Step Attenuator (stappen verzwakker)

Op de website van PI4UTR zijn veel zelfbouw projecten te vinden ter inspiratie. Sommige zijn vrij complex om na te bouwen, maar hieronder volgt een zeer laagdrempelig voorbeeld, gebouwd en beschreven door Jeroen/PA1JRN. Ondanks de eenvoud is het toch een hele handige tool voor in de shack, of voor in het veld tijdens bijvoorbeeld het vossenjagen.

Wat doet deze Step Attenuator?

Een step attenuator is letterlijk het tegenovergestelde van een hoogfrequent versterker. Vaak wil je juist meer hoogfrequent signaal, maar het kan om diverse redenen ook voorkomen dat je juist minder hoogfrequent signaal wenst. Daarvoor is dit kastje ontworpen. Het heeft een 50 Ohm coaxiale input en een 50 Ohm coaxiale output, in dit geval in de vorm van BNC connectoren. Maar als je wilt gaan nabouwen kan bijvoorbeeld PL259, N-type of SMA ook gekozen worden. Als alle schakelaars in de OFF stand staan, dan komt er aan de output (nagenoeg) hetzelfde signaal uit als wat je er aan de input aanbied. Met de schakelaars kun je vervolgens de gewenste verzwakking kiezen. De huidige keuzes bestaan uit:

  • 1dB (bijna geen verzwakking)
  • 3dB (2 x verzwakking)
  • 6dB (4 x verzwakking)
  • 10dB (10 x verzwakking)
  • 20dB (100 x verzwakking)

Enkele weetjes:

  1. De input en output kunnen ook omgewisseld worden, de richting van het signaal maakt niet uit.
  2. De printplaat is volledig passief en analoog. Er is geen voedingsspanning nodig, en er draait geen software in.
  3. Het is niet de bedoeling dat je door deze step attenuator gaan zenden. Enkele tientallen milliwatts gaat wel goed, maar bij meer vermogen zullen al snel de weerstanden in rook opgaan, en kort daarna de zender.
  4. Je kunt meerdere stages tegelijk aanzetten. 6dB plus 10dB is in de praktijk dus werkelijk en zeer nauwkeurig 16dB. Er is echter wel een grens, een verzwakking van meer dan 30 dB (1000 x!) is niet goed mogelijk. Dan zie je dat de radiogolven over gaan stralen en het apparaat niet betrouwbaar meer is.

Het ontwerp proces

De step attenuator is al vaak gebouwd door amateurs. Meestal zwevend op een printplaatje in een tinnen blikje. Dit is een prima methode, maar soms wil het oog ook wat en zwevende sporen hebben een onduidelijke impedantie, terwijl een 50 Ohm impedantie gewenst is voor een zo vlak mogelijke frequentie response. En tegenwoordig hoeft een professioneel printplaatje niet veel meer te kosten.

Stap 1 is het tekenen van het schema. Hier zijn 5 ‘stages’ gekozen, elke bestaand uit een pie-weerstandsnetwerkje. Meer of minder stages zijn naar voorkeur ook mogelijk, en ook de verwakkerwaardes ben je vrij om zelf te kiezen. De waardes van de weerstanden zijn niet zomaar willekeurig gekozen, maar nauwkeurig berekend. Gelukkig hoef je dit niet zelf te doen, maar kun je hiervoor deze site gebruiken (bedankt Marcel/PA3AUV voor de tip). Als dit te ingewikkeld is kun je ook onderstaand tabelletje van Jeroen gebruiken. Als je dit toepast, dan is de verzwakking exact wat je verwacht, en blijft de in- en uitgangsimpedantie 50 Ohm. Let op de schakelaars. Deze moeten van het type SPDT (Single Pole, Double Throw) zijn. De weerstanden bij voorkeur metaalfilm.

Tabel voor weerstandswaarde keuze

Schema door PA1JRN

Als het schema klaar is, dan kun je zwevend gaan bouwen, of (wat professioneler) de layout gaan tekenen.  Als je ervoor kiest om een PCB te laten maken, let er dan op dat de RF sporen niet een willekeurige breedte hebben, maar zorg ervoor dat het nette karakteristieke 50 Ohm sporen worden. Ook hiervoor zijn online calculators beschikbaar. In dit geval is gekozen voor een ingesloten (coplanar) koperspoor van 1.4mm breed met een spacing van 0,2mm op een ground plane, op een 1,6mm dikke printplaat van standaard FR4 materiaal (dus met een Er van 4,2). Maak een volledig GND plane op de bovenkant en onderkant van de PCB, en gebruik zeer veel GND via’s van top naar bottom. Ze kosten niets, dus hoe meer hoe beter.

Top en bottom van de PCB

Als je tevreden bent over je printplaat (let ook op de mechanische afmetingen, voor als je er een mooie -metalen!- behuizing omheen wilt hebben), dan is het tijd om hem te gaan bestellen. Dit kan heel goedkoop en betrouwbaar in China, bij diverse leveranciers (bijvoorbeeld PCBWay.com). De minimum bestelgrootte is vaak 5 of 10 stuks, maar omdat de prijs zo laag is, is dit geen bezwaar.

Fabricage proces van de PCB in China

Minimum bestelgrootte: 10 stuks

Past prima in de (Chinese) behuizing

Het bestucken van de printplaat kan beginnen. Begin met het plaatsen van koperen of messing schotjes. Deze zorgen ervoor dat de afzonderlijke stages zo veel mogelijk hoogfrequent geïsoleerd van elkaar zijn. Anders stralen de radiogolven zo van de ene in de andere schakelaar en is de verzwakker niet betrouwbaar. Pas het liefst zowel aan de bovenkant als aan de onderkant van de PCB deze schotjes toe. Nadat de schotjes zijn geplaatst kunnen de weerstanden en schakelaars geplaatst worden. Bij het plaatsen van de connectoren is het belangrijk dat de groundaansluiting extra aandacht krijgt. Als je deze netjes kort aansluit op de printplaat (dus niet via een lang dun kabeltje bijvoorbeeld) dan zul je dit zeker terug zien in een goede RF performance.

De PCB met schakelaars, connectoren en complete (nog niet geboorde) behuizing

De onderkant van de bestuckte PCB

Gaten boren in de behuizing

Bestuckte PCB en geboorde behuizing

Eindproduct in geopende toestand

Open zij-aanzicht

Jeroen heeft het geluk dan hij kan beschikken over een Rohde & Schwarz ZVK40 netwerk analyzer van zijn werkgever. De step attenuator is doorgemeten van 1 MHz tot 500 MHz. Daarbij is te zien dat op lage frequenties de hoeveelheid verzwakking exact doet wat uitgerekend is. Naarmate de frequentie toeneemt, neemt ook de ongewenste verzwakking toe. Dit is helaas niet te voorkomen, zelfs een ordinaire coaxkabel laat dit gedrag zien (hoe hoger de frequentie, hoe hoger het verlies per meter). De metingen laten wel zien dat deze ongewenste verzwakking zeer binnen de perken blijft, en dat de frequentieresponse zeer vlak is. Dit betekent dat de pie-netwerken, connectoren en printsporen uitstekend 50 Ohm en low loss zijn, maar zelfs de goedkope tuimelschakelaartjes gooien nauwelijks roet in het eten. Boven de 500 MHz gaat het helaas al snel mis, maar tot die frequentie is de step attenuator een zeer betrouwbaar en nauwkeurig instrument.

Hieronder zijn de meetgegevens van elke stage beschikbaar, klik op de afbeelding voor een animated GIF. Succes met bouwen!