ВЫСОКОПРОЧНАЯ КОАКСИАЛЬНАЯ НАГРУЗКА
HIGH-DENSITY COAXIAL LOAD

Изобретение относится к микроволновым устройствам, в частности к согласованным нагрузкам (СН), предназначенным для поглощения электромагнитной (ЭМ) энергии в коаксиальных фидерных трактах.
Известна широкополосная нагрузка СВЧ, состоящая из тонкопленочного цилиндрического резистора и коаксиального с ним компенсирующего ступенчатого трансформатора, короткозамкнутого с одной стороны и разомкнутого с другой (а.с. СССР №650457, МПК H01P 1/26).
Недостатком известной коаксиальной нагрузки является недостаточная механическая прочность конструкции, в частности малая ударопрочность и вибростойкость.
Известна коаксиальная нагрузка, содержащая отрезок коаксиальной линии, снабженный заглушкой в виде стакана на одном конце, радиочастотным соединителем на другом конце, внутренняя поверхность внешнего проводника которого имеет конусообразную форму, а внутренний проводник выполнен в виде поверхностного резистора, одним концом соединенного с внешним проводником на другом конце коаксиальной линии через гнездо, контактная поверхность которого имеет гиперболоидную форму, а другим концом - с внутренним проводником радиочастотного соединителя (а.с. СССР №1506491, МПК H01P 1/26).
Недостатками известной коаксиальной нагрузки являются малая рассеиваемая мощность и недостаточная механическая прочность конструкции, в частности малая ударопрочность и вибростойкость.
Известна коаксиальная согласованная нагрузка, содержащая отрезок коаксиальной линии передачи, конечной частью внутреннего проводника которой является резистор цилиндрической формы, соединенный концом с внешним проводником отрезка коаксиальной линии, внутренняя поверхность которого имеет по длине резистора ступенчатую форму. СВЧ-энергия электромагнитной волны поступает в отрезок коаксиальной линии, где на скачкообразных ступенях, представляющих собой неоднородности, частично отражается, а прошедшая волна распространяется вдоль резистора. За счет выбора диаметров ступеней и их соответствующих длин, отраженные волны интерферируют так, что суммарная их амплитуда близка к нулю, а прошедшие волны затухают в резисторе (а.с. СССР №1539870, МПК H01P 1/26).
Недостатками известной согласованной нагрузки являются малая рассеиваемая мощность и сложность конструкции.
Известна высоконадежная радиочастотная коаксиальная согласованная нагрузка К-типа для СВЧ-сигналов с частотами в диапазоне от очень низких частот 40 ГГц до высокой частоты, включающая в себя соединительную гайку, шайбу, стопорную пружину, сборный изоляционный держатель, корпус, четыре металлические фольги резисторов, припой, крышку. Стопорное кольцо смонтировано в пазу наружной стенки корпуса; четыре металлические фольгрезисторов расположены крестообразно, с помощью припоя установлены в конце корпуса (патент CN 103022606, МПК H01P 1/26).
Недостатком такого устройства является сложность конструкции.
Наиболее близким к заявляемому устройству является высокочастотный аттенюатор, содержащий коаксиальную линию передачи, включающую внутренний и внешний проводники, и резистивный элемент, расположенный между внутренним и внешним проводниками. Резистивный элемент включает цилиндрический и конический участки, при этом конический участок имеет линейную или ступенчатую форму вдоль некоторой части своей длины. Резистивный элемент выполнен из композитного углеродного волокна, имеющего объемную плотность меньше чем 2 г/куб.см и объемное удельное сопротивление больше чем 0,2 Ом/см, и поддерживает тепловой контакт с, по меньшей мере, одним из проводников (патент US 5742211, МПК H01P 1/26).
Однако известный аттенюатор не удовлетворяет постоянно возрастающим требованиям к надежности бортовых радиоэлектронных узлов и элементов современной техники военного и гражданского назначения.
Задачей изобретения является создание приборов управления параметрами сигналов, в частности коаксиальной СН с электродинамическими и массогабаритными характеристиками не хуже, чем у прототипа, обеспечивающих предельно жесткие условия эксплуатации.
Технический результат заключается в повышении механической прочности, термо- и влагостойкости до уровня, позволяющего выдерживать испытания в соответствии с ГОСТ РВ 20.57.416-98 (Климат-7).
Указанный технический результат достигается тем, что в высокопрочной коаксиальной нагрузке, содержащей коаксиальную линию передачи, включающую внутренний и внешний проводник, резистивный элемент, расположенный между внутренним и внешним проводниками и включающий цилиндрический участок и конический участок ступенчатой формы, согласно заявляемому решению, резистивный элемент выполнен из фторопласта, в каждой из ступеней резистивного элемента вдоль коаксиальной линии резистивного элемента выполнены отверстия с наноразмерным металлическим слоем, нанесенным на внутреннюю поверхность.
Отличительные признаки являются существенными, так как позволяют решить поставленную задачу и получить технический эффект. Конструкция предлагаемой СН является механически более прочной, а затухание ЭМ волн обеспечивается цилиндрическими резистивными элементами, реализованными внутри диэлектрического включения, расположенного между внутренним и внешним проводниками коаксиальной линии. При этом нагрузка имеет электродинамические характеристики и массо-габаритные показатели не хуже, чем у прототипа: рассеиваемая мощность не менее 10 Вт, КСВ<1,3 для диапазона 2…18 ГГц.
Заявляемое изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 и 3 представлен продольный разрез разных вариантов осуществления заявляемого устройства. На фиг. 2 представлен поперечный разрез резистивного элемента. Позициями на чертежах обозначены: 1 - внешний проводник коаксиальной линии; 2 - внутренний проводник коаксиальной линии; 3 - резистивный элемент; 4 - отверстие; 5 - наноразмерный металлический слой.
Согласованная нагрузка состоит из короткозамкнутого регулярного отрезка коаксиальной линии с диэлектрическим включением, выполненным из недиссипативного твердого материала с низкой диэлектрической проницаемостью, расположенным между внутренним и внешним проводниками линии. Внутри данного материала вдоль направления распространения электромагнитной энергии выполнены отверстия с наноразмерным резистивным слоем, нанесенным на внутреннюю поверхность отверстия, длиной, определяемой радиальным расстоянием от центральной оси коаксиальной линии до центральной оси каждого отверстия.
На фиг.1 показана продольная конфигурация СН и расположение отверстий с наноразмерным резистивным слоем в зависимости от радиальной координаты. Количество отверстий возрастает по мере удаления от центральной оси коаксиальной линии. На фиг.2 приведены размеры отдельно взятого отверстия радиусом R и наноразмерного слоя 5 толщиной Δ=R-r, где r - внутренний радиус отверстия. Возможная модификация предлагаемой конструкции СН представлена на фиг.3.
Заявляемая СН состоит из короткозамкнутого отрезка коаксиальной линии с диаметром внешнего проводника 1, равным D, и диаметром внутреннего проводника 2, равным d, диэлектрической вставки 3 из материала с диэлектрической проницаемостью ε΄<2.5 и коэффициентом потерь ε΄΄ → 0, внутри которой выполняются малоразмерные отверстия 4, длина которых определяется удалением от центральной оси коаксиальной линии, а внутренняя поверхность покрыта резистивным слоем толщиной Δ.
Для поглощения ЭМ мощности использован твердый диэлектрик с низким значением диэлектрической проницаемости, например фторопласт, в котором вдоль направления распространения ЭМ волн выполнены продольные отверстия малого диаметра с резистивным наноразмерным слоем, нанесенным на внутренней поверхности каждого отверстия, причем глубина отверстий зависит от радиального расстояния между продольной осью коаксиальной линии и продольной осью каждого отверстия.
Высокопрочная коаксиальная нагрузка с диаметром внешнего проводника D и диаметром внутреннего проводника d содержит помимо проводников вставку из диэлектрика без потерь, обладающего низкой диэлектрической проницаемостью, внутри которой выполняются отверстия радиусом R (фиг.2). Внутренняя поверхность каждого отверстия покрыта наноразмерным резистивным слоем, толщина которого подбирается в зависимости от условий эксплуатации и частотного диапазона. Продольный размер каждого отверстия определяется радиальным удалением оси этого отверстия от центральной оси коаксиальной линии (фиг.1). Численное моделирование заявляемой конструкции с размерами D=7,0 мм, d=3,04 мм показало, что она обладает электродинамическими характеристиками и массо-габаритными показателями не хуже, чем прототип, а механическая прочность нагрузки в несколько раз выше.
Коаксиальная нагрузка в канале сечением 7,0/3,04 мм выдержала испытания по стойкости к воздействию механических и климатических внешних воздействующих факторов в соответствии с ГОСТ РВ 20.57.416-98 (Климат - 7) по группе унифицированного исполнения 2У ГОСТ РВ 20.39.414.1-97 в диапазоне частот 2,0…18,0 ГГц.
Результаты испытаний представлены в таблице.
Таблица