ВЧ АТТЕНЮАТОР

Полезная модель относится к области радиоэлектроники и измерительной техники и может быть использована для настройки и поверки мощных ВЧ передатчиков.
В радиопередающих устройствах измерение уровня мощности выходного сигнала осуществляется с помощью широкополосных аттенюаторов [1]. Для построения таких аттенюаторов предложено использовать планарные пленочные резисторы, нанесенные 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. Недостатком такой конструкции является сложная схема построения ВЧ аттенюатора из нескольких каскадов, заключающаяся в необходимости согласования между собой этих каскадов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является ВЧ аттенюатор, описанный в [2, 3]. Для построения аттенюаторов используются планарные резисторы, выполненные с помощью пленочной технологии на основе бериллиевой керамики. Пленочный резистор устанавливается на радиатор с воздушным охлаждением, рассеивает при этом мощность не более 200 Вт. Более высокая мощность может быть получена в структурах с несколькими резистивными элементами. Для построения мощных ВЧ аттенюаторов производится последовательно-параллельное соединение резистивных элементов. Так, например, аттенюатор на мощность рассеивания 2 кВт реализован по модульной технологии. Модульная конструкция обеспечивает достаточно равномерное распределение тепловой мощности по общему объему блока, а вентиляторы, обдувающие радиаторы модулей - эффективный отвод тепла в общий воздуховод. Как следует из рисунков, приведенных в [3], ВЧ аттенюатор состоит из корпуса со встроенными вентиляторами. Внутри корпуса на теплоотводе расположены резистивные элементы. Недостатком такой конструкции является увеличение габаритных размеров ВЧ аттенюатора за счет увеличения занимаемой площади резистивными элементами при их последовательно-параллельном соединении. Кроме того недостатком такой конструкции является неравномерное охлаждение резисторов, находящихся в начале и в конце параллельно-последовательного соединения резистивных элементов, что уменьшает срок службы ВЧ аттенюатора.
Задачей предлагаемого технического решения является снижение тепловой нагрузки на планарные пленочные резисторы, уменьшение габаритных размеров, увеличение мощности рассеивания и увеличение срока службы ВЧ аттенюатора.
Поставленная задача достигается тем, что в ВЧ аттенюаторе, состоящим из металлического корпуса, цепочки планарных пленочных резисторов на керамических подложках, ребристого радиатора, вентиляторов, создающих основной поток воздуха, планарные пленочные резисторы расположены перпендикулярно основному потоку воздуха, нагнетаемого вентиляторами, тем самым создавая одинаковые условия для охлаждения. При этом устраняется перегрев части резисторов цепочки, что приводит к повышению надежности ВЧ аттенюатора.
Основная доля тепла от поверхности планарного пленочного резистора отводится посредством теплопередачи на охлаждаемый воздушным потоком радиатор. Часть тепла за счет конвекции распространяется над поверхностью пленочных резисторов. Поэтому в системе воздушного охлаждения предусмотрен частичный (5-10%) обдув потоком воздуха поверхности пленочных резисторов, что также уменьшает нагрев резисторов и увеличивает их срок службы.
Планарные резисторы, расположенные в средней части ребристого радиатора, будут нагреваться сильнее, чем резисторы, расположенные на краях. Это обусловлено тем, что резистор в центре радиатора дополнительно нагревается за счет соседних резисторов. На краях радиатора резистор будет нагреваться от соседних резисторов лишь с одной стороны. Результаты теплового моделирования показали, что площадь посадочного места под установку керамических подложек с резисторами в средней части радиатора должна быть на 2-3% больше, чем на краях. Тем самым достигается одинаковый нагрев планарных резисторов на подложках, расположенных на поверхности радиатора. Эта площадь по дуге плавно уменьшается от центра радиатора к краям.
На фиг. 1 показан планарный пленочный резистор на керамической подложке из оксида бериллия или нитрида алюминия прямоугольной формы: 1 - теплопроводная керамическая подложка, 2 - пленочный резистор, 3 - контактные площадки.
На фиг. 2 изображена конструкция предлагаемого ВЧ аттенюатора. ВЧ аттенюатор состоит из металлического корпуса 4, цепочки планарных пленочных резисторов на керамических подложках 1, ребристого радиатора 5, вентиляторов 6, создающих основной поток воздуха 7 и дополнительный (5-10% от основного) поток воздуха 8. Цепочка планарных пленочных резисторов расположена перпендикулярно потоку воздуха 7. При этом все резисторы находятся в одинаковых условиях, что устраняет перегрев части из них. Именно это способствует увеличению мощности рассеивания и повышению их срока службы. Поток нагретого воздуха 7 отводится за пределы корпуса 4 ВЧ аттенюатора.
Расположение прямоугольных керамических подложек с резисторами на поверхности ребристого 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. Эти конструктивные исполнения определяются конкретными требованиями к габаритным размерам ВЧ аттенюатора. На фиг. 3 показаны варианты размещения керамических подложек с планарными пленочными резисторами на поверхности радиатора. Здесь 5 - поверхность ребристого радиатора, 1- прямоугольные керамические подложки с планарными резисторами 2. Планарный пленочный резистор может быть выполнен и на квадратных подложках.
Источники информации:
1. 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.
2. Столяренко А.А., Рубанович М.Г., Хрусталев В.А., Митьков А.С., Волков Д.Ю. Мощные СВЧ аттенюаторы для радиопередающей и телевизионной аппаратуры [Электронный ресурс]: [Материалы VI Общероссийской научно-технической конференции «Обмен опытом в области создания сверхширокополосных радиоэлектронных систем»]. - Электрон. дан. и прогр. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2016. - 1 электрон. опт. диск (CD).
3. Рубанович М.Г., Хрусталев В.А., Востряков Ю.В., Разинкин В.П. Широкополосные аттенюаторы для измерения параметров выходного сигнала радиопередающих устройств. Датчики и системы, № 6 2012 г., с. 15-20.