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Attenuateur de
Puissance de
30dB /
Charge fictive pour DC-500MHz
30dB Power Attenuator / Dummy Load for DC-500MHz
Par/By: Bertrand Zauhar, VE2ZAZ
Voici un atténuateur de
puissance "maison" de 30dB (puissance à l'entrée
divisée par 1000). Cet atténuateur peut accepter
jusqu'à 40W en intermittance (SSB, CW) ou 30W en continu (AM,
FM, FSK). Il couvre le
spectre de 0 à 500MHz avec un ROS de 1.5:1 ou mieux.
L'atténuateur peut aussi servir de charge fictive de 50 Ohms;
pour cette application, la partie du circuit d'atténuation peut
donc être omise où laissée non connectée.
L'intérêt de cet
atténuateur est qu'il couvre les spectres HF, THF et
une partie du spectre UHF (jusqu'à 500MHz) et ce, même
s'il est construit avec des résistances de 2W axiales
régulières et peu coûteuses.
DESCRIPTION DU CIRCUIT ÉLECTRIQUE
L'atténuateur est en fait de
type
"pi" de 50-820-50 Ohms. La partie résistive
dissipant l'essentiel de la
puissance est
faite de 20 résistances de 1k Ohms de 2W connectées en
parallèle. Le tout donne une résistance très
près de 50 Ohms puisque les tolérances des
différentes résistances tendent à s'annuler. Les
résistances devraient préférablement être de
type à composition métallique (métal-oxyde ou
métal-film). Elles ont typiquement une couleur bleue. Des
résistances classiques en composition carbone peuvent être
utilisées, mais elles sont plus grosses et plus longues, ce qui
forcera à agrandir les PCBs. Cela aura comme conséquence
de dégrader légèrement les performances. En tous cas,
assurez-vous de ne pas utiliser de résistances de
puissance faites d'enroulement de fil.
Les résistances de 820 Ohms et de 51 Ohms, quant à elles,
sont de type à "montage en surface" de grosseur 1206 de 125mW.
L'utilisation de ce type de résistance est essentiel pour
obtenir une performance constante en fonction de la fréquence.
Le tout est terminé d'un connecteur BNC femelle
à une extrémité et d'un connecteur SMA femelle
à l'autre. Le BNC sert d'entrée RF de puissance et le
SMA de sortie atténuée. Un condensateur variable vers la masse de 2 à 12 pF et une
inductance de 7nH en série servent à compenser
l'entrée pour les réactances parasites qui
détériorent le ROS à hautes fréquences. Le
schéma électrique suivant résume le tout.
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Here
is a
"homemade" 30dB power attenuator (input power divided by 1000). This
attenuator can take up to 40W intermittently (SSB, CW) or 30W
continuous (AM, FM, FSK). It covers the 0 to 500MHz spectrum with a SWR
of 1.5:1 or better. The attenuator can also serve as a 50 Ohm dummy
load; in this application, the atténuation portion of the
circuit can be omitted or left unconnected.
The
interest
in this attenuator is that it covers the HF and VHF spectrums and part
of
the UHF (up to 500MHz), despite the fact that the unit is built with
affordable regular 2W axial resistors.
ELECTRICAL CIRCUIT DESCRIPTION
The attenuator is
actually of
the "pi" type in a 50-820-50 Ohm configuration. The resistive portion
dissipating most of the power is made of 20 1k Ohm, 2W resistors connected in parallel. The combination gives a resistance very
close to 50 Ohms since the individual resistor tolerances tend to
cancel out. The resistors chosen should preferably be of metallic
composition type (metal-oxyde or metal-film). Typically, they have a
blue-colored body. Classic carbon composition resistors can also
be used, but they are larger and longer; this will force to use larger
PCBs. The consequence will be a
slightly degraded performance. In any case, make sure you do not
use
wirewound resistors.
For their part, the 820 Ohm and 51 Ohm resistors, are of "surface
mounted" type, 1206 size and 125mW rating. Using this type of resistor
is mandatory to achieve a uniform performance as a function of
frequency.
The assembly is completed with a Female BNC on the left-hand side and
a Female SMA on the opposite side. The BNC is used as the input power
port
and the SMA acts as the attenuated output port. A 2-12pF variable
capacitor
connected to ground and a 7nH series inductor are used to compensate
the
input for parasitic reactances that deteriorate the SWR at higher
frequencies.
The electrical schematic below illustrates this.
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Schéma du Circuit / Circuit Schematics
ASSEMBLAGE
Le défi consistait donc à trouver
un
assemblage mécanique qui minimiserait les
réactances non désirées. Il fallait aussi trouver
un moyen de compenser pour les réactances (surtout
inductives) causées par les caractéristiques physique des
résistances axiales.
L'atténuateur est fait de N=20 résistances de 1k Ohms
montées en "sandwich" entre deux plaquettes PCB cuivrées
sur un côté. La face cuivrée des plaquettes est
orientée vers l'extérieur pour pouvoir souder les
résistances. La plaquette PCB inférieure sert de masse.
La plaquette supérieure sert de point commun des
résistances de la terminaison
de puissance 50 Ohms. Les plaquettes sont trouées tel
qu'illustré dans la figure ci-bas. Une mèche
correspondant au diamètre des broches des résistances est
utilisée pour percer les trous. |
ASSEMBLY
The challenge consisted in finding a mechanical assembly that would
minimize undesirable reactances. It was also necessary to find a way to
compensate for reactances (mostly inductive) caused by the physical
characteristics of axial resistors.
The attenuator is made of N=20 1k Ohm resistors mounted in a sandwich
configuration between two single-sided copper PCBs. The copper faces of
the PCB are oriented outside to allow for the resistors to be soldered.
The bottom PCB acts as the ground. The top PCB serves as a common point
for the resistors used in the 50 Ohm power termination. Both PCBs are
drilled
as illustrated on the drawing below. A drill bit corresponding to the
resistor
lead size is used to drill the holes.
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Les connecteurs coaxiaux (BNC et
SMA) ont leur boîtier soudé à la plaquette PCB de
la masse. Le condensateur variable est soudé directement
entre la broche du connecteur BNC et son boîtier. L'inductance en
série est faite d'un bout de fil solide de calibre AWG 20
reliant la broche
centrale du connecteur BNC et la surface de la plaquette PCB
opposée.
La figure suivante montre l'assemblage mécanique.
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Both
coaxial
connectors (BNC and SMA) have their body soldered to the ground PCB.
The variable capacitor is soldered directly between the BNC connector's
center pin and its body. The series inductor is made of a piece of AWG
20 gauge
wire linking the BNC's center pin and the opposite PCB surface. The
following
figure shows the mechanical assembly.
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Cliquer sur le dessin
suivant pour le visualiser /
Click on the following drawing to
visualize it
Une feuille de cuivre mince est
découpée en forme de triangle inversé et
soudée à l'extrémité droite du PCB.
L'utilisation d'une surface conductrice large comme ce triangle
minimise l'inductance série de cette connexion.
A l'extrémité étroite de ce triangle est
soudée la résistance de 820 Ohms. L'autre
extrémité de la résistance est soudée
à la broche centrale du connecteur SMA. La résistance de
51 Ohms est soudée entre cette même broche centrale et le
boîtier du connecteur SMA.
Il est fortement suggéré de reproduire le plus
fidèlement possible les dimensions physiques et aussi d'utiliser
des résistances de puissance similaires. Ceci vous permettra
d'obtenir un rendement similaire à celui montré ici.
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A thin copper foil is cut to an inverted triangular
shape and soldered to the PCB's right-handside extremity. Using a wide
conducting surface like this triangle minimizes the series inductance
in this connection.
The 820 Ohm resistor is soldered at the narrow end of the triangle. The
other resistor extremity is soldered to the SMA's center pin. The 51
Ohm
resistor is soldered between this center pin and the SMA
connector
body.
It is highly suggested to reproduce as accurately as possible the
physical dimensions and also to used similar power resistors. This will
allow you to achieve a performace comparable the the one shown here.
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RENDEMENT
Les deux graphiques qui suivent illustrent les deux
caractéristiques les plus importantes de l'atténuateur,
soit le ROS d'entrée et l'atténuation.
Le premier graphique montre le ROS d'entrée en fonction de la
fréquence pour un atténuateur sans compensation LC
(rouge) et pour un atténuateur avec compensation LC (vert).
Le tout a été mesuré sur un analyseur de
réseau HP8753E.
Visiblement, le circuit LC interagit avec l'impédance du
réseau de résistances à partir de 300MHz environ
et permet de ramener le SWR à un bon niveau. Si pour
l'usager un ROS de 2.0:1 à 450MHz est satisfaisant,
celui-ci peut construire l'atténuateur sans compensation
LC, substituant une feuille
de cuivre en forme de triangle inversé au
circuit LC, tel qu'utilisé sur le circuit de sortie de
l'atténuateur. L'addition du circuit LC permet cependant de
compenser pour les variations mécaniques et electriques
inhérentes à la construction.
Le circuit LC réagit de la sorte: La longueur de l'inductance
série est ajustée pour positionner le creux de ROS aux
environs de 450 MHz; le condensateur variable permet d'ajuster la
profondeur du creux. Notez qu'il est possible d'ajuster le circuit pour
obtenir un creux beaucoup plus profond que celui illustré ici.
Ceci se fera cependant au détriment du ROS entre 200 et 300MHz.
Le deuxième graphique, quant à lui, montre que
l'atténuation obtenue est de 30dB +/- 1dB entre 0 et 600MHz. Notez que l'atténuation est peu affectée
par
des variations de ROS d'entrée. Ceci est valable même sans
circuit LC de compensation.
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PERFORMANCE
The two following diagrams illustrate the two most important
characteristics of this attenuator, namely SWR and attenuation.
The first diagram shows the input SWR as a function of frequency for an
attenuator without LC compensation (red) and with LC compensation
(green).
The measurements were made using a HP8753E network analyser.
Clearly, the LC circuit interacts with the resistors' impedance
starting at around 300MHz and allows to bring the SWR back at
a fair level. If a 2.0:1 SWR is
satisfactory to the user, he/she can build the attenuator without LC
compensation; simply substitute a copper foil cut in a triangular
shape, as it is done on the attenuator's output side. The LC circuit
addition allows though to compensate for the mechanical and electrical
tolerances inherent to construction.
The LC circuit reacts as follows: The series inductor's length is
adjusted to move the SWR notch at around 450MHz; the variable capacitor
allows to adjust
the notch depth. Note that it is possible to adjust the circuit to
obtain
a much deeper notch than the one shown here. This will be achieved at
the
cost of a worse SWR from 200 to 300MHz.
The second diagram shows that the attenuation obtained is 30dB
+/- 1dB between 0 and 600MHz. Note that attenuation is not
significantly affected by variations in SWR. This is true even when LC
compensation is not used.
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Cliquer sur les
graphiques suivants pour les visualiser /
Click on the following plots to
visualize them
Les deux graphiques suivants montrent
le ROS de sortie et
l'impédance d'entrée en fonction de la fréquence.
Le graphique du ROS de sortie montre que l'utilisation de
résistaces de
type à "montage en surface" permet d'obtenir une
impédance de sortie stable jusqu'au dela de 1GHz. La sortie SMA peut donc être aussi utilisée
comme terminaison RF de 50 Ohms jusque dans la spectre micro-ondes.
Le dernier graphique montre l'impédance d'entrée en
fonction de la fréquence pour un atténuateur sans
compensation LC (rouge) et pour un atténuateur avec compensation
LC (vert). Le tout a également été
mesuré sur un analyseur de réseau HP8753E. Nous
pouvons tirer les conclusions suivantes du graphiques:
- L'impédance
apparente est légèrement capacitive en dessous de 400MHz,
mais devient largement inductive au dessus de cette fréquence
(courbe rouge).
- C'est cette
réactance inductive qu'il faut compenser à l'aide du
circuit LC. Le résultat donne la courbe verte.
- Le prix
à payer
pour cette compensation LC est une détérioration
marquée de l'impédance au dessus de 500MHz (courbe verte).
L'optimisation du circuit LC a été conçue en
faisant les étapes suivantes:
- Mesure et
obtention des
paramètres S11 de l'atténuateur à l'aide de
l'analyseur de réseau.
- Introduction
des
paramètres S11 recréant l'atténuateur dans le
logiciel de simulation Ansoft SerenadeSV (disponible gratuitement
à http://www.ansoft.com).
- Addition d'un
circuit LC
dans SerenadeSV et optimisation de L et C par le logiciel pour un ROS
de 1.5:1 ou mieux.
- Implémentation
réelle sur l'atténuateur des valeurs de L et C obtenues
par logiciel.
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The
two following diagrams show the output SWR and the input impedance as a
function of frequency.
The output SWR diagram confirms that using "surface mount" type
resistors provides a stable output impedance up to 1GHz and beyond.
Thus, the SMA output can be used as a 50 Ohm RF termination up to the
bottom end of the microwave spectrum.
The last diagram displays the input impedance as a function of
frequency for an attenuator without LC compensation (red) and with LC
compensation (green).
These measurement were alaso made using a HP8753E network
analyser.
From this diagram, we can draw the following conclusions:
- The
apparent
impedance is lightly capacitive below 400MHz, but becomes heavily
inductive above this frequency.
- It is
this
inductive reactance that is compensated by the LC circuit. The
resulting response is shown as the green curve.
- The price
to pay
for this LC compensation is a drastic deterioration of the impedance
above 500MHz (green curve)
The LC optimisation circuit was found by performing the following steps:
- Measurement
and
capture of the attenuator's S11 parameters using the network analyser,
- Input of
the
S11 parameters (from above) modeling the attenuator into the Ansoft
Serenade SV simulation software (available free of charge at http://www.ansoft.com).
- LC
circuit
addition into SerenadeSV and L / C optimization by software for a 1.5:1
or better SWR.
- Physical
implementation using L and C values provided by software.
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graphiques suivants pour les visualiser /
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visualize them
 
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