Аттенюатор

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 Ватт для тестирования 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 сети низкого сопротивления КСВ.

Фиксированные аттенюаторы используются, чтобы уменьшить напряжение, рассеять мощность, а также улучшить согласование с линией. При измерении сигналов, прокладки аттенюатора или адаптеры используются для снижения амплитуды на нужный уровень для возможности измерения, а также для защиты измерительного прибора от уровней сигнала, которые могут повредить его. Аттенюаторы также используются для 'подгонки' под сопротивление за счет непосредственного снижения КСВ.

Классификация и обозначения

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

Аттенюаторы Д2-32 и Д2-31 из комплекта измерительного прибора для коаксиального тракта с каналом 7/3 мм (50 Ом)

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

Аттенюаторы разной мощности

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, положение 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

Аттенюатор Д4-3

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

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

• 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

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

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 ребер охлаждения.
• КСВ (коэффициент стоячей волны) по входу и выходу
• Точность
• Повторяемость

РЧ-аттенюаторы

Радиочастотные аттенюаторы, как правило, являются коаксиальными с точными разъемами в качестве портов, и коаксиальной, микрополосковой или тонкопленочной внутренней структурой. Для СВЧ требуется волновод специальной структуры.

Важные характеристики: 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 в измерении радиочастотных сигналов.

Аудио-аттенюаторы

Линейный аттенюатор в предусилителе или аттенюатор мощности после усилителя мощности использует электрическое сопротивление для уменьшения амплитуды сигнала, который достигает динамик, уменьшая уровень громкости на выходе. Линейный аттенюатор имеет меньшую мощность, такую как ½-ваттный потенциометр или делитель напряжения и контролирует уровни сигналов предусилителя, в то время как аттенюатор мощности имеет более высокую максимально допустимую мощность, такую как 10 ватт и более, и используется между усилителем и динамиком.

См. также: Гитарный усилитель

Значения компонентов для схем сопротивления и аттенюаторов

Этот раздел касается П-, Т-, Г-образных схем, выполненных на резисторах и имеющих на каждом порту вещественное сопротивление.

• Все сопротивления, токи, напряжения и двухпортовые параметры будут считаться вещественными. Для практического применения это предположение допустимо.
• Схема предназначена для определенного сопротивления нагрузки, Z_Load, и, в особенности, для определенного сопротивления источника, Z_s.

• Сопротивление на входном порту будет Z_S, если выходной порт оканчивается Z_Load.
• Сопротивление на входном порту будет Z_Load, если выходной порт оканчивается Z_S.

Характеристика данных для расчета компонентов аттенюатора

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 обозначение для уменьшения 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 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

Пассивные, активные схемы и аттенюаторы являются двунаправленными с двумя портами, но в этом разделе они будут рассматриваться как однонаправленные.

• Z_S = выходное сопротивление источника.
• Z_Load = входное сопротивление нагрузки.
• Z_in = сопротивление на входном порту, когда ZLoad подключено к выходному порту. Zin — функция сопротивления нагрузки.
• Z_out = сопротивление на выходном порту, когда Zs подключено ко входному порту. Zout -функция сопротивления источника.
• V_s = напряжение холостого хода.
• V_in = напряжение, приложенное к входу на источник.
• V_out = напряжение, приложенное к нагрузке на выходной порт.
• I_in = ток, поступающий на вход порта от источника.
• I_out = ток, поступающий на нагрузку от выходного порта.
• P_in = V_in I_in = мощность, поступающая на вход порта от источника.

P_out = V_out I_out = мощность, потребляемая нагрузкой от выходного порта.

• P_direct = мощность, которая употребится нагрузкой, если нагрузка была бы подключена непосредственно к источнику.
• L_pad = 10 log₁₀ (P_in / P_out) всегда. И, если Z_s = Z_Load , тогда и L_pad = 20 log₁₀ (V_in / V_out). Обратите внимание, как определено, Loss ≥ 0 дБ
• L_insertion = 10 log₁₀ (P_direct / P_out). И, если Z_s = Z_Load, тогда L_insertion = L_pad.
• Loss ≡ L_pad. Loss определено как L_pad.

Расчет симметричного Т-образного резистора

$A=10^{-Loss/20}\qquad R_{a}=R_{b}=Z_{S}{\frac {1-A}{1+A}}\qquad R_{c}={\frac {Z_{s}^{2}-R_{b}^{2}}{2R_{b}}}\qquad$

Расчет симметричного П-образного резистора

$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

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 грузкой, 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

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

$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

Т-образная схема для параметров сопротивления

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

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

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

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

Поскольку схема полностью сделана из резисторов, 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

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

• Радиоизмерительные приборы

Литература

• 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

• Аттенюаторы СВЧ-сигналов
• Аттенюатор программируемый АП01
• Принципиальная схема прибора для поверки аттенюаторов Д1-13А
• William Hayt, Jack E. Kemmerly. Engineering Circuit Analysis. — 2nd. — McGraw-Hill, 1971. — ISBN 0-07-027382-0.
• Mac E. van Valkenburg. Reference Data for Engineers: Radio, Electronics, Computer and Communication. — eight. — Newnes, 1998. — ISBN 0-7506-7064-9.