMC346型压控衰减器的宽带压控衰减器设计

1 引言
在现代通信系统(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，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、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O V～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：

●具有DC~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；
●具有良好的宽带阻抗匹配特性；
●控制方式简单；
●采用3mmX3mmxlmm的16引脚SMT封装。

3 压控衰减器电路设计
该VCA需要Vl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V1增加时V2减小，但它们均需负电源。I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 Ω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 Ω，而从衰减器中为500 Ω，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。这样可以利用外部阻抗变换电路通过连续调节V2电压来维持从衰减器500 Ω的特性阻抗，由于主从10:l的阻抗关系，因此，主衰减的RF输入特性阻抗保持为50 Ω。

这里，基于运算放大器的外部阻抗变换电路的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Vl电压值，从I端往衰减器看的阻抗均保持为500Ω。运算放大器的正向输入电压端由3.92 kΩ和500 Ω
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：

V2=A(V1-VREF)
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。V2为正端输入电压。这样通过对V2的控制跟踪VREF的变化，直到由I端往衰减器看的阻抗保持500 Ω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I端的负载阻抗为500 Ω，因此运算放大器正向端的接地电阻也必须保持500 Ω，如果R1设定为3.92kΩ，则运算放大器正向输入电压将为-0.56 V，由于二极管的导通电压为O.6 V左右，所以当运算放大输出为O时将使二极管导通；同样，如果设定Rl为1 kΩ，则运算放大器正向输入电压为-1.7 V，由于二极管的导通电压为0.6 V左右，所以当运算放大器输出为-0.9 V时将使二极管导通，如果是这种情况的话，衰减器将达不到最大衰减值。为了实现VCA的最大衰减值，这里将R1设定为3.92 kΩ。因此，可以得出本文所讨论的压控衰减器的完整电路如图4所示。此外，需要注意的是VCA在高频段时会受寄生电感的影响而使衰减质量下降，而且如果RF信号存在潜在的直流信号，则必须在RF输入端采用隔直处理。

在设计过程中，利用Hittile公司提供的S参数，结合ADS软件对电路进行了匹配设计，在50 Ω输入和输出特性阻抗下，其传输线线宽为2l.249 mil，板材介电常数为3.5，板厚为0.254 mm，铜箔厚度为0.035 mm，在RF输入和输出端采用0.33μF的隔直电容器，在以上设计参数条件下，利用ADS软件获得的15 dB衰减情况下的仿真结果如图5所示。从图中可以看出，S21反映的幅频特性表明在15 dB衰减时的幅频起伏为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的阻抗匹配电路，尽可能避免VCA电路RF输入端、输出端的隔直电容器和传输链路产生的寄生电感不匹配。由于该VCA本身需要V1和V2二路互补负电源进行控制，即便在实际设计中采用运算放大器来调节V2的范围，为了保证VCA的30 dB衰减动态范围，必须保证Vl在O V和-3 V之间，V2=-2.5V~-0.6V。
由于该VCA的封装非常小，而且引脚在芯片下面，不是标准的BGA封装，很容易造成短路。所以必须保证良好的PCB设计，并应该考虑微带传输线效应。这种微型的封装也给表贴造成不便，最好采用机焊，不应采用手工焊接。所有这些措施对保证产品性能是至关重要的。
屏蔽、滤波和接地是解决这种工程实际问题的主要措施。屏蔽的作用是限制内部辐射的电磁能越出某一区域和防止外来辐射进入某一区域。屏蔽是通过一个与上述区域封闭起来的壳体实现的，这个壳体可以做成金属隔板或盒式，也可以做成电缆屏蔽和连接器屏蔽的形式，采用铜和铝这样的良导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。

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。