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Articolo a suo tempo da me scritto, recuperato ora da altro spazio web non più attivo. Un progettino alla portata di tutti, presente tra l'altro su molte edizioni dell'ARRL-Handbook.
L'attenuatore a passi è un accessorio che oltre ad assolvere la sua ovvia funzione di attenuare i segnali provenienti dall'antenna prima che entrino nel front-end del ricevitore (al contrario di quanto accade con gli attenuatori generalmente presenti a bordo di tutti gli RTX in commercio), è utile anche come strumento di laboratorio. Con esso, per esempio, disponendo anche di un generatore di segnale RF sufficientemente preciso, si può testare l'attendibilità dell'S-meter del nostro ricevitore nel misurare l'intensità dei segnali ricevuti.Anche l'autocostruzione di un simile accessorio è molto agevole, trattandosi di un dispositivo che impiega esclusivamente componenti passivi, in particolare resistori, e che non richiede alcuna taratura.La realizzazione di un attenuatore a passi risulta interessante anche da un punto di vista didattico, poiché consente di mettere in pratica e di verificare la generale teoria dei doppi bipoli attenuatori, in questo caso semplificata dal fatto che l'impedenza a monte e quella a valle del dispositivo hanno lo stesso valore, 50 Ohm, praticamente quello delle linee coassiali comunemente utilizzate.In sostanza si tratta di disporre in cascata e con la possibilità di escluderle a piacimento, un certo numero di celle attenuatrici, ciascuna con il proprio valore di attenuazione, fino al raggiungimento dell'attenuazione complessiva desiderata. La cella elementare dell'attenuatore potrà essere del tipo a T o a pi-greco a seconda della disposizione dei tre resistori che la compongono.Per la realizzazione del mio attenuatore, ho scelto un progettino molto conosciuto, pubblicato su qualsiasi ARRL Handbook. Questo è lo schema elettrico:
Esso prevede una attenuazione complessiva di 81 dB mediante l'inserimento di 8 celle, la cui attenuazione è pari rispettivamente a 1, 2, 3, 5, 10, 20, 20, 20 dB. Tutte le celle sono del tipo a pi-greco, il cui schema teorico per il calcolo è il seguente:
Ai fini del calcolo di progetto di un tale tipo di cella attenuatrice, è opportuno introdurre nel discorso la definizione di guadagno in tensione e attenuazione, tra loro legati dalla relazione:
Esplicitando la suddetta relazione rispetto al guadagno, otteniamo:
Si può dimostrare allora che le "autoimpedenze" del circuito in Fig.2, cioè Z11 ( che è l'impedenza vista nella porta 1 del doppio bipolo quando la porta 2 è aperta) e Z22 (che è l'impedenza vista nella porta 2 del doppio bipolo quando la porta 1 è aperta), nonché le impedenze mutue Z12 e Z21 tra ingresso e uscita del doppio bipolo, sono date dalle seguenti equazioni (nel nostro caso, per la simmetria del circuito, abbiamo Z11=Z22 e per la reciprocità Z12=Z21):
Una volta calcolate le suddette impedenze, da queste si risale al calcolo dei componenti della cella attenuatrice attraverso le seguenti formule di progetto:
In definitiva, volendo progettare una cella a PI-greco che abbia un'attenuazione di 20 dB, tramite la formula F.1 avremo che G = 0,1. Quindi, attraverso le formule F.2 , in cui andremo a mettere al posto di Gv il valore ora trovato, calcoleremo i valori delle impedenze della cella:
Z11 = Z22 = 51 Ohm
Z12 = Z21 = 10,1 Ohm
Infine, attraverso le formule F.3, calcoleremo i valori teorici dei componenti della cella:
Za = Zb = 61,1 Ohm
Zc = 247,5 Ohm
Naturalmente, dovendo concretamente realizzare la cella, si tratterà di scegliere i resistori il cui valore di resistenza più si avvicina a quello teorico. Maggiore precisione si vuole ottenere, minore dovrà essere la differenza tra valore teorico e valore commerciale.Trattandosi di un accessorio da usare in radiofrequenza, inoltre, è importante curare la schermatura di ciascuna delle 8 celle e di tutto l'attenuatore nel suo insieme. A tal fine ho utilizzato per la realizzazione del contenitore materiale fenolico ramato, di spessore tale da poter essere agevolmente tagliato e sagomato con delle forbici o con un buon taglierino. Può essere reperito nelle fiere radioamatoriali. Ho scelto questo materiale in quanto mi ha permesso di creare con estrema semplicità e precisione gli 8 fori rettangolari per l'alloggiamento dei commutatori.I resistori da impiegare nell'attenuatore, a rigore, dovrebbero essere del tipo antinduttivo. In realtà, prevedendo di usare l'aggeggio solo sulle HF, vanno benissimo le comuni resistenze a strato di carbone, con l'accortezza di tagliare molto corti i reofori.L'uso che io intendo fare dell'attenuatore è solo come strumento di laboratorio per ricevitori. Non si è, pertanto, posto il problema della potenza massima dissipabile. Le resistenze utilizzate sono state tutte del tipo da 0,5 o 0,25 W. La teoria, in ogni caso, consente di calcolare anche la potenza dissipabile in ciascuna cella di attenuazione.I commutatori utilizzati sono quelli a slitta, due vie due posizioni, dimensioni 10 x 24 mm. Per la connessione col mondo esterno, infine, ho usato due prese coassiali da pannello, tipo PL259.
La costruzione è iniziata con la realizzazione del pannello frontale ed è proseguita con quella delle altre facce del contenitore e dei setti separatori tra le celle. Poiché ogni cella deve comunicare, elettricamente, con quelle adiacenti, ma contemporaneamente esse devono essere ben schermate alla radiofrequenza, ho praticato un minuscolo foro centrale in ciascuno dei 7 setti separatori, di diametro sufficiente a far passare il conduttore rigido in rame, di collegamento tra i commutatori senza che questo entri in contatto con il lato ramato del setto separatore. Per allineare correttamente i fori, durante la saldatura dei setti sul lato interno del pannello frontale ho infilato i setti in uno spiedino di legno, in modo da tenerli perfettamente in posizione durante la saldatura.
Sia i commutatori sia le prese coassiali sono stati poi saldati direttamente sul lato ramato del contenitore. Ho, infine, proceduto al montaggio dei resistori secondo lo schema circuitale prestabilito. Prima di chiudere definitivamente il contenitore, ho voluto testare il comportamento dell'attenuatore al variare della frequenza del segnale in ingresso. Mi sono servito, all'uopo, del solito MFJ259B e del carico fittizio a 50 Ohm, visibili nella seguente foto.
Ho impostato l'MFJ in modalità Impedenza e ho fatto le letture allo strumento al variare della frequenza. Come prevedevo, l'attenuatore resta affidabile in HF, aumentando poi l'impedenza in misura eccessiva man mano che si sale di frequenza. In particolare, quello che segue è l'andamento dell'impedenza al variare della frequenza, rilevato con tutte le celle bypassate (senza alcuna attenuazione):
Inserendo le celle di attenuazione, l'andamento dell'impedenza al variare della frequenza migliora un pò, con una riduzione della reattanza e una resistenza più vicina ai 50 Ohm. Credo che ciò che maggiormente incide sull'impedenza dell'attenuatore a celle disinserite siano i commutatori utilizzati e il conduttore rigido di collegamento tra essi. Forse con una realizzazione più compatta e con conduttori più corti avrei ottenuto un migliore risultato, sotto questo aspetto.Una volta terminata la costruzione dell'attenuatore, l'ho voluto testare utilizzando un carico fittizio a 50 Ohm (anch'esso autocostruito), un voltmetro RF di precisione e il mio universale MFJ259B. In pratica, ho utilizzato l'MFJ259B come sorgente di segnale RF a livello costante (circa 0,5 V su 50 Ohm) e di frequenza impostabile a piacere in un range da 1,8 a 170 Mhz ! In realtà, l'attenuatore autocostruito, per il tipo di commutatori utilizzati e per le modalità costruttive, risulta affidabile al disotto dei 50 Mhz. Ho, dunque, impostato la frequenza del segnale di riferimento, emesso dall'MFJ259B, a 25 Mhz. Subito dopo l'MFJ ho inserito l'attenuatore, utilizzando per la connessione una doppia spina PL259. A valle dell'attenuatore, infine, ho connesso, tramite una seconda doppia spina PL259, il carico fittizio a 50 Ohm. Una volta accesso l'MFJ, ho misurato con il voltmetro RF il valore della tensione RF presente ai capi del carico fittizio al variare del valore di attenuazione imposto tramite gli 8 commutatori dell'attenuatore. In posizione (1), ossia senza alcuna attenuazione, noterete che il valore di tensione RF misurato è stato di 1,3 V, contrariamente al valore noto di 0,5 V garantito dall'MFJ259B. Ciò è dovuto alla non recente calibratura del voltmetro RF, che in pratica, pur conservando un comportamento lineare, fornisce misure superiori al valore reale. Tale difetto, tuttavia, è ininfluente sul tipo di test effettuato, perché si ripercuote in egual misura su tutte le misure e si annulla nel momento in cui si confrontano le misure attraverso la nota formula:dB = 20 x log (V2/V1) Quella che segue è la tabella dei risultati ottenuti con il suddetto test di laboratorio:
Come ulteriore verifica, ho voluto testare l'attenuatore, oltre che in RF, anche in corrente continua. In questo caso, ho usato come sorgente di segnale una volgarissima pila da 1,5 Volt con in serie una resistenza di 50 Ohm. Trattandosi di corrente continua, in questo caso è bastato usare per le misurazioni un comune multimetro digitale. I risultati sono stati i seguenti:
Il valore di tensione in corrispondenza della posizione (1) è di 0,81 V, e non di 1,5 Volt, a causa della caduta di tensione causata dalla resistenza a 50 Ohm posta in serie alla pila, dalla resistenza interna dei commutatori e relativi conduttori di interconnessione utilizzati nell'attenuatore e dal carico fittizio a 50 Ohm.Come si può notare, i risultati ottenuti in entrambi i test confermano in pieno la teoria posta alla base dell'attenuatore autocostruito.
L'attenuatore a passi è un accessorio che oltre ad assolvere la sua ovvia funzione di attenuare i segnali provenienti dall'antenna prima che entrino nel front-end del ricevitore (al contrario di quanto accade con gli attenuatori generalmente presenti a bordo di tutti gli RTX in commercio), è utile anche come strumento di laboratorio. Con esso, per esempio, disponendo anche di un generatore di segnale RF sufficientemente preciso, si può testare l'attendibilità dell'S-meter del nostro ricevitore nel misurare l'intensità dei segnali ricevuti.Anche l'autocostruzione di un simile accessorio è molto agevole, trattandosi di un dispositivo che impiega esclusivamente componenti passivi, in particolare resistori, e che non richiede alcuna taratura.La realizzazione di un attenuatore a passi risulta interessante anche da un punto di vista didattico, poiché consente di mettere in pratica e di verificare la generale teoria dei doppi bipoli attenuatori, in questo caso semplificata dal fatto che l'impedenza a monte e quella a valle del dispositivo hanno lo stesso valore, 50 Ohm, praticamente quello delle linee coassiali comunemente utilizzate.In sostanza si tratta di disporre in cascata e con la possibilità di escluderle a piacimento, un certo numero di celle attenuatrici, ciascuna con il proprio valore di attenuazione, fino al raggiungimento dell'attenuazione complessiva desiderata. La cella elementare dell'attenuatore potrà essere del tipo a T o a pi-greco a seconda della disposizione dei tre resistori che la compongono.Per la realizzazione del mio attenuatore, ho scelto un progettino molto conosciuto, pubblicato su qualsiasi ARRL Handbook. Questo è lo schema elettrico:
Esso prevede una attenuazione complessiva di 81 dB mediante l'inserimento di 8 celle, la cui attenuazione è pari rispettivamente a 1, 2, 3, 5, 10, 20, 20, 20 dB. Tutte le celle sono del tipo a pi-greco, il cui schema teorico per il calcolo è il seguente:
Ai fini del calcolo di progetto di un tale tipo di cella attenuatrice, è opportuno introdurre nel discorso la definizione di guadagno in tensione e attenuazione, tra loro legati dalla relazione:
Esplicitando la suddetta relazione rispetto al guadagno, otteniamo:
Si può dimostrare allora che le "autoimpedenze" del circuito in Fig.2, cioè Z11 ( che è l'impedenza vista nella porta 1 del doppio bipolo quando la porta 2 è aperta) e Z22 (che è l'impedenza vista nella porta 2 del doppio bipolo quando la porta 1 è aperta), nonché le impedenze mutue Z12 e Z21 tra ingresso e uscita del doppio bipolo, sono date dalle seguenti equazioni (nel nostro caso, per la simmetria del circuito, abbiamo Z11=Z22 e per la reciprocità Z12=Z21):
Una volta calcolate le suddette impedenze, da queste si risale al calcolo dei componenti della cella attenuatrice attraverso le seguenti formule di progetto:
In definitiva, volendo progettare una cella a PI-greco che abbia un'attenuazione di 20 dB, tramite la formula F.1 avremo che G = 0,1. Quindi, attraverso le formule F.2 , in cui andremo a mettere al posto di Gv il valore ora trovato, calcoleremo i valori delle impedenze della cella:
Z11 = Z22 = 51 Ohm
Z12 = Z21 = 10,1 Ohm
Infine, attraverso le formule F.3, calcoleremo i valori teorici dei componenti della cella:
Za = Zb = 61,1 Ohm
Zc = 247,5 Ohm
Naturalmente, dovendo concretamente realizzare la cella, si tratterà di scegliere i resistori il cui valore di resistenza più si avvicina a quello teorico. Maggiore precisione si vuole ottenere, minore dovrà essere la differenza tra valore teorico e valore commerciale.Trattandosi di un accessorio da usare in radiofrequenza, inoltre, è importante curare la schermatura di ciascuna delle 8 celle e di tutto l'attenuatore nel suo insieme. A tal fine ho utilizzato per la realizzazione del contenitore materiale fenolico ramato, di spessore tale da poter essere agevolmente tagliato e sagomato con delle forbici o con un buon taglierino. Può essere reperito nelle fiere radioamatoriali. Ho scelto questo materiale in quanto mi ha permesso di creare con estrema semplicità e precisione gli 8 fori rettangolari per l'alloggiamento dei commutatori.I resistori da impiegare nell'attenuatore, a rigore, dovrebbero essere del tipo antinduttivo. In realtà, prevedendo di usare l'aggeggio solo sulle HF, vanno benissimo le comuni resistenze a strato di carbone, con l'accortezza di tagliare molto corti i reofori.L'uso che io intendo fare dell'attenuatore è solo come strumento di laboratorio per ricevitori. Non si è, pertanto, posto il problema della potenza massima dissipabile. Le resistenze utilizzate sono state tutte del tipo da 0,5 o 0,25 W. La teoria, in ogni caso, consente di calcolare anche la potenza dissipabile in ciascuna cella di attenuazione.I commutatori utilizzati sono quelli a slitta, due vie due posizioni, dimensioni 10 x 24 mm. Per la connessione col mondo esterno, infine, ho usato due prese coassiali da pannello, tipo PL259.
La costruzione è iniziata con la realizzazione del pannello frontale ed è proseguita con quella delle altre facce del contenitore e dei setti separatori tra le celle. Poiché ogni cella deve comunicare, elettricamente, con quelle adiacenti, ma contemporaneamente esse devono essere ben schermate alla radiofrequenza, ho praticato un minuscolo foro centrale in ciascuno dei 7 setti separatori, di diametro sufficiente a far passare il conduttore rigido in rame, di collegamento tra i commutatori senza che questo entri in contatto con il lato ramato del setto separatore. Per allineare correttamente i fori, durante la saldatura dei setti sul lato interno del pannello frontale ho infilato i setti in uno spiedino di legno, in modo da tenerli perfettamente in posizione durante la saldatura.
Sia i commutatori sia le prese coassiali sono stati poi saldati direttamente sul lato ramato del contenitore. Ho, infine, proceduto al montaggio dei resistori secondo lo schema circuitale prestabilito. Prima di chiudere definitivamente il contenitore, ho voluto testare il comportamento dell'attenuatore al variare della frequenza del segnale in ingresso. Mi sono servito, all'uopo, del solito MFJ259B e del carico fittizio a 50 Ohm, visibili nella seguente foto.
Ho impostato l'MFJ in modalità Impedenza e ho fatto le letture allo strumento al variare della frequenza. Come prevedevo, l'attenuatore resta affidabile in HF, aumentando poi l'impedenza in misura eccessiva man mano che si sale di frequenza. In particolare, quello che segue è l'andamento dell'impedenza al variare della frequenza, rilevato con tutte le celle bypassate (senza alcuna attenuazione):
Inserendo le celle di attenuazione, l'andamento dell'impedenza al variare della frequenza migliora un pò, con una riduzione della reattanza e una resistenza più vicina ai 50 Ohm. Credo che ciò che maggiormente incide sull'impedenza dell'attenuatore a celle disinserite siano i commutatori utilizzati e il conduttore rigido di collegamento tra essi. Forse con una realizzazione più compatta e con conduttori più corti avrei ottenuto un migliore risultato, sotto questo aspetto.Una volta terminata la costruzione dell'attenuatore, l'ho voluto testare utilizzando un carico fittizio a 50 Ohm (anch'esso autocostruito), un voltmetro RF di precisione e il mio universale MFJ259B. In pratica, ho utilizzato l'MFJ259B come sorgente di segnale RF a livello costante (circa 0,5 V su 50 Ohm) e di frequenza impostabile a piacere in un range da 1,8 a 170 Mhz ! In realtà, l'attenuatore autocostruito, per il tipo di commutatori utilizzati e per le modalità costruttive, risulta affidabile al disotto dei 50 Mhz. Ho, dunque, impostato la frequenza del segnale di riferimento, emesso dall'MFJ259B, a 25 Mhz. Subito dopo l'MFJ ho inserito l'attenuatore, utilizzando per la connessione una doppia spina PL259. A valle dell'attenuatore, infine, ho connesso, tramite una seconda doppia spina PL259, il carico fittizio a 50 Ohm. Una volta accesso l'MFJ, ho misurato con il voltmetro RF il valore della tensione RF presente ai capi del carico fittizio al variare del valore di attenuazione imposto tramite gli 8 commutatori dell'attenuatore. In posizione (1), ossia senza alcuna attenuazione, noterete che il valore di tensione RF misurato è stato di 1,3 V, contrariamente al valore noto di 0,5 V garantito dall'MFJ259B. Ciò è dovuto alla non recente calibratura del voltmetro RF, che in pratica, pur conservando un comportamento lineare, fornisce misure superiori al valore reale. Tale difetto, tuttavia, è ininfluente sul tipo di test effettuato, perché si ripercuote in egual misura su tutte le misure e si annulla nel momento in cui si confrontano le misure attraverso la nota formula:dB = 20 x log (V2/V1) Quella che segue è la tabella dei risultati ottenuti con il suddetto test di laboratorio:
Come ulteriore verifica, ho voluto testare l'attenuatore, oltre che in RF, anche in corrente continua. In questo caso, ho usato come sorgente di segnale una volgarissima pila da 1,5 Volt con in serie una resistenza di 50 Ohm. Trattandosi di corrente continua, in questo caso è bastato usare per le misurazioni un comune multimetro digitale. I risultati sono stati i seguenti:
Il valore di tensione in corrispondenza della posizione (1) è di 0,81 V, e non di 1,5 Volt, a causa della caduta di tensione causata dalla resistenza a 50 Ohm posta in serie alla pila, dalla resistenza interna dei commutatori e relativi conduttori di interconnessione utilizzati nell'attenuatore e dal carico fittizio a 50 Ohm.Come si può notare, i risultati ottenuti in entrambi i test confermano in pieno la teoria posta alla base dell'attenuatore autocostruito.
Tnx
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