Einleitung
: In Fortsetzung unserer Reihe kurzer Artikel zum Thema Hochfrequenztechnik für Nicht-Hochfrequenztechniker behandeln wir Dämpfungsglieder-ICs und geben Einblicke in deren Typen, Konfigurationen und Spezifikationen. Dieser Artikel soll Ingenieuren den Einstieg in die Welt der ICs erleichtern und ihnen helfen, das passende Produkt für ihre Anwendung auszuwählen. Weitere Artikel dieser Reihe sind: „Ein Leitfaden zur Auswahl des richtigen HF-Verstärkers für Ihre Anwendung“, „So wählen Sie die richtige Frequenzgenerierungskomponente ganz einfach aus“ und „Hochfrequenztechnik leicht gemacht – Wellenreflexionen verstehen“.

Arten von Dämpfungsgliedern:
Aus funktionaler Sicht lassen sich Dämpfungsglieder in feste Dämpfungsglieder mit unveränderlichem Dämpfungspegel und variable Dämpfungsglieder mit einstellbarem Dämpfungspegel einteilen. Je nach verwendetem Dämpfungsregelungsverfahren können variable Dämpfungsglieder weiter in spannungsgesteuerte Dämpfungsglieder (VVAs) mit analoger Steuerung und digitale Stufendämpfungsglieder (DSAs) mit digitaler Steuerung unterteilt werden.
VVAs ermöglichen die stufenlose Einstellung des Dämpfungspegels auf jeden beliebigen Wert innerhalb eines vorgegebenen Bereichs. Analoge variable Dämpfungsglieder werden typischerweise für automatische Verstärkungsregelungsschaltungen, Kalibrierungskorrekturen und andere Verarbeitungsfunktionen eingesetzt, die eine gleichmäßige und präzise Signalsteuerung erfordern.
DSAs verfügen über diskrete Dämpfungspegel, mit denen die Signalstärke in vordefinierten Schritten angepasst werden kann. Digital gesteuerte RFIC-Dämpfungsglieder bieten eine mikrocontrollerkompatible Steuerschnittstelle und eignen sich gut zur Aufrechterhaltung der Funktionsintegrität in komplexen Schaltungen.

Designkonfigurationen.
Dämpfungsglieder lassen sich in GaAs-, GaN-, SiC- oder CMOS-Technologien mit Widerständen, PIN-Dioden, FETs, HEMTs und CMOS-Transistoren realisieren. Abbildung 1 zeigt drei grundlegende Topologien, die verschiedenen Dämpfungsglieder-Designkonfigurationen zugrunde liegen: T-Typ, π-Typ und überbrückte T-Typ-Netzwerke.

Festwert-Dämpfungsglieder nutzen diese grundlegenden Topologien, die mit Widerständen in hybriden Dünn- und Dickschichttechnologien realisiert werden, um feste Dämpfungspegel zu erzielen.
VVAs verwenden typischerweise eine T-Typ- oder π-Typ-Konfiguration mit einem Dioden- oder Transistorelement, das im nichtlinearen Widerstandsbereich arbeitet. Die Widerstandskennlinie der Basiselemente wird genutzt, um den erforderlichen Dämpfungsgrad durch Variation der Steuerspannung anzupassen.
DSAs verwenden typischerweise mehrere kaskadierte Einheiten, die einzelne Bits repräsentieren und ein- oder ausgeschaltet werden können, um den benötigten Dämpfungsgrad zu erreichen. Abbildung 2 zeigt einige Beispiele für Konfigurationen, die für DSA-Designs verwendet werden. Dazu gehören Konfigurationen mit integrierten SPDT-Schaltern, die die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse mit dem Dämpfungsglied und einer Durchgangsleitung umschalten, Schaltungen mit geschalteten Bauelementen, bei denen Transistoren oder Dioden als schaltbare Widerstände verwendet werden, Schaltungen mit geschalteten Widerständen, bei denen die Widerstände in den Schaltkreis ein- oder ausgeschaltet werden können, und Schaltungen mit integrierten Bauelementen, bei denen ein Transistor oder eine Diode ein integraler Bestandteil der Schaltung ist.

Dämpfungsglieder können entweder als Reflexions- oder als symmetrische Schaltung ausgeführt werden, wie in Abbildung 3 schematisch dargestellt. Reflexionsschaltungen verwenden Dämpfungsglieder gleicher Stärke, ebenso wie symmetrische Schaltungen. Reflexionsschaltungen nutzen identische Dämpfungsglieder, die an den Ausgang eines 3-dB-Quadraturkopplers angeschlossen sind und typischerweise einen großen Dynamikbereich bieten. Symmetrische Schaltungen kombinieren zwei identische Dämpfungsglieder mithilfe zweier 3-dB-Quadraturkoppler und bieten ein gutes Stehwellenverhältnis (VSWR) und eine hohe Belastbarkeit.


Neben den in diesem Artikel beschriebenen Hauptschaltungskonfigurationen existieren weitere Schaltungstypen zur Implementierung von Dämpfungsglied-ICs; deren Betrachtung geht jedoch über den Rahmen dieses kurzen Artikels hinaus.^1,2

Wichtige Spezifikationen
► Um den geeigneten Dämpfungsregler für die jeweilige Anwendung auszuwählen, muss der Ingenieur dessen wichtigste Spezifikationen genau kennen. Neben der Dämpfung und grundlegenden Parametern wie Einfügungs- und Rückflussdämpfung gibt es weitere Merkmale, die Dämpfungsregler beschreiben. Zu den wichtigsten gehören:
► Frequenzbereich (Hz): die Frequenzen, in denen der integrierte Schaltkreis seine spezifizierten Eigenschaften beibehält.
► Dämpfung (dB): die Dämpfung über der Einfügungsdämpfung.
► Frequenzgang: Variation des Dämpfungspegels (dB) über den Frequenzbereich (Hz)
► Dämpfungsbereich (dB): Gesamtdämpfungswert des Bauteils
► Eingangslinearität (dBm): Üblicherweise angegeben als Intercept-Punkt dritter Ordnung (IP3). Dieser definiert einen hypothetischen Punkt für die Eingangsleistung, bei dem die Leistung der entsprechenden Störkomponenten den gleichen Wert wie die Grundkomponente erreichen würde.
► Belastbarkeit (dBm): Üblicherweise angegeben als 1-dB-Eingangskompressionspunkt. Dieser definiert die Eingangsleistung, bei der die Einfügungsdämpfung des Dämpfungsglieds um 1 dB abnimmt. Die Belastbarkeitskennlinie wird üblicherweise für mittlere und maximale Eingangsleistungen im stationären und im Schaltbetrieb angegeben.
Relative Phase (Grad): Phasenverschiebung, die durch das Dämpfungsglied in ein Signal eingeführt wird.
Zusätzlich zu diesen üblichen Parametern werden variable Dämpfungsglieder auch durch ihre Schaltcharakteristik beschrieben, die üblicherweise in ns ausgedrückt werden, und zwar in Bezug auf Anstiegs- und Abfallzeit, Ein- und Ausschaltzeit sowie die Zeit, die das HF-Ausgangssignal benötigt, um Amplitude und Phase zu erreichen.

Jeder Typ von variablem Dämpfungsglied weist spezifische Merkmale auf.
Bei VVAs (Variablen-Dämpfungsgliedern) hängen diese mit ihrer analogen Ansteuerung zusammen und umfassen:
► Spannungssteuerbereich (V): die Spannungen, die zur Einstellung des Dämpfungsgrades innerhalb des Steuerbereichs erforderlich sind.
► Steuerkennlinien, üblicherweise ausgedrückt durch die Dämpfungsflanke (dB/V) und Kennlinien, die den Dämpfungsgrad in Abhängigkeit von der Steuerspannung darstellen.
Bei DSAs (Digitalen Dämpfungsgliedern) umfassen die inhärenten Merkmale:
► Dämpfungsgenauigkeit (auch Zustandsfehler genannt) (dB): die Abweichung des Dämpfungsgrades vom Nennwert.
► Dämpfungsschrittweite (dB): die Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Dämpfungszuständen.
► Schrittfehler (dB): die Abweichung der Dämpfungsschrittweite vom Nennwert.
► Überschwingen/Unterschwingen (dB): Pegel von Signaltransienten (Störungen) bei Zustandsübergängen.
Im Allgemeinen muss ein gutes Dämpfungsglied eine flache Dämpfung und ein gutes VSWR über den gesamten Betriebsfrequenzbereich bieten, ausreichende Genauigkeit und Belastbarkeit gewährleisten und einen reibungslosen, störungsfreien Betrieb mit geringer Signalverzerrung bei Zustandsübergängen oder eine lineare Regelcharakteristik gewährleisten.

Fazit:
Die Vielfalt an Dämpfungs-ICs beschränkt sich nicht auf die in diesem Artikel besprochenen Typen. Weitere IC-Typen umfassen frequenzabhängige und phasenkompensierte Dämpfungsglieder, temperaturabhängige variable Dämpfungsglieder, programmierbare variable variable Dämpfungsglieder (VVAs) mit integriertem DAC und andere. In diesem Artikel haben wir uns jedoch mit den gängigsten Kategorien von Dämpfungs-ICs befasst und deren Haupttopologien und wichtigsten Spezifikationen erläutert. Dies kann HF-Entwicklern helfen, die passende Komponente für ihre Anwendung auszuwählen.
Analog Devices bietet das branchenweit umfassendste Portfolio an integrierten HF-Komponenten. Die Dämpfungs-ICs von ADI sind in einer Vielzahl von Architekturen und Bauformen erhältlich und bieten Entwicklern somit die Flexibilität, die Komponente auszuwählen, die ihren Systemanforderungen am besten entspricht.

Die Komponenten sind so konzipiert, dass sie erstklassige Leistung und einen äußerst zuverlässigen Betrieb gewährleisten, um die anspruchsvollsten Anforderungen in einem breiten Anwendungsspektrum in den Bereichen Messtechnik, Kommunikation, Militär und Luft- und Raumfahrt zu erfüllen.3

Referenzen:
1Inder J. Bahl. Control Components Using Si, GaAs, and GaN Technologies. Artech
House, 2014.
2Ian Robertson und 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.
Über den Autor:

Anton Patyuchenko ist HF-Spezialist mit über 15 Jahren Berufserfahrung. Er schloss sein Studium der Mikrowellentechnik an der Technischen Universität München im Jahr 2007 ab. Im Anschluss arbeitete er als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Mikrowellen und Radar des DLR. Seit 2015 ist er bei Analog Devices tätig und leitet dort den Bereich Field Applications mit Schwerpunkt auf HF-Technologien.