Мощный СВЧ-аттенюатор
POWERFUL MICROWAVE ATTENUATOR

Изобретение относится к радиоэлектронике и измерительной технике и может быть использовано для заданного ослабления СВЧ-сигнала большой мощности в широкой полосе рабочих частот.
Известно построение мощных аттенюаторов на планарных пленочных резисторах, нанесенных на диэлектрическую подложку из бериллиевой керамики, обладающей хорошими диэлектрическими свойствами и теплопроводностью, сравнимой с теплопроводностью металла. Обеспечение большой допустимой мощности входного высокочастотного сигнала достигается за счет отвода тепла через диэлектрическую подложку с высокой теплопроводностью на металлизированное основание, которое установлено на радиатор с воздушным охлаждением. При использовании воздушного обдува металлизированного основания и радиатора микроволновый аттенюатор обеспечивает в непрерывном режиме рассеивание мощности входного высокочастотного сигнала 250-300 Вт. Для построения мощных широкополосных аттенюаторов на пленочных резисторах применяется каскадное включение нескольких аттенюаторов, в которых рассеиваются равные мощности (Богомолов П.Г., Рубанович М.Г., Хрусталев В.А., Разинкин В.П. Широкополосный пленочный СВЧ-аттенюатор. Сб. трудов Всероссийской конференции «Электроника и микроэлектроника СВЧ», С-Петербург, 2-5 июня 2014 г.). Схема построения ВЧ аттенюатора из нескольких каскадов обусловливает необходимость согласования между собой этих каскадов.
PM
Известен мощный аттенюатор (RU2477910C1), содержащий N включенных последовательно друг за другом согласованных звеньев на одинаковых подложках, установленных с одинаковым шагом на теплопроводящем основании, каждое последующее звено имеет большее затухание, чем предыдущее, причем коэффициент передачи по мощности каждого звена задается выражением K = N – M/N – M+1, где М – порядковый номер звена; N – количество звеньев. При этом тепловые потоки от всех подложек будут направлены в теплоотвод, а градиенты температуры между подложками будут равны нулю, за счет чего и повышается надежность.
К недостаткам известного аттенюатора относится пониженная надежность устройства из-за термомеханических напряжений, возникающая при жестком креплении элементов к радиатору из-за большой разности температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) металла и керамики.
Близкое по сущности к вышеуказанному устройство, известное из патента RU2519506C1, обладает теми же недостатками.
Известен СВЧ-аттенюатор (RU2641625C1), содержащий N последовательно включенных друг за другом каскадов, выполненных на пленочных резисторах, общая площадь которых обеспечивает рассеивание заданной входной мощности, коэффициенты передачи по мощности каждого каскада рассчитаны по предложенной формуле, что обеспечивает равномерное распределение рассеиваемой мощности по каскадам, отличающийся тем, что все каскады 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.
Недостатком описанного решения является отсутствие термокомпенсации механических напряжений в элементах аттенюатора, возникающих при больших рассеиваемых мощностях и линейных размерах, а также ограничение применения пленочных резисторов только Т-образными структурами, что сужает реализуемый диапазон ослабления аттенюатора.
В качестве прототипа выбран ВЧ аттенюатор (RU171555U1), состоящий из корпуса, цепочки планарных пленочных резисторов на керамических подложках, радиатора, вентиляторов, обдувающих радиаторы модулей, отличающийся тем, что цепочка планарных пленочных резисторов расположена перпендикулярно основному потоку воздуха, нагнетаемого вентиляторами, что 5–10 % основного потока воздуха направляется на обдув поверхности планарных пленочных резисторов цепочки, площадь посадочного места под установку керамических подложек в средней части радиатора превышает на 2–3 % площадь посадочного места под установку керамических подложек на краях этого радиатора и плавно уменьшается от его центра к краям, расположение прямоугольных керамических подложек на поверхности радиатора может быть различным: длинная сторона подложки может располагаться как параллельно, так и перпендикулярно длинной стороне радиатора, а в некоторых случаях – под определенным углом к длинной стороне радиатора.
Недостатки данного устройства: пониженная надежность из-за термомеханических напряжений, возникающая при жестком креплении элементов к радиатору. Неоптимальные габаритные размеры.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение диапазона частот, увеличение рассеиваемой мощности в непрерывном и импульсном режимах, повышение надежности.
Решение указанной задачи позволяет достигнуть низкой неравномерности ослабления сигнала и хорошее согласование СВЧ-тракта в более широком диапазоне частот.
Указанная задача решается мощным СВЧ-аттенюатором, состоящим из корпуса-радиатора с коаксиальными соединителями на входе и выходе и цепочки планарных пленочных резисторов на керамических полосковых платах, в котором, согласно предложению, керамические полосковые платы электрически соединены между собой каскадно гибкими перемычками и механически закреплены во внутреннем канале корпуса-радиатора через пружинные контакты, обеспечивающие как электрический, так и тепловой контакт с корпусом-радиатором.
Отличием рассматриваемого аттенюатора от прототипа являются технические элементы, обеспечивающие термокомпенсацию и снижение электрической емкости. Термокомпенсация обеспечивается креплением керамических полосковых плат в корпусе-радиаторе с использованием пружинных тепло- и электропроводных демпфирующих контактов в виде П-образного профиля с волнообразными поверхностями (при этом теплоотвод, в отличие от прототипа, осуществляется в боковых направлениях керамической платы), а также применением переходов с коаксиальных соединителей на керамическую полосковую плату через пружинные контакты (например, как в решении по патенту CN211743360U). Это обеспечивает повышение надежности конструкции при значительных изменениях температуры во время эксплуатации аттенюатора и позволяет проектировать устройства с широким диапазоном рассеиваемых мощностей.
Снижение электрической емкости пленочных резисторов обеспечивается применением в конструкции частично заполненной диэлектриком несимметричной полосковой линии передачи, что увеличивает диапазон рабочих частот.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана керамическая полосковая плата аттенюатора.
На фиг. 2 показана цепочка из двух керамических полосковых плат аттенюатора.
На фиг. 3 показан предпочтительный вариант выполнения пружинного контакта.
На фиг. 4 показан пружинный контакт коаксиальных соединителей.
На фиг. 5 показаны примеры выполнения корпуса-радиатора.
На фиг. 6 показаны примеры выполнения гибких перемычек между керамическими полосковыми платами (виды спереди, сбоку, сзади и сверху).
На фиг. 7 и 8 показаны направления теплопередачи от резистивных плёнок в одном из поперечных сечений аттенюатора.
Мощный СВЧ-аттенюатор состоит из N керамических полосковых плат (подложек) 1, на которых сформированы следующие элементы: пленочные проводниковые 2, Т- и П-образные резистивные поглощающие 3, диэлектрические защитные 4 и проводниковые согласующие 5. Резистивные поглощающие элементы 3 каждого Т- или П-звеньев могут быть квазисосредоточенными (находящимися на расстоянии друг от друга вдоль линии передачи) или распределенными (частично или полностью объединенными в разрыве линии передачи). Согласующие элементы 5 – это проводящие пленки над резистивными поглощающими элементами, которые разово настраиваются при проектировании аттенюаторов и далее наносятся по шаблону на диэлектрические пленки. При изготовлении аттенюаторов на керамической подложке 1 сначала формируется слой проводника 2 (полосковая линия передачи и заземляющие контакты). Затем формируют слой поглощающих элементов 3 с удельным поверхностным электрическим сопротивлением ρ1 и ρ2 в зависимости от заданного ослабления аттенюатора (в децибелах). Далее формируют второй слой проводника 2 (полосковая линия передачи). Затем требуется подгонка сопротивления резистивных поглощающих элементов лазерным или механическим способом для получения заданного ослабления аттенюатора и следует нанесение защитного слоя 4 на поглощающие элементы. Завершающий слой – согласующие проводниковые элементы 5, а также проводниковые торцевые контакты (не показаны). Проводниковые элементы совместно с каналом 13 корпуса-радиатора 12 (далее – радиатора) образуют частично заполненную диэлектриком несимметричную полосковую линию передачи (далее – линию с подвешенной подложкой). Керамические полосковые платы 1 электрически соединены между собой каскадно гибкими перемычками 6 и механически закреплены во внутреннем канале 13 радиатора 12 через пружинный контакт 7, обеспечивающий как электрический, так и тепловой контакт с радиатором. Пружинный контакт 7 представляет собой металлический П-образный профиль, волнообразно сформованный в поперечном направлении вдоль всей длины. Контакт 7 в зависимости от требований применения может быть изготовлен из меди или бронзы и покрыт оловом, сплавами олова, цинком или серебром. Пружинные контакты 7 надевают на боковые части керамических полосковых плат 1 вдоль их всей длины. Далее платы совместно с пружинными контактами 7 вставляют в соответствующий паз канала 13 одной части радиатора 12, совместно обжимают ответной частью радиатора и стягивают крепежными элементами. Пружинные контакты 7 выполняют три функции: 1) обеспечивают электрический контакт между проводником платы и радиатором; 2) обеспечивают теплопередачу от платы к радиатору; 3) обеспечивают демпфирующее действие при термомеханических нагрузках из-за разности температурных коэффициентов  линейного расширения (ТКЛР) материалов радиатора 12 и керамической полосковой платы.
Радиатор 12 внешне представляет, например, реберную или игольчатую конструкцию для рассеивания тепловой энергии аттенюатора (или принудительное жидкостное охлаждение). Радиатор 12 может дополнительно иметь вентиляторы принудительного охлаждения (не показаны).
Пружинный контакт коаксиальных соединителей 14 вставлен внутрь центрального проводника 8, являясь его продолжением, и состоит из следующих основных  элементов: цанговой втулки 10, прижимной пружины 9 и штыря 11 с конусным наконечником, непосредственно контактирующего с боковой контактной поверхностью керамической полосковой платы 1. В рабочем состоянии пружина 9 давит на втулку 10, цанга, упираясь в конус штыря 11, расширяется и создает надежный контакт между корпусом центрального проводника 8 и штырем 11, упирающимся в плату 1.  При нагреве эта механическая система демпфирует термомеханические напряжения, возникающие между торцевой частью платы 1 и коаксиальным соединителем, и исключает механическое повреждение плат 1 и соединителей.
Мощный СВЧ-аттенюатор функционирует следующим образом.
Значения коэффициентов передачи по мощности каскадов из резистивных структур обеспечивают равномерное распределение по каскадам рассеиваемой мощности высокочастотного сигнала. В отличие от прототипа отвод тепла от резистивных поглощающих элементов (плёнок) 3 в радиатор 12 осуществляется через объем керамических полосковых плат 1 в боковом направлении посредством теплового контактирования пружинными контактами 7 (на фиг. 7, 8 стрелками показаны направления теплопередачи от резистивных плёнок 3 через керамические подожки 1 в радиатор 12 в одном из поперечных сечений аттенюатора. На фиг. 8 замкнутыми линиями показаны изотермы – линии равной температуры). Применена нетоксичная (в отличие от решения, описанного в источнике: Богомолов П. Г., Рубанович М. Г., Хрусталев В. А., Разинкин В. П. Широкополосный пленочный СВЧ-аттенюатор. Сб. трудов Всероссийской конференции «Электроника и микроэлектроника СВЧ», С.-Петербург, 2–5 июня 2014 г.) высокотеплопроводная керамика на основе нитрида алюминия и линия с подвешенной подложкой (образованна воздушным каналом 13 радиатора и диэлектриком керамической полосковой платы 1 с проводниковыми и другими структурами на ней). Применение линии с подвешенной подложкой позволяет отдалить функциональные структуры аттенюатора  (резистивные и согласующие элементы, иные неоднородности в линии передачи) от стенок канала 13 радиатора и снизить электрическую емкость в сравнении с аналогами, в которых применены другие типы линий передачи и где расстояние от элементов до канала радиатора будет меньше или заполнено твердым диэлектриком с большей, чем у воздуха диэлектрической проницаемостью и, соответственно, большей электрической емкостью. Это позволяет значительно расширить диапазон рабочих частот аттенюатора. Достигаемые частотные характеристики до 18 ГГц при рассеиваемой мощности аттенюатора до 200 Вт в непрерывном режиме и до 3000 Вт в импульсном. При снижении требований к частотным характеристикам до 3–6 ГГц рассеиваемая мощность аттенюаторов может быть увеличена до 1000–2000 Вт в непрерывном режиме и до 10000 Вт в импульсном.
При работе мощных СВЧ-аттенюаторов платы 1 и металлический радиатор 12 могут нагреваться до 100 °С и более, что приводит к существенными термомеханическим напряжениям. Использованием гибких межплатных перемычек 6, коаксиальных соединителей 14 с пружинными контактами, а также контактных пружинных П-образных профилей 7, обеспечивающих как электрический, так и тепловой контакт керамической полосковой платы 1 линии с радиатором 12, достигается термомеханическая развязка основных элементов конструкции СВЧ-аттенюатора, что повышает надежность аттенюатора в сравнении с прототипом, у которого элементы закреплены на радиаторе жестко и поэтому во время работы возможны термомеханические повреждения конструкции.