UKK: Mikä on vaimennin?

Vaimentimet ovat sähköisiä komponentteja, joiden tarkoituksena on vähentää komponentin läpi kulkevan signaalin amplitudia merkittävästi heikentämättä signaalin eheyttä. Niitä käytetään RF- ja optisissa sovelluksissa. RF-vaimentimia käytetään yleisesti elektronisissa piireissä, kun taas optisia vaimentimia käytetään kuituoptiikassa. RF-suunnitteluja on oleellisesti kuusi erilaista: kiinteät, portaat, jatkuvasti säädettävät, ohjelmoitavat, tasavirta-bias ja tasavirta-estot.

Tärkeitä vaimentimen teknisiä ominaisuuksia ovat vaimennus, joka mitataan desibeleinä (dB), taajuusalue (MHz), tehonkesto (W) ja impedanssi (Ohmit).

Kiinteät heijastimet

Vaimentimet koostuvat tyypillisesti vastusverkosta, joka sallii lämmön hajaantumisen tietyllä nopeudella. On olemassa muutama perusasetelma – ”T”-konfiguraatio, ”L”-konfiguraatio ja ”pi”-konfiguraatio. Näillä vakiintuneilla asetelmilla on jo valmiit yhtälöt ja vastusarvot, joita voidaan käyttää saadakseen ominaisimpedanssin (Z0) usealla taajuusalueella, ja niitä kutsutaan myös epätasapainoisiksi vaimentimiksi epäsymmetrisillä piireillä. Tasapainoinen tai symmetrinen piiri, ”T”-vaimentimen versio, tunnetaan nimellä ”H”-konfiguraatio, ja Pi-vaimentimen tasapainoinen versio tunnetaan nimellä ”O”-konfiguraatio.

On kolme perus epätasapainoista vaimentimen konfiguraatiota: L, Tee ja Pi. Tee- ja Pi-konfiguraatioiden tasapainoiset versiot ovat H ja O. Tasapainoiset konfiguraatiot ovat symmetrisiä vastusverkkoja, kun taas epätasapainoiset ovat epäsymmetrisiä.

Kiinteät vaimentimet on asetettu kiinteään ja muuttumattomaan vaimennukseen näiden resistiivisten verkkojen avulla. Niitä sijoitetaan signaalipolkuun vähentämään lähetettävää tehoa. Ne voivat olla pintaliitos-, aaltoputki- tai koaksiaalityyppejä. Sovelluksen mukaan vaimennin voi olla suunnattu tai kaksisuuntainen. Suunnatussa vaimennyksessä signaali voi kulkea vain syötöstä lähtöön, kun taas kaksisuuntaisessa vaimennyksessä se voi kulkea molempiin suuntiin. Piiripohjaisessa vaimennyksessä resistanssi kehitetään eri materiaaleilla, jotka on pinnoitettu lämpöä johtavalle kantapohjalle, ja riippuen prosessista – paketti- tai ohutkalvoprosessista – fyysiset mitat ja käytetyt materiaalit määrittävät resistanssin arvon. Jatkuvan muuttuvan vaimennuksen resistanssi voidaan myös saavuttaa järjestämällä resistiivisten tankojen ja kiekkojen kokoonpano, vaikka monia niistä valmistetaan edelleen piireillä.

Portaalivaimennin

Vaihevaimentimet ovat periaatteessa kiinteitä vaimentimia, sillä ne ovat edelleen passiivisia komponentteja, jotka koostuvat erilaisista resistiivisistä verkoista tuottamaan tietyn vaimennusarvon. Vaimennusarvo voidaan valita manuaalinäppäimen tai kiertokatkaisijan avulla. Vaihevaimentimet voivat, toisin kuin muuttuvat vaimentimet, tuottaa vain vaimennusarvoja ennalta määriteltyjen vaiheiden mukaan. Esimerkiksi näppäimistöllä varustettu vaihevaimennin voi siirtyä 0–45,5 dB:n ja riippuen painikkeiden asettelusta, sitä voidaan kasvattaa 0,5 dB:n välein.

Jatkuvasti säädettävät vaimentimet

Jatkuvasti säädettävät vaimentimet voidaan säätää manuaalisesti antamaan minkä tahansa vaimennusarvon määritetyn alueen ja resoluution sisällä. Aktiivisessa jatkuvasti säädettävässä vaimentimessa kiinteissä vaimentimissa ja askelvaimentimissa käytettävät vastusverkot on korvattu kiinteillä elementeillä, kuten metallioksidipuolijohdetransistoreilla (MOSFET) tai PIN-diodeilla. Tiettyä vaimennusta voidaan säätää tarkemmin ohjaamalla jännitettä FET:n yli tai diodin läpi kulkevaa virtaa, verrattuna passiivisiin vastusverkkoihin. Vaimennusta voidaan ohjata manuaalisesti tai sähköisesti moottorin avulla ylläpitämään tiettyä vaimennusta.

Ohjelmoitava vaimennin

Ohjelmoitava vaimennin, joka tunnetaan myös nimellä digitaalinen porrastehovahvistin, on ulkoisella jännitteellä ohjattava komponentti. Tätä ulkoista ohjausta käytetään yleisesti tietokoneen avulla. Näitä vaimennimia ohjataan usein transistori-transistori logiikka (TTL) -syötteillä, ja portaiden koot ovat yleensä 1, 2, 4, 8, 16 ja 32. TTL-ohjatut vaimennimet ottavat logiikkatasoarvon '0', kun kyseiseen vaimennimeen johdettu jännite on alle 1 V, ja logiikkatasoarvon '1', kun johdettu jännite on tyypillisesti 3 V tai suurempi. Näillä logiikkatasoilla ohjataan yksinapaisia, kaksinostimisia (SPDT) kytkimiä, jotka yhdistävät eri vaimennimet signaalityössä, joka tuottaa halutun vaimennuksen. Ohjelmoitavien vaimennimien alueella on myös USB-ohjattuja ratkaisuja, joilla yksinkertaistetaan vaimennimen ja tietokoneen yhdistämistä. Usein niiden mukana toimitetaan valmiiksi kehitettyä ohjelmistoa, jolla laitteen hallinta on nopeasti käytettävissä.

Yhtenäisvirtavaimennin

Yhtenäissuuntaustehon vaimentimet, joita kutsutaan myös yhtenäissuuntausvirtaa läpäiseviksi vaimentimiksi, läpäisevät tasavirtaa samalla kun ne vaimentavat radioaalto-signaalia. Niissä on yleensä kapasitanssi vaimentimen syötön ja lähdön puolella, joka estää tasavirran kulkua sen läpi, mutta sallii radioaalto-signaalin kulkeutumisen – tasavirta ohjautuu vaimentimen ohi toiseen polkuun, joka johtaa lähtöön.

Tasavirran estovaimentimet

Tasavirran estovaimentimet muistuttavat tasavirtasuuntausvaimentimia siinä, että ne estävät tasavirtasignaalin kulkua; erotuksena siihen, että tasavirta estetään kokonaan ilman mahdollisuutta siirtyä komponentin lähtöön. Tasavirta-esto voidaan sijoittaa sarjaan keskuskiskon kanssa, jota kutsutaan myös nimellä "sisäinen tasavirta-esto" – se voidaan myös sijoittaa sarjaan ulomman johtimen kanssa, jota kutsutaan nimellä "ulompi tasavirta-esto". On olemassa myös tasavirran estovaimentimia, joissa on sekä sisäinen että ulompi tasavirta-esto.

Aaltoputkivaimentimet

Aaltoputkivaimentimet vaimentavat RF-signaalia aaltoputkijärjestelmässä; tämä toteutetaan yleensä kiinnittämällä vastusfilmiksi keskelle aaltoputkea. Jatkuvasti säädettävä aaltoputkivaimennin käyttää tyypillisesti ruuvia säätämään vastusmateriaalia aaltoputken seinämän toiselta puolelta keskelle; tässä tapauksessa vastusmateriaali on muotoiltu niin, että vaimennus muuttuu lineaarisesti. Joissakin aaltoputkikokoonpanoissa käyttäjä voi syöttää arvon manuaalisesti kierrettävän säätimen avulla saadakseen tietyn vaimennuksen. Tämä yksinkertaistaa prosessia, koska jatkuvasti säädettävän aaltoputkivaimentimen ruuvin säätövaihe ja vaimennuksen mittaaminen haluttuun arvoon asti voidaan ohittaa.

Valokuituvaimentimet

Optiset vaimentimet vaimentavat valoaaltoja eivätkä elektroniaaltoja, joten tällainen vaimennin toimii yleensä komponenttina, joka absorboi tai hajottaa valoa. RF-suunnitelmien tapaan optisiakin suunnitelmia on useita erilaisia, joista jokainen on erityisesti tiettyä sovellusta varten suunniteltu. Kiinteät optiset vaimentimet hyödyntävät yleensä tahdattuja kuituja tai siirrettyjä liitoksia valon hajottamiseen. Säädettävät optiset vaimentimet muistuttavat RF-säädettäviä vaimentimia ja ohjelmoitavia porrastason vaimentimia siinä, että niitä voidaan säätää manuaalisesti tai sähköisesti saadakseen tietyn vaimennuksen.