какую функцию выполняет аттенюатор
Аттенюатор: описание, назначение, виды и характеристики приборов
Что такое аттенюатор
Область применения аттенюаторов
Аттенюатор предназначен для поддержания безопасной работы, согласования импеданса отдельных включенных в цепь модулей, благодаря выравниванию мощности между их входом и выходом.
Также применение аттенюатора рекомендовано для обеспечения безопасности антенной системы при использовании ответвителей и отсутствии приборов контроля.
Подобные приборы позволяют вносить определенное затухание при передаче сигнала на короткие дистанции в одномодовых линиях, снимать перегрузку каскада на входе приемного устройства, предотвращая возможные нарушения функционирования сети. Аттенюаторы также применяют в системах WDM мультиплексирования.
Преимущества использования аттенюаторов
Типы аттенюаторов
По воспроизводимым значениям
По диапазону частот
По типу подключения
По принципу действия
Аттенюаторы радиодиапазона
Основные характеристики аттенюаторов радиодиапазона
Резисторные (емкостные) аттенюаторы
Поляризационные аттенюаторы
Поглощающие аттенюаторы
Оптические аттенюаторы
Виды оптических аттенюаторов
Существует два вида аттенюаторов оптического типа:
● С фиксированным затуханием;
Конструкция приборов предполагает наличие специальных оптических волокон. Применяются для существенного ослабления сигнала с одновременными малыми обратными потерями. Имеют уровень затухания 1−25 дБ. Фиксированное затухание вносится при помощи воздушного зазора определенной величины или специализированного встроенного поглощающего фильтра. Соединение возможно посредством пары патч-кордов оптического типа либо одноименной розетки и патч-корда.
● С регулируемым затуханием.
С помощью устройств данного типа возможна плавная регулировка затухания путем изменения размера воздушного промежутка между торцами феррул коммутируемых коннекторов.
Принцип работы оптических аттенюаторов
Основные характеристики оптических аттенюаторов
Преимущества оптических аттенюаторов
Применение оптических аттенюаторов
РЧ аттенюаторы
Схемы аттенюаторов
Варианты компонентов для схем аттенюаторов
П-, Т-схемы применяются в общем случае, когда внутреннее сопротивление источника равно или превышает сопротивление нагрузки. Если один из портов имеет сопротивление, превышающее показатели другого, применяют Г-образную схему вычислений.
Схемы типов П, Т чаще всего выполнены на резисторах, имеют нереактивное сопротивление у каждого из портов. Для практического применения допустимо считать все напряжения, сопротивления, токи вещественными числами.
Для измерений мощности, формы сигнала возможно включение в систему анализатора спектра при участии понижающего мощность ответвителя, который предотвращает возможные поломки дорогостоящего анализатора.
При выборе подходящего устройства также должны быть учтены вносимые/возвратные потери. Вносимые потери отражают ослабление сигнала, вызванное каким-либо включенным в цепь дополнительным элементом. Возвратные потери показывают отношение мощности отраженного сигнала, существующего на участке линии связи, к мощности входного импульса.
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.
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.
Содержание
Классификация и обозначения
Классификация
Обозначения по ГОСТ 15094
Аттенюаторы радиодиапазона
Резисторные и емкостные аттенюаторы
Сигнал в резисторных и емкостных аттенюаторах ослабляется с помощью соответственно резистивного или емкостного делителя.
Поляризационные аттенюаторы
Поляризационный аттенюатор представляет собой отрезок волновода круглого сечения с помещенной внутри поглощающей пластиной, положение которой относительно направления поляризации сигнала можно менять.
Предельные аттенюаторы
Принцип действия предельных аттенюаторов основан на затухании электромагнитных волн внутри волновода при длине волны больше критической.
Поглощающие аттенюаторы
Принцип действия поглощающего аттенюатора основан на затухании электромагнитных волн в поглощающих материалах.
Основные нормируемые характеристики радиоизмерительных аттенюаторов
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.
Основные нормируемые характеристики оптических аттенюаторов
Схемы аттенюаторов
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
Основные характеристики аттенюаторов:
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.
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.
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 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
Используемые символы
Пассивные, активные схемы и аттенюаторы являются двунаправленными с двумя портами, но в этом разделе они будут рассматриваться как однонаправленные.
Pout = Vout Iout = мощность, потребляемая нагрузкой от выходного порта.
Расчет симметричного Т-образного резистора
Расчет симметричного П-образного резистора
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.
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 сделана из резисторов, у неё 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.
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.
Аттенюаторы
Аттенюаторы – это пассивные устройства, но их удобнее рассматривать вместе с децибелами. Аттенюаторы используются для ослабления сигнала, например, для уменьшения высокого уровня сигнала генератора для обеспечения низкого уровня, необходимого для подачи на антенный вход чувствительного радиоприемника (рисунок ниже). Аттенюатор может быть, как встроен в генератор сигналов, так и быть отдельным устройством. Он может обеспечивать фиксированный или регулируемый уровень ослабления. Секция аттенюатора может также обеспечивать изоляцию между источником и проблемной нагрузкой.
В случае, когда аттенюатор является отдельным устройством, он должен быть помещен между источником сигнала и нагрузкой в разрыв пути прохождения сигнала, как показано на рисунке выше. Кроме того, его импеданс должен совпадать и с импедансом источника Zi, и с импедансом нагрузки Zн, обеспечивая при этом указанную величину затухания. В этом разделе мы рассмотрим только конкретный, и самый распространенный, случай, когда выходное сопротивление источника и сопротивление нагрузки равны.
Наиболее распространенные типы аттенюаторов – секции Т и П типа.
Когда необходимо больше ослабить сигнал, несколько секций аттенюатором можно включить каскадно, как показано на рисунке ниже.
Децибелы
Отношения напряжений, используемые при разработке аттенюаторов, часто выражаются в децибелах. Безразмерный коэффициент ослабления напряжения (далее К) может быть получен из ослабления, выраженного в децибелах. Коэффициенты отношения мощностей, выраженные в децибелах, складываются. Например, аттенюатор 10 дБ, следующий за аттенюатором 6 дБ, обеспечит общее затухание 16 дБ.
10 дБ + 6 дБ = 16 дБ
Замечаемое изменение уровней звука примерно пропорционально логарифму отношения мощностей (Pвх/Pвых).
Изменение уровня звука на 1 дБ едва заметно для слушателя, в то время, как 2 дБ замечается легко. Ослабление на 3 дБ соответствует уменьшению мощности наполовину, а усиление на 3 дБ соответствует удвоению уровня мощности.
Изменение мощности в децибелах и отношение мощностей связаны формулой:
Предполагая, что нагрузка Rвх для Pвх такая же, как и резистор Rвых для Pвых (Rвх = Rвых), значения в децибелах могут быть получены из отношений напряжений (Uвх/Uвых) и токов (Iвх/Iвых):
Наиболее часто используются две формулы для децибелов:
Пример
Мощность на входе аттенюатора 10 ватт, мощность на выходе 1 ватт. Найти ослабление в децибелах.
\(dB= 10 \log_<10>(P_ <вх>/ P_<вых>) = 10 \log_ <10>(10 /1) = 10 \log_ <10>(10) = 10 (1) = 10\, дБ\)
Пример
Найти коэффициент ослабления напряжения ( K=(Uвх/Uвых) ) для аттенюатора 10 дБ.
Пример
Мощность на входе аттенюатора 100 милливатт, мощность на выходе 1 милливатт. Найти ослабление в дБ.
\(dB = 10 \log_<10>(P_ <вх>/ P_<вых>) = 10 \log_ <10>(100 /1) = 10 \log_ <10>(100) = 10 (2) = 20\, дБ\)
Пример
Найти коэффициент ослабления напряжения ( K=(Uвх/Uвых) ) для аттенюатора 20 дБ.
Аттенюатор Т-типа
Аттенюаторы Т и П типа подключаются к комплексным сопротивлениям Z источника и Z нагрузки. Z со стрелкой, направленной от аттенюатора, на рисунке ниже означает импеданс аттенюатора. Z со стрелкой, направленной на аттенюатор, означает, что к аттенюатору с сопротивлением Z подключается устройство с сопротивлением Z, в нашем случае Z = 50 Ом. Данное сопротивление постоянно (50 Ом) по отношению к ослаблению – при изменении ослабления импеданс не меняется.
В таблицах ниже приведены списки номиналов резисторов для аттенюаторов Т и П типа при одинаковых импедансах источника и нагрузки, равных 50 Ом, обычно используемых при работе на радиочастотах.
Телефонное оборудование и другая звуковая техника часто требует использования 600 Ом. Умножьте все значения R на отношение (600/50), чтобы аттенюатор соответствовал требованиям 600-омной техники. Умножение на 75/50 преобразует таблицу значений для соответствия 75-омным источнику и нагрузке.
dB – ослабление в децибелах
Z – импеданс источника/нагрузки (активное сопротивление)
\[R_1 = Z \left( \frac
| Ослабление | R1, Ом | R2, Ом | |
|---|---|---|---|
| децибелы | K = Uвх/Uвых | ||
| 1.0 | 1.12 | 2.88 | 433.34 |
| 2.0 | 1.26 | 5.73 | 215.24 |
| 3.0 | 1.41 | 8.55 | 141.93 |
| 4.0 | 1.58 | 11.31 | 104.83 |
| 6.0 | 2.00 | 16.61 | 66.93 |
| 10.0 | 3.16 | 25.97 | 35.14 |
| 20.0 | 10.00 | 40.91 | 10.10 |
Величину ослабления принято указывать в дБ (децибелах). Хотя нам нужен и коэффициент отношения напряжений (или токов), чтобы найти значения резисторов из формул. Посмотрите на формулу выше с возведением числа 10 в степень dB/20 для вычисления отношения напряжений K из децибелов.
Т-тип (и приведенный ниже П-тип) – это наиболее часто используемые типы аттенюаторов, так как они двунаправлены. То есть, вход и выход аттенюатора можно поменять местами, и его импеданс всё так же будет соответствовать импедансам источника и нагрузки, и он так же будет обеспечивать точно такое же затухание.
Отключив источник и взглянув на аттенюатор со стороны входа в точке Uвх, мы должны увидеть ряд последовательных и параллельных соединений R1, R2, R1 и Z, образующих эквивалентное сопротивление Zвх, такое же, как и импеданс Z источника/нагрузки (нагрузка Z всё еще подключена к выходу):
\(Z_ <вх>= R_1 + (R_2 ||(R_1 + Z))\)
Например, подставим в формулу значения R1 и R2 для 50-омного аттенюатора 10 дБ, как показано на рисунке ниже.
\(Z_ <вх>= 25.97 + (35.14 ||(25.97 + 50))\)
\(Z_ <вх>= 25.97 + (35.14 || 75.97 )\)
\(Z_ <вх>= 25.97 + 24.03 = 50\)
Это показывает нам, что мы увидим 50 Ом при взгляде на аттенюатор со стороны входа (рисунок ниже) при нагрузке 50 Ом.
Вернув источник сигнала, отключив нагрузку Z в точке Uвых и взглянув на аттенюатор со стороны выхода, мы должны получить такую же формулу, что и выше, для импеданса в точке Uвых, благодаря симметрии.
Аттенюатор 10 дБ с входным/выходным сопротивлением Z = 50 Ом.
Аттенюатор П-типа
Ниже приведена таблица номиналов резисторов аттенюатора П-типа для импеданса источника/нагрузки 50 Ом для наиболее частых значений затухания. Резисторы, соответствующие другим значениям затухания, могут быть рассчитаны по формулам.
\[R_4 = Z \left( \frac
| Ослабление | R3, Ом | R4, Ом | |
|---|---|---|---|
| децибелы | K = Uвх/Uвых | ||
| 1.0 | 1.12 | 5.77 | 869.55 |
| 2.0 | 1.26 | 11.61 | 436.21 |
| 3.0 | 1.41 | 17.61 | 292.40 |
| 4.0 | 1.58 | 23.85 | 220.97 |
| 6.0 | 2.00 | 37.35 | 150.48 |
| 10.0 | 3.16 | 71.15 | 96.25 |
| 20.0 | 10.00 | 247.50 | 61.11 |
Применим приведенные выше значения к аттенюатору на рисунке ниже.
С какими номиналами понадобятся резисторы для аттенюатора П-типа с ослаблением 10 дБ и для работы с источником и нагрузкой 50 Ом?
Аттенюатор П-типа на 10 дБ с входным/выходным сопротивлением Z = 50 Ом.
10 дБ соответствуют коэффициенту ослабления напряжения К=3,16 в предпоследней строке в таблице выше. Переместите номиналы резисторов из этой строки на схему (рисунок выше).
Аттенюатор Г-типа
В таблице ниже приведен список номиналов резисторов для аттенюаторов Г-типа для 50-омных источника и нагрузки.
\[R_5 = Z \left( \frac
| Ослабление | R5, Ом | R6, Ом | |
|---|---|---|---|
| децибелы | K = Uвх/Uвых | ||
| 1.0 | 1.12 | 5.44 | 409.77 |
| 2.0 | 1.26 | 10.28 | 193.11 |
| 3.0 | 1.41 | 14.60 | 121.20 |
| 4.0 | 1.58 | 18.45 | 85.49 |
| 6.0 | 2.00 | 24.94 | 50.24 |
| 10.0 | 3.16 | 34.19 | 23.12 |
| 20.0 | 10.00 | 45.00 | 5.56 |
В таблице ниже приведен список номиналов резисторов для альтернативной формы аттенюатора. Обратите внимание, что номиналы резисторов отличаются от предыдущей таблицы.
\[R_8 = Z \left( \frac
| Ослабление | R7, Ом | R8, Ом | |
|---|---|---|---|
| децибелы | K = Uвх/Uвых | ||
| 1.0 | 1.12 | 6.10 | 459.77 |
| 2.0 | 1.26 | 12.95 | 243.11 |
| 3.0 | 1.41 | 20.63 | 171.20 |
| 4.0 | 1.58 | 29.24 | 135.49 |
| 6.0 | 2.00 | 49.76 | 100.24 |
| 10.0 | 3.16 | 108.11 | 73.12 |
| 20.0 | 10.00 | 450.00 | 55.56 |
Мостовой Т-образный аттенюатор
В таблице ниже приведен список номиналов резисторов для мостового Т-образного аттенюатора. Мостовой Т-образный аттенюатор используется не часто. Почему бы?
| Ослабление | R9, Ом | R10, Ом | |
|---|---|---|---|
| децибелы | K = Uвх/Uвых | ||
| 1.0 | 1.12 | 6.10 | 409.77 |
| 2.0 | 1.26 | 12.95 | 193.11 |
| 3.0 | 1.41 | 20.63 | 121.20 |
| 4.0 | 1.58 | 29.24 | 85.49 |
| 6.0 | 2.00 | 49.76 | 50.24 |
| 10.0 | 3.16 | 108.11 | 23.12 |
| 20.0 | 10.00 | 450.00 | 5.56 |
Каскадное включение
Секции аттенюаторов могут быть включены каскадно, как показано на рисунке ниже, для получения затухания, большего, чем доступно от одной секции. Например, два аттенюатора по 10 дБ могут быть включены каскадно, чтобы обеспечить затухание 20 дБ, значения в децибелах будут суммироваться. Коэффициент ослабления напряжения К или Uвх/Uвых для секции аттенюатора 10 дБ равен 3,16. Коэффициент ослабления напряжения двух каскадно включенных секций равен произведению двук К или 3,16 x 3,16 = 10.
Каскадно включенные секции аттенюаторов: затухания в децибелах складываются.
Переменное ослабление с дискретным шагом может быть обеспечено коммутируемым аттенюатором. Например, на рисунке ниже показано положение 0 дБ, и доступно изменение ослабления от 0 до 7 дБ с помощью подключения от одной и более секций или отключения всех секций.
Коммутируемый аттенюатор: затухание изменяется с дискретным шагом.
У типового многосекционного аттенюатора секций больше, чем показано на рисунке выше. Добавление секции 3 или 8 дБ позволяет устройству охватить значения до 10 дБ и выше. Более низкие уровни сигнала достигаются добавлением секций 10 дБ и 20 дБ, или удвоенной секции 16 дБ.
Радиочастотные аттенюаторы
При работе на радиочастотах (РЧ, RF) ( 
Коаксиальный Т-аттенюатор для работы на радиочастотах.
Секция коаксиального Т-аттенюатора состоит из резистивных стержней и резистивного диска, как показано на рисунке выше. Эта конструкция может использоваться до нескольких гигагерц.
Коаксиальная версия П-аттенюатора будет состоять из одного резистивного стержня между двумя резистивными дисками в коаксиальной линии передач, как показано на рисунке ниже.
Коаксиальный П-аттенюатор для работы на радиочастотах.
Высокочастотные разъемы (не показаны) присоединены к концам изображенных Т и П аттенюаторов. Разъемы позволяют подключать отдельные секции каскадно между источником и нагрузкой. Например, аттенюатор 10 дБ может быть помещен между проблемным источником сигнала и входом дорогостоящего анализатора спектра. Даже если затухание нам не нужно, дорогостоящее измерительное оборудование защищено от источника с помощью ослабления любого перенапряжения.
Подведем итоги
Аттенюатор уменьшает уровень входного сигнала до более низкого уровня.
Значение затухания задается в децибелах (дБ). Для подключенных каскадно секций значения в децибелах складываются.
Отношение мощностей в децибелах: \(dB = 10 \log_ <10>(P_<вх>/P_<вых>)\)
Отношение напряжений в децибелах: \(dB = 20 \log_ <10>(U_<вх>/U_<вых>)\)
Наиболее часто используемые схемы аттенюаторов: аттенюаторы Т и П типа.