FAQ: Mikä on vaimennin?

Tekijä: Mark Blackwood, Pasternackin passiivisten komponenttien tuotepäällikkö

Vahvistimet ovat sähköisiä komponentteja, jotka on suunniteltu pienentämään komponentin läpivirtauksen läpäisevän signaalin amplitudia ilman, että signaalin koskemattomuus heikkenee merkittävästi. Niitä käytetään RF- ja optisissa sovelluksissa. RF-vaimentimia käytetään yleensä elektronisissa piireissä, kun taas optisia käytetään kuituoptiikassa. RF-malleja on periaatteessa kuusi erilaista: kiinteä, portaaton, portaattomasti muuttuva, ohjelmoitava, dc-bias ja dc-blokkaus.

Vaimentimen tärkeimpiä huomioon otettavia teknisiä tietoja ovat desibeleinä (dB) mitattu vaimennus, taajuusalue (MHz), tehonkesto (W) ja impedanssi (ohmia).

Kiinteät vaimentimet

Attenuaattorit koostuvat tyypillisesti resistiivisestä verkosta, joka sallii lämmön haihtumisen tietyllä nopeudella. On olemassa muutama perusasettelu – ”T”-konfiguraatio, ”L”-konfiguraatio ja ”pi”-konfiguraatio. Näillä vakiintuneilla kokoonpanoilla on jo asetetut yhtälöt ja vastusarvot, joita voidaan käyttää ominaisimpedanssin (Z0) saamiseksi taajuusalueella, ja ne tunnetaan myös epätasapainoisina vaimentimina, joissa on epäsymmetriset piirit. Tasapainotettu tai symmetrisen piirin versio ”T”-vaimentimesta tunnetaan nimellä ”H”-konfiguraatio, ja tasapainotettu versio pi-vaimentimesta tunnetaan nimellä ”O”-konfiguraatio.

Kiinteät vaimentimet asetetaan kiinteään ja muuttumattomaan vaimennukseen näillä resistiivisillä verkoilla. Ne sijoitetaan signaalireitteihin vähentämään siirrettävää tehoa. Ne voivat olla pinta-asennettavia, aaltojohtimia tai koaksiaalisia. Sovelluksesta riippuen vaimennin voi olla suuntaava tai kaksisuuntainen. Suuntaava vaimennin voi siirtää signaalia vain sisääntulosta ulostuloon, kun taas kaksisuuntainen vaimennin voi siirtää signaalia molempiin suuntiin. Sirupohjaisessa vaimenninlaitteessa vastus kehitetään lämpöä johtavalle alustalle kerrostettujen eri materiaalien avulla, ja prosessista – paksusta kalvosta tai ohuesta kalvosta – riippuen fyysiset mitat ja käytetty materiaali tuottavat kaikki tietyn vastusarvon. Jatkuvasti muuttuva vaimenninresistanssi voidaan saavuttaa myös järjestämällä resistiivisten sauvojen ja resistiivisten levyjen kokoonpano; silti monet rakennetaan sirujen avulla.

Porrasvaimennin

Porrasvaimentimet ovat pohjimmiltaan kiinteitä vaimentimia, sillä ne ovat edelleen passiivisia komponentteja, jotka koostuvat erilaisista resistiivisistä verkoista tietyn vaimennuksen aikaansaamiseksi. Vaimennusarvo voidaan valita manuaalisen painikkeen tai kiertokytkimen pyörittämisen perusteella. Askelvaimentimet, toisin kuin muuttuvat vaimentimet, voivat tuottaa vaimennusarvon vain ennalta määrättyjen askelten perusteella. Esimerkiksi painonapilla toimiva askelvaimennin voi mennä 0:sta 45,5 dB:iin ja painikkeiden sijoittelusta riippuen sitä voidaan nostaa 0,5 dB:n askelin.

Jatkuvasti muuttuvat vaimenninlaitteet
Jatkuvasti muuttuvia vaimenninlaitteita voidaan säätää manuaalisesti siten, että ne tuottavat minkä tahansa vaimennusarvon määrätyn alueen ja resoluution sisällä. Aktiivisessa portaattomasti muuttuvassa vaimenninlaitteessa kiinteissä vaimenninlaitteissa ja portaallisissa vaimenninlaitteissa olevat vastusverkot on korvattu puolijohdeelementeillä, kuten metallioksidipuolijohdekenttäefektitransistoreilla (MOSFET) tai PIN-diodilla. Tiettyä vaimennusta voidaan muuttaa suuremmalla resoluutiolla ohjaamalla FET:n yli olevaa jännitettä tai diodin yli olevaa virtaa kuin passiivisilla vastusverkoilla. Vaimennusta voidaan ohjata manuaalisesti tai elektronisesti moottorilla tietyn vaimennuksen ylläpitämiseksi.

Ohjelmoitava vaimennin
Ohjelmoitava vaimennin, joka tunnetaan myös nimellä digitaalinen askelvaimennin, on ulkoisella jännitteellä ohjattava komponentti. Tämä ulkoinen ohjaus on yleensä tietokonepohjainen. Niitä ohjataan usein transistori-transistorilogiikkatuloilla (TTL), ja askelkoot ovat tyypillisesti 1, 2, 4, 8, 16 ja 32. TTL-ohjattujen vaimentimien logiikkataso on ”0”, kun tiettyyn vaimentimeen kytketty jännite on alle 1 V, ja logiikkataso on ”1”, kun kytketty jännite on tyypillisesti 3 V tai suurempi. Nämä loogiset tasot ohjaavat SPDT-kytkimiä, jotka yhdistävät eri vaimenninlaitteet signaalipolkuun, joka tuottaa halutun vaimennuksen. Ohjelmoitavien vaimenninten alalla on myös USB-ohjattuja malleja, jotka yksinkertaistavat vaimennin ja tietokoneen yhdistämistä. Usein ne on pakattu vakiintuneen ohjelmiston kanssa, jotta laitteen hallinta on helposti mahdollista.

Dc-läpimenevä vaimennin
DC-varjostuksen vaimennin, joka tunnetaan myös nimellä dc-varjostuksen läpimenevä vaimennin, läpäisee dc:n samalla kun se vaimentaa RF-signaalia. Niissä on yleensä vaimentimen tulossa ja lähdössä kapasitanssi, joka estää dc:tä kulkemasta sen yli, mutta sallii RF-signaalin kulkea – dc-signaali ohittaa vaimentimen toista reittiä pitkin ulostuloon.

Dc:tä estävät vaimentimet
DC:tä estävät vaimentimet ovat samankaltaisia kuin dc:tä estävät vaimentimet sikäli, että ne estävät dc-signaalin; erona on se, että dc:n kulkeutuminen estetään kokonaan ilman, että ulostuloa on menossa komponentin lähtöön. Dc-esto voidaan sijoittaa sarjaan keskijohtimen kanssa, joka tunnetaan myös nimellä ”sisäinen dc-esto” – se voidaan myös sijoittaa sarjaan ulkojohtimen kanssa, joka tunnetaan nimellä ”ulkoinen dc-esto”. On olemassa myös dc-estovaimentimia, joissa on sekä sisempi että ulompi dc-lohko.

Aaltojohdinvaimentimet

Aalto-ohjainvaimentimet vaimentavat RF-signaalia aalto-ohjainjärjestelmässä; tämä tapahtuu tyypillisesti kiinnittämällä resistiivinen kalvo aalto-ohjaimen keskelle. Jatkuvasti muuttuvassa aaltojohdinvaimentimessa käytetään tyypillisesti ruuvia tämän resistiivisen materiaalin säätämiseen aaltojohtimen seinämän toiselta puolelta keskelle; tässä tapauksessa resistiivinen materiaali on muotoiltu siten, että se tuottaa lineaarisen vaihtelun vaimennuksessa. Joissakin aalto-ohjainmalleissa käyttäjä voi syöttää arvon manuaalisesti säätöpyörän avulla tietyn vaimennuksen saamiseksi. Tämä yksinkertaistaa prosessia poistamalla vaiheen, jossa ruuvia ei tarvitse säätää portaattomasti muuttuvassa aaltojohdinvaimentimessa ja jossa vaimennusta on mitattava, kunnes haluttu arvo on saavutettu.

Optiset vaimenninlaitteet
Optiset vaimenninlaitteet vaimentavat valoaaltoja elektroniaaltojen sijasta, joten tämä vaimennin toimii tyypillisesti komponenttina, joka vaimentaa tai haihduttaa valoa. Samoin kuin RF-mallit, on olemassa useita erilaisia optisia malleja, jotka on suunniteltu erityisesti sovellusta varten. Kiinteät optiset vaimentimet käyttävät tyypillisesti seostettuja kuituja tai offset-liitoksia valon hajottamiseen. Muuttuvat optiset vaimenninlaitteet ovat samankaltaisia kuin RF-muuttuvat vaimenninlaitteet ja ohjelmoitavat portaittaiset vaimenninlaitteet, koska niitä voidaan ohjata manuaalisesti tai elektronisesti tietyn vaimennuksen aikaansaamiseksi.

1. http://www.radio-electronics.com/info/rf-technology-design/attenuators/rf-attenuators-basics-tutorial.php
2. http://www.microwaves101.com/encyclopedias/441-switchable-attenuators-microwave-encyclopedia-microwaves101-com#digital
3. http://www.electronics-tutorials.ws/attenuators/attenuator.html
4. http://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt-1/attenuators/
5. http://www.microwaves101.com/encyclopedias/variable-attenuators
6. http://www.rfcafe.com/references/electrical/ew-radar-handbook/attenuators-filters-dc-blocks-attenuators.htm
7. https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_attenuator
8. https://www.nanog.org/meetings/nanog48/presentations/Sunday/RAS_opticalnet_N48.pdf
9. https://www.equipland.com/objects/catalog/product/extras/6234_Jdsu%20Attenuator.pdf
10. http://www.electronics-tutorials.ws/attenuators/attenuator.html
11. http://www.pasternack.com/attenuators-category.aspx
12. http://www.rfwireless-world.com/Terminology/waveguide-microwave-attenuator.html