Аттенюатор

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Аттенюа́тор (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 одновременно, его можно рассматривать и как измерительный преобразователь.

Коэффициент передачи идеального аттенюатора как четырёхполюсника имеет не зависящую от частоты АЧХ, значение которой меньше единицы, и линейную ФЧХ.

РЧ-аттенюатор на 30 дБ 5 Вт, DC 18 ГГц, с коаксиальными разъемами N-типа
Широкополосный (0 Гц — 2,4 ГГц) аттенюатор мощностью до 100 Вт для измерения параметров радиопередатчиков

Аттенюатор — это электронное устройство, которое уменьшает амплитуду или мощность сигнала без существенного искажения его формы.

С точки зрения работы, аттенюатор является противоположностью усилителя, хотя оба эти устройства имеют различные принципы работы. В то время как усилитель обеспечивает усиление, аттенюатор обеспечивает ослабление, или усиление в меньше, чем 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, рассеикания мощности, и улучшения согласования с линиями. При измерении сигналов используются промежуточные аттенюаторы или адаптеры для снижения амплитуды на 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.

Содержание

Классификация и обозначения[править | править вики-текст]

Классификация[править | править вики-текст]

  • 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, ёмкостные, поляризационные, предельные и поглощающие
Аттенюаторы Д2-32 и Д2-31 из комплекта измерительного прибора для коаксиального тракта с каналом 7/3 мм (50 Ом)

Обозначения по ГОСТ 15094[править | править вики-текст]

  • Д1-хх — установки для поверки аттенюаторов и эталонные аттенюаторы радиодиапазона
  • Д2-хх — резисторные и ёмкостные 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[править | править вики-текст]

Резисторные и ёмкостные аттенюаторы[править | править вики-текст]

Аттенюаторы разной мощности

Сигнал в резисторных и емкостных аттенюаторах ослабляется с помощью соответственно резистивного или ёмкостного делителя.

  • НАЗНАЧЕНИЕ: аттенюаторы высокой точности, как правило, низкочастотные
  • ПРИМЕРЫ: Д1-13А, Д2-14.

Поляризационные аттенюаторы[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

Аттенюатор Д4-3

Принцип действия предельных аттенюаторов основан на затухании электромагнитных волн внутри волновода при длине волны больше критической.

Поглощающие аттенюаторы[править | править вики-текст]

Аттенюатор Д5-21

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[править | править вики-текст]

Оптические аттенюаторы[править | править вики-текст]

Принцип действия оптических аттенюаторов[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

  • Диапазон регулировки ослабления
  • Диапазон длин волн
  • Погрешность установки коэффициента ослабления
  • Погрешность импеданса

Схемы аттенюаторов[править | править вики-текст]

Схема разбалансированного аттенюатора П-типа
Схема сбалансированного аттенюатора П-типа
Схема разбалансированного аттенюатора Т-типа
Схема сбалансированного аттенюатора Т-типа

Основными схемами, используемыми в аттенюаторах, являются аттенюаторы П-типа и T-типа. Они могут потребоваться, чтобы сбалансировать или разбалансировать сети в зависимости от геометрии линии, с которой они будут использоваться, сбалансированной или несбалансированной. Например, аттенюаторы, используемые с коаксиальными линиями, должны быть в несбалансированной форме, в то время как аттенюаторы для работы с витой парой должны быть в сбалансированной форме.

Четыре фундаментальных схемы аттенюаторов приведены на рисунке справа. Так как схема аттенюатора состоит исключительно из пассивных элементов сопротивления, она линейна и взаимна. Если схема также симметрична (так обычно бывает, то как правило, требуется, чтобы входные и выходные сопротивления Z1 и Z2 были равны), то входные и выходные порты не отличаются, но по соглашению левую и правую стороны схемы называют входом и выходом, соответственно.

Характеристики аттенюатора[править | править вики-текст]

Микроволновый РЧ аттенюатор

Основные характеристики аттенюаторов:

  • Затухание выражается 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 зависит от массы и площади поверхности резистивного материала, а также от возможных рёбер охлаждения.
  • КСВ (коэффициент стоячей волны) по входу и выходу
  • Точность
  • Повторяемость.

Радиочастотные аттенюаторы[править | править вики-текст]

Радиочастотные аттенюаторы (РЧ), как правило, являются коаксиальными с согласованными разъёмами в качестве портов, и коаксиальной, микрополосковой или тонкоплёночной 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[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

Эта схема используется в общем случае, все Т-образные схемы, все П-образные схемы и Г-образные схемы, когда внутреннее сопротивление источника больше или равно сопротивлению нагрузки
Г-образная схема вычислений предполагает, что порт 1 имеет самое высокое сопротивление. Если выходной порт оказывает высокое сопротивление, то используют этот показатель
Уникальные обозначения для Т, П и Г-образных схем

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[править | править вики-текст]

  • 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 двух портового аттенюатора.
  • Выходной разъем означает выходной разъем двух портового 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[править | править вики-текст]

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 резистора[править | править вики-текст]

A = 10^{-Loss/20}  \qquad R_a = R_b = Z_S \frac {1 - A} {1 + A} \qquad R_c =   \frac {Z_s^2 - R_b^2   } {2 R_b } \qquad

Расчет симметричного П-образного резистора[править | править вики-текст]

A = 10^{-Loss/20}   \qquad  R_x = R_y = Z_S \frac {1 + A} {1 - A} \qquad R_z = \frac {2R_x}{\left ( \frac {R_x}{Z_0} \right ) ^2 -1} ]\qquad \

Расчет Г-образного резистора для подстройки сопротивления[править | править вики-текст]

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.

 
R_q = \frac {Z_m} {\sqrt {\rho - 1  } }    \qquad 
R_p = Z_m \sqrt {\rho - 1  }     \qquad   
Loss = 20 \log_{10} \left ( \sqrt{ \rho - 1 } + \sqrt{\rho } \quad \right  ) \quad \text{where} \quad 
\rho = \frac {Z_1}{Z_2}     \quad
Z_m = \sqrt{  Z_1 Z_2}  \text{   } \

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[править | править вики-текст]

Это преобразование треугольник-звезда

 
R_z =  \frac {R_a R_b + R_a R_c + R_b R_c}  {R_c} \qquad
R_x =  \frac {R_a R_b + R_a R_c + R_b R_c}  {R_b} \qquad
R_y =  \frac {R_a R_b + R_a R_c + R_b R_c}  {R_a}.  \qquad \

Преобразование П-образного резистора в Т-образный резистор[править | править вики-текст]

 R_c = \frac {R_x R_y} {R_x + R_y + R_z} \qquad 
R_a = \frac {R_z R_x} {R_x + R_y + R_z}  \qquad 
R_b = \frac {R_z R_y} {R_x + R_y + R_z}  \qquad 
\

Преобразование между резистором с двумя портами и схемой[править | править вики-текст]

Т-образная схема для параметров сопротивления[править | править вики-текст]

Параметры сопротивления на пассивном резисторе с двумя портами

  V_1 = Z_{11} I_1  +  Z_{12} I_2 \qquad  V_2 = Z_{21} I_1  +  Z_{22} I_2 \qquad \text{with} \qquad   Z_{12} = Z_{21}  \

Всегда возможно представлять резистивную t-схему как схему с двумя портами. Представим следующим образом особенно простые параметры использования сопротивления:

 Z_{21} = R_c  \qquad   Z_{11} = R_c + R_a   \qquad  Z_{22} = R_c + R_b   \

Параметры сопротивления Т-схемы[править | править вики-текст]

Предыдущие уравнения легко обратимы, но если потеря будет недостаточной, то у некоторых компонентов t-схемы будут отрицательные сопротивления.

R_c = Z_{21}    \qquad R_a =  Z_{11} - Z_{21}    \qquad R_b = Z_{22} - Z_{21}   \

Параметры входа в П-образную схему[править | править вики-текст]

Эти предыдущие параметры T-схемы могут быть алгебраически преобразованы в параметры П-схемы.

 
R_z =  \frac { Z_{11}Z_{22} - Z_{21}^2 }  {Z_{21} } \qquad
R_x =  \frac { Z_{11}Z_{22} - Z_{21}^2 }  {Z_{22} - Z_{21} } \qquad
R_y =  \frac { Z_{11}Z_{22} - Z_{21}^2 }  {Z_{11} - Z_{21} } \qquad

Входные параметры в П-образной схеме[править | править вики-текст]

Предыдущие уравнения легко обратимые, но если потеря будет недостаточной, то у некоторых компонентов схемы будут отрицательные сопротивления.

R_z = \frac {1} {Y_{21}}   \qquad       R_x = \frac {1} {Y_{11} - Y_{21} }  \qquad  R_y = \frac {1} {Y_{22} - Y_{21} }  \

Общий случай, определяющий параметры сопротивления исходя из требований[править | править вики-текст]

Поскольку схема полностью выполнена на резисторах, у неё должны быть определенные минимальные потери, чтобы соответствовать источнику и загрузке, если они не равны.

Минимальные потери задаются как:

 Loss_{min} = 20 \log_{10}  \left (  \sqrt{   \rho - 1 } + \sqrt{\rho }  \right) \, 
\quad \text{where} \quad \rho = \frac {\max [ Z_S, Z_{Load} ]}{\min [ Z_S, Z_{Load} ] }     \

Несмотря на пассивное соответствие два порта могут иметь меньше потерь, если они не будут преобразоваться в резистивный аттенюатор.

 A = 10^{-Loss/20} \qquad 
Z_{11} = Z_S \frac {1+A^2} {1-A^2} \qquad   
Z_{22} = Z_{Load} \frac {1+A^2} {1-A^2} \qquad 
Z_{21} = 2 \frac { A \sqrt { Z_S Z_{Load}}} {1-A^2}  \

Как только эти параметры будут определены, они смогут быть реализованы как T или П-образная схема как описано выше.

Применение[править | править вики-текст]

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.

См. также[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]

  • Справочник по элементам радиоэлектронных устройств / Под ред. В. Н. Дулина и др. — М.: Энергия, 1978
  • Шкурин Г. П. Справочник по электроизмерительным и радиоизмерительным приборам / 3-е изд. М., 1960
Нормативно-техническая документация
  • IEC 60869-1(1994) Аттенюаторы волоконно-оптические. Часть 1: Общие технические условия
  • ГОСТ5.8814-88 Аттенюаторы и фазовращатели коаксиальные, механически перестраиваемые. Основные параметры, конструкция и размеры, методы контроля
  • ГОСТ 8.249-77 ГСИ. Аттенюаторы коаксиальные и волноводные измерительные. Методы и средства поверки в диапазоне частот от 100 кГц до 17,44 ГГц

Ссылки[править | править вики-текст]