МИКРОПОЛОСКОВАЯ НАГРУЗКА

Полезная модель относится к радиоэлектронике и СВЧ технике и может использоваться в радиопередающих устройствах и широкополосных СВЧ трактах в качестве оконечной согласованной нагрузки, имеющей выход для подключения измерительных приборов.
Известна микрополосковая нагрузка (см. авторское свидетельство СССР №1443061, МПК Н01Р 1/26, опубликовано 07.12.1988, БИ №45), выполненная на диэлектрической подложке, на одной стороне которой расположено заземленное основание, а на другой стороне пленочный резистор, подключенный одним концом к короткозамыкателю виде разомкнутого микрополоскового шлейфа, а другим концом к последовательно включенным микрополосковым линиям с различным волновым сопротивлением, соединяющими пленочный резистор с входной линией передачи. Данная микрополосковая нагрузка имеет хорошее согласование на фиксированной частоте. Недостатком нагрузки является работа в узкой полосе рабочих частот из-за резонансных свойств короткозамыкателя.
Более широкой полосой рабочих частот обладает 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. При этом величина сопротивления каждого резистора выбрана больше величины волнового сопротивления входной линии передачи. Основным недостатком данной нагрузки является малый допустимый уровень входного СВЧ сигнала, поскольку пленочные резисторы имеют размеры, соизмеримые с шириной полоска входной микрополосковой линии передачи, и расположены рядом друг с другом, что вызывает их перегрев.
Известна также микрополосковая нагрузка (см. патент РФ №2335833, Н01Р 1/24, опубл. 10.10.2008, БИ №28), являющаяся прототипом предлагаемой полезной модели и содержащая диэлектрическую подложку, у которой на одной стороне расположено металлизированное основание, а на другой стороне расположен полосок, выполненный в виде последовательно соединенных металлическими перемычками поглощающих резистивных пленок с одинаковым размером по ширине, равном ширине полоска микрополосковой линии передачи, волновое сопротивление которой равно номинальному сопротивлению микрполосковой нагрузки, при этом величина поверхностного сопротивления поглощающих резистивных пленок возрастает от начала полоска, соединенного металлической перемычкой с входным разъемом, к его концу.
Прототип обладает достаточно высоким уровнем допустимой мощности входного СВЧ сигнала, что обусловлено равномерным распределением рассеиваемой мощности по всей длине микрополосковой нагрузки за счет соответствующего выбора поверхностного сопротивления поглощающих резистивных пленок. Недостатком прототипа является отсутствие согласованного выхода для подключения измерительных приборов, используемых для определения параметров СВЧ сигнала, подводимого к микрополосковой нагрузке.
Задачей (техническим результатом) предлагаемой полезной модели является введение согласованного выхода для подключения измерительных приборов, используемых для определения параметров СВЧ сигнала, подводимого к микрополосковой нагрузке.
Поставленная задача достигается тем, что в микрополосковую нагрузку, содержащую диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположено металлизированное основание, а на другой стороне расположен полосок, выполненный в виде последовательно соединенных металлическими перемычками поглощающих резистивных пленок с одинаковым размером по ширине, равным ширине полоска микрополосковой линии, волновое сопротивление которой равно номинальному сопротивлению микрполосковой нагрузки, при этом величина поверхностного сопротивления поглощающих резистивных пленок возрастает от начала полоска, соединенного металлической перемычкой с входным разъемом, к его концу, соединенному металлической перемычкой с дополнительно введенным выходным разъемом, а длина поглощающих резистивных пленок в 5 раз и более превышает ширину.
На фиг. 1 представлена конструкция предлагаемой микрополосковой нагрузки. На фиг. 2 представлен график частотной зависимости коэффициента стоячей волны (КСВ) по входу. На фиг. 3 представлен график частотной зависимости КСВ по выходу. На фиг. 4 показана частотная зависимость коэффициента передачи (К) микрополосковой нагрузки для сигнала, снимаемого с выходного разъема.
Предлагаемая микрополосковая нагрузка содержит диэлектрическую подложку 1, на одной стороне которой находится металлизированное основание 2. На другой стороне диэлектрической подложки 1 расположен полосок, выполненный в виде последовательного соединения металлическими перемычками 3 поглощающих резистивных пленок 4. Начало полоска, соединено металлической перемычкой 3 с входным разъемом 5, а его конец, соединен металлической перемычкой 4 с выходным разъемом 6.
Предлагаемая микрополосковая нагрузка работает следующим образом. Падающая на полосок электромагнитная волна распространяется по нему с затуханием за счет потерь в поглощающих резистивных пленках 4. При этом затухание увеличивается к концу полоска из-за соответствующего возрастания поверхностного сопротивления поглощающих резистивных пленок 4, а рассеиваемые мощности СВЧ сигнала на каждой из них остаются практически постоянными. Следовательно, в данном случае обеспечивается равномерный нагрев всех поглощающих резистивных пленок 4. Это обусловлено тем, что в каждую последующую резистивную пленку подводится меньшая мощность СВЧ сигнала, а затухание в ней возрастает за счет увеличения поверхностного сопротивления.
Определение входного сопротивления предлагаемой микрополосковой нагрузки проведем исходя из того, что поглощающая резистивная пленка 4 с длиной, в 5 раз и более превышающей ширину, представляет собой микрополосковую линию с потерями. Затем с помощью уравнения для входного сопротивления микрополосковой линии с потерями найдем входное сопротивление для поглощающей резистивной пленки 4, соединенной металлической перемычкой 3 с выходным разъемом 6:
n
где R - сопротивление нагрузки, подключаемое к выходному разъему;
γ - постоянная распространения микрополосковой линии с потерями;
- длина поглощающей резистивной пленки;
Z - волновое сопротивление микрополосковой линии с потерями.
Далее запишем соотношения для волнового сопротивления Z и постоянной распространения у микрополосковой линии с потерями:
0
где R - погонное (на единицу длины) сопротивление микрополосковой линии с потерями;
0
G - погонная (на единицу длины) проводимость диэлектрика;
0
L- погонная индуктивность микрополосковой линии с потерями;
0
C - погонная емкость микрополосковой линии с потерями;
ω=2πƒ - частота входного СВЧ сигнала;
В области высоких частот (ω→∞) из соотношений (2) и (3) получим следующие предельные значения:
Подставив соотношения (4) в (1) получим следующий результат
n
n
Из выражения (5) следует, что в области высоких частот входное сопротивление последовательно соединенных металлическими перемычками 3 поглощающих резистивных пленок 4 также будет асимптотически стремиться к постоянному значению R, поскольку каждая из последовательно включенных резистивных поглощающих пленок 4 оказывается нагруженной на величину R.
0
0
0
in
n
in
n
Анализ соотношений (2)-(4) и предельного перехода (5) показывает, что он справедлив при любых значениях погонной проводимости диэлектрика, в том числе и при G=0. Из этого следует, что микрополосковая линия с потерями только в полоске (R>0, G=0) в области высоких частот имеет входное сопротивление Z близкое к R и может использоваться в верхней части дециметрового и сантиметрового диапазона в качестве согласованной нагрузки. С физической точки зрения это обусловлено тем, что в линии с потерями с возрастанием частоты входного СВЧ сигнала  увеличивается затухание падающих и отраженных волн и ее входное сопротивление Z асимптотически стремится к величине R, которое является номинальным значением сопротивления предлагаемой микрополосковой нагрузки. Следует отметить, что режим согласования во всем диапазоне частот (0<ω<∞) обеспечивается также при выполнении известного условия Хевисайда для неискажающей линии с потерями, которая тоже может быть использована в качестве согласованной нагрузки
0
Однако предлагаемая микрополосковая нагрузка, где выполняется условие (4), имеет самую простую конструктивную реализацию. В микрополосковых нагрузках, базирующихся на выполнении условия (6), необходимо использовать дополнительные поглощающие резистивные пленки, обеспечивающие реализацию требуемого значения G, что существенно усложняет конструкцию микрополосковой нагрузки.
На основании численного компьютерного электромагнитного моделирования для предлагаемой микрополосковой нагрузки, выполненной на основе двух поглощающих резистивных пленок, были получены графики частотной зависимости КСВ по входу и по выходу, показанные соответственно на фиг. 2 и фиг. 3. На фиг. 4 представлен график частотной зависимости коэффициента передачи (К) в децибелах (дБ), для сигнала, снимаемого с выходного разъема 6. Как видно из рассмотрения графика фиг. 2, качество согласования по входу улучшается с ростом частоты, Это обусловлено тем, что с повышением частоты увеличивается затухание в поглощающих резистивных пленках 4 как для падающих волн, так и для отраженных волн. При этом, если длина поглощающих резистивных пленок в 5 раз и более превышает ширину, отраженная волна соответствует значению КСВ по входу порядка 1,1-1,3. Такое значение КСВ допустимо при работе на большом уровне мощности входного СВЧ сигнала, порядка несколько десятков Вт.
Рассмотрение графика фиг. 2 показывает, что предлагаемая микрополосковая нагрузка, также как и прототип, недостаточно хорошо согласована по входу на низких частотах, в метровом диапазоне и нижней части дециметрового диапазона (0-2000 МГц), так как в этом случае не выполняется условие (5). Поэтому предлагаемая микрополосковая нагрузка предназначена для работы в верхней части дециметрового диапазона и в сантиметровом диапазоне (3000-10000 МГц), где КСВ по входу находится в указанных выше пределах 1,1-1,3. Компьютерное моделирование частотных свойств прототипа показало, что за счет режима короткого замыкания (или холостого хода) для последней поглощающей резистивной пленки 4 прототип имеет несколько худшее качество согласования по входу по сравнению с предлагаемой микрополосковой нагрузкой. Это обусловлено тем, что за счет подключения к дополнительно введенному выходному разъему 6 согласованных измерительных приборов отсутствует отраженная волна от выходного разъема. При этом, как следует из рассмотрения графика фиг. 3, за счет потерь в поглощающих резистивных пленках 4 величина КСВ по выходу, рассчитанная в плоскости подключения разъема 6, не превышает значений 1,2-1,5, что является вполне приемлемым при работе с малым и средним уровнем мощности выходного СВЧ сигнала. Рассмотрение графика фиг. 4 показывает, что в диапазоне частот 3000-10000 МГц микрополосковая нагрузка имеет малую неравномерности коэффициента передачи (К) при его среднем значении порядка - 15 дБ.
Таким образом, дополнительно введенный выход является согласованным и имеет малую неравномерность коэффициента передачи в рабочем диапазоне частот. Это обеспечивает подключение к выходному разъему микрополосковой нагрузки стандартных маломощных измерительных приборов для определения параметров входного СВЧ сигнала, что расширяет функциональные свойства предлагаемой микрополосковой нагрузки, поскольку она является не только согласованным поглотителем СВЧ мощности, но и обеспечивает измерение параметров входного СВЧ сигнала.