КОМПЕНСИРОВАННЫЙ АТТЕНЮАТОР

Предлагаемая полезная модель относится к импульсной технике и может быть использована в сигнальных трактах измерительных каналов, на входе осциллографических регистраторов (ОР), для снижения амплитуды исследуемого импульсного сигнала, таким образом, чтобы амплитуда сигнала на выходе аттенюатора находилась в динамическом диапазоне регистрации ОР.
При регистрации однократных быстропротекающих процессов исследуется импульс с плоской вершиной и крутым фронтом, поэтому аттенюатор должен иметь широкий частотный диапазон, простирающийся от нуля до 3-5 ГГц. Соответственно, время нарастания переходной характеристики (ПХ) аттенюатора и выброс должны быть в пределах установленных норм, чтобы не искажать соответствующие характеристики канала регистрации. В многоканальных системах регистрации количество требующихся аттенюаторов пропорционально количеству каналов. Простота конструкции, технологичность, а, следовательно, и низкая стоимость являются следующими требованиями, предъявляемыми к аттенюатору.
Известен микрополосковый фиксированный аттенюатор (1) по пат. РФ №2237951, в котором осуществлено увеличение ослабления без уменьшения ослабления на верхних частотах.
Известны аттенюаторы (2, пат. РФ №2003112405, 2234169, 2224338), в которых поглощающий элемент включен на расстоянии, кратном длине волны от входа; это определяет узкий частотный диапазон аттенюатора.
В аттенюаторе (3) по пат. РФ №2048694 токонесущий проводник выполнен в форме меандра и имеет увеличивающиеся в направлении от его середины к концам ширину и шаг меандра через четверть длины волны в токонесущем проводнике. Аттенюатор (3) также относится к узкодиапазонным фиксированным аттенюаторам.
Известен аттенюатор (4, пат. РФ №2276433), на входе которого установлена прямоугольная коаксиальная полосковая секция с прямоугольным внешним проводником, оснащенная перпендикулярными центральной полоске регулируемыми по глубине погружения настроечными винтами, которые в совокупности образуют фильтр низких частот. Аттенюатор 4 является узкодиапазонным.
В программируемом аттенюаторе по пат. США №4734661 (4а) переключение осуществляется толкателями. Сложность конструкции является существенным недостатком аттенюатора 4а.
Известен многосекционный высоковольтный делитель напряжения СДНР 7 - каталог ФГУП НИИИТ www.niiit.ru, (5 по изобретению №1660561 - разработка заявителя: ФГУП НИИИТ), изготовленный в микроэлектронном исполнении, причем для компенсации частотной характеристики в металлическом корпусе со стороны диэлектрического основания под каждым участком резистивного слоя выполнены пазы. Однако такая компенсация рекомендуется в диапазоне частот до 10 ГГц и сопряжена с выполнением сложных фрезеровочных работ, что приводит к снижению технологичности и повышению стоимости изделия.
С учетом поставленной задачи: компенсации АЧХ в области высоких частот при сохранении высокой равномерности АЧХ во всем частотном диапазоне от 0 до (3-5) ГГц, а так же при обеспечении простоты и технологичности конструкции аттенюатора, следовательно, и удовлетворительной стоимости, в качестве прототипа, выбрана простейшая П-образная схема аттенюатора (6), представленная в журнале «Электроника», наука, технология, бизнес №2, 2006 г., стр.33-34. Такой аттенюатор представлен также в (7, Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств под. ред. В.И.Вольмана, Москва, «Радио и связь», 1982, стр.192).
Наиболее близким техническим решением к данному предложению, является аттенюатор (6), содержащий входной и выходной высокочастотные (ВЧ) коаксиальные разъемы, подключенные к началу и концу сигнального проводника микрополосковой линии (МПЛ), корпус, на основании которого расположена диэлектрическая плата, на одной стороне которой расположены резисторы, соединенные по П-образной схеме, включенной в разрыв МИЛ. Недостатком прототипа является отсутствие компенсации АЧХ в области верхних частот.
Техническим результатом данного предложения является компенсация частотной характеристики в области верхних частот при обеспечении простоты конструкции и технологичности аттенюатора. Последнее обеспечивает существенное снижение стоимости аттенюатора.
Технический результат в аттенюаторе, содержащем входной и выходной коаксиальные разъемы, подключенные к началу и концу сигнального проводника МПЛ, корпус, на основании которого, расположена диэлектрическая плата на одной стороне которой расположены резисторы, соединенные по П-образной схеме, включенной в разрыв МПЛ, достигается тем, что резисторы П-образной схемы выполнены дискретными пленочными, в разрыв сигнального проводника МПЛ включен проходной резистор П-образной схемы, резистивный слой которого обращен к диэлектрической плате, в которой и в основании непосредственно под резистивным слоем выполнено отверстие, в которое на резьбе
установлен регулировочный металлический винт с плоской поверхностью, обращенной к резистивному слою проходного резистора, и электрически замкнутый на основание, экранный проводник МПЛ образован металлизацией другой стороны диэлектрической платы, регулировочным винтом и основанием корпуса.
Существо предлагаемого технического решения заключается в введении подстроечной емкости между резистивным слоем проходного резистора и плоской поверхностью введенного регулировочного винта и использованием его в качестве элемента экранного проводника МПЛ. Конструктивно это достигнуто новым расположением проходного резистора, новым выполнением основания корпуса, реализованными в относительной простой конструкции аттенюатора. Полное согласование всех элементов тракта в заданной полосе частот достигается соотношением размеров элементов аттенюатора, определяемых в соответствии с номограммами для расчета МПЛ (7, стр.63-64) и формулами для расчета П-секции (7, стр.192-193).
Эквивалентная схема предлагаемого аттенюатора приведена на фиг.1, на фиг.2 - конструктивное выполнение, на фиг.3 расчетные амплитудно-частотные характеристики аттенюатора до и после настройки аттенюатора.
Принятые обозначения на фиг.1:
XW1, XW2 - отрезки МПЛ в которые включается П-секция;
ХР1, XS1 - входной и выходной коаксиальные разъемы;
R1-R3 - дискретные пленочные резисторы типа;
Cn1-Сn3 - паразитные емкости резисторов R1-R3;
Сk1 - введенная настроечная емкость.
Конструкция предлагаемого аттенюатора представлена на фиг.2.
Принятые обозначения на фиг.2:
Входной и выходной ВЧ разъемы 1, 2, корпус 3, верхняя крышка 4 аттенюатора (в формуле ПМ не участвует), диэлектрическая плата из ВЧ-диэлектрика 5 полностью металлизированная с обратной стороны, сигнальный проводник 6 микрополосковой линии, основание корпуса 7, проходной пленочный резистор 8 П-образной схемы, фигурное отверстие 9 в основании и диэлектрической плате, регулировочный металлический винт 10 с плоской конечной поверхностью, обращенной к резистивному слою 11 проходного резистора 8, центральные проводники 12, 13 ВЧ разъемов 1, 2; обратная металлизация диэлектрической платы 14, элементы 5, 6, 7, 10, 14 образуют МПЛ, заземляющие дискретные пленочные резисторы 15, 16 П-образной схемы.
В аттенюаторе могут быть применены следующие материалы и радиоэлементы:
- в П-образной схеме дискретные пленочные резисторы 8, 15, 16 - отечественные резисторы серии Р1-12, позволяющие передавать в импульсе большую мощность. Номиналы определяются по формулам из (7) в зависимости от заданного коэффициента деления и входного и выходного напряжений;
- ВЧ-разъемы 1, 2. в полосе частот до 3-5 ГГц- разъемы импортного производства серии BNC на 50 или 75 Ом или их отечественные аналоги;
- материал корпуса 3 - латунь, покрытие - олово-висмут;
- регулировочный винт 10 может быть также из латуни;
- диэлектрическая плата 5 может быть выполнена из ВЧ фольгированного материала ФАФ-4.
Со стороны монтажа резисторов (с одной стороны диэлектрической платы) на диэлектрической плате расположен сигнальный проводник МПЛ,, с другой стороны диэлектрическая плата 5 полностью металлизирована и прилегает к основанию корпуса 7. В диэлектрической плате, в основании корпуса и в корпусе непосредственно под резистивным слоем 11 проходного резистора 8 выполнено отверстие, соответствующее геометрии регулировочного металлического винта 10. Основание корпуса 7 должно иметь высокую степень плоскостности и высокую чистоту поверхности. Экранный проводник МПЛ образован металлизацией другой стороны диэлектрической платы 5, регулировочным металлическим винтом 10 и основанием корпуса 7.
Расчет размеров элементов аттенюатора МПЛ проводится по формулам из (7).
Предлагаемый аттенюатор работает следующим образом. Входной импульсный сигнал амплитудой А вх и временем нарастания фронта Т вх через входной ВЧ разъем 1, входные отрезки МПЛ попадает на резистивный делитель из элементов 8, 15, 16, обеспечивающий на постоянном токе деление напряжения в N раз. Из-за наличия паразитных элементов, показанных на фиг.1, коэффициент деления на высоких частотах изменяется, что приводит соответственно не только к делению импульсного сигнала в N раз до амплитуды Авых=Авх/N, но и к искажению его формы, то есть к затягиванию времени нарастания фронта Т вых и появлению выброса на вершине. Измененный таким образом сигнал может попасть через выходной ВЧ разъем 2 на последующие устройства измерительного канала. Резистивный слой 11 проходного резистора 8, обращен к плоской конечной поверхности металлического регулировочного винта 10 и образует с ним компенсирующую регулируемую при настройке емкость, также показанную на фиг 1, как Сk4. При настройке, путем изменения этой емкости вращением регулировочного металлического винта 10, выбирается оптимальная форма переходной характеристики, то есть уменьшается до приемлемого уровня выброс, за счет некоторого затягивания (в пределах технических требований на аттенюатор) фронта выходного импульса, чем и достигается решение поставленной задачи. При этом
необходимым условием является согласование всех элементов тракта: разъемов, МПЛ, ширина которой, зависящая от толщины платы и диэлектрической проницаемости диэлектрика, должна быть согласована с шириной дискретных пленочных резисторов. Контроль и подстройка формы АЧХ и ПХ (то есть снижение величины выброса ПХ), осуществляется путем подачи на аттенюатор импульса с фронтом 70-120 пс, например, от генератора импульсов Г5-84, и контроля прошедшего через аттенюатор импульса на стробоскопическом осциллографе с полосой пропускания не менее 10 ГГц, например С1-94/1, С1-122/1.
Результат действия введенной емкости Сk1 был оценен в частотной области в диапазоне частот 0-3 ГГц, (соответствует спектральному диапазону импульсного сигнала с временами нарастания порядка 120 пс). АЧХ аттенюатора для значения паразитной емкости С~1,5 пФ до и после введения компенсации представлены на фигуре 3а и 3б.
Как видно из графика 3а, до введения компенсации, на частоте порядка 1 ГГц имеется существенный подъем АЧХ на 5 дБ вверх, который и обусловит значительный выброс на вершине ПХ. Результат увеличения компенсирующей емкости путем уменьшения зазора между регулировочным 10 и резистивным слоем 11 (эквивалентно вворачиванию регулировочного винта) виден из графика 3б и заключается в выравнивании АЧХ в заданной полосе частот.
Таким образом, выброс АЧХ существенно уменьшается и полоса пропускания устройства (по уровню 3 дБ) расширяется не менее чем в 3 раза, что соответственно приведет к снижению выброса ПХ до величины порядка 3-5% при времени нарастания порядка 100-120 пс.
Таким образом, предлагаемая полезная модель, обладая достоинствами прототипа - относительной простотой и технологичностью - имеет по сравнению с прототипом преимущество, заключающееся в компенсации частотной характеристики аттенюатора в области верхних частот.
Литература
1. Патент. РФ №2237951.
2. Патенты РФ №2003112405, 2234169, 2224338
3. Патент РФ №2048694
4. Патент РФ №2276433, патенты. США №4260905, 4734661
5. Изобретение №1660561 - разработка заявителя: ФГУП НИИИТ компенсированный аттенюатор СДНР7 (каталог ФГУП НИИИТ www.niiit.ru).
6. «Электроника», наука, технология, бизнес №2, 2006 г., стр.33-34. - прототип
7. Под редакцией В.И.Вольмана Справочник по расчету и конструированию полосковых устройств. Сов. Радио 1982 г., стр.192-193