Аттенюаторы и согласование устройств

— Аттенюаторы и согласование устройств —

Это руководство составлено из различных источников. Но на создание его подсказала небольшая книга «Массовая радиобиблиотека», изданная в 1964 году как перевод книги О. Кронегера в ГДР в 1961 году. Несмотря на свою древность, это мой справочник (наряду со многими другими справочниками) . Я думаю, что время не властно над этими книгами, потому что основы физики, электротехники и радио (электроники) непоколебимы и вечны.

Для согласования резисторов и ослабления сигналов используются аттенюаторы, а для согласования резисторов чаще всего используются асимметричные типы G и U, а для ослабления типов T, O, H и P также используются мостовые типы

Аттенюаторы

L-образный аттенюатор используется для согласования выходного сопротивления источника сигнала со следующим входом. Это обеспечивает адаптацию между устройствами с разными характеристическими сопротивлениями, несмотря на то, что адаптация сопровождается некоторым ослаблением сигнала, но гарантируется минимум адаптационных потерь

В дальнейшем Z1 — это источник сигнала с низким импедансом, Z2 — это потребитель сигнала с высоким импедансом. Сбалансированная схема также называется аттенюатором U-типа.

Каждый R2 и R3 равны R2 из предыдущей схемы, разделенной на 2. А последовательное соединение соединений U-типа образует лестничный аттенюатор. Сбалансированные Т- и Н-образные аттенюаторы показаны ниже и представляют собой симметричную схему. Источник и потребитель сигнала в такой цепи согласованы по импедансу, и единственная функция такого аттенюатора — ослаблять сигнал.

Поскольку аттенюаторы этого типа не требуют адаптации сопротивления, значения резисторов R1 и R2 рассчитываются на основе требуемого затухания, а сопротивление R1 в последующих ветвях считается одинаковым. R1 = Z (V — 1) / (V + 1),

R2 = 2ZV / (V + 1) * (V — 1). V — это отношение входного напряжения к выходному, U-образный аттенюатор, показанный ниже, является несимметричным.

Ниже представлена ​​схема и отчеты о конструкции сбалансированного О-образного аттенюатора.

Поскольку входное сопротивление равно выходному сопротивлению, этот аттенюатор не выполняет преобразование сигнала, сопротивление резисторов выбирается из условия выполнения заданного ослабления. Мостовые аттенюаторы получают из аттенюаторов T и H, описанных ранее, путем последовательного шунтирования цепи резисторов с дополнительным резистором.

Значения R1 и R2 выбираются равными сопротивлениям устройств ввода и вывода, а сопротивления R3 и R4 рассчитываются по формулам:

R1 = R2 = Z, R3 = Z / (V-1),

R4 = Z (V-1), V = U1 / U2.

Регулируемые аттенюаторы

На коэффициент затухания и КСВН влияет оценка всех элементов, входящих в аттенюатор, поэтому сложно создать устройства на резисторах с регулярным контролем параметров. При изменении затухания также необходимо отрегулировать КСВ, и наоборот. Подобные проблемы можно решить, используя усилители с коэффициентом усиления менее 1.

Такие устройства построены на транзисторах или операционных усилителях, но возникает проблема линейности. Нелегко сконструировать усилитель, который не искажал бы форму волны в широком диапазоне частот. Ступенчатое регулирование используется гораздо шире: аттенюаторы включаются последовательно, их затухания складываются. Отводятся необходимые цепи (через контакты реле и т.д.). Таким образом достигается желаемый коэффициент затухания без изменения волнового сопротивления.

Ступенчатый аттенюатор

Существуют конструкции устройств ослабления сигнала с равномерной регулировкой, построенные на широкополосных трансформаторах (ШПТ). Они используются в любительской технике связи в случаях, когда требования к согласованию входов и выходов невысоки.

Аттенюатор на ШПТ с плавной регулировкой.

Равномерная регулировка аттенюаторов на волноводах достигается изменением геометрических размеров. Также доступны оптические аттенюаторы с равномерным регулированием яркости, но такие устройства имеют довольно сложную конструкцию, так как содержат систему линз, оптических фильтров и т.д.

Основные характеристики

Основным параметром, определяющим свойства аттенюаторов, является коэффициент затухания. Он измеряется в децибелах. Чтобы понять, во сколько раз уменьшается амплитуда сигнала после прохождения через схему ослабления, коэффициент необходимо пересчитывать иногда на децибелы. На выходе устройства, уменьшающего амплитуду сигнала на N децибел, напряжение будет в M раз ниже:

М = 10 (Н / 20) (для мощности — М = 10 (Н / 10)) .

Обратный пересчет:

N = 20⋅log10 (M) (для мощности N = 10⋅log10 (M)).

Так, для аттенюатора с Kosl = -3 дБ (коэффициент всегда отрицательный, так как значение всегда уменьшается) на выходе сигнал будет иметь амплитуду 0,708 по сравнению с исходным. А если выходная амплитуда в два раза меньше исходной, Cosl примерно равен -6 дБ.

Формулы для мысленных расчетов довольно сложны, поэтому лучше использовать онлайн-калькуляторы, которых в Интернете великое множество.

Для управляемых устройств (ступенчатых или модулирующих) указаны пределы настройки.

Еще один важный параметр — характеристический импеданс (импеданс) входа и выхода (они могут быть одинаковыми). С этим сопротивлением связана такая характеристика, как коэффициент стоячей волны (КСВ) — он часто указывается на промышленных изделиях. Для чисто активной нагрузки этот коэффициент рассчитывается по формуле:

• КСВН = ρ / R, если ρ> R, где R — сопротивление нагрузки, а — полное сопротивление линии.
• КСВ = R / ρ, если ρ<>

КСВН всегда больше или равен 1. Если R = ρ, вся мощность передается на нагрузку. Чем больше различаются эти значения, тем больше потери. Так, при КСВ = 1,2 на нагрузку попадет 99% мощности, а при КСВ = 3 — уже 75%. Когда аттенюатор на 75 Ом подключен к кабелю на 50 Ом (или наоборот), КСВН = 1,5, а потери будут составлять 4%.

Среди других важных особенностей необходимо отметить:

• рабочий частотный диапазон;
• максимальная мощность.

Не менее важен такой параметр, как точность: он означает допустимое отклонение затухания от номинального значения. Для промышленных аттенюаторов характеристики относятся к корпусу.

В некоторых случаях важна мощность устройства. Энергия, которая не дошла до пользователя, рассеивается на ослабляющих элементах, поэтому важно избегать перегрузок.

Есть формулы для расчета основных характеристик резистивных аттенюаторов различной конструкции, но они громоздкие и содержат логарифмы. Следовательно, для их использования требуется хотя бы один калькулятор. Поэтому для самостоятельного расчета удобнее использовать специальные программы (в том числе онлайн).

Виды аттенюаторов

На практике аттенюатор G используется не очень часто, в основном для согласования входных и выходных резисторов. Гораздо шире, для нормированного ослабления сигналов используются устройства типа P (в зарубежной литературе Pi — от латинской буквы π) и типа T. Этот принцип позволяет создавать устройства с одинаковым входным сопротивлением и выходом (но при необходимости можно и с другим).

На рисунке показаны неуравновешенные устройства. Источник и нагрузка должны быть подключены к ним несимметричными линиями — коаксиальными кабелями и т.д. С обеих сторон.

Для симметричных линий (витая пара и т.д.) используются симметричные схемы — их иногда называют аттенюаторами H- и O-типа, хотя это всего лишь разновидности более ранних устройств.

При добавлении одного (двух) резисторов аттенюаторы типа T- (H-) превращаются в мостовые аттенюаторы.

Аттенюаторы производятся промышленностью в виде законченных устройств с разъемами для подключения, но они также могут работать на печатной плате как часть общей схемы. Резистивные и емкостные аттенюаторы имеют серьезное преимущество — они не содержат нелинейных элементов, которые не искажают сигнал и не приводят к появлению в спектре новых гармоник и исчезновению существующих.

Помимо резистивных аттенюаторов, существуют и другие типы аттенюаторов. В промышленной технике они широко используются:

• предельные и поляризационные аттенюаторы — исходя из конструктивных свойств волноводов;
• аттенюаторы поглощения: ослабление сигнала обеспечивает поглощение мощности специально подобранными материалами;
• оптические аттенюаторы;

Эти типы устройств используются в СВЧ-технике и в световом диапазоне частот. На низких и радиочастотах используются аттенюаторы на основе резисторов и конденсаторов.