Bild 1: Ersatzschaltungen und Pin-Anordnung der ATS-Dämpfungselemente; (1) Durchgangskonfiguration, (2) T-Schaltung, (3) π-Schaltung, (4) Zweifach-π-Schaltung. (Bild: Susumu)

Bild 1: Ersatzschaltungen und Pin-Anordnung der ATS-Dämpfungselemente; (1) Durchgangskonfiguration, (2) T-Schaltung, (3) π-Schaltung, (4) Zweifach-π-Schaltung. (Bild: Susumu)

Neben den Kenngrößen Dämpfung, Frequenzbereich und Leistung ist bei HF-Dämpfungsgliedern die Übereinstimmung ihrer Impedanz mit dem Leitungswellenwiderstand wichtig für die Komponentenauswahl. Um Übertragungsverluste zu minimieren, sollten Entwickler außerdem auf das Stehwellenverhältnis der elektrischen Spannung achten.

Dämpfungsglieder (Abschwächer) für hochfrequente Signale sind im Allgemeinen passive Komponenten, die aus einfachen Spannungsteilernetzwerken bestehen. Ihre Aufgabe ist es, in einer HF-Signalkette die Amplitude bzw. den Pegel der Quelle auf ein gewünschtes Maß zu mindern – um eine Messung zu ermöglichen und/oder um ein nachgeschaltetes Messinstrument vor zu hohen Signalpegeln zu schützen. Weiterhin kommen sie zum Einsatz, um Impedanz- und Lastanpassungen vorzunehmen und somit die Leistungsübertragung zwischen Signalquelle und -senke zu verbessern. Eine Sonderform stellen thermovariable Chip-Abschwächer dar, die Verwendung finden, um in HF-Leistungsverstärkerschaltungen die Temperaturdrift zu kompensieren.

Schlüsselparameter Impedanz

In der Hochfrequenztechnik wird zwischen variablen, schaltbaren und Festwert-Dämpfungsgliedern unterschieden; letztere sind in HF-Kommunikationsschaltungen am weitesten verbreitet. Sie werden entweder als π- oder seltener als T-Schaltung ausgeführt. Die bezüglich der I/O-Ports symmetrische π-Bauart ist besonders vorteilhaft in Bezug auf ein einfaches Schaltungslayout.

Die Chip-Dämpfungsglieder zeichnen sich durch ihre flache Frequenzantwort und, anders als Hoch-, Band- oder Tiefpassfilter, durch eine konstante Dämpfung über eine weite Frequenzspanne aus. Ein Schlüsselparameter dieser Komponenten – neben der Dämpfung (in dB), der Nennleistung sowie dem Betriebsfrequenz- und Betriebstemperaturbereich – ist ihre Ein- und Ausgangsimpedanz. In HF-Schaltungen muss sie dem Wellenwiderstand der betreffenden Leitung bzw. der Eingangsimpedanz des nachgeschalteten Messverstärkers entsprechen; dann lassen sich die Dämpfungsglieder variabel kombinieren.

Eine Größe, die den Grad dieser Übereinstimmung zwischen Leitung, Abschwächer und Last charakterisiert, ist das Stehwellenverhältnis bzw. die Welligkeit der elektrischen Spannung (Voltage Standing-Wave Ratio, VSWR): VSWR = 1 bedeutet eine ideale Lastanpassung ohne jede Reflexion der einlaufenden Welle; im Gegensatz dazu entspricht VSWR = ∞ einer vollständigen Reflexion bei kurzgeschlossener oder offener Leitung – ohne jegliche Leistungsübertragung. Liegt der VSWR-Wert nahe eins, ist von einer guten Leistungsanpassung sowie geringen Reflexionen und Übertragungsverlusten auszugehen.

Platzsparend in HF-Anwendungen

Dämpfungsglieder in Chipausführung, wie die der ATS-Serie von Susumu, sind für die Integration in koaxiale oder modulförmige Dämpfer vorgesehen. Die ATS-Chips sind als T-, π- oder Zweifach-π-Schaltungen aufgebaut (Bild 1) und für Betriebsfrequenzen von DC bis 30 GHz, 100 mW Nennleistung sowie Betriebstemperaturen von -55 °C bis +125 °C spezifiziert, wobei oberhalb von 70 °C ein deutliches Derating zu beachten ist.

Die internen Schaltungen der Abschwächer sind für Dämpfungswerte von 0 dB bis 10 dB ausgelegt. Sie enthalten Widerstände mit sehr guten Hochfrequenzeigenschaften in unterschiedlichen Konfigurationen, um je nach Schaltungstyp verschiedene Dämpfungswerte innerhalb der oben genannten Dezibel-Spanne abzubilden: 0 dB in Durchgangskonfiguration, 1 dB bis 2 dB mit T-Schaltung, 3 dB bis 7 dB mit π-Schaltung und 8 dB bis 10 dB mit Zweifach-π-Schaltung.

Die Abstufung erfolgt jeweils in 1-dB-Schritten. Die Impedanz dieser Serie ist auf 50 Ω sowohl am Eingang als auch am Ausgang festgelegt.

Aufgrund ihrer spezifizierten Spannungswelligkeit von VSWR ≦ 1,5 bei Frequenzen bis 20 GHz sowie VSWR ≦ 1,7 für 20 GHz bis 30 GHz sind die Dämpfungselemente der ATS-Serie für HF-Kommunikationsanwendungen prädestiniert. Die Komponenten sind in Land-Grid-Array-Gehäusen (LGA) vom Typ Ground-Signal-Ground (GSG) für die Oberflächenmontage (Surface Mount Technology, SMT) verbaut. Ihr Footprint misst lediglich (2,00 ± 0,20) × (1,22 ± 0,20) mm² bei einer maximalen Bauhöhe von 0,4 mm; somit lassen sich die Abschwächer platzsparend in drahtlose Kommunikationsgeräte, -module und Basisstationen integrieren.

Eck-Daten 'Chip-Dämpfungsglieder aus Dünnschicht-Widerstandsnetzwerken'

Die Abschwächer der ATS- und der PAT-Serie basieren auf Präzisions-Widerstandselementen, die Susumu mittels Dünnschichttechnologie fertigt: Dabei werden Metallschichten mit einer Dicke von 1 µm bis hinab zu einigen 10-10 m (0,1 nm) mittels Ionenstrahlsputtern bzw. plasmaunterstützter Chemischer Gasphasenabscheidung (Plasma-Assisted Chemical Vapor Deposition, PCVD) auf ein Substrat aufgebracht und anschließend strukturiert. Die dünnen Metallfilme sorgen für sehr stabile Eigenschaften der Widerstände – und somit der ATS- und PAT-Chipdämpfungsglieder – über Temperatur und Zeit. Alle HF-Dämpfungselemente von Susumu sind blei- und halogenfrei sowie RoHs-konform.

Klein, leicht und für enge Toleranzen ausgelegt

Wie die Abschwächer der ATS-Serie, bestehen auch die Präzisionsbauteile der PAT-Serie aus einer Kombination von Widerständen mit sehr guten Hochfrequenzeigenschaften; die Impedanz am Eingang wie am Ausgang ist ebenfalls auf 50 Ω (PAT3042S: auch 75 Ω) eingestellt. Für Nennleistungen von 32 mW, 64 mW, 100 mW, 125 mW und 250 mW sowie Frequenzen bis 10 GHz sind verschiedene Typen mit Dämpfungen bis 10 dB, wählbar in 1-dB-Schritten, sowie mit 16 dB (125 mW) bzw. 16,2 dB (250 mW) erhältlich.

Hervorzuheben sind die engen Toleranzen der Dämpfungswerte dieser Präzisionsabschwächer, die je nach Nennwert zwischen ±0,3 dB und ±0,7 dB liegen. Das Spannungs-Stehwellenverhältnis ist für die meisten Varianten VSWR ≤ 1,3, was auch hier für geringe Reflexionen am Leiterübergang und eine effiziente Leistungsübertragung spricht. Wie bei der ATS-Serie, reicht die Betriebstemperaturspanne von -55 °C bis + 125 °C mit einem deutlichen Derating ab +70 °C.

Während π-Dämpfungsschaltungen standardmäßig mit drei diskreten Widerständen aufgebaut sind, integriert Susumu die komplette Lösung in ein einziges SMT-Bauteil. Die kleinste PAT-Ausführung, der Typ PAT0510S, misst somit lediglich (1,00 ± 0,05) × (0,50 ± 0.05) × (0,34 ± 0,05) mm³, was insbesondere mobilen HF-Kommunikationsanwendungen, wie Smartphones oder Tabletcomputern, zugutekommt. Neben dem Platzbedarf auf der Leiterplatte reduziert die Integration jedoch auch parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten, mit positiven Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit der jeweiligen Applikation – etwa Mobilfunkbasisstationen, drahtlose Kommunikationsmodule oder Breitband-HF-Messinstrumente.

Bild 2: PAT-Serie, W-Typ mit besonderer Anschlussplatzierung für Koaxialsteckverbinder; 1+2 – Signalanschlüsse, 3 – Masseanschluss (wird mit der Außenseite des Steckers verbunden). (Bild: Susumu)
Bild 2: PAT-Serie, W-Typ mit besonderer Anschlussplatzierung für Koaxialsteckverbinder; 1+2 – Signalanschlüsse, 3 – Masseanschluss (wird mit der Außenseite des Steckers verbunden). (Bild: Susumu)

Koaxialstecker-Optimierung und Temperaturkompensation

Eine Besonderheit der PAT-Abschwächerserie stellt der W-Typ dar (Bild 2): Die Form des Chips und die besondere Verteilung der Anschlüsse wurden explizit für die einfache Integration in koaxiale Steckverbinder entworfen, wie sie beispielsweise in HF-Mess- und -Testausrüstung zum Einsatz kommen. Das Bauteil deckt Betriebsfrequenzen bis 10 GHz und Dämpfungen bis 20 dB bei 250 mW und 500 mW Nennleistung sowie bis zu 6 GHz und 10 dB bei 5 W ab. Die Spannungswelligkeit ist für alle Varianten und Frequenzspannungen VSWR ≤ 1,3 oder besser.

Mit den hohen Datenraten in der Telekommunikation nehmen auch die Betriebsfrequenzen der HF-Schaltungen rasant zu. In rauscharmen Hochfrequenz-Leistungsverstärkern, etwa in Mobilfunk-Basisstationen, kommen daher immer häufiger Verbindungshalbleiter wie Galliumarsenid (GaAs) zum Einsatz. Da deren Verstärkung bei steigender Temperatur abnimmt, sind Maßnahmen zur Temperaturkompensation erforderlich. Eine einfache Lösung, die komplizierte Regelkreise ersetzen kann, besteht in der Integration von Abschwächern, die ein umgekehrtes Temperaturverhalten aufweisen, in den Verstärkerschaltkreis (Bild 3).

Dafür geeignete Bauelemente sind die drei thermovariablen Chipdämpfungsglieder der P*V-Serie von Susumu: für DC bis 3 GHz (63 mW, 100 mW) sowie DC bis 6 GHz (2 W). Mit verschiedenen Dämpfungswerten zwischen 1 dB und 10 dB sowie 16 dB und unterschiedlichen Temperaturcharakteristika stehen HF-Entwicklern mehr als 80 Kombinationen zur Verfügung. Die Ein- und Ausgangsimpedanz ist hier wiederum auf 50 Ω festgelegt, und das für die Leistungsanpassung wichtige Spannungs-Stehwellenverhältnis ist durchweg mit VSWR ≤ 1,3 angegeben. (na)

Bild 3: Beispielhafter Verstärkerkreis mit einem zwischengeschalteten Chip-Dämpfungsglied zur Temperaturkompensation. (Bild: Susumu)
Bild 3: Beispielhafter Verstärkerkreis mit einem zwischengeschalteten Chip-Dämpfungsglied zur Temperaturkompensation. (Bild: Susumu)

Autor

Ryuji Hayashi ist Product Manager bei Susumu Deutschland

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