Лабораторная 10.2 — Простой аттенюатор

Цель

Научиться рассчитывать простую цепь ослабления сигнала и понимать, почему аттенюатор обязателен в RF/SDR loopback-экспериментах.

Что выполняется

В работе студент:

1. выбирает требуемое ослабление;
2. рассчитывает делитель напряжения;
3. переводит отношение напряжений в дБ;
4. анализирует влияние нагрузки;
5. формулирует ограничения учебного аттенюатора.

Результат

После выполнения работы должны быть получены:

• расчёт номиналов;
• ожидаемое ослабление;
• схема подключения;
• safety conclusion для SDR-стенда.

Подробная техническая часть

Инженерный вопрос

Как безопасно уменьшить уровень сигнала перед приёмником SDR или измерительным входом?

Основная идея

Аттенюатор уменьшает амплитуду сигнала и защищает чувствительные входы от перегрузки или повреждения. В экспериментах SDR ослабление обязательно для прямого кабельного loopback TX–RX.

Простой делитель напряжения

Vout = Vin * R2 / (R1 + R2)

Ослабление в дБ:

A_dB = 20*log10(Vout/Vin)

Пример

Параметр	Значение
R1	9 кОм
R2	1 кОм
Отношение напряжений	0,1
Ослабление	−20 дБ

Практические шаги

1. Выберите требуемое ослабление.
2. Рассчитайте отношение напряжений.
3. Выберите номиналы резисторов.
4. Проверьте влияние импеданса нагрузки.
5. Нарисуйте схему.
6. Измерьте уровни на входе и выходе.
7. Задокументируйте безопасный рабочий диапазон.

Замечания по безопасности

RF-безопасность

Простой делитель напряжения: учебный. Для измерений RF loopback по кабелю, когда важны уровни мощности или согласование импеданса, следует использовать настоящие 50-омные RF-аттенюаторы.

Согласованный 50-омный π-аттенюатор: эталонный расчёт

Делитель напряжения выше не согласован: он работает только на высокоомную нагрузку. Для 50-омного RF-тракта используйте симметричный π-аттенюатор. Сформируйте его идеальные номиналы и бюджет напряжения с нагрузкой:

python blocks/block_10_kicad_and_basic_electronics/python/lab_10_2_rf_passives_design.py \
  --attenuation-db 10 --impedance-ohm 50 --input-dbm -10

Ожидается для 10 дБ: Pi series resistor: 71.151 ohm и Pi shunt resistors: 96.248 ohm each. Бюджет в JSON: на входе -10 dBm = 70,7 мВ ср.кв. на 50 Ом, на выходе -20 dBm = 22,4 мВ ср.кв. Используйте доступные комбинации резисторов, затем измерьте собранную цепь; идеальный расчёт: не сертификат RF-безопасности.

Упражнения

1. Поставьте делитель 9 кОм / 1 кОм из примера перед входом 50 Ом. Нагрузка оказывается параллельно R2, поэтому ослабление становится -45,6 дБ вместо -20 дБ, а источник видит около 9048 Ом вместо 50 Ом (почти полное отражение). Поэтому RF-аттенюаторы рассчитывают на волновое сопротивление системы.
2. Соберите аттенюатор 10 дБ из стандартных номиналов. Расчёт: 68 / 100 Ом дают 9,66 дБ и вход 50,3 Ом (обратные потери 49,6 дБ); 75 / 100 Ом это 10,24 дБ и 52,0 Ом (34,2 дБ); 68 / 91 Ом это 9,85 дБ и 47,7 Ом (32,6 дБ). Что вы выберете и почему согласование на входе часто важнее 0,3 дБ ослабления?
3. Подайте +10 dBm (10 мВт) на идеальный аттенюатор 10 дБ. Входной параллельный резистор рассеивает 5,19 мВт, последовательный: 3,29 мВт, выходной параллельный: 0,52 мВт, и 1,00 мВт доходит до нагрузки. Какой резистор определяет требуемую мощность и какой номинал мощности понадобится для передатчика +30 dBm?

Чек-лист отчёта (расширенный)

• Указано требуемое ослабление.
• Рассчитаны номиналы резисторов.
• Рассчитано ожидаемое отношение напряжений.
• Ослабление переведено в дБ.
• Объяснены ограничения по импедансу нагрузки.
• Объяснено, безопасна ли схема для намеченного эксперимента SDR.

Инженерный вывод

Аттенюатор использует R1 = ____ и R2 = ____, что даёт отношение напряжений ____ и ослабление ____ дБ.
Он подходит / не подходит для планируемого эксперимента SDR, потому что ______.