Pregunta: ¿Qué es un atenuador de RF y cómo selecciono el adecuado para mi aplicación?

Respuesta: El atenuador es un componente de control cuya función principal es reducir la intensidad de la señal que pasa a través de él. Este tipo de componente se utiliza generalmente para equilibrar los niveles de señal en la cadena de señal, para ampliar el rango dinámico de un sistema, para proporcionar adaptación de impedancia y para implementar diversas técnicas de calibración en el diseño de la aplicación final.

Introducción
Para continuar con la serie de breves artículos sobre RF para ingenieros no especializados en RF, hablaremos de los CI atenuadores y daremos algunas ideas sobre sus tipos, configuraciones y especificaciones. Este artículo pretende ayudar a los ingenieros a iniciarse en una amplia variedad de productos de CI y a elegir el adecuado para una aplicación final. Otros artículos de esta serie son: “A Guide for Choosing the Right RF Amplifier for Your Application,” “How to Easily Select the Right Frequency Generation Component,” y “RF Demystified–Understanding Wave Reflections.”

Tipos de atenuadores
Desde la perspectiva funcional clave, los atenuadores pueden clasificarse en atenuadores fijos con un nivel de atenuación invariable y atenuadores variables con un nivel de atenuación ajustable. Según la forma de control de la atenuación que admitan los atenuadores variables, pueden clasificarse a su vez en atenuadores variables de tensión (VVA), con control analógico, y atenuadores digitales por pasos (DSA) que se controlan digitalmente.
Los VVA proporcionan un ajuste continuo de los niveles de atenuación que pueden ajustarse a cualquier valor dentro del rango dado. Los atenuadores variables analógicos suelen emplearse para circuitos de control automático de ganancia, correcciones de calibración y otras funciones de procesamiento en las que se requiere un control suave y preciso de una señal.
Los DSA presentan un conjunto de niveles de atenuación discretos que permiten ajustar la intensidad de la señal con un tamaño de paso de atenuación predeterminado. Los atenuadores RFIC controlados digitalmente ofrecen una interfaz de control compatible con microcontroladores y constituyen una buena solución para mantener la integridad funcional en diseños complejos.

Configuraciones de diseño
Los circuitos integrados atenuadores pueden realizarse en tecnologías GaAs, GaN, SiC o CMOS utilizando resistencias, diodos PIN, FET, HEMT y transistores CMOS. La Figura 1 muestra tres topologías básicas que subyacen a varios tipos de configuraciones de diseño de atenuadores: redes de tipo T, de tipo π y de tipo T puenteada.

Los atenuadores de valor fijo utilizan estas topologías básicas realizadas con resistencias en tecnologías híbridas de película fina y gruesa para proporcionar niveles fijos de atenuación.
Los VVA suelen utilizar una configuración de tipo T o π con un diodo o elementos transistores que funcionan en una región de resistencia no lineal. Las características de resistencia de los elementos de base se aprovechan para ajustar el nivel requerido de atenuación variando la tensión de control.
Los DSA suelen emplear varias unidades en cascada que representan bits individuales que pueden conectarse o desconectarse para conseguir el nivel de atenuación necesario. En la Figura 2 se muestran algunos ejemplos de configuraciones utilizadas para diseños DSA. Incluyen configuraciones con interruptores SPDT integrados que conmutan los puertos de entrada y salida con la pastilla atenuadora y una línea de paso, diseños de dispositivos conmutados con transistores o diodos utilizados como resistencias conmutables, configuración de resistencias conmutadas donde las resistencias pueden conmutarse dentro o fuera del circuito, y diseño de tipo dispositivo integrado con un transistor o un diodo como parte integral del diseño.

Las topologías de atenuador pueden organizarse en un diseño de tipo reflexión o equilibrado/balanceado, como se muestra esquemáticamente en la figura 3. Los dispositivos de tipo reflexión utilizan atenuadores de igual intensidad que los de tipo balanceado. Los dispositivos de tipo reflexión utilizan atenuadores iguales conectados a la salida de un acoplador en cuadratura de 3 dB y suelen ofrecer un gran rango dinámico. Las configuraciones equilibradas combinan un par de atenuadores idénticos utilizando dos acopladores en cuadratura de 3 dB y proporcionan una buena VSWR y capacidad de manejo de potencia.


Además de las principales configuraciones de diseño descritas en este artículo, existen otros tipos de circuitos utilizados para la realización de componentes CI atenuadores; sin embargo, su consideración queda fuera del alcance de este breve artículo.1,2

Especificaciones clave
► Para seleccionar el tipo adecuado de atenuador para la aplicación final, el ingeniero debe conocer bien sus especificaciones clave. Aparte de las capacidades de atenuación y de algunos parámetros fundamentales como las pérdidas de inserción y de retorno, existen otras características diversas que se utilizan para describir los componentes de los atenuadores, de las cuales las clave incluyen:
► Gama de frecuencias (Hz): las frecuencias a lo largo de las cuales el CI mantiene sus características especificadas.
► Atenuación (dB): la cantidad de supresión por encima de la pérdida de inserción.
► Respuesta en frecuencia: variación del nivel de atenuación (dB) a lo largo de la gama de frecuencias (Hz)
► Rango de atenuación (dB): valor total de atenuación que ofrece el componente
► Linealidad de entrada (dBm): suele expresarse en términos del punto de intercepción de tercer orden (IP3) que define un punto hipotético para el nivel de potencia de entrada en el que la potencia de las componentes espurias correspondientes alcanzaría el mismo nivel de la componente fundamental
► Gestión de potencia (dBm): suele describirse en términos del punto de compresión de 1 dB de entrada que define el nivel de potencia de entrada al que la pérdida de inserción del atenuador disminuye en 1 dB; la característica de control de potencia suele especificarse para los niveles de potencia de entrada media y de pico para los modos de estado estacionario y de conmutación en caliente.
Fase relativa (grados): desplazamiento de fase introducido en una señal por el componente atenuador.
Además de estos parámetros comunes, los atenuadores variables también se describen por sus características de conmutación que suelen expresarse en ns en términos de tiempo de subida y bajada, tiempo de encendido y apagado, y el tiempo de establecimiento de amplitud y fase de la señal de salida de RF.

También existen características específicas inherentes a cada tipo de atenuadores variables.
En el caso de los VVA, están relacionadas con su funcionamiento de control analógico e incluyen:
► Rango de control de tensión (V): las tensiones necesarias para ajustar el nivel de atenuación dentro del rango de atenuación.
► Características de control generalmente expresadas en términos de la pendiente de atenuación (dB/V) y las curvas de rendimiento que muestran el nivel de atenuación en función de la tensión de control.
En el caso de los DSA, sus características inherentes incluyen a su vez: En el caso de los DSA, sus características inherentes incluyen a su vez:
► Precisión de atenuación (también conocida como error de estado) (dB): límite de variación del nivel de atenuación respecto al valor nominal.
► Tamaño del paso de atenuación (dB): el delta entre dos estados de atenuación sucesivos cualesquiera.
► Error de paso (dB): límite de variación del tamaño del paso de atenuación respecto al valor nominal
► Sobreimpulso, subimpulso (dB): nivel de transitorios de señal (glitches) durante las transiciones de estado
Por lo general, se requiere un buen componente atenuador para ofrecer un rendimiento de atenuación plano y una buena VSWR en toda la gama de frecuencias operativas, para ofrecer una precisión y una capacidad de manejo de potencia suficientes, y para garantizar un funcionamiento suave y sin glitches con pocas distorsiones de señal durante las transiciones de estado o para proporcionar una característica de control lineal.

Conclusión
La amplia diversidad de componentes CI atenuadores no se limita a los que se han tratado en este artículo. Podemos reconocer otros tipos de CI, como atenuadores dependientes de la frecuencia y compensados en fase, atenuadores variables en función de la temperatura, VVA programables con un DAC integrado y otros. Sin embargo, en este artículo, consideramos las categorías más comunes de CI atenuadores, así como discutimos sus principales topologías y especificaciones clave, que pueden ayudar a un diseñador de RF a elegir el componente adecuado para una aplicación final.
Analog Devices ofrece la cartera más amplia de componentes de RF integrados del sector. Los circuitos integrados atenuadores de ADI están disponibles en una amplia gama de arquitecturas y factores de forma, lo que proporciona a los diseñadores la flexibilidad necesaria para seleccionar el componente que mejor se adapte a los requisitos de su sistema.

Los componentes están diseñados para ofrecer el mejor rendimiento de su clase y un funcionamiento altamente fiable para satisfacer los requisitos más exigentes en una amplia gama de aplicaciones en los mercados de instrumentación, comunicaciones, militar y aeroespacial.3

Referencias
1Inder J. Bahl. Control Components Using Si, GaAs, and GaN Technologies. Artech
House, 2014.
2Ian Robertson and 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.
Sobre el autor:

Anton Patyuchenko es un especialista en RF con más de 15 años de experiencia en este campo. Se licenció en Ingeniería de Microondas por la Universidad Técnica de Múnich en 2007. Tras su graduación, Anton trabajó como investigador asociado en el Instituto de Microondas y Radar del DLR. En 2015, se unió a Analog Devices y actualmente ocupa el cargo de líder técnico, aplicaciones de campo, con especial atención a las tecnologías de RF.