Аттенюатор (фр. attenuer — смягчить, ослабить) — устройство для плавного, ступенчатого или фиксированного понижения интенсивности электрических или электромагнитных колебаний, как средство измерений является мерой ослабления электромагнитного сигнала, но также его можно рассматривать и как измерительный преобразователь. ГОСТ 28324-89 определяет аттенюатор как элемент для снижения уровня сигналов, обеспечивающий фиксированное или регулируемое затухание.
Коэффициент передачи идеального аттенюатора как четырехполюсника имеет не зависящую от частоты АЧХ, значение которой меньше единицы, и линейную ФЧХ.
Аттенюатор — это электронное устройство, которое уменьшает амплитуду или мощность сигнала без существенного искажения его формы.
С точки зрения работы, аттенюатор является противоположностью усилителя, хотя эти устройства имеют различные принципы работы. В то время как усилитель обеспечивает усиление сигнала, аттенюатор обеспечивает его ослабление, или усиление менее чем в 1 раз.
аттенюаторы — это, как правило, пассивные устройства, сделанные из сетей простых делителей напряжения. Переключение между различными сопротивлениями формирует регулируемые ступенчатые и плавно регулируемые аттенюаторы, использующие потенциометры. Для более высоких частот используются тщательно подстроенные резистивные схемы для снижения коэффициента стоячей волны (КСВ).
Аттенюаторы с фиксированным ослаблением используются для уменьшения напряжения, рассеивания мощности и улучшения согласования с линиями. При измерении сигналов используются промежуточные аттенюаторы или адаптеры для снижения амплитуды до нужного уровня с целью измерения, а также для защиты измерительного прибора от чрезмерных уровней сигнала, которые могут повредить его. Аттенюаторы также используются для «подгонки» под сопротивление за счет непосредственного снижения КСВ.
Наибольшее распространение среди коаксиальных переменных поглощающих аттенюаторов получили аттенюаторы с подвижной поглощающей пластиной и аттенюаторы на поверхностных высокочастотных сопротивлениях с емкостной связью (рис. 5.10).
Классификация и обозначения аттенюаторов
Классификация
- По набору воспроизводимых значений — фиксированные, ступенчатые (в том числе программируемые) и плавные (в том числе электрически управляемые)
- По диапазону частот — радиоизмерительные и оптические
- По способу подключения — коаксиальные, волноводные и волоконно-оптические
- Радиоизмерительные делятся по принципу действия на резисторные, емкостные, поляризационные, предельные и поглощающие
Обозначения по ГОСТ 15094
- Д1-хх — установки для поверки аттенюаторов и эталонные аттенюаторы радиодиапазона
- Д2-хх — резисторные и емкостные аттенюаторы
- Д3-хх — поляризационные аттенюаторы
- Д4-хх — предельные аттенюаторы
- Д5-хх — поглощающие аттенюаторы
- Д6-хх — электрически управляемые аттенюаторы
- ОД1- хх — оптические эталонные аттенюаторы
Аттенюаторы радиодиапазона
Резисторные и емкостные аттенюаторы
Сигнал в резисторных и емкостных аттенюаторах ослабляется с помощью соответственно резистивного или емкостного делителя.
- Назначение: аттенюаторы высокой точности, как правило, низкочастотные.
- Примеры: Д1-13А, Д2-14.
Поляризационные аттенюаторы
Поляризационный аттенюатор представляет собой отрезок волновода круглого сечения с помещенной внутри поглощающей пластиной, угол поворота которой относительно направления поляризации сигнала можно менять.
- Назначение: точный аттенюатор в СВЧ цепях.
- Примеры: Д3-27, Д3-33А, Д3-19, Д3-38, Д3-36, АП-19, АП-20.
Предельные аттенюаторы
Принцип действия предельных аттенюаторов основан на затухании электромагнитных волн внутри волновода при длине волны больше критической.
- Назначение: относительно узкополосные аттенюаторы средней точности дециметрового диапазона.
- Примеры: Д4-3.
Поглощающие аттенюаторы
Принцип действия поглощающего аттенюатора основан на затухании электромагнитных волн в поглощающих материалах.
- Назначение: развязывающие аттенюаторы в СВЧ измерениях.
- Примеры: Д5-20, Д5-21, АР-06, АР-07, АР-15.
Основные нормируемые характеристики радиоизмерительных аттенюаторов
- Диапазон рабочих частот
- Номинальное значение ослабления или диапазон значений
- Допустимые погрешности в диапазоне рабочих частот
- Коэффициент стоячей волны по входу и выходу
- Максимальная поглощаемая мощность
оптические аттенюаторы
Принцип действия оптических аттенюаторов
Работа оптического аттенюатора основана на изменении оптических потерь при введении между торцами световодов поглощающих фильтров. Для согласования излучающего и приемного торцов световодов применяются согласующие узлы, коллимирующие и фокусирующие излучение.
- Назначение: для внесения в световодные системы заданного и регулируемого затухания.
- Примеры: ОД1-20, АОИ-3, FOD-5419.
Основные нормируемые характеристики оптических аттенюаторов
- Диапазон регулировки ослабления
- Диапазон длин волн
- Погрешность установки коэффициента ослабления
- Погрешность импеданса
схемы аттенюаторов
Основные схемы, используемые в аттенюаторах, это схемы П-типа и T-типа. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Они могут быть несбалансированными или сбалансированными по схеме, в зависимости от линии, с которой они будут использоваться, несбалансированной или сбалансированной. Например, аттенюаторы, используемые с коаксиальными линиями, должны быть несбалансированными, в то время как аттенюаторы для работы с витой парой должны быть сбалансированными.
На рисунках приведены четыре основные схемы аттенюаторов. Так как схема аттенюатора состоит исключительно из пассивных резистивных элементов, то она линейна и обратима. Если схема также симметрична относительно вертикальной оси (так обычно бывает, если требуется, чтобы входные и выходные сопротивления, Z1 и Z2, были равны), то входные и выходные порты не отличаются, но принято левую и правую стороны схемы называть входом и выходом, соответственно.
характеристики аттенюатора
Основные характеристики аттенюаторов:
- Затухание, выражаемое в децибелах. Аттенюатор с затуханием 3 дБ снижает мощность на выходе до половины от входной, 6 дБ — до 1/4, 10 дБ — до 1/10, 20дБ — до одной сотой, 30 дБ — до одной тысячной и так далее.
- Частотный диапазон, например, 0-18 ГГц
- Рассеиваемая мощность, зависящая от массы и площади поверхности резистивного материала, а также от возможных ребер охлаждения.
- КСВ (коэффициент стоячей волны) по входу и выходу.
- Точность.
- Повторяемость.
Радиочастотные аттенюаторы
Радиочастотные аттенюаторы (РЧ), как правило, являются коаксиальными с согласованными разъемами в качестве портов, и коаксиальной, микрополосковой или тонкопленочной внутренней структурой. Для СВЧ требуется волновод специальной структуры.
Важные характеристики для таких аттенюаторов: точность, низкий КСВ, плоская АЧХ, повторяемость.
Размер и форма аттенюатора зависят от его способности рассеивать мощность. РЧ аттенюаторы используются в качестве нагрузки и, как известно, затухания и защиты рассеиваемой мощности при измерении радиочастотных сигналов.
Аудио-аттенюаторы
Линейный аттенюатор в предусилителе или аттенюатор мощности после усилителя мощности использует электрическое сопротивление для уменьшения амплитуды сигнала, передаваемой на динамический громкоговоритель, уменьшая уровень громкости на выходе. Линейный аттенюатор имеет меньшую мощность, такую как, например, 0,5-ваттный потенциометр или делитель напряжения и управляет уровнями сигналов предусилителя, в то время как аттенюатор мощности имеет более высокую максимально допустимую мощность, такую как 10 ватт и более, и включается между усилителем и громкоговорителем.
Номиналы компонентов для схем сопротивления и аттенюаторов
Этот раздел касается П-, Т-, Г-образных схем, выполненных на резисторах и имеющих на каждом порту нереактивное сопротивление, то есть параметр сопротивления вещественное число.
- Все сопротивления, токи, напряжения и двухпортовые параметры будут считаться вещественными. Для практического применения это предположение допустимо.
- Схема предназначена для определенного сопротивления нагрузки, ZLoad, и, в особенности, для определенного сопротивления источника, Zs.
- Сопротивление на входном порту будет ZS, если выходной порт оканчивается ZLoad.
- Сопротивление на входном порту будет ZLoad, если выходной порт оканчивается ZS.
Характеристика данных для расчета компонентов аттенюатора
Аттенюатор с двумя портами, как правило, двунаправленный. Однако в этом разделе он будет рассматриваться, как однонаправленный. В целом любым из двух приведенных выше рисунков будут предполагаться в большинстве случаев. В случае Г-образной схемы, правый рисунок будет использоваться, если сопротивление нагрузки будет больше, чем внутренне сопротивление источника.
Резистору в каждой схеме дано уникальное позиционное обозначение для исключения путаницы.
Вычисление значения компонента Г-образной схемы предполагает, что сопротивление для порта 1 (слева) равно или выше, чем сопротивление для порта 2.
Используемые термины
- Схема включает в себя Pi, Т, L-образные схемы, аттенюатор с двумя портами.
- Двухпортовый аттенюатор включают в себя Pi, Т, L-образные схемы.
- Входной разъем означает входной разъем двухпортового аттенюатора.
- Выходной разъем означает выходной разъем двухпортового аттенюатора.
- Симметричный означает случай, когда источник и нагрузка имеют равные сопротивления.
- Потеря означает отношение мощности, поступающей на входной разъем аттенюатора, к мощности, рассеиваемой на нагрузке.
- Вносимые потери означают отношение мощности, подведенной к нагрузке, если бы нагрузка была непосредственно связана с источником, и мощности, потребляемой нагрузкой при подключении через аттенюатор.
Используемые символы
Пассивные, активные схемы и аттенюаторы являются двунаправленными с двумя портами, но в этом разделе они будут рассматриваться как однонаправленные.
- ZS = выходное сопротивление источника.
- ZLoad = входное сопротивление нагрузки.
- Zin = сопротивление на входном порту, когда ZLoad подключено к выходному порту. Zin — функция сопротивления нагрузки.
- Zout = сопротивление на выходном порту, когда Zs подключено ко входному порту. Zout -функция сопротивления источника.
- Vs = напряжение холостого хода.
- Vin = напряжение, приложенное к входу на источник.
- Vout = напряжение, приложенное к нагрузке на выходной порт.
- Iin = ток, поступающий на вход порта от источника.
- Iout = ток, поступающий на нагрузку от выходного порта.
- Pin = Vin Iin = мощность, поступающая на вход порта от источника.
Pout = Vout Iout = мощность, потребляемая нагрузкой от выходного порта.
- Pdirect = мощность, которая употребится нагрузкой, если нагрузка была бы подключена непосредственно к источнику.
- Lpad = 10 log10 (Pin / Pout) всегда. И, если Zs = ZLoad , тогда и Lpad = 20 log10 (Vin / Vout). Обратите внимание, как определено, Loss ≥ 0 дБ
- Linsertion = 10 log10 (Pdirect / Pout). И, если Zs = ZLoad, тогда Linsertion = Lpad.
- Loss ≡ Lpad. Loss определено как Lpad.
Расчет симметричного Т-образного аттенюатора
Расчет симметричного П-образного аттенюатора
Расчет Г-образного резистора для подстройки сопротивления
Если источник и нагрузка являются резистивными (например, Z1 и Z2 имеют нулевую или очень маленькую мнимую часть), то L-образный резистор может быть использован, для соответствия их друг к другу. Как видно, обе стороны резистора могут быть источником и нагрузкой, но сторона Z1 должна иметь наибольшее сопротивление.
Большие положительные значения означают более высокие потери. Потеря является монотонной функцией сопротивления. Более высокие значения сопротивления требуют более высоких потерь.
Преобразование Т-образного резистора в П-образный резистор
Это преобразование треугольник-звезда
Преобразование П-образного резистора в Т-образный резистор
Преобразование между резистором с двумя портами и схемой
Т-образная схема для параметров сопротивления
Параметры сопротивления на пассивном резисторе с двумя портами
Всегда возможно представлять резистивную t-схему как схему с двумя портами. Представим следующим образом особенно простые параметры использования сопротивления:
Параметры сопротивления Т-схемы
Предыдущие уравнения легко обратимы, но если потеря будет недостаточной, то у некоторых компонентов t-схемы будут отрицательные сопротивления.
Параметры входа в П-образную схему
Эти предыдущие параметры T-схемы могут быть алгебраически преобразованы в параметры П-схемы.
Входные параметры в П-образной схеме
Предыдущие уравнения легко обратимые, но если потеря будет недостаточной, то у некоторых компонентов схемы будут отрицательные сопротивления.
Общий случай, определяющий параметры сопротивления исходя из требований
Поскольку схема полностью выполнена на резисторах, у нее должны быть определенные минимальные потери, чтобы соответствовать источнику и загрузке, если они не равны.
Минимальные потери задаются как:
Несмотря на пассивное соответствие два порта могут иметь меньше потерь, если они не будут преобразоваться в резистивный аттенюатор.
Как только эти параметры будут определены, они смогут быть реализованы как T или П-образная схема как описано выше.
Конструкции аттенюаторов
В сантиметровом диапазоне волн коаксиальные фиксированные ослабители обычно получают путем помещения внутрь коаксиальной линии поглощающего материала. Для согласования поглощающей вставки используются плавные переходы.
В дециметровом и метровом диапазонах используются омические ослабители, подробно рассмотренные ниже.
Переменные аттенюаторы с подвижной поглощающей пластиной применяются обычно в том случае, когда необходимо получить начальное ослабление, приблизительно равное нулю, и максимальное ослабление порядка 20 дб. Конструктивно они представляют собой отрезок коаксиальной линии, в которую через щель вводится поглощающая пластина.
Пластины изготовляются или из какого-либо поглощающего материала или из диэлектрика, покрытого поглощающим слоем (углерода, нихрома и т. п.).
Величина ослабления аттенюатора увеличивается по мере приближения пластины к центральному проводнику. Выбор толщины и длины пластины, расчет механизма перемещения пластины производится аналогично тому, как это делалось в случае волноводных поглощающих аттенюаторов (§ 5.1).
Рис. 5.10. Переменный аттенюатор с емкостной связью:
а – конструкция; б – эквивалентная схема.
Для увеличения максимального ослабления до величины порядка 30 дб можно вводить не одну, а две пластины с 2-х диаметрально противоположных сторон линии.
Аттенюатор, показанный на рис. 5.10, представляет собой делитель с емкостной связью. Он выполняется из отрезка коаксиальнойлинии,в разрыв которойпомещаетсятрубчатое высокочастотное сопротивление типа МОУ или УНУ (1), равное волновому сопротивлению линии (Rвх=r). Внутрь трубчатого сопротивления помещается металлический плунжер (2), соединенный через стержневое малогабаритное сопротивление (8) типа МОУ со штоком (4), служащим внутренним проводником линии, заканчивающейся выходным разъемом. Шток плунжера связан с механизмом перемещения. Выходное (Rвых) сопротивление равно волновому сопротивлению линии. Через стенку входного трубчатого сопротивления осуществляется емкостная связь между входом и выходом аттенюатора. При перемещении плунжера от начала трубчатого сопротивления к концу величина ослабления изменяется от минимального значения (приблизительно 8 дб) до максимального (порядка 40 дб).
Значительное начальное затухание является основным недостатком таких аттенюаторов по сравнению с поглощающими.
Омические ослабители представляют собой четырехполюсники с активными сопротивлениями н собираются как по Т-образной, так и по П-образной схеме (рис. 5.11, а, б). Они используются в качестве поглотителей при независящей от частоты нагрузке, равной волновому сопротивлению линии Z=p. Применять их рекомендуется в дециметровом и метровом диапазонах волн.
Рис. 5.11. Омические ослабители:
а - Т-образная ячейка; б — П-образная ячейка; в - зависимость сопротивлений омических ослабителей от величины затухания.
Сопротивления R1 и R2 ослабителей рассчитываются по следующим формулам:
для Т-образной ячейки
(5.26)
(5.27)
На рис. 5.11, в приведены кривые зависимости нормированных относительно r сопротивлений R1 и R2 от затухания Сдб для Т-образной н П-образной ячеек. Из рисунка видно, что нормированные сопротивления 
для Т-образной ячейки всегда меньше единицы, а для П-образной всегда больше единицы.
В качестве сопротивлении ослабителей используются высокочастотные сопротивления типа УНУ или МОУ. В метровом диапазоне могут быть использованы графитовые сопротивления типа ВС, УМЛ и т. п.
Поскольку сопротивления выпускаются с определенными производственными допусками и существующие номиналы сопротивлений могут отличаться от рассчитанных, имеет смысл производить расчет погрешности затухания DС.
Для Т-образной ячейки
дб(5.28)
Для П-образной ячейки
дб(5.29)
Чтобы правильно выбрать сопротивления R1 и R2 с точки зрения мощности, необходимо произвести расчет распределения входной мощности Pвх между сопротивлениями.
Для Т-образной схемы мощность, рассеиваемая на сопротивлении R1, включенном на входе схемы, равна
, Вт(5.30)
на сопротивлении R1, включенном на выходе схемы, равна
, Вт(5.31)
на сопротивлении R2 равна
, Вт.(5.32)
Для П-образной схемы можно использовать эти же формулы, только вместо 
необходимо подставить его обратную величину 
.
Если в ослабителях используются стержневые сопротивления типа МОУ или УНУ, то, чтобы эти сопротивления не давали отражений, наружные проводники должны соответствующим образом плавно изменяться.
На рис. 5.11, а, б схематично показаны Т- и П-образные ячейки, выполненные на коаксиальных линиях. Стрелками показано направление прохождения высокочастотной энергии. Через qn(n=1, 2, 3...) обозначены отношения диаметров наружного и внутреннего проводников в начале и в конце каждого сопротивления. Эти отношения могут быть подсчитаны по следующим формулам
для обеих схем:
(5.33)
для Т-образной схемы:
(5.34)
для П-образной схемы:
(5.35)
здесь eг — относительная диэлектрическая проницаемость среды.
В качестве сопротивлений, включаемых в поперечной цепи (R2 — для Т-образной схемы, R1 — для П-образной), могут быть использованы шайбовые высокочастотные сопротивления. Поскольку выпускаемые в настоящее время промышленностью шайбовые сопротивления типа УНУ-Ш и МОУ-Ш рассчитаны на мощности лишь до 0,25 вт, то ослабители с использованием этих сопротивлений могут быть изготовлены на небольшие мощности.
В метровом диапазоне ослабители могут быть выполнены на графитовых сопротивлениях типа УМЛ, помещаемых в экран.
В заключение следует отметить, что рассмотренные выше схемы ослабителей могут применяться при соответствующем выборе сопротивлений для согласования нагрузки с фидерным трактом, когда Z2>Z1 (рис. 5.12).
Рис. 5.12. Схемы омических ослабителей при неравенстве входного сопротивления и сопротивления нагрузки
для Т-образной схемы:
Ом, (5.36)
Ом,(5.37)
Ом,(5.38)
для П-образной схемы:
Ом(5.39)
Ом(5.40)
Ом(5.41)
здесь 
- относительный коэффициент ослабления. Когда четырехполюсники используются в качестве согласующих элементов, то обычно требуется, чтобы они обладали минимальными потерями.
Минимальный относительный коэффициент ослабления рассчитывается по формуле
(5.42)Минимальное ослабление в децибелах равно
Смин=10lg kмин дб(5.43)
Применение аттенюаторов
Аттенюаторы используются в тех случаях, когда необходимо ослабить сильный сигнал до приемлемого уровня, например, во избежание перегрузки входа какого-либо прибора чрезмерно мощным сигналом. Полезным побочным эффектом является то, что использование аттенюатора между линией и нагрузкой улучшает коэффициент бегущей волны и коэффициент стоячей волны в подводящей линии в случае, когда нагрузка плохо согласована с линией.
Энергия входного сигнала, не поступившая на выход, преобразуется в тепло, как в оптическом, так и в электрическом аттенюаторе. Поэтому мощные аттенюаторы конструктивно должны предусматривать охлаждение.
В простейшем случае электрический аттенюатор строится на основе резисторов.
Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!
СВЧ тракт
Комментарии
Оставить комментарий
Устройства СВЧ и антенны
Термины: Устройства СВЧ и антенны