СВЧ АТТЕНЮАТОР
MICROWAVE ATTENUATOR

Изобретение относится к радиоэлектронике и измерительной технике и может быть использовано для заданного ослабления высокочастотного сигнала большой мощности в широкой полосе рабочих частот.
Известен СВЧ аттенюатор, содержащий три сосредоточенных резистора, включенных по Т-образной структуре (см. книгу Ред Э. Справочное пособие по высокочастотной схем технике: Схемы, блоки, 50-омная техника: Пер. с нем. - М.: 1990. 256 с., ил., стр. 229).
Для Т-образной структуры включения сосредоточенных резисторов их величины определяются соотношениями:
где R1, R3 - значение сопротивления сосредоточенных крайних резисторов Т-образной структуры, подключенных соответственно ко входу и выходу аттенюатора;
R2 - значение сопротивления среднего сосредоточенного резистора Т-образной схемы аттенюатора;
R - сопротивление согласованной нагрузки для аттенюатора;
u
K - коэффициент передачи аттенюатора по напряжению;
- коэффициент затухания (вносимого ослабления) по напряжению.
Рассматриваемый СВЧ аттенюатор обеспечивает заданные значения вносимого ослабления и имеет достаточно хорошее качество согласования в диапазоне частот до 300 МГц. Основным недостатком данного СВЧ аттенюатора является ухудшение согласования в области частот выше 500 МГц за счет влияния паразитных реактивных параметров сосредоточенных резисторов, а именно собственной индуктивности и собственной емкости. Ухудшение согласования проявляется тем сильнее, чем больше допустимая мощность входного высокочастотного сигнала и больше вносимое ослабление. Это обусловлено применением мощных сосредоточенных резисторов, у которых паразитные реактивные параметры имеют значительную величину.
Известен также СВЧ аттенюатор (см. патент РФ №2477910, Н01Р 1/22, опубл. 20.03.2013), содержащий N включенных последовательно друг за другом согласованных звеньев на одинаковых подложках, установленных с одинаковым шагом на теплопроводящем основании, при этом каждое последующее звено имеет большее затухание, чем предыдущее, причем коэффициент передачи по мощности каждого звена задается выражением:
где М - порядковый номер звена;
N - количество звеньев аттенюатора.
PN
За счет использования каскадного включения согласованных звеньев в данном аттенюаторе повышается надежность и уровень входной мощности СВЧ сигнала. Однако, как указывают авторы изобретения, значение коэффициента передачи по мощности последнего звена при выполнении равенства M=N стремится к нулю. То есть при любом количестве звеньев для последнего звена имеет место равенство K=0. Это приводит к тому, что в данном аттенюаторе отсутствуют калиброванный выход с заданным коэффициентом затухания. Это существенно ограничивает функциональные возможности описываемого аттенюатора.
Кроме того, известен СВЧ аттенюатор (см. патент РФ №2519506, Н03Н 7/24, опубл. 10.06.2014), содержащий N включенных последовательно друг за другом согласованных звеньев на одинаковых подложках, установленных с одинаковым шагом на теплопроводящем основании, в котором каждое последующее звено при одинаковых потерях мощности в них имеет большее затухание, чем предыдущее, при этом между звеньями введены клеммы, предназначенные для подключения измерительных приборов.
Наличие одной или нескольких клемм для подключения различных измерительных приборов расширяет функциональные возможности СВЧ аттенюатора, однако эти клеммы вносят дополнительное межкаскадное рассогласование между звеньями. Кроме того, с данными клеммами типовые измерительные приборы также не согласованы.
Наиболее близким техническим решением, взятым в качестве прототипа, является СВЧ аттенюатор (см. статью Богомолов П.Г., Методы расширения полосы рабочих частот пленочных СВЧ аттенюаторов. ж-л «Успехи современной радиоэлектроники», 2015 г., №10, стр. 145-148), который содержит N симметричных П-образных структур на пленочных резисторах, включенных каскадно через идентичные катушки индуктивности, а параллельно входу и выходу СВЧ аттенюатора подключены конденсаторы, которые соединены соответственно с первой и последней симметричной П-образной структурой через такие же катушки индуктивности, при этом емкость конденсаторов равна входной паразитной емкости симметричных П-образных структур, а коэффициент передачи по мощности каждой симметричной П-образной структуры и величина индуктивности катушек индуктивности соответственно равны:
где K(n) - коэффициент передачи по мощности симметричной П-образной структуры;
n=1…N - текущий номер включенной каскадно симметричной П-образной структуры;
p
K- коэффициент передачи по мощности СВЧ аттенюатора;
1
α - значение первого элемента нормированного фильтра нижних частот третьего порядка;
2
α - значение второго элемента нормированного фильтра нижних частот третьего порядка;
R - сопротивление согласованной нагрузки для СВЧ аттенюатора;
С - емкость конденсаторов, подключенных параллельно входу и выходу СВЧ аттенюатора.
За счет использования N каскадов в виде П-образных структур на пленочных резисторах, выполненных на отдельных диэлектрических подложках, прототип обеспечивает широкую полосу рабочих частот при большом уровне мощности входного высокочастотного сигнала, что обусловлено одинаковой мощностью рассеивания высокочастотного сигнала в каждом каскаде при указанных выше значениях коэффициентов передачи по мощности K(n).
Основным недостатком прототипа является сложность конструкции, обусловленная использованием N диэлектрических подложек, установленных на общий радиатор, и большое число катушек индуктивности, компенсирующих влияние паразитных емкостей пленочных резисторов. Кроме того, для мощных пленочных резисторов с большой площадью поверхности, у которых паразитная емкость имеет значительную величину, требуются компенсирующие катушки индуктивности большой величины, что существенно усложняет конструкцию СВЧ аттенюатора.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является упрощение конструкции при сохранении допустимого уровня мощности входного высокочастотного сигнала.
Поставленная задача достигается тем, что в СВЧ аттенюаторе, содержащем N последовательно включенных друг за другом каскадов, выполненных на пленочных резисторах, общая площадь которых обеспечивает рассеивание заданной входной мощности, а значения коэффициентов передачи по мощности каждого каскада K(n) равны:
где K(n) - коэффициент передачи по мощности каскада,
n=1…N - текущий номер каскада,
p
K- коэффициент передачи по мощности СВЧ аттенюатора,
что обеспечивает равномерное распределение рассеиваемой мощности по каскадам, которые выполнены в виде Т-образной структуры и расположены на общей диэлектрической подложке, при этом во всех Т-образных структурах площадь каждого пленочного резистора пропорциональна рассеиваемой на нем мощности и ширина крайних пленочных резисторов больше ширины среднего пленочного резистора, а крайние пленочные резисторы смежных Т-образных структур объединены в один общий пленочный резистор, площадь и сопротивление которого равны сумме площадей и сумме сопротивлений соответственно объединенных пленочных резисторов.
На фиг. 1 представлена схема предлагаемого СВЧ аттенюатора. На фиг. 2 приведена схема электрическая принципиальная Т-образной структуры одного из каскадов СВЧ аттенюатора. На фиг. 3 изображен график частотной зависимости коэффициента стоячей волны (КСВ) однокаскадного СВЧ аттенюатора и его 3D модель. На фиг. 4 фиг. 5 изображены графики частотной зависимости КСВ соответственно двухкаскадного и трехкаскадного СВЧ аттенюаторов и их 3D модели.
Предлагаемый СВЧ аттенюатор содержит N Т-образных структур 1, 2 и N, расположенных на одной диэлектрической подложке. Первая Т-образная структура 1 состоит из пленочных резисторов 3, 4. Пленочный резистор 5 является общим для первой и второй Т-образных структур и равен сумме последнего сопротивления первой Т-образной структуры 1 и первого сопротивления второй Т-образной структуры 2. Вторая Т-образная структура 2 состоит из пленочных резисторов 5, 6 и 7. Резисторы 5 и 7 являются общими для соседних Т-образных структур. Последняя N Т-образная структура состоит из одного общего с предыдущей Т-образной структурой пленочного резистора 8 и двух пленочных резисторов 9 и 10.
Предлагаемый СВЧ аттенюатор работает следующим образом. Значения коэффициентов передачи по мощности K(n) каскадно включенных Т-образных структур, так же как и в прототипе, обеспечивают равномерное распределение по каскадам рассеиваемой мощности высокочастотного сигнала (см. статью Богомолов П.Г. Методы расширения полосы рабочих частот пленочных СВЧ аттенюаторов. ж-л «Успехи современной радиоэлектроники», 2015 г., №10, стр. 145-148). Далее, исходя из значений коэффициентов передачи по мощности, определяемых соотношением (3), и заданной величины входного сопротивления (типовое значение равно 50 Ом) с учетом выражений (1) и (2), записываем выражения для значений сопротивлений каждого пленочного резистора для всех N симметричных Т-образных структур:
1
2
3
где R(n), R(n), R(n) - значение пленочных резисторов n-й Т-образной структуры, показанной на фиг. 3;
R - входное сопротивление Т-образной структуры;
- коэффициент затухания по напряжению n-й Т-образной структуры.
Далее, по значениям коэффициентов затухания для n-й Т-образной структуры определяем мощности, выделяемые на каждом пленочном резисторе:
R1
R2
R3
где P(n), P(n), P(n), - мощность, выделяемая на пленочных резисторах n-й Т-образной структуры;
Р - входная мощность, подводимая на n-ю Т-образную структуру.
p
p
В качестве примера определим параметры СВЧ аттенюатора, выполненного на Т-образных структурах с общим коэффициентом передачи по мощности К=0,1 (вносимое ослабление 10 дБ). Число каскадов N будем изменять от одного до трех. Мощность входного высокочастотного сигнала примем равной 100 Вт. Далее по соотношению (3) рассчитываем значения коэффициентов передачи соответствующих каскадов K(n) для значения K=0,1. Результаты расчета для данных параметров предлагаемого СВЧ аттенюатора приведены в таблице 1.
Значения сопротивлений каждого пленочного резистора во всех N Т-образных структурах, рассчитанные по соотношениям (4) и (5), представлены в таблице 2.
2
По соотношениям (6)-(8) определены мощности, рассеиваемые на соответствующих пленочных резисторах, и найдена требуемая площадь резистивной пленки, исходя из условия, что при использовании принудительного воздушного обдува 1 мм поверхности резистивной пленки, нанесенной на диэлектрическую подложку из бериллиевой керамики (окись бериллия ВеО является качественным диэлектриком СВЧ и обладает теплопроводностью, как у металлов), рассеивает до 2 Вт мощности высокочастотного сигнала. Результаты расчета указанных выше параметров представлены в таблице 3.
В соответствии с полученными значениями площади пленочных резисторов, приведенными в таблице 3, с помощью компьютерного электродинамического моделирования были определены частотные зависимости коэффициента стоячей волны (КСВ) предлагаемого СВЧ аттенюатора для различного числа каскадов. Из анализа полученных зависимостей КСВ от частоты по соответствующим 3D моделям, показанным на фиг. 3, 4 и 5, следует, что предложенный СВЧ аттенюатор, содержащий большее число каскадов, обеспечивает более широкую полосу рабочих частот. Таким образом, имеется тенденция расширения полосы рабочих частот при увеличении числа каскадов. Это обусловлено тем, что чем больше пленочных резисторов содержит СВЧ аттенюатор, тем меньшая мощность высокочастотного сигнала рассеивается на каждом из них, тем меньше будет их площадь и соответственно меньше паразитная емкость. Кроме того, большое количество пленочных резисторов, являющихся диссипативными элементами, увеличивает их «развязывающее» влияние на качество согласования по входу. Для обеспечения в области высоких частот электрической симметрии и упрощения топологии нанесения пленочных резисторов средние пленочные резисторы 4, 6 и 9 каждой Т-образной структуры могут быть выполнены в виде двух параллельно включенных пленочных резисторов, выходящих на противоположные стороны диэлектрической подложки, как показано на 3D моделях, представленных на фиг. 3, 4 и 5.
В предложенном СВЧ аттенюаторе за счет расположения всех пленочных резисторов на одной диэлектрической подложке и отсутствия согласующих катушек индуктивности существенно упрощается конструкция аттенюатора. Кроме того, выбор площади пленочных резисторов пропорционально рассеиваемой на нем мощности обеспечивает постоянство температуры на всех пленочных резисторах, что упрощает конструкцию теплоотвода. Постоянство температуры всех пленочных резисторов в предлагаемом СВЧ аттенюаторе подтверждается законом Ньютона-Рихмана, согласно которому рассеиваемая мощность пропорциональна площади пленочного резистора и разности его температуры и температуры окружающей среды. Упрощение конструкции достигнуто также за счет выбора ширины крайних пленочных резисторов больше, чем ширина средних резисторов во всех Т-образных структурах. За счет использования N каскадов при неизменной общей площади поверхности всех пленочных резисторов сохраняется допустимый уровень мощности входного высокочастотного сигнала.