Для чего служит аттенюатор
Что такое аттенюатор, принцип его работы и где применяется
При разработке электронных схем обычно приходится решать задачу усиления сигналов – увеличения их амплитуды или мощности. Но бывают ситуации, когда уровень сигнала требуется, наоборот, ослабить. И эта задача не так проста, как кажется на первый взгляд.
Что такое аттенюатор и как он работает
Аттенюатором называется устройство для преднамеренного и нормированного уменьшения амплитуды или мощности входного сигнала без искажения его формы.
Принцип работы аттенюаторов, применяемых в радиочастотном диапазоне – делитель напряжения на резисторах или конденсаторах. Входной сигнал распределяется между резисторами пропорционально сопротивлениям. Самое простое решение – делитель из двух резисторов. Такой аттенюатор называется Г-образным (в зарубежной технической литературе – L-образным). Входом и выходом может служить любая сторона этого несимметричного по схеме устройства. Особенность Г-аттенюатора – низкий уровень потерь при согласовании входа и выхода.
Виды аттенюаторов
На практике Г-аттенюатор используется не так часто – в основном, для согласования сопротивлений входа и выхода. Гораздо шире для нормированного ослабления сигналов применяются устройства П-типа (в зарубежной литературе Pi – от латинской буквы π) и Т-типа. Такой принцип позволяет создавать устройства с одинаковым входным и выходным сопротивлением (но при необходимости можно и с различным).
На рисунке представлены несимметричные устройства. Источник и нагрузка к ним должны подключаться несимметричными линиями – коаксиальными кабелями и т.п. с любой стороны.
Для симметричных линий (витая пара и т.п.) применяются симметричные схемы – их иногда называют аттенюаторами H- и О-типа, хотя это всего лишь разновидности предыдущих устройств.
Добавлением одного (двух) резисторов аттенюатор Т- (H-) типов превращаются в мостовые.
Аттенюаторы выпускаются промышленностью в виде законченных устройств с разъёмами для подключения, но их можно выполнять и на печатной плате в составе общей схемы. Резистивные и емкостные аттенюаторы имеют серьезный плюс – они не содержат нелинейных элементов, что не искажает сигнал и не приводит к появлению в спектре новых гармоник и к исчезновению существующих.
Кроме резистивных существуют и другие виды аттенюаторов. В промышленной технике широко применяются:
Эти типы устройств используются в СВЧ-технике и в световом диапазоне частот. На низких и радиочастотах применяются аттенюаторы на основе резисторов и конденсаторов.
Основные характеристики
Главным параметром, определяющим свойства аттенюаторов, является коэффициент ослабления. Он измеряется в децибелах. Чтобы понять, во сколько раз уменьшается амплитуда сигнала после прохождения ослабляющей цепи, надо коэффициент пересчитать из децибел в разы. На выходе устройства, уменьшающего амплитуду сигнала на N децибел, напряжение будет меньше в M раз:
Формулы достаточно сложны для расчетов в уме, поэтому лучше воспользоваться онлайн-калькуляторами, коих в интернете великое множество.
Для регулируемых устройств (ступенчатых или плавных) указываются пределы настройки.
Другой важный параметр – это волновое сопротивление (импеданс) по входу и выходу (они могут совпадать). С этим сопротивлением связана такая характеристика, как коэффициент стоячей волны (КСВ) – она часто указывается на изделиях промышленного производства. Для чисто активной нагрузки этот коэффициент вычисляется по формуле:
Из остальных важных характеристик надо упомянуть:
Также важен такой параметр, как точность – он означает допустимое отклонение ослабления от номинального. У промышленных аттенюаторов характеристики наносятся на корпус.
В некоторых случаях важна мощность устройства. Энергия, не дошедшая до потребителя, рассеивается на элементах аттенюатора, поэтому критично не допустить перегрузки.
Существуют формулы для расчета основных характеристик резистивных аттенюаторов различной конструкции, но они громоздки и содержат логарифмы. Поэтому для их применения нужен, как минимум, калькулятор. Поэтому для самостоятельного расчета удобнее использовать специальные программы (в том числе, онлайн).
Регулируемые аттенюаторы
На коэффициент ослабления и КСВ влияет номинал всех элементов входящих в состав аттенюатора, поэтому создавать устройства на резисторах с плавным регулированием параметров сложно. Меняя ослабление, надо подстраивать и КСВ и наоборот. Такие задачи можно решить, применяя усилители с коэффициентом усиления меньше 1.
Подобные устройства строят на транзисторах или ОУ, но возникает проблема линейности. Нелегко создать усилитель, не искажающий форму сигнала в широком диапазоне частот. Гораздо шире применяется ступенчатое регулирование – аттенюаторы включаются последовательно, их ослабление складывается. Те цепи, что необходимо – шунтируются (контактами реле и т.п). Так набирается нужный коэффициент ослабления без изменения волнового сопротивления.
Есть конструкции устройств для ослабления сигнала с плавной регулировкой, построенные на широкополосных трансформаторах (ШПТ). Они применяются в любительской связной технике в тех случаях, когда требования к согласованию входа и выхода невысоки.
Плавная настройка аттенюаторов, построенных на волноводах, достигается изменением геометрических размеров. Оптические аттенюаторы также выпускаются с плавной регулировкой затухания, но такие приборы имеют достаточно сложную конструкцию, так как содержат систему линз, оптических фильтров и т.д.
Область применения
Если аттенюатор имеет различные входные и выходные сопротивления, то, кроме функции ослабления, он может выполнять роль согласующего устройства. Так, если надо соединить кабели 75 и 50 Ом, между ними можно поставить рассчитанный соответствующим образом, и вместе с нормированным затуханием можно поправить и степень согласования.
В приемной технике аттенюаторы применяются для исключения перегрузки входных цепей мощными побочными излучениями. В некоторых случаях ослабление мешающего сигнала даже одновременно со слабым полезным сигналом может улучшить качество приема за счёт снижения уровня интермодуляционных помех.
В измерительной технике аттенюаторы могут применяться в качестве развязки — они уменьшают влияние нагрузки на источник эталонного сигнала. Оптические аттенюаторы широко применяются при тестировании приёмо-передающей аппаратуры для волоконно-оптических линий связи. С их помощью моделируют затухание в реальной линии и определяют условия и границы устойчивой связи.
В аудиотехнике аттенюаторы применяются в качестве устройств регулирования мощности. В отличие от потенциометров, они делают это с меньшими потерями энергии. Здесь проще обеспечить плавную регулировку, так как волновое сопротивление не важно – имеет значение лишь ослабление. В телевизионных кабельных сетях аттенюаторы исключают перегрузку входов телевизоров и позволяют сохранить качество передачи независимо от условий приема.
Являясь не самым сложным устройством, аттенюатор находит самое широкое применение в радиочастотных цепях и позволяет решить различные задачи. На СВЧ и оптических частотах эти приборы строят по-другому, и они являются сложными промышленными узлами.
Что такое триггер, для чего он нужен, их классификация и принцип работы
Что такое резистор и для чего он нужен?
Что такое термистор, их разновидности, принцип работы и способы проверки на работоспособность
Что такое операционный усилитель?
Что такое делитель напряжения и как его рассчитать?
Аттенюатор, это особое устройство, необходимое для снижения интенсивности электрических и электромагнитных колебаний. Существенной чертой его работы, является возможность уменьшать мощность или амплитуду сигнала без особого искажения его формы. Аттенюаторы способны понижать интенсивность колебаний:
Этот прибор широко используется в различных сферах деятельности. В частности, аттенюатор применяется в оптических линиях. Во-первых, он позволяет внести в линию заданный уровень ослабления сигнала: это, как правило, необходимо в тех случаях, когда требуется снизить мощность сигнала перед приемником. Также применение этого устройства дает возможность использовать оборудование с одинаковыми характеристиками на линиях с различным затуханием. Во-вторых, оптический аттенюатор используется для стрессового тестирования линии, так как дает возможность имитировать работу сети в различных условиях. Этот способ позволяет проверить стабильность линии и работоспособность оборудования, определить, как будет работать сеть через несколько лет, когда старение излучателей приведет к снижению мощности сигнала. Тестирование может проводиться как в эксплуатационных условиях, так и в лаборатории.
Принцип действия
К основным особенностям применения аттенюатора можно отнести:
Таким образом, аттенюаторы чрезвычайно надежно, выполняют свои функции, не внося искажений в оптический сигнал.
Основные характеристики
При выборе подходящих устройств для вашей сети необходимо обратить внимание на ряд характеристик. Среди них могут быть:
Чтобы рассчитать необходимое затухание, нужно учесть мощность приемо-передающего оборудования и вычесть из него потери на линии.
Основные типы оптических аттенюаторов
Оптические приборы этой категории могут быть фиксированными (постоянными) и переменными (регулируемыми).
Аттенюатор переменного типа позволяет регулировать затухание сигнала в пределах от 0 до 25 децибел с точностью до 0,5 Дб. Для регулировки используется изменение воздушного зазора между торцами ферул соединяемых коннекторов.
Отдельно стоит обратить внимание на перестраиваемый аттенюатор. Такое устройство является довольно сложным, способно работать в широком диапазоне затухания, обладает множеством дополнительных функций, например, способностью сохранять предыдущие настройки, контролировать линейность измерителей мощности и чувствительность фотоприемников, оперативно изменять затухание сигнала. При этом затухание может вноситься различными методами (осевым, радиальным смещением), для чего используются разнообразные фильтры и призмы. Процедура калибровки прибора выполняются автоматически, что делает его работу более точной и быстрой. При работе обеспечивается низкий уровень вносимых потерь.
Прибор такого типа нередко комплектуется ударозащитным кожухом, его питание осуществляется от аккумулятора или батарей. Для большей универсальности устройство комплектуется большим набором коннекторов.
Если стоит выбор, где купить оптические аттенюаторы, выбирайте надёжного поставщика. Компания « АнЛан » занимает лидирующие позиции на рынке РФ с 2007 года. Разумная цена и европейское качество — то, что отличает продукцию компании от других организаций.
Аттенюатор: устройство, сфера применения и преимущества
В процессе разработки схем передатчиков или приемников сигнала часто требуется решать важную задачу умышленно ослабить сигнал возбудителя. Это происходит по различным причинам, но самая распространенная обеспечить заданные рабочие параметры усилителей, смесителей или иных узлов радиоэлектронной аппаратуры. Именно с этой целью и используются аттенюаторы, отвечающие за снижение мощности сигналов на входе нелинейного устройства.
Важно учитывать, что раз перед нами стоит задачи снизить нелинейные искажения, то использование нелинейных элементов (транзисторы или диоды) не имеет смысла. Ключевая цель снизить уровень помех и устранить влияние нежелательных сигналов на нелинейные устройства.
Отметим, что классический аттенюатор это пассивное и не очень сложное по конструкции изделие. Как уже говорилось ранее, его основная задача ослабить сигнал, насколько это возможно, но при этом оставить неизменной его форму. В диапазоне высоких частот устройства используются и в качестве согласующего агрегата. Самый классический и распространенный случай применение прибора в качестве делителя напряжения. Аттенюатор представлен корпусом, внутри которого располагаются микросхемы и конденсаторы. Если стоит задача снижения сигналов, отличающихся амплитудой, обязательно стоит добавить регулируемые приборы или дискретные переключатели в общую схему.
Краткое описание
Самой распространенной разновидностью устройства считается управляемый аттенюатор. Внешне он представляет собой универсальный симплексный соединительный шнур. На практике используется в тех случаях, когда нужно понизить уровень сигнала на оптоволоконной линии. Такие устройства очень популярны на линиях кабельного телевидения, в магистральных и локальных сетях передачи данных, на измерительных пунктах. С помощью аттенюатора сигнала гораздо проще произвести калибровку измерителей мощности, определить и изменить чувствительность приемника.
Большинство управляемых аттенюаторов способно ослаблять сигналы, поступающие в широком диапазоне частот. Максимальный уровень обратных потерь не превышает 70 дБ, что достигается продуманными конструктивными особенностями. К примеру, настенные модели имеют несколько ощутимых преимуществ перед другими конфигурациями прибора:
Сфера и особенности применения
Как показывает практика, входной аттенюатор сигнала это максимально доступный и простой узел приемника. Простая, продуманная и логичная конструкция позволяет выполнять сразу несколько задач. Устройство представлено тремя резисторами, но в некоторых ситуациях дополнительно присутствуют три конденсатора, которые отвечают за качественное разделение сигнала. Самой сложной задачей, поставленной перед специалистами, стал выбор оптимальных параметров затухания.
Официальные документы и руководства по эксплуатации от производителей гласят, что многие современные модели способны дополнительно расширять динамический диапазон приема сигнала приемниками. На практике все обстоит не так радужно, ведь динамический диапазон отличается двумя существенно различающимися друг от друга понятиями. Стандартный приемник может принимать как слабые, так и сильные сигналы, которые обязательно попадут в пропускную полосу фильтра базовой селекции. Если появится хотя бы минимальное усиление, приемник перегрузится.
Если вам необходимо принимать слабые сигналы от заранее известной станции, аттенюатор можно использовать, но это не дает гарантий. Мощные помехи могут серьезно повлиять на тракт высокой частоты, что непременно приведет к перезагрузке и сбоям в работе со стороны оборудования.
Классификация и разновидности
Специалисты выделяют несколько ключевых характеристик, позволяющих разделить устройства на несколько типов. Вот самые распространенные параметры:
По уровню напряжения выделяют низковольтные и высоковольтные устройства. По рабочему частотному диапазону от постоянного тока до светового сигнала. Разновидности использованных элементов очень разнятся: от простых по конструкции катушек, конденсаторов и резисторов до более сложных оптоволоконных приборов или СВЧ.
В процессе эксплуатации важно регулярно проводить поверку аттенюаторов, ведь только полностью исправный прибор защитит приемник от серьезных перегрузок. В ассортименте специализированных магазинов можно встретить специальные универсальные устройства, у которых предусмотрен фиксированный показатель затухания. Не меньшей популярностью пользуются и регулируемые аналоги, где пользователь выставляет рабочие параметры самостоятельно.
Для удобства производители используют маркировки, позволяющие быстро классифицировать используемое устройство. Вот несколько популярных категорий:
Важно! Эталонные и поверочные модели нашли применение в работе экспертов, которые отвечают за проведение метрологической оценки используемых на практике аттенюаторов. Предельные устройства защищают от прохождения через систему сигналов, у которых частота ниже допустимого предела.
Преимущества использования
Современные модели незаменимы при обустройстве качественных и стабильных оптоволоконных систем передачи сигналов. Это обусловлено большим количеством эксплуатационных преимуществ:
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.