Микрополосковая нагрузка
MICROSTRIP LOAD

Микрополосковая нагрузка относится к радиоэлектронике и сверхвысокочастотной (СВЧ) технике и может использоваться в мощных радиопередающих устройствах в качестве эквивалента антенны с дополнительным контрольным выходом для подключения измерительных приборов.
Известна микрополосковая СВЧ нагрузка (см. авторское свидетельство №1550590, МПК Н01Р 1/26, опубл. 15.03.1990), содержащая диэлектрическую подложку, на одной стороне, которой размещено заземляющее основание, а на другой стороне-токонесущий проводник и резистивный слой, связанный с ним через индуктивный элемент. Удельное сопротивление резистивного слоя R и его погонная емкость С выбраны из следующих соотношений:
0
2⋅ϕ⋅F⋅R⋅C=5÷8, R=(3,16-4,47)⋅Z,
0
где F - средняя частота; Z - волновое сопротивление микрополосковой линии.
Указанный выбор погонной емкости С и удельного сопротивления R по приведенным выше соотношениям, а также наличие индуктивного элемента обеспечивают режим качественного согласования в широкой полосе рабочих частот.
Недостатком данной нагрузки является наличие нижней и верхней граничной частоты относительно средней частоты F. Это объясняется тем, что резистивный слой представляет собой линию передачи с потерями, которая разомкнута на конце не обеспечивает режим согласования на низких частотах и на нулевой частоте, а последовательно включенный индуктивный элемент ухудшает согласование на высоких частотах.
Известна также микрополосковая нагрузка (см. патент РФ №2049367, МПК Н01Р 1/26, опубл. 27.11.1995), содержащая входную микрополосковую линия передачи, к которой через отдельные пленочные резисторы подключены разомкнутые шлейфы, электромагнитно связанные между собой. Наличие нескольких пленочных резисторов обеспечивает повышенный уровень входной мощности СВЧ сигнала.
Основными недостатками данной нагрузки являются сложность конструкции и ограниченная полоса рабочих частот, что обусловлено резонансными явлениями в разомкнутых шлейфах.
Кроме того, известна микрополосковая нагрузка (см. описание полезной модели РФ №181510, Н01Р 1/24, опубл. 17.07.2018, БИ №20), имеющая дополнительный выходной разъем для подключения измерительных приборов. Данное устройство является прототипом предлагаемого изобретения и содержит диэлектрическую подложку, у которой на одной стороне расположено металлизированное основание, а на другой стороне расположен полосок, выполненный в виде поглощающей резистивной пленки с одинаковым размером по ширине, равном ширине полоска микрополосковой линии передачи, волновое сопротивление которой равно входному сопротивлению микрополосковой нагрузки. Прототип отличается хорошим качеством согласования и малой неравномерностью амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в области высоких частот. Предельная частота, на которой обеспечивается режим качественного согласования по входу, определяется максимальной граничной частотой микрополосковой линии передачи.
Основными недостатками прототипа являются неудовлетворительное качество согласования (КСВ=2…2,5) и большая неравномерность АЧХ (порядка 6…8 дБ) в области низких частот. Это обусловлено уменьшением затухания отраженных волн в резистивном микрополоске с увеличением длины волны входного высокочастотного сигнала.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является обеспечение высокого качества согласования и малой неравномерности АЧХ в широком диапазоне частот, включая область низких частот.
Поставленная задача достигается тем, что микрополосковая нагрузка, содержащая подложку, на одной стороне которой расположено металлизированное основание, а на другой стороне расположен резистивный полосок, начало которого соединено с входным разъемом, а конец соединен с выходным контрольным разъемом, при этом ширина резистивного полоска равна ширине полоска линии без потерь с волновым сопротивлением, равным входному сопротивлению микрополосковой нагрузки, отличающаяся тем, что подложка выполнена в виде легированного полупроводника, концентрация легирующей примеси которого определяется выражением:
-19
где q=1,6⋅10 (кулон) - величина элементарного заряда,
h - толщина полупроводниковой подложки,
w - ширина резистивного микрополоска,
μ - подвижность основных носителей заряда в легированном полупроводнике,
- погонная проводимость подложки,
R - входное сопротивление микрополосковой нагрузки,
R' - погонное сопротивление резистивного микрополоска,
k - постоянный коэффициент,
при этом величина погонного сопротивления резистивного микрополоска равна
u
где K - коэффициент передачи по напряжению для контрольного выхода,
- длина резистивного микрополоска,
а значение постоянного коэффициента k выбрано равным k=0,55.
u
На фиг. 1 представлена конструкция предлагаемой микрополосковой нагрузки. На фиг. 2 представлен график частотной зависимости коэффициента стоячей волны (КСВ) по входу. На фиг. 3 показана частотная зависимость коэффициента передачи по напряжению K для контрольного выхода.
Предлагаемая микрополосковая нагрузка содержит полупроводниковую подложку 1, на одной стороне которой находится металлизированное основание 2. На другой стороне полупроводниковой подложки 1 расположен резистивный полосок 3, начало которого соединено с входным разъемом 4, а конец соединен с выходным разъемом 5.
Предлагаемая микрополосковая нагрузка работает следующим образом. Резистивный полосок расположен на подложке из легированного полупроводника, в котором обеспечен уровень диэлектрических потерь, соответствующий выполнению условия Хэвисайда для неискажающей линии передачи с потерями:
где R' - погонное сопротивление резистивного полоска,
G' - погонная проводимость легированного полупроводника,
ρ - волновое сопротивление линии без потерь, равное входному сопротивлению микрополосковой нагрузки R (ρ=R).
u
В предлагаемой микрополосковой нагрузке ширина резистивного полоска выбрана такой же, как у 50-омной микрополосковой линии передачи без потерь. При выбранном значении коэффициента передачи по напряжению для контрольного выхода K величина погонного сопротивления R' резистивного микрополоска в соответствии с формулой изобретения определяется соотношением
Как известно, процесс распространения падающих и отраженных волн в линии передачи с потерями определяется параметром, который называется постоянной распространения
где ω=2πƒ - частота входного СВЧ сигнала.
Исходя из соотношений (1) и (3), в неискажающей линии Хэвисайда с потерями для реальной составляющая постоянной распространения α(ω) на всех частотах от 0 до ∞ выполняется условие
u
Соотношение (4) подтверждает, что неискажающая СВЧ линия имеет постоянную величину коэффициента передачи по напряжению K и обеспечивает режим согласования по входу и выходу на всех частотах, в том числе на нулевой частоте. Поэтому из приведенного выше соотношения (4) следует, что реальная часть α(ω) является частотно независимой величиной. Подставляя в (4) второе соотношение (1) получим
В соответствии с физическим принципом работы линии передачи с потерями, падающие волны в ней затухают пропорционально убывающей экспоненте  Из этого следует, что соотношение (2), указанное в формуле изобретения, является справедливым и однозначно учитывает все перечисленные выше свойства неискажающей и согласованной линии передачи Хэвисайда с потерями.
Далее запишем выражение для погонной проводимости G' подложки из легированного полупроводника. В соответствии с соотношением (1) для линии Хэвисайда погонная проводимость G' равна
Соотношение (5), вытекающее из условия Хэвисайда, справедливо для симметричных двухпроводных одномерных линий передачи, поэтому при определении потерь в диэлектрике в статическом режиме на постоянном токе электрическое поле в диэлектрике с потерями является однородным, то есть постоянным. Напротив, в предлагаемой нагрузке, выполненной на основе несимметричной микрополосковой линии передачи, напряженность электрического поля на постоянном токе в подложке из легированного полупроводника имеет неоднородный характер. Поэтому для учета этого эффекта введем в соотношение (5) поправочный коэффициент k, представляющий собой постоянную величину
u
Значение постоянного коэффициента k для несимметричной микрополосковой линии с потерями в резистивном микрополоске и полупроводниковой подложке из легированного полупроводника эмпирически было выбрано равным k=0,55. Для указанного значения k было проведено численное электродинамическое моделирование в компьютерной системе автоматизированного проектирования (САПР) и сделан расчет частотных зависимостей коэффициента передачи по напряжению K и коэффициента стоячей волны (КСВ) по входу микрополосковой нагрузки. Конкретные значения R' и G' для полупроводниковой подложки из кремния толщиной 1 мм с длиной резистивного полоска  мм были рассчитаны по соотношениям (2) и (6) и приведены в таблице 1. В таблице 1 также приведены значения концентрации легирующей примеси для полупроводниковой подложки, рассчитанные по соотношению, приведенному в формуле изобретения.
Данные, приведенные в таблице 1, были верифицированы и подтверждены с помощью численного электродинамического моделирования в компьютерной САПР. Результаты расчета для различных значений вносимого ослабления полезны при многокаскадном построении микрополосковой нагрузки.
Для определения концентрации легирующей примеси полупроводниковой подложки запишем выражение для погонной проводимости
где G - проводимость полупроводника между резистивным полоском и и металлизированным основанием;
σ - удельная проводимость легированной подложки.
Учитывая, что для легированного полупроводника удельная проводимость равна σ=qμN, из (7) получим выражение для концентрации легирующей примеси N, указанное в формуле изобретения
Результаты компьютерного расчета для длины резистивного полоска  мм, расположенного на подложке из легированного кремния толщиной h=1 мм и w=1 мм, представлены на фиг. 2 и фиг. 3. Из рассмотрения данных графиков видно, что использование соотношений, представленных в формуле предлагаемого изобретения, обеспечивает получение заданной постоянной величины коэффициента передачи по напряжению для контрольного выхода и высокое качество согласования в широком диапазоне частот, включая область низких частот. Таким образом, предлагаемое устройство теоретически идеально согласовано во всей области частот работы микрополосковой линии передачи. При этом также отсутствует неравномерность АЧХ для контрольного выхода.