مخففات الترددات اللاسلكية - RF Attenuators

يمكن استخدام مخففات التردد الراديوي لمجموعة متنوعة من الأغراض المختلفة في العديد من تصميمات وأنظمة دوائر التردد اللاسلكي، حيث يمكن أن تكون مخففات التردد الراديوي ثابتة أو مبدلة أو حتى متغيرة باستمرار، كما يمكن للمخففات استخدام مجموعة متنوعة من تقنيات تصميم دوائر التردد اللاسلكي المختلفة في بعض المقاومات الثابتة المستخدمة للقيم الثابتة للمخففات والبعض الآخر يتم تبديله وأنواع أخرى قد تكون متغيرة باستخدام تقنية أشباه الموصلات لتحقيق ذلك.

ما هو المخفف – Attenuators؟

تقلل مخففات التردد اللاسلكي من مستوى الإشارة أي أنّها تخفف الإشارة، وعادةً ما يتم تحديد التوهين بالديسيبل وقد تتوفر المخففات الثابتة في مجموعة متنوعة من المستويات، وقد يكون هذا التخفيف مطلوباً لحماية مرحلة الدائرة من استقبال مستوى إشارة مرتفع جداً، كما يمكن استخدام المخفف لتوفير مطابقة ممانعة دقيقة لأنّ معظم المخففات الثابتة توفر ممانعة محددة جيدًا أو يمكن استخدام المخففات في مجموعة متنوعة من المناطق التي تحتاج إلى التحكم في مستويات الإشارة.

مهما كانت التكنولوجيا وتقنيات تصميم الترددات اللاسلكية المستخدمة، ستعمل جميع المخففات على تقليل مستوى الإشارة ومن المدهش أنّ هذا يمكن أن يكون له العديد من المزايا في المواقف المختلفة، وهناك العديد من الاستخدامات لموهنات التردد الراديوي، وعلى الرغم من أنّها قد لا تبدو واضحة دائماً في البداية إلّا أنّها تستخدم على نطاق واسع في تطبيقات تصميم دارات الترددات الراديوية وأنظمة الترددات الراديوية من أنواع مختلفة.

تكون الحاجة لمخففات التردد اللاسلكي لتقليل مستويات الطاقة العالية ونتيجة لذلك قد تحتاج إلى دمج مبدد حراري لضمان إمكانية تبديد الطاقة بشكل مناسب، كما أنّ بعض مخففات التردد الراديوي ذات القدرة العالية تتضمن مبدداً حرارياً لهذا الغرض.

أنواع المخفف RF:

1. الموهن RF الثابت:

إنّ الموهنات الثابتة لها قيمة محددة ولا يمكن تغيير ذلك، وقد تأتي في مجموعة متنوعة من التنسيقات من العناصر الصغيرة المضمنة في تنسيق مشابه لمحولات الموصل إلى تلك الموجودة في الصناديق الصغيرة ذات الموصلات في الأطراف إلى تلك الموجودة في الجهاز، كما يمكن دمج المخففات الثابتة في تصميم دائرة التردد الراديوي نفسه وربما يتم وضعها في تصميم لوحة الدوائر المطبوعة، وهذه المخففات (RF) الثابتة سهلة التصميم ويمكن رؤيتها في العديد من تصميمات الدوائر.

2. موهنات التردد الراديوي المبدلة:

تستخدم موهنات التردد الراديوي المبدلة في أنظمة الاختبار حيث قد يلزم تغيير المستويات، وغالباً ما يُنظر إليها على أنّها مربعات صغيرة بها عدد من المفاتيح مع مفاتيح لتغييرات (1، 2، 4، 8) وتتوافق المستويات مع قيم (2 قوى n) وهذا يستوعب التبديل المستمر مع تبديل وإيقاف تشغيل العناصر المختلفة للمخفف.

يمكن العثور على المخففات المحولة في عناصر معدات الاختبار لتغيير المستويات، فعلى سبيل المثال ناتج مولد الإشارة، كما تُستخدم مخففات التردد الراديوي التي يتم التحكم فيها يدوياً مفاتيح التبديل العادية حتى يتم التحكم فيها، ولكن يمكن للمخففات التي تحتاج إلى التحكم إلكترونياً استخدام مرحلات القصب، على الرغم من إمكانية استخدام صمامات (PIN) الثنائية في كثير من الأحيان.

3. موهنات التردد الراديوي المتغيرة:

عادةً ما تستخدم موهنات التردد الراديوي المتغيرة في التطبيقات التي يلزم فيها تغيير مستوى الإشارة باستمرار، وعادةً ما توفر المخففات المتغيرة تغييراً مستمراً في المستوى عن طريق تغيير الجهد التماثلي على خط التحكم في الإدخال.

تستخدم هذه المخففات المتغيرة عادةً شكلاً من أشكال التحكم في الجهد الذي يعمل على عنصر متغير مثل الصمام الثنائي (PIN) الذي يعمل مع المكونات الإلكترونية الأخرى لتوفير مستوى متغير باستمرار من التوهين، وعادةً ما تُستخدم موهنات التردد الراديوي المتغيرة باستمرار عندما لا تكون الدقة متطلباً أساسياً وحيث يتوفر جهد تماثلي، كما يمكن استخدامها في عناصر تصميم دائرة الترددات الراديوية، مثل حلقات التغذية الراجعة للتحكم في مستوى أو تطبيقات أخرى مماثلة.

يتم استخدام كل نوع مختلف من موهن الترددات اللاسلكية في تطبيقات الدوائر المختلفة، ويمكن أن يوفر الأداء المطلوب، كما يمكن أن يكون مستوى الأداء الذي يمكن تحقيقه مرتفعاً للغاية حيث يتم تصميم أنواع مختلفة من موهن التردد اللاسلكي باستخدام أنواع مختلفة من المكونات الإلكترونية، وعادةً ما يحدد نوع المخفف (RF) نوع المكونات المستخدمة.

4. مخففات التردد الراديوي المقاومة:

تستخدم موهنات المقاومة لتوفير مستويات ثابتة من التوهين حيث يتم استخدام المقاومات الثابتة ويمكن باستخدامها توفير مستويات دقيقة من التوهين حيث أنّ أنواع المقاومة المستخدمة يجب ألّا تكون استقرائية ويجب أن يضمن تخطيط الدائرة عدم تسرب الإشارة عبر كل عنصر.

إذا كانت المستويات بحاجة إلى التنوع، فيمكن تحقيق ذلك من خلال التبديل في أقسام المخفف المختلفة لتوفير المستويات المطلوبة، أمّا عندما تكون هناك حاجة إلى مستويات كبيرة من التوهين فمن الأفضل غالباً تحقيق ذلك باستخدام أكثر من قسم واحد.

5. مخففات الترددات اللاسلكية ذات الصمام الثنائي – PIN:

تُستخدم مخففات الصمام الثنائي (PIN) في تصميمات المخفف حيث يتطلب مستوى متغير باستمرار، كما أنّها تُستخدم على نطاق واسع داخل المخففات المحولة حيث تتيح صمامات (PIN) الثنائية تبديل العناصر المختلفة داخل الدائرة أو خارجها.

6. موهنات FET RF:

يمكن استخدام موهنات (FET) في تصميمات المخفف حيث يتطلب مستوى متغير باستمرار، مثل مخفف الصمام الثنائي (PIN) حيث تستخدم موهنات (FET) جهد تحكم تماثلي للتحكم في مستوى التوهين، كما يمكن استخدامها لتحويل قيم المكونات الإلكترونية المختلفة إلى دائرة لتحقيق المستوى المطلوب من التوهين.

تطبيقات مخفف الترددات اللاسلكية:

• تقليل مستوى الإشارة حيث إنّ المفهوم الأساسي وراء المخفف هو تقليل مستوى الإشارة، وقد يكون مطلوباً للتحكم في المستويات داخل دائرة لإبقائها ضمن النطاق المطلوب، وأحد الاستخدامات الخاصة هو اختبار إشارات التردد اللاسلكي عالية الطاقة، فعلى سبيل المثال في أجهزة الإرسال حيث يلزم خفض مستوى الإشارة قبل إمكانية تطبيقها على عنصر من معدات الاختبار.

• تحسين مطابقة المعاوقة وذلك بحكم طبيعته فإنّ مخفف التردد الراديوي المطابق للمقاومة سوف يحسن مطابقة المعاوقة، كما يمكن أن يكون مفيداً جداً عند تشغيل خلاطات التردد اللاسلكي الحساسة للمطابقة وسيتراجع أدائها إذا شوهد تطابق ضعيف.

• التحكم في المستوى المتغير حيث يمكن استخدام موهنات التردد الراديوي للتحكم في المستوى في ناتج العناصر مثل مولدات الإشارة، ومن الأفضل بكثير أن تكون قادراً على إنشاء مستوى ثابت دقيق من المولد الأساسي ثم استخدام مخففات التبديل لتقليل الإشارة إلى المستوى المطلوب.

تُستخدم مخففات التردد الراديوي على نطاق واسع في تصميمات دوائر التردد الراديوي لأسباب متنوعة حيث من السهل تصميم هذه المخففات واستخدام تقنية تثبيت السطح حيث تكون مستويات الحث الضال منخفضة للغاية ويمكن أن يكون أداؤها جيداً للغاية.

أنواع موهنات التردد الراديوي المبدلة:

1. مخفف التردد الراديوي ذو المقطع المحول:

يمكن تبديل الأقسام المختلفة داخل الدائرة أو خارجها لإعطاء المستوى المطلوب من التوهين، حيث سيكون هناك بعض التسرب عبر المفاتيح، وبالنسبة لمخففات القيمة الأعلى يمكن أن يؤدي ذلك إلى عدم الدقة، ويتبين أنّه إذا كانت العزلة المجمعة لعزل المفاتيح أكبر بمقدار (dB 20) من التوهين المطلوب، فإنّ التسرب عبر المسار القصير المعزول سيغير التوهين بما لا يزيد عن (1 dB).

2. موهنات الترددات الراديوية ذات العناصر المبدلة:

بالنسبة لهذا الشكل من المخفف المحول فيجب أن تتنوع المقاومات الفردية لتوفير مستويات مختلفة من التوهين حيث من الممكن استخدام مفاتيح قياسية لهذا النوع من المخفف، ولكن هناك حاجة إلى ثلاثة مفاتيح حيث يتم استخدام (FETs) عادةً وهذا هو النهج الذي يتم اعتماده غالباً لمخففات التردد اللاسلكي المستخدمة في تنسيقات (MMIC) أو (RFIC).

مواصفات مخفف الترددات اللاسلكية:

1. التوهين:

هذه هي المواصفات الأساسية لمُوهِّن الترددات الراديوية وكل موهِّنات التردد الراديوي سيكون لها هذا كمواصفات أولية حيث إنّها النسبة بين النواتج ومستويات طاقة الإدخال وعادة ما يتم تحديدها بالديسيبل.

2. تبديد الطاقة:

من المحتمل أن يكون مستوى تبديد الطاقة هو ثاني أهم معلمة لمخفف التردد اللاسلكي، ومن أجل تقليل مستوى الإشارة تقوم مخففات التردد الراديوي بتبديد أو امتصاص الطاقة غير المرغوب فيها.

عند الاعتماد على تطبيقات الإشارات صغيرة الحجم فإنّه لا يمثل وجود الطاقة مشكلة ولكن بالنسبة للتطبيقات الأخرى التي تكون مستويات الإشارة أعلى فمن الضروري التأكد من أنّ مُوهن التردد الراديوي سيكون قادراً بشكل مرضٍ على التعامل مع مستويات الطاقة المتوقعة، كما يتم تحديد إمكانات الطاقة لمخففات التردد اللاسلكي بالواط أو ديسيبل حيث يجب التأكد من عدم تجاوز معدل الطاقة وإلّا قد ينتج عن ذلك تلف المخفف، وإذا كانت درجة الحرارة مرتفعةً جداً فقد تتغير مقاومة المخفف بشكل طفيف وتسبب مشكلة.

1. قدرة المخفف:

بعض المخففات لها قيمة ثابتة ويمكن إدخالها بسهولة في نظام التردد اللاسلكي، والبعض الآخر يتم تبديله أو تغييره ويجب استيعاب هذا ضمن التحديد.

2. المعاوقة:

إنّ معظم عمليات نقل طاقة التردد الراديوي يتم إجراؤها لأنظمة (50 درجة) وهو أكثر مستويات الممانعة استخداماً حيث تُستخدم أنظمة (75Ω)، وبالنسبة لبعض التطبيقات المتخصصة، يمكن استخدام مستويات مقاومة أخرى.

3. دقة التوهين:

غالباً ما يكون من الضروري معرفة دقة مستوى التوهين للمخفف، ومن المحتمل أن تكون دقة التوهين مهمة خاصةً في التطبيقات التي يتم فيها اختبار المعدات.

4. استجابة التردد:

يمكن أن يختلف التوهين للمخفف الترددات اللاسلكية مع التردد، كما يمكن أن يَنتج عن التردد للمقاومات أو المكونات الأخرى المستخدمة في موهن مخفف التردد اللاسلكي أو يمكن أن يوجد اقتران بين المدخلات والنواتج لأنّه سيعتمد على التردد، كما يمكن تزويد بعض موهنات التردد الراديوي حيث يكون المستوى المطلق للتوهين مهماً بمخططات معايرة تقيس التوهين المطلق عند ترددات نقطية مختلفة عبر نطاق تردد.

• مواصفات (VSWR) حيث يمكن تضمين مواصفات (VSWR) المرئية في ورقة البيانات حيث يشير إلى الرياضيات التي يوفرها مخفف التردد اللاسلكي، ومن المتوقع أن تتدهور بوتيرة متزايدة حيث يجب التأكد من أنّه يفي بمستوى (VSWR) المطلوب.

• التفاصيل الميكانيكية للمخفف حيث تتضمن التفاصيل الميكانيكية جوانب مثل الحجم والوزن، وقد يتم تضمين الموصلات في هذه المنطقة من مواصفات المخفف.

• التفاصيل البيئية حيث تستخدم العديد من التطبيقات الخاصة بالمخففات في ظروف معينة مثل بيئة المختبر، ولن تكون الظروف البيئية مشكلة بالنسبة لبعض التطبيقات كما من الممكن أن تكون البيئة مطلوبة لتفصيل عوامل مثل الاهتزاز ودرجة الحرارة والرطوبة وما شابه.