Attenuatori economici

Per quanto l’amplificazione di un segnale sia la funzione spesso più importante e sfidante per il progettista e sperimentatore, non di rado capita anche la necessità di attenuarlo. Per questo sono disponibili una quantità sterminata di oggetti, chiamati appunto, attenuatori.

Vediamo anzitutto natura e caratteristiche salienti di questi dispositivi spesso poco valutati e descritti.

Notizie generali

Un attenuatore è un dispositivo elettronico che riduce la potenza di un segnale senza distorcerne apprezzabilmente la forma d'onda; è genericamente costituito da una rete resistiva a due porte progettata per indebolire o "attenuare" appunto, la potenza fornita da una sorgente a un livello adatto al carico collegato. Un attenuatore è di fatto l'opposto di un amplificatore, anche se i due funzionano con metodi diversi.

Sono generalmente costituiti da semplici reti di partitori di tensione e vengono utilizzati nei circuiti elettronici solitamente per estendere la gamma dinamica delle apparecchiature di misura regolando i livelli del segnale, per fornire l'adattamento dell'impedenza di oscillatori o amplificatori, per ridurre gli effetti di terminazioni di ingresso/uscita improprie o per fornire semplicemente l'isolamento tra diversi stadi del circuito a seconda dell'applicazione.

Una prima distinzione fra i modelli può essere fatta sul modo in cui variano la loro attenuazione:

• attenuatori fissi: come suggerisce il nome, il valore di attenuazione ha un valore fisso non può essere variato. Questi componenti sono collocati nei percorsi del segnale per ridurre la trasmissione di potenza e sono impostati a un'attenuazione fissa mediante reti resistive (generalmente simmetriche) che seguono una configurazione a T, L o Pi. La loro configurazione può essere in guida d'onda, a montaggio superficiale o coassiale e, a seconda dell'applicazione, possono essere direzionali o bidirezionali.

• attenuatori variabili: si distinguono in due sotto categorie, a variazione continua o a passi (step)

• • Attenuatori variabili con continuità: mentre quelli fissi visti poc'anzi hanno attenuazioni prefissate, quelli a variazione continua possono essere regolati entro un intervallo dato e con una risoluzione specifica per ottenere il valore di attenuazione richiesto. Questi tipi sono generalmente, ma non esclusivamente, dotati di elementi a stato solido come diodi PIN e transistor a effetto di campo a semiconduttore a ossido metallico (MOSFET) e possono essere controllati manualmente o elettronicamente.

  • Attenuatori variabili a passi: sono molto simili a quelli fissi con l’unica differenza che in un queste versioni è possibile selezionare un valore di attenuazione utilizzando un controllo digitale o manualmente tramite pulsanti o un interruttore rotante (commutatore). Le gamme variano in genere da 0 a 40 o 50 dB.

  • Attenuatori programmabili: sono una sottofamiglia di quelli variabili a passi e sono conosciuti anche come attenuatori digitali a gradini. Questi dispositivi possono essere controllati da un segnale esterno inviato magari da un computer. In questo caso, è necessario assicurarsi che il metodo di interfaccia con il controllore, l'intervallo e il passo minimo di commutazione soddisfino i requisiti. La commutazione può essere a stato solido ovvero mediante relè reed. I relè a semiconduttore tendono ad avere una durata ed affidabilità maggiore soprattutto se è richiesto un numero elevato di operazioni di commutazione. Tuttavia, i reed sono oggi molto affidabili e possono spesso gestire livelli di potenza maggiori e offrire minore distorsione rispetto a quelli a stato solido.

Presentate le tipologie di attenuatori disponibili, vediamo ora le loro principali caratteristiche

• Attenuazione: indica la perdita di inserzione del dispositivo e può essere sia un singolo valore (come nel caso di quelli fissi) sia un campo di variazione (attenuatori variabili)

• Impedenza: è l’impedenza tipica e poiché la maggior parte dei trasferimenti di potenza RF avviene in sistemi a 50Ω, questo è il livello di impedenza più utilizzato. Occasionalmente si utilizzano sistemi a 60 e 75Ω e, per alcune applicazioni specialistiche, si possono utilizzare altri livelli di impedenza.

• Precisione dell'attenuazione: spesso è necessario conoscere la precisione del livello di attenuazione, in particolare, nelle applicazioni che prevedono il collaudo di apparecchiature, l'accuratezza dell'attenuazione può essere importante. In questi casi viene indicata una tolleranza sul livello nominale di attenuazione.

• Risposta in frequenza: il livello di attenuazione varia con la frequenza. Ciò può essere causato dalla dipendenza dalla frequenza delle resistenze o di altri componenti utilizzati nell'attenuatore così come dalla sua costruzione e precisione meccanica (parametri parassiti). Alcuni dispositivi per i quali è importante il livello assoluto di attenuazione, possono essere corredati di tabelle di calibrazione che misurano l'attenuazione assoluta a diverse frequenze su una banda di frequenza.

• Potenza: indica il valore massimo del segnale che può essere gestito dal dispositivo senza danneggiarsi o provocare significative modifiche alla forma d’onda del segnale

• VSWR: nella scheda tecnica può essere incluso anche il valore VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) rilevato che naturalmente peggiora con l'aumentare della frequenza. Il VSWR è un rapporto adimensionale che può spaziare con continuità da 1 a infinito e che esprime la quantità di energia riflessa all'ingresso del dispositivo. Un valore pari a uno indica che tutta l'energia passa attraverso il dispositivo, mentre qualsiasi altro valore indica che una parte dell'energia viene riflessa verso la sorgente. Per comodità del lettore, riporto sotto una tabella di conversione fra le varie grandezze:

Una scelta economica

Ovviamente e manco a dirsi, gli attenuatori “buoni” costano. Se non si necessità però di prestazioni da laboratorio metrologico e si rimane confinati in qualche GHz come frequenza di lavoro, ci si può accontentare di qualche prodotto cinese scelto in modo oculato. E’ il caso ad esempio di questa serie di quattro attenuatori reperibile a meno di 4€ (meno di un caffè l’uno), un prezzo invitante. La serie comprende i quattro valori di 0, 10, 20 e 30dB di attenuazione e sono realizzati su un piccolo circuito stampato in fibra di vetro con connettori ​​ SMA e gli attenuatori sono realizzati con una o due celle in cascata di resistori SMD come visibile nelle immagini sottostanti.

10dB	20dB	30dB

Ma funzionano? Sono precisi? Fino a che frequenze si possono impiegare? Vediamo nel seguito di rispondere a queste fondamentali domande.

Vediamo anzitutto le curve di attenuazione da 300kHz a 3GHz:

0dB	10dB
20dB	30dB

Le curve di attenuazione sono più che buone, con uno scostamento su tutto il campo di frequenza rispetto al valore nominale, compreso entro 0,5dB, valore tutt’altro che disprezzabile per la classe degli oggetti e indice sia di una accurata selezione dei valori dei componenti sia di buona costruzione. Vediamo ora come si comportano in termini di adattamento d’impedenza (misurato come Return Loss) misura tipicamente più severa e rivelatrice della qualità degli oggetti.

0dB	10dB
20dB	30dB

La misura del parametro S11 o adattamento, non si smentisce e pone in chiara evidenza i limiti dei dispositivi. Comunque, ponendo come limite per applicazioni generiche di misura i -20dB, il campo di utilizzo si estende dalla continua a oltre 2GHz, valori tutt’altro che disprezzabili.

I 3 GHz sono generalmente raggiunti con almeno 15dB di return loss, anche questo valore compatibile col loro costo e ancora accettabile per molte applicazioni.

Se invece la nostra applicazione (i.e. misura cifra di rumore) richiede un ottimo adattamento, diciamo di 30dB il campo utile si restringe a circa 500MHz, dato comunque più che rispettabile.

Quanto narrato poc'anzi, vale per le “vere” celle di attenuazione, cioè quelle da 10, 20 e 30dB. La piastrina da 0dB mostra invece valori decisamente peggiori. Può sembrare una incongruenza, ma non lo è. Ad esempio se la microstrip che collega i due lati del dispositivo non è bene adattata e ha magari parametri parassiti fortemente dipendenti dalla frequenza, ecco che l’inserzione di buoni elementi resistivi lungo la stessa ne migliora le prestazioni. In buona sostanza i tre attenuatori sono più che validi in paragone al loro costo, mentre il quarto elemento, ad “attenuazione nulla”, ha ben poco senso di esistere e di trovare vera utilità oltre qualche decina di MHz.

Quanta potenza possono sopportare questi attenuatori? Una stima ragionevole può essere derivata osservando le dimensioni dei resistori impiegati in contenitore SMD. Vediamo nella tabella seguente i loro codici, dimensioni e potenze tipiche:

Le resistenze impiegate sono della serie 0805, quindi capaci di sopportare circa 100mW (o +20dBm). Dato però che la potenza perduta non viene dissipata da un singolo componente, è ragionevole ipotizzarne un uso occasionale e per brevi periodi fino a 200-300mW (23-24dBm).

Hacking

Visto che il modulo da 0dB può avere poca utilità e mostra comunque prestazioni mediocri, perché non riutilizzarlo per altri scopi? In fondo è una linea a 50Ohm con due connettori, nulla più. Perché non usarlo come base ad esempio per un filtro? Detto, fatto.. vediamo come.

Ipotizziamo ad esempio di voler realizzare un semplice filtro passo alto del terzo ordine, per escludere le frequenze sotto ai 100MHz. Una sintesi possibile è una cella a T costituita da due capacità da 22pF in serie al segnale e una induttanza da 56nH che collega il loro punto comune con la massa.

Per realizzare questo semplice circuito, occorre anzitutto procurarsi i componenti, preferibilmente in formato SMD per convenienza costruttiva. Non servono versioni particolarmente miniaturizzate, le più comuni e semplici da impiegare 1206 o 0805 andranno più che bene.

Dopodiché non rimane che separare la parte da 0dB dalle altre tre, ripulire un poco il circuito stampato dalla vernice verde di protezione per potervi saldare i componenti e ovviamente, con un piccolo cutter o strumento analogo, tagliare la pista nei due punti in cui inseriremo i condensatori serie.

Il risultato finale lo possiamo vedere nella figura sottostante.

Questo è solo un esempio di riutilizzo di questa sezione, che io trovo onestamente inutile nella sua configurazione originale.

Una nota importante. I connettori SMA sono saldati al circuito tramite tre pin, due per la massa e uno per il segnale. Da un punto di vista elettrico questo è una buona soluzione, ma per le prove che ho eseguite, non reggono la coppia di serraggio tipica degli SMA (attorno agli 0,9nm). Occorre quindi limitare il serraggio a valori inferiori al nominale e agire sui connettori con un poco di delicatezza.

Conclusioni

I dispositivi analizzati si sono rivelati più che validi in rapporto al loro costo ed impiegabili anche nella parte bassa delle microonde. La sezione da 0dB è tutto sommato senza reale utilità, ma può essere facilmente convertita ad altri impieghi. Non mi rimane quindi che augurare buon lavoro e sperimentazione a tutti.

Bibliografia

https://www.globalspec.com/specsearch/searchform/telecommunications_networking/rf_microwave_wireless_components/rf_attenuators

https://www.electronics-notes.com/articles/radio/rf-attenuators/specifications-parameters.php

https://www.pentech.com/know-about-attenuators/

http://www.microcontroller.it/T&T/Elettronica/codicismd.htm

https://it.wikipedia.org/wiki/Tecnologia_a_montaggio_superficiale