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RF 減衰器デザイナー

あらゆる減衰値とインピーダンスに対応する Pi (π) および T 減衰器パッドを設計します。E24 値に最も近い両方のトポロジの標準抵抗値を返します。

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公式

K=10A/20,R1π=Z0K+1K−1,R2π=Z0K2−12KK = 10^{A/20},\quad R_{1\pi} = Z_0\dfrac{K+1}{K-1},\quad R_{2\pi} = Z_0\dfrac{K^2-1}{2K}

参考: Vizmuller, "RF Design Guide" (1995); Matthaei et al. (1964)

K— 電圧減衰率 (10^ (A/20))
A— 減衰量 (dB)
Z₀— システムインピーダンス (Ω)

仕組み

減衰器の設計者は、特性インピーダンスを維持しながら信号電力を削減するPIパッドとTパッドの抵抗値を計算します。テストエンジニア、RFシステム設計者、およびアンプ開発者は、これを使用して、レベル調整、インピーダンスマッチング、および絶縁用の抵抗値を決定します。PIパッド (2つのシャント抵抗、1つの直列) とTパッド (2つの直列抵抗、1つのシャント) トポロジは、抵抗ネットワーク設計のIEEE規格474-1973に従って双方向の減衰を実現します。

設計方程式は、入出力インピーダンスマッチングと分圧の同時解から導き出されます。50 オームシステムの場合、パイパッドは R1 = R3 = Z0* (N+1)/(N-1) シャントと R2 = Z0* (N^2-1)/(2*N) シリーズを使用します。ここで N = 10^ (dB/20) です。10dBの減衰器には、R1 = R3 = 96.2オーム、R2 = 71.2オームが必要です。標準の 1% 値を97.6オームと71.5オームに設定すると、実際の減衰量は10.05dBになります。

電力処理能力は、抵抗のワット数とトポロジーによって決まります。1 W 入力を処理する 10 dB、50 オームの Pi アッテネータでは、R2 の消費電力は 0.45 W、各シャントは 0.275 W です。信頼性を確保するため、最小で 50% のディレーティングを施した1/2 Wの抵抗を使用してください。1GHzを超える周波数では、抵抗の寄生インダクタンス（0402 SMDの場合は0.5〜2nH）によって無効インピーダンスが発生します。1nHの71オームの抵抗は1GHzで77オームとなり、0.3dBの減衰変動が生じます。

計算例

問題:最大入力電力が 1 W の 2.4 GHz テストベンチ用に、6 dB、50 オームの Pi 減衰器を設計します。

IEEE 規格 474 に準拠したソリューション: 1.N: N = 10^ (6/20) = 2.0 と計算 2.シャント抵抗:R1 = R3 = 50* (2+1)/(2-1) = 150 オーム (150 オームの標準値を使用) 3.直列抵抗:R2 = 50* (4-1)/(2*2) = 37.5 オーム (37.4 オームの E96 値を使用) 4.減衰量を確認:dB = 20*log10 ((150||50 + 37.4)/(150||50)) = 6.02 dB

パワーディストリビューション分析: 5.入力電流:i_IN = 平方メートル (1/50) = 141 mA 6.R1 パワー:P_R1 = (141e-3) ^2 * (150||50) = 0.75 W 7.R2 パワー:P_R2 = i_in^2 R2 (減衰係数) = 0.5 W 8.R3 パワー:P_R3 = (i_Out) ^2 * (150||50) = 0.19 W 9.ディレーティングマージンが 50% の 1 W 抵抗を指定してください

高周波に関する注意事項: 10。0402 または 0603 の薄膜抵抗 (0.5 nH 未満の寄生インダクタンス) を使用してください。 11.2.4 GHz での寄生インピーダンス:A = sqrt (R^2 + (2*pi*F*L) ^2) = sqrt (37.4^2 + 7.5^2) = 38.1 オーム 12.減衰誤差:0.15 dB — テストベンチでの使用には許容範囲内

実践的なヒント

  • ✓RF減衰器には金属膜抵抗または薄膜抵抗を使用してください。炭素組成ではノイズが多すぎて安定性が低く、巻線ではインダクタンスが帯域幅を100MHz未満に制限します
  • ✓キャリブレーション済みの測定減衰器については、温度係数25 ppm/Cの0.1％の抵抗を指定し、動作周波数範囲全体にわたってVNAで検証します。注意深い設計を行うと、6 GHzまで+/-0.1dBの精度が得られることを期待してください
  • ✓抵抗器の電力ディレーティングを検討してください。信頼性には定格電力の 50% を使用し、高温環境ではそれ以上にします。減衰器の故障モードは通常、直列抵抗の熱暴走です。

よくある間違い

  • ✗抵抗の許容誤差の影響を無視すると、5% の抵抗で10 dBの減衰器で+/-0.5 dBの変動が生じる可能性があります。再現性には 1% 以上、キャリブレーショングレードの減衰器には 0.1% 以上を使用してください。
  • ✗電力配分の過小評価 — Pi減衰器の直列抵抗は入力電力の約 (減衰量-3 dB) を消費します。10 dB の減衰は、R2 が入力電力の 50% を処理することを意味します
  • ✗周波数依存の影響を無視 — 500 MHzを超えると抵抗の寄生LとCが大きくなるため、マイクロ波アプリケーションにはRF性能が特性評価された薄膜チップ抵抗器を使用してください。
  • ✗温度係数は忘れてしまいます—巻線抵抗器の温度係数は20〜100ppm/Cです。100ppm/Cの抵抗を備えた20dBの減衰器は、50℃の範囲で0.02dBドリフトします。

よくある質問

いずれも電気的性能（減衰量、インピーダンス・マッチング）は同じですが、トポロジーが異なります。Pi-Padは接地へのシャント抵抗が2つあり、その間に1つの直列があるため、接地接続が便利な場合（同軸、SMA）には実装が容易です。Tパッドには2つの直列抵抗があり、その間にグランドへのシャントが1つあります。グランドへのアクセスが制限されている場合や、中間ノードに高インピーダンスのタップポイントが必要な場合に適しています。物理的なレイアウトに基づいて選択してください。減衰とインピーダンスが同じでも、電気的性能は数学的に同じです。
理論上の精度は次の要素によって制限されます。(1) 抵抗の許容誤差:1% の抵抗では低周波数で+/-0.1 dBの精度が得られます。(2) 寄生効果:RF特有の抵抗を使用しない場合は1 GHz以上で+/-0.3 dBの変動、(3) PCBの寄生:トレースインダクタンスとパッド容量が3GHz以上で+/-0.2 dB増加します。市販の減衰器では精度が規定されています。標準値は+/-0.5 dB、高精度グレードでは+/-0.1 dBです。計算値は出発点であり、最終的な性能には測定の検証が必要です。
標準設計では、0402/0603の薄膜抵抗を使用した場合、1～3 GHzまで動作します。3 GHz 以上では、インダクタンスが 0.3 nH 未満の特殊な RF 減衰抵抗 (Vishay FC シリーズなど) を使用してください。18 GHz 以上では、集中抵抗の代わりに分散設計 (マイクロストリップまたはコプレーナ導波管) を使用します。市販の減衰器は、アルミナ基板上のビームリード抵抗を使用してDC-40 GHzを実現しています。帯域幅全体のリターンロスが15 dBを超えると、寄生補償が許容範囲内であることがわかります。
レイアウト上の制約を考慮してください。Pi-Padには2つのグランド接続が必要です（SMAコネクタの場合は当然ですが、ビア付きのマイクロストリップ）。Tパッドにはグランドが1つしか必要ありませんが、インライン直列抵抗が2つあります（インライン同軸アダプタの場合は自然）。純粋な抵抗型 DC 減衰器の場合、どちらも同等です。RFでは、シャント素子が同相ノイズ除去のための明示的なグラウンド経路を提供するため、多くの場合、Pi-Padの方がリターンロスが向上します。センタータップ出力のTパッドは、メインパスに直列抵抗を導入せずに信号をモニタリングするのに役立ちます。
IEEE 474に基づく主な要因：(1) 抵抗精度:+/ -1% の抵抗は減衰精度を+/-0.1 dBに制限する; (2) 周波数応答:寄生Lはf^2とともに誤差を増大させる; (3) パワーハンドリング:温度上昇により抵抗がTempCo*dtによって増加する; (4) インピーダンス・マッチング:リターンロスを決定し、帯域全体で20dBを超える必要がある; (5) ノイズ:減衰器が熱を加える物理温度でのノイズ。(6) 相互変調:コネクタ接合部のパッシブ相互変調 (PIM) は高電力システムに影響を及ぼします。高精度減衰器はすべての要素を制御します。
同じ減衰/インピーダンスでも電気的に同じ。物理的なレイアウトによって選択が決まります。接地接続が便利な場合は、同軸コネクタ、貫通ビア付きのマイクロストリップなど、Pi（シャントが2つ、直列が1つ）が便利です。グランドへのアクセスが制限されている場合や、センターノードにハイインピーダンスのタップが必要な場合はT（直列2本、シャント1本）ブリッジT (インピーダンス変換) では、RF では Pi の方が一般的です。マイクロストリップ/CPW形状ではシャント素子の方が実装しやすいため、マイクロ波減衰器では一般にPiトポロジーを使用します。
10 dB、50 オームのパイパッド抵抗値:R1 = R3 = 96.2 オーム (シャント)、R2 = 71.2 オーム (直列)。E96 1% の値を使用すると、97.6 オームと 71.5 オームとなり、実際の減衰量は 10.05 dB になります。1 W の電力を処理する場合、各抵抗器の消費電力は 0.5 W 未満です。最低 1/2 W を使用してください (1 W を推奨)。SMD 0603 薄膜抵抗器は、平坦度が 0.3 dB 未満で 6 GHz まで動作します。短いトレースとビアステッチの接地を使用して SMA コネクタ付き PCB にはんだ付けします。VNA で検証してください。DC-3 GHz では、10 +/-0.2 dB の減衰と 20 dB を超えるリターンロスが予想されます。

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