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打造便宜的短波衰减器

打造便宜的短波衰减器
——简单实用,方法在此
作者:Gary Geissinger,呼号WA0SPM
翻译:LifeWieller
本文已发表于《电子制作》2014年6月刊

衰减掉宝贵的发射功率并不是个好主意,但有时候不得不这么做——比如在新旧电台混合使用时,较旧的电台通常需要较高的输入功率。这种情况通常会在把较旧的电台做为VHF/UHF变频器中频输入时,或短波功放,或在实验室环境中发生。多数示波器,频谱仪,频率计等最大只能承受1W输入功率。此外,在调试非谐振式天线时,衰减器可以防止天线端子承受过大的反向功率。
然而,好的衰减器通常价格不菲。这就是这篇文章的目的——利用普通元器件打造短波衰减器

计算电阻阻值
在几种衰减网络形式中,我个人比较喜欢T型网络衰减器(也称为T-pads)。所有的关于阻值计算的文字和公式都是基于欧姆定律。在这个网络发达的时代,只需要搜索CALCULATING T-PAD VALUES就能找到在线计算器。本文以100W功率,10dB衰减器为例,其他参数的可以参考此电路修改元件取值。当电台输出100W功率时,10dB衰减器能在50欧负载端得到10W功率,两个10dB衰减器级联能得到20dB的衰减,或者说,在50欧负载上得到1W功率。同样,当在电台输出端使用衰减器时,在接收端同样会有衰减——通常操作并不需要。
问题是,阻值计算器只能给出阻值大小,不能计算出每个电阻需要承受的功率。图1给出了10dB,100W衰减器需要的电阻阻值和功率数值。对于R1,因为其和负载串联,输出功率全部要经过R1。对于50欧负载,可计算出功率:
P=I^2R,因此I^2=P/R,或I=(100/50)^0.5=0.71A

在R1上消耗的功率同样可由欧姆定律计算出,P=I^2R。在这个例子中可算出P=2*25.97Ω=52W
由于这是一个线性系统,R3消耗的功率是R1的1/10,即5W。R2上消耗的功率即为总计消耗的功率减去R1 和R3(注:原文为R2,疑为错误)上的功率——33W。图1为我计算出的10dB 衰减器电路参数。

搭建电阻网络
这个衰减器的关键在于使用常见的电阻制作。为了能在射频频率具有衰减效果,电阻必须是纯阻性的。这就意味着线绕电阻不能用于这个电路。碳膜电阻是很好的选择,但是很难买到。即便是标有“非感性”的电阻在40m以上频段也会表现出一定的感性。一个例外是Caddock电阻,它们在VHF频段仍表现纯阻性,但是需要额外的散热器。
碳膜电阻通常可以在火腿聚会、网上或当地电子元件商店买到,或者可以在代理商如Digi-Key或Mouser[www.digikey.com, www.mouser.com]等买到。通常多个电阻并连效果比串联效果好,因为这样可以减小总电抗,而串联总电抗是各个电阻电抗之和。
首先考虑R1。假定使用2W额定功率电阻,则需要26个电阻并联,每个电阻阻值为676欧。这并不是标准阻值,但可以使用680欧电阻。我没有买到680欧电阻,因此使用了750欧电阻。
在焊接将要结束时候,等焊点冷却,然后使用数字电压表(DVM)测量阻值以确定最终并联的电阻个数。你会发现实际使用电阻个数可能和之前计算并不一样。这是因为电阻制造时都会有误差。如果是同一批次的电阻,它们的阻值会偏大或偏小相近数值。对于此类应用,多或少一个电阻都是可以的。对于发射机来说没有什么区别。
R2也以相同方式连接。我使用560欧电阻并联得到R2的阻值。对于R3,因为只有5W耗散功率,只需要3个2W电阻,你应该用标准阻值的电阻连接得到。我用了两个75欧电阻和一个82欧电阻并联。很明显,如果反向连接衰减器,R3会很快烧毁。
当你需要较大的衰减量时,选用多个电阻级联通常会比较容易达到需要的阻值。对于大衰减的衰减器,各级之间增加屏蔽效果会更好。

为什么衰减器不能以标称功率连续工作?
本文叙述的衰减器在单边带模式下断续工作效果最好。连续工作意味着要更加全面考虑电阻散热问题。
有几点需要注意。电阻的额定功率是在周围散热条件良好的情况下标出的。电阻堆叠安装首先就不满足这一条。因此这种情况下额定功率小于单个电阻额定功率之和。在这个设计中,由于电阻的安装方式,实际额定功率会大大小于标称额定功率。此外,电子元件的标称值是在一定环境和使用条件下标出的,元件可靠性会随着使用条件趋向极限而降低。在合理限度内,最好在额定值的一定比例内使用。MIL-STD-975和MIL-HDBK-217可以作为降额标准参考。在开始新设计之前,我通常参考NASA PD-ED-1201标准。上面的标准都可以从网上找到。当然你也可以,例如,选用450V额定耐压电容用于5V电路——永远不会损坏!
图2和图3是电路完成之后的样子。我用了一个有通风口的盒子以便于散热。电阻R1和R3安装在洞洞板上,由固定柱固定在盒子上。电阻和外壳之间留出空隙以便散热。R2的一端用螺丝固定在机壳上。对于短波频段来说,连接导线的要求并不是那么严格。
至于总成本,一共25美元,其中铝合金外壳占大概一半。考虑到市售的功率衰减器价格几乎和一个好的天线相当,这个价格还是很不错的。

本文作者,Gray Geissinger,呼号WA0SPM,是ARRL会员,持有业余高级组执照。Gray在1968年获得第一个呼号。Gray除拥有电子工程硕士学位外,在数学、音乐方面也获得了学位。目前Gray正在攻读纳型机器人方面博士学位。Gray就职于DigitalGlobal公司,一个图像信号处理方面的公司,任首席电子工程师,技术主管。Gray对设计电路,修复古董AM收音机有着浓厚的兴趣。他曾是Army MARS的一名会员,经常在6m波段通联。他的地址是680N Gooseberry Ct,Lafayette,CO 80026,邮箱geissingergary@yahoo.com

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