Согласованная нагрузка или терминатор устанавливается в высокочастотные цепи для подавления помех и уменьшения потерь мощности.

Стандартная согласованная нагрузка представляет собой заземленный резистор на 50 Ом. Для поглощения тепла, выделяемого в результате воздействия отраженных волн, используются резонаторы, покрытые специальным изоляционным материалом.

                                        Рис. 1                                         Рис. 2

На рисунках 1 и 2 изображены варианты установки согласованной нагрузки на стыках кабелей и в разветвителях. Как уже было сказано выше, резонатор используется для отвода тепла, а в разветвителях еще и служит для поглощения побочных сигналов, которые обычно не должны появляться, но иногда могут возникать.

В соединениях с тремя и более входами/выходами, как например, в делителях мощности, разветвителях и шунтах, согласованная нагрузка может использоваться для проверки электрических характеристик этих узлов. Для проверки согласованная нагрузка подсоединяется к неиспользуемому входу/выходу, а на оставшихся проводятся соответствующие измерения.

Например, для измерения параметров S11 и S21 разветвителя согласованная нагрузка должна быть подсоединена не только к резонатору, но и к дополнительному выходу – ответвителю, поскольку без этого входной сигнал будет возвращаться обратно от выхода ответвителя. Таким образом, без второй согласованной нагрузки измерения вышеназванных параметров невозможно.

Чтобы избежать возникновения отраженного сигнала, подобным образом следует поступить и при проведении измерений на делителе мощности: для проверки параметра S21 согласованную нагрузку необходимо подключить к порту № 3, а для измерения параметра S31 нагрузку подключают к порту № 2.

Близким аналогом согласованной нагрузки является традиционный эквивалент нагрузки или по-другому балластная нагрузка, которая подключается к высокочастотному передатчику вместо антенны для проведения измерений, например, такого параметра передатчика, как диапазон излучаемых частот. Этот параметр является наиболее критичным, поскольку разрешение на его использование дается соответствующими государственными службами и любое отклонение от соответствующего диапазона может привести к серьезным негативным последствиям. Поэтому, прежде чем начать транслировать сигналы в эфир, их необходимо проверить на выходе передатчика без излучения, то есть без антенны. Чтобы избежать рассогласования передающей системы из-за отсутствия антенны, что неизбежно приведет к возникновению отраженных сигналов и используют нагрузку, эквивалентную антенне, которая к тому же оснащена радиатором, рассеивающем тепло, что немаловажно, особенно если входной сигнал имеет большую мощность.

Таким образом, основное назначение согласованной нагрузки – снижение возвратных потерь. Если в вашей системе всего один вход и один выход, то в ней не возникнет дополнительных внутренних потерь, но возвратных потерь, даже в такой простой системе, без согласованной нагрузки избежать невозможно.

Следует еще раз обратить внимание на функцию теплоотвода согласованной нагрузки, которые выпускаются с радиаторами различного типоразмера, применяемые в зависимости от входной мощности вашей системы. Очевидно, что чем выше входная мощность, тем больше энергии несет электромагнитная волна на выходе, часть которой будет поглощаться согласованной нагрузкой. Поэтому согласованные нагрузки различаются не только в зависимости от частоты сигнала, используемой в системе, но и от его входной мощности. Так например, согласованные нагрузки, предназначенные для сигнала одной частоты 3 ГГц могут быть рассчитаны на входную мощность 1 Вт или 100 Вт. Согласованная нагрузка на 100 Вт имеет площадь поверхности радиатора больше и поэтому рассеивает поглощаемое тепло эффективнее.

Не стоит забывать и о единицах измерения, в частности, об уровне опорной мощности входного сигнала. Если на вход антенны подается сигнал с уровнем 50 дБм, согласованная нагрузка на 1 Вт (30 дБм) будет недостаточно эффективна при отводе тепла. В этом случае, несмотря на то что номинальная мощность входного сигнала 1 Вт, следует использовать согласованную нагрузку не меньше, чем на 100 Вт (50 дБм), но для более надежной безопасности вашей системы рекомендуется использовать типоразмер побольше - на 125 или 150 Вт.

Как уже было сказано выше, согласованная нагрузка и стандартный эквивалент нагрузки имеют, практически, одинаковую функциональность и взаимозаменяемы с учетом типоразмерности, которая была указана выше. При этом не стоит забывать, что основное предназначение согласованной нагрузки -подавление помех и побочных сигналов, поэтому в высокочастотных телекоммуникационных системах следует использовать именно ее.

Согласованная нагрузка может использоваться не только в сетях мобильной связи, но и других проводных и беспроводных телекоммуникационных системах.

Рисунок 3. Беспроводная телекоммуникационная система

Для понимания принципа работы согласованной нагрузки рассмотрим ее применение в сети мобильной связи. При отправке абоненту сети вызова с сотового телефона сигнал поступает на антенну и затем через сумматор (или делитель) и повторитель на коммутатор базовой станции, который определяет местонахождение вызываемого абонента и передает ему сигнал обратно через эти же узлы и компоненты базовой станции. Как видно на рисунке 3 в цепи передатчика и приемника телекоммуникационной системы используется делитель (сумматор), выполненный по несимметричной схеме входов и выходов, то есть делитель может работать как сумматор, а сумматор как делитель в зависимости от направления приема-передачи сигнала (более подробно о делителе изложено на странице 108 настоящего руководства).

Делитель может быть выполнен с 2-мя, 3-мя, 4-мя, 8-ю и более выходами, однако, в зависимости от условий эксплуатации они могут использоваться не все, как например, в делителе на рисунке 4 с 4-мя выходами, один из которых не используется. В этом случае к свободному выходу следует обязательно подсоединить согласованную нагрузку. В противном случае, в делителе будут формироваться отраженные сигналы.

Рис. 4. Подсоединение согласованной нагрузки к делителю

Для обеспечения надежной безопасности системы при возможных кратковременных превышений мощности сигнала на входе типоразмер согласованной нагрузки следует выбирать с небольшим запасом по мощности, исходя из того, что мощность сигнала на каждом выходе равна примерно мощности на входе, деленной на число выходов.

К неиспользуемым выходам повторителя, соединенного с делителем, также рекомендуется подключать согласованные нагрузки, которые оснащаются заземляющей цепочкой для снижения возвратных потерь мощности (см. рис. 5) и подбираются также с небольшим превышением номинальной мощности на соответствующих выходах.

Как следует из примеров использования согласованных нагрузок, рассмотренных выше, диапазон их применения чрезвычайно широк: в делителях, ответвителях, циркуляторах, резонаторах и резонаторных фильтрах и т. п., то есть во всех устройствах, используемых в системах высокочастотного диапазона, и имеющих входы и выходы для сопряжения с другими компонентами системы, включая беспроводные сети, где согласованные нагрузки также применяются как функциональные заглушки неиспользуемых входов-выходов, чтобы предотвратить возникновение паразитных сигналов.

Рисунок 5. Согласованная нагрузка с заземляющей цепочкой

Далее рассмотрим по каким критериям подбираются согласованные нагрузки.

Прежде всего следует определить тип разъема входов-выходов модуля, для которых будет использоваться терминатор. Обратите внимание также на варианты исполнения разъема – розетка или вилка.

Второе, на что следует обратить внимание, - это соответствие диапазона частот системы и разъема. Согласно стандарту MIL-C-39012 байонетный разъем BNC рассчитан на частоту сигнала пакетов данных 4 ГГц, разъемы SMA – на 18 ГГц, а разъемы N на 11 или 18 ГГц. Поэтому, возможно, разъемы BNC на 10 ГГц не выпускаются.

В-третьих, следует учесть мощность сигнала на выходах системы, для которых планируется использовать согласованные нагрузки. Теоретически, расчетная мощность согласованной нагрузки, по меньшей мере, должна быть равной выходной мощности соответствующего узла, что для некоторых пользователей является достаточным основанием поступать именно так, но для большей надежности рекомендуется использовать нагрузку, рассчитанную на 30-50% больше выходной мощности, как и поступает большинство, чтобы избежать выхода из строя дорогостоящего оборудования при перепадах мощности сигнала.

В-четвертых, немаловажное значение имеют габаритные размеры согласованной нагрузки, точнее ее радиатора. Поскольку они могут устанавливаться как на оборудовании, эксплуатируемом в помещениях, так и снаружи, то и требования к ним в отношении габаритов также различаются. Очевидно, что радиаторы с большей площадью поверхности обладают и большей эффективностью рассеивания тепла и, соответственно, предназначены для систем с большей мощностью сигнала. Однако для помещений габаритные размеры могут быть критичным из-за ограниченного пространства, поэтому для эксплуатации внутри помещений выпускаются согласованные нагрузки с радиаторами меньших габаритных размеров, но с более эффективной теплоотдачей для мощных систем. Такие варианты исполнения согласованных нагрузок, как правило, более дорогостоящие, но зачастую оказываются единственным возможным вариантом для определенных условий.

Для условий эксплуатации оборудования вне помещений важным требованием является степень его защиты IP, которой должны соответствовать и согласованные нагрузки.

Согласованная нагрузка не имеет собственных потерь. Как уже было сказано выше, она представляет собой устройство с одним входом, компенсирующим возвратные потери устройства, к выходу которого она подключена. Для вычисления возможных возвратных потерь мощности и коэффициента стоячей волны по напряжению конкретной высокочастотной системы, необходимо знать ее полосу пропускания. Это еще один параметр, который следует учитывать при выборе согласованной нагрузки.

Надеемся этот краткий обзор типов согласованных нагрузок, областей их применения и критерии их выбора для конкретного высокочастотного оборудования будет вам полезен. В заключение хотелось бы подчеркнуть, что такое простое на первый взгляд устройство как согласованная нагрузка является очень важным элементом любой телекоммуникационной системы и неправильный выбор этого устройства может оказаться весьма критичным для этой системы в целом.