В чём разница между СВЧ-аттенюатором и СВЧ-нагрузкой?

СВЧ-аттенюатор и СВЧ-нагрузка содержат резистивные элементы, согласуются с высокочастотным трактом и преобразуют часть электрической энергии в тепло. Из-за этого устройства иногда считают взаимозаменяемыми.

Главное различие заключается в назначении и количестве портов:

• аттенюатор — двухпортовое проходное устройство, которое уменьшает уровень сигнала и передаёт его дальше;
• оконечная нагрузка — однопортовое устройство, которое завершает линию и поглощает поступающую мощность.

У обычной нагрузки нет рабочего выхода. У аттенюатора выход есть, и к нему необходимо подключить согласованное устройство: измерительный прибор, приёмник, следующий каскад или отдельную нагрузку.

Что такое СВЧ-аттенюатор

Аттенюатор предназначен для контролируемого ослабления сигнала при сохранении заданного волнового сопротивления по входу и выходу.

У него есть два порта:

1. Вход.
2. Выход.

Часть мощности преобразуется в тепло внутри устройства, а оставшаяся часть поступает на выход.

Аттенюаторы применяются для:

• защиты входов измерительных приборов;
• согласования уровней между каскадами;
• расширения диапазона измерения мощности;
• задания известного ослабления;
• развязки генератора и нагрузки;
• улучшения согласования;
• проверки чувствительности приёмника;
• моделирования затухания радиоканала;
• построения измерительных стендов.

Что такое СВЧ-нагрузка

Оконечная СВЧ-нагрузка предназначена для согласованного завершения линии передачи.

У неё только один рабочий порт. Поступившая энергия поглощается резистивным элементом и превращается преимущественно в тепло. Небольшая часть мощности отражается из-за неизбежного рассогласования реального устройства.

Нагрузку применяют:

• вместо антенны при проверке передатчика;
• на выходе усилителя мощности;
• для завершения свободного порта делителя;
• на изолированном порте направленного ответвителя;
• при испытании кабельных линий;
• в калибровочных комплектах;
• для завершения неиспользуемых входов и выходов;
• в нагрузочных испытаниях генераторов.

Основное различие

Как работает аттенюатор

Ослабление определяется отношением входной и выходной мощностей:

A = 10 lg (P_вх / P_вых),

где:

• A — ослабление, дБ;
• P_вх — входная мощность;
• P_вых — выходная мощность.

Выходная мощность:

P_вых = P_вх · 10^−A/10.

Например, при входной мощности 100 Вт и ослаблении 20 дБ:

P_вых = 100 · 10^−20/10 = 1 Вт.

Аттенюатор передаст на выход 1 Вт, а остальную мощность рассеет:

P_расс = P_вх − P_вых.

Следовательно:

P_расс = 100 − 1 = 99 Вт.

Аттенюатор должен выдерживать входную мощность 100 Вт и рассеивать приблизительно 99 Вт при заданных условиях охлаждения.

Как работает нагрузка

Идеальная нагрузка имеет сопротивление, равное волновому сопротивлению тракта, например 50 Ом. При полном согласовании вся падающая мощность поглощается.

Реальная нагрузка отражает небольшую часть сигнала. Модуль коэффициента отражения связан с КСВН:

|Γ| = (КСВН − 1) / (КСВН + 1).

Доля отражённой мощности:

P_отр / P_пад = |Γ|².

Поглощённая мощность:

P_погл = P_пад (1 − |Γ|²).

Например, при КСВН 1,5:

|Γ| = (1,5 − 1) / (1,5 + 1) = 0,2.

Доля отражённой мощности:

|Γ|² = 0,2² = 0,04 = 4%.

Если падающая мощность равна 100 Вт, то:

P_отр = 100 · 0,04 = 4 Вт, P_погл = 100 − 4 = 96 Вт.

Таким образом, нагрузка поглотит около 96 Вт и отразит около 4 Вт.

Ослабление и согласование — не одно и то же

У аттенюатора главным параметром является коэффициент передачи или ослабление. У нагрузки главным параметром становится коэффициент отражения.

Для аттенюатора важны S-параметры:

• S₂₁ — передача от входа к выходу;
• S₁₂ — обратная передача;
• S₁₁ — отражение по входу;
• S₂₂ — отражение по выходу.

Ослабление в прямом направлении:

A = −20 lg |S₂₁|.

У однопортовой нагрузки нет параметра S₂₁, поскольку отсутствует второй порт. Для неё определяют преимущественно S₁₁, КСВН или возвратные потери.

Возвратные потери:

RL = −20 lg |Γ|.

Чем больше возвратные потери и чем ближе КСВН к единице, тем лучше нагрузка согласована с трактом.

Что происходит с мощностью

В аттенюаторе

Входная мощность делится на:

• мощность, переданную на выход;
• мощность, рассеянную внутри;
• небольшую отражённую составляющую.

В упрощённом согласованном случае:

P_вх ≈ P_вых + P_расс.

В нагрузке

Полезного выходного сигнала нет. Мощность делится на:

• поглощённую;
• отражённую.

P_пад = P_погл + P_отр.

Именно это различие определяет назначение устройств.

Можно ли использовать аттенюатор вместо нагрузки

Сам по себе двухпортовый аттенюатор не заменяет оконечную нагрузку. Его выход необходимо завершить согласованным сопротивлением.

Правильная схема:

Источник сигнала → аттенюатор → согласованная нагрузка.

В такой цепи источник видит согласованный вход аттенюатора, а прошедшая мощность поглощается выходной нагрузкой.

Если оставить выход аттенюатора разомкнутым или замкнуть его накоротко:

• возникнет отражение;
• изменится входное согласование;
• фактическое ослабление перестанет соответствовать номиналу;
• могут появиться стоячие волны;
• увеличится нагрузка на источник;
• результаты измерений станут недостоверными.

При большом ослаблении влияние выходного рассогласования на вход может уменьшаться, но это не делает работу без нагрузки штатной.

Пример использования аттенюатора с нагрузкой

Передатчик выдаёт 100 Вт. Требуется получить безопасный сигнал для измерителя мощности. Используется аттенюатор на 30 дБ.

Выходная мощность:

P_вых = 100 · 10^−30/10 = 0,1 Вт.

Аттенюатор рассеивает:

P_расс = 100 − 0,1 = 99,9 Вт.

Следовательно, необходимо проверить:

• аттенюатор выдерживает входную мощность 100 Вт;
• он способен рассеивать около 99,9 Вт;
• измеритель или выходная нагрузка выдерживает не менее 0,1 Вт;
• все элементы рассчитаны на требуемую частоту;
• входы и выходы имеют одинаковое волновое сопротивление.

Если вместо измерителя подключена согласованная нагрузка, она поглотит оставшиеся 0,1 Вт.

Можно ли использовать нагрузку вместо аттенюатора

Обычная оконечная нагрузка не имеет выхода, поэтому получить от неё ослабленный проходной сигнал нельзя.

Она может заменить антенну или завершить тракт, но не способна передать часть сигнала следующему устройству.

Для одновременного поглощения основной мощности и получения измерительного сигнала применяют:

• мощный аттенюатор с выходом;
• направленный ответвитель и нагрузку;
• измерительную нагрузку со встроенным отбором;
• проходной измеритель мощности;
• делитель мощности с согласованным завершением портов.

Нагрузка со встроенным измерительным выходом является комбинированным устройством. Её нельзя автоматически приравнивать к обычной однопортовой нагрузке.

Эквивалент антенны

При проверке передатчика нагрузка часто используется как эквивалент антенны. Она позволяет подавать полную мощность без намеренного излучения сигнала в эфир.

Типовая схема:

Передатчик → измеритель проходящей мощности → СВЧ-нагрузка.

При необходимости анализа спектра между передатчиком и нагрузкой устанавливают направленный ответвитель:

Передатчик → направленный ответвитель → нагрузка.

К ослабленному порту ответвителя подключают анализатор спектра или измеритель мощности.

Обычная нагрузка сама по себе не предоставляет сигнал для измерения спектра. Подключать анализатор непосредственно вместо мощной нагрузки нельзя, если выходная мощность превышает допустимый уровень прибора.

Защита измерительного оборудования

Для защиты входа анализатора спектра, измерителя мощности или приёмника используют аттенюатор.

Сначала определяют максимально возможную мощность источника и допустимую мощность прибора.

Минимальное ослабление:

A_min = 10 lg (P_max / P_доп).

Например, источник выдаёт 10 Вт, а прибор допускает не более 10 мВт:

A_min = 10 lg (10 / 0,01) = 30 дБ.

Выбирать аттенюатор ровно на 30 дБ рискованно. Необходимо учитывать:

• погрешность ослабления;
• превышение мощности источника;
• частотную неравномерность;
• переходные процессы;
• запас безопасности.

СВЧ-нагрузка для такой задачи не подходит, поскольку у неё нет выходного сигнала.

Развязка каскадов

Аттенюатор способен уменьшить влияние рассогласования между источником и нагрузкой.

Если двухпортовый аттенюатор имеет ослабление 2A (двукратное), отражённый от выхода сигнал проходит через него дважды: в обратном и прямом направлениях. Поэтому влияние выходного отражения на вход уменьшается приблизительно на величину двойного ослабления, если не учитывать собственное рассогласование аттенюатора.

Например, аттенюатор на 10 дБ может заметно улучшить развязку между генератором и нестабильной нагрузкой.

Оконечная нагрузка такую функцию между двумя работающими каскадами выполнять не может, поскольку завершает тракт.

Основные разновидности аттенюаторов

Фиксированные

Обеспечивают постоянное номинальное ослабление, например:

• 3 дБ;
• 6 дБ;
• 10 дБ;
• 20 дБ;
• 30 дБ;
• 40 дБ.

Они отличаются простой конструкцией и стабильностью.

Ступенчатые

Позволяют устанавливать ослабление дискретными шагами. Используются при настройке чувствительности и лабораторных измерениях.

Программируемые

Управляются электрическими или цифровыми командами. Применяются в автоматизированных испытательных системах.

Мощные

Рассчитаны на рассеивание значительной мощности и могут иметь воздушное или жидкостное охлаждение.

Основные разновидности нагрузок

Маломощные согласованные нагрузки

Используются для завершения измерительных портов, делителей и ответвителей.

Прецизионные нагрузки

Входят в калибровочные комплекты и обладают точно определёнными характеристиками отражения.

Прецизионная калибровочная нагрузка обычно не рассчитана на большую мощность.

Мощные нагрузки

Применяются вместо антенны, на выходах передатчиков и усилителей. Они могут иметь радиатор, вентилятор или жидкостное охлаждение.

Волноводные нагрузки

Предназначены для завершения волноводного тракта и выбираются по типоразмеру волновода, диапазону частот и фланцу.

Отличия по допустимой мощности

У аттенюатора необходимо учитывать:

• максимальную входную мощность;
• мощность, рассеиваемую внутри;
• мощность на выходе;
• допустимую мощность выходного устройства.

У нагрузки проверяют:

• падающую мощность;
• отражённую мощность;
• фактически поглощаемую мощность;
• продолжительность работы;
• условия охлаждения.

Мощность, указанная в паспорте, может относиться к определённой температуре, ориентации корпуса и режиму вентиляции.

Непрерывная и импульсная мощность

Средняя мощность не описывает полностью импульсный режим.

Для прямоугольной последовательности импульсов:

P_ср = P_пикD.

где:

• P_ср — средняя мощность;
• P_пик — пиковая мощность;
• D — коэффициент заполнения.

Коэффициент заполнения:

D = τ / T,

где:

• τ — длительность импульса;
• T — период повторения.

И аттенюатор, и нагрузка должны выдерживать:

• пиковую мощность;
• среднюю мощность;
• энергию одного импульса;
• длительность импульса;
• частоту повторения.

Модель, рассчитанная на 100 Вт непрерывной мощности, не обязательно выдерживает импульс 10 кВт.

КСВН аттенюатора и нагрузки

Для нагрузки КСВН непосредственно характеризует качество завершения линии.

Для аттенюатора КСВН оценивают отдельно по входу и выходу. Выход при этом должен быть согласован.

Повышенный КСВН может быть вызван:

• работой вне частотного диапазона;
• повреждением соединителя;
• перегревом;
• плохим контактом;
• неправильной установкой;
• повреждением резистивного элемента;
• несоответствием сопротивления 50 и 75 Ом.

Что выбрать для конкретной задачи

Совместное применение

Аттенюатор и нагрузка часто используются вместе.

Проверка передатчика

Схема:

Передатчик → аттенюатор → нагрузка.

Аттенюатор поглощает основную часть мощности, а нагрузка завершает выход.

Направленный ответвитель

Схема:

Источник → ответвитель → нагрузка.

Измерительный порт ответвителя также может требовать аттенюатора для защиты прибора.

Каскад аттенюаторов

Несколько аттенюаторов позволяют получить требуемое суммарное ослабление:

A_Σ = A₁ + A₂ + … + A_n.

Но последний выход всё равно должен быть согласован.

Правильное подключение

Перед подключением аттенюатора или нагрузки необходимо:

1. Выключить источник сигнала.
2. Проверить волновое сопротивление.
3. Сверить рабочий диапазон частот.
4. Рассчитать непрерывную и импульсную мощность.
5. Проверить тип и состояние соединителей.
6. Определить вход и выход аттенюатора.
7. Подключить выход аттенюатора к согласованному устройству.
8. Обеспечить требуемое охлаждение.
9. Подавать мощность постепенно.
10. Контролировать отражённую мощность и температуру.

Если аттенюатор или нагрузка имеют принудительное охлаждение, его запускают до подачи ВЧ-мощности.

Типичные ошибки

При выборе и подключении устройств часто допускают следующие ошибки:

1. Считают аттенюатор и нагрузку взаимозаменяемыми.
2. Оставляют выход аттенюатора разомкнутым.
3. Подключают нагрузку вместо измерительного прибора и ожидают получить выходной сигнал.
4. Выбирают устройство только по мощности.
5. Не проверяют волновое сопротивление.
6. Игнорируют частотный диапазон.
7. Не учитывают КСВН.
8. Путают ослабление с возвратными потерями.
9. Не рассчитывают мощность на выходе аттенюатора.
10. Перегружают прибор остаточным сигналом.
11. Используют калибровочную нагрузку как мощный эквивалент антенны.
12. Не учитывают импульсную мощность.
13. Подключают однонаправленный мощный аттенюатор наоборот.
14. Не включают систему охлаждения.
15. Используют повреждённые соединители.

Заключение

СВЧ-аттенюатор и СВЧ-нагрузка выполняют разные функции.

Аттенюатор имеет вход и выход. Он ослабляет сигнал, рассеивает часть мощности и передаёт оставшуюся мощность следующему устройству.

СВЧ-нагрузка имеет один рабочий порт. Она завершает линию и поглощает поступившую мощность, не формируя проходного выходного сигнала.

Аттенюатор нельзя использовать без согласованного завершения выхода. Нагрузка не может заменить аттенюатор, если требуется получить ослабленный сигнал.

При выборе необходимо учитывать:

• назначение устройства;
• ослабление или КСВН;
• волновое сопротивление;
• диапазон частот;
• среднюю и импульсную мощность;
• тип соединителей;
• направление подключения;
• условия охлаждения.

Специалисты ЭРКОН помогут подобрать СВЧ-аттенюатор, оконечную нагрузку или их комбинацию для измерительного стенда, передатчика и усилителя мощности. Для подбора желательно указать диапазон частот, входную мощность, требуемое ослабление, сопротивление тракта, тип сигнала, соединители и продолжительность работы.