ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ШИРОКОПОЛОСНЫЙ АТТЕНЮАТОР С ЗАЩИТОЙ ОТ ПЕРЕГРУЗОК

Предлагаемая полезная модель относится к импульсной технике и может быть использована в сигнальных трактах измерительных каналов, на входе осциллографических регистраторов (ОР). Функции: снижение амплитуды исследуемого импульсного сигнала, таким образом, чтобы амплитуда сигнала на выходе аттенюатора находилась в динамическом диапазоне регистрации ОР; защита самого аттенюатора и последующих устройств от импульсных перегрузок с амплитудой импульсов выше некоторого порогового значения.
При регистрации импульсных процессов по многим методикам, исследуются однократные и редко повторяющиеся импульсные сигналы с крутыми фронтами субнано-пикосекундного диапазона длительности до микросекундного диапазона и амплитуды до сотен вольт. Кроме того, в сигнальном тракте возможны импульсные перегрузки длительностью до нескольких микросекунд и амплитудой до единиц киловольт, в этом случае, импульсные токи во время перегрузки достигают нескольких килоампер. Следовательно, в сигнальном тракте должно быть установлено два блока - защитный - разрядник-предохранитель, который предохранит последующие блоки и элементы сигнального тракта от проникновения импульсов амплитудой выше заданной, и аттенюатор, который ослабит исследуемый сигнал до амплитуды соответствующей динамическому диапазону входа ОР. Соответственно, полоса пропускания этих блоков должна простираться до нескольких ГГц, поскольку каждый блок в сигнальном тракте ухудшает полосу пропускания и равномерность АЧХ.
Известны диодные ограничители мощности СВЧ сигнала (1, пат. РФ №2258278, 1840159, 2097878). Они предназначены, в основном, для работы с периодическими сигналами. Как было отмечено выше, необходимы защитные элементы и делители напряжения, работающие в импульсном режиме.
Удовлетворить требованиям к защитной части может элемент, который объединит высокие параметры к амплитуде, к разрядному току, с миниатюрностью, удобством монтажа в МПЛ и малой емкостью в рабочем режиме. Конкретно этим требованиям удовлетворяют миниатюрные газоразрядники, выпускаемые фирмой Epcos, Германия. (2) Так для указанных параметров может быть использован разрядник ЕС90Х этой фирмы, имеющий следующие основные параметры: импульсное напряжение ограничения 450 В,
единичный импульсный разрядный ток - 10 кА при длительности импульса до 8 мкс, емкость не более 1 пФ, габариты Ф8×6 мм позволяют встраивать разрядник ЕС90Х параллельно в сигнальный проводник МПЛ.
Известны аттенюаторы (3, пат. РФ №2003112405, 2234169, 2224338), в которых поглощающий элемент включен на расстоянии, кратном длине волны от входа, это определяет узкий частотный диапазон аттенюатора.
Известен многосекционный высоковольтный делитель напряжения СДНР 7 -(каталог ФГУП НИИИТ www.niiit.ru, 4, по изобретению №1660561 - разработка заявителя: ФГУП НИИИТ), изготовленный в микроэлектронном исполнении. Сложность конструкции и изготовления не позволяют выбрать его в качестве прототипа.
В каталоге (4, www.niiit.ru.) представлены также быстродействующие импульсные предохранители, предназначенные для защиты СВЧ-узлов от воздействия микросекундных импульсов в 75 и 50-омных трактах.
Предлагаемая полезная модель предназначена для объединения в одной конструкции, (корпусе с входным и выходным ВЧ разъемами), двух функций - защитной и функции аттенюатора при обеспечении равномерности АЧХ в заданной полосе частот, минимальных отражений - то есть минимального коэффициента стоячей волны (КСВ). Сохраняются также требования по амплитуде, мощности и разрядному току проходящих импульсов, изложенные выше Простота конструкции и технологичность полезной модели оправдывает ее использование в многоканальных системах
Наиболее близким техническим решением к данному предложению, является аттенюатор (5 «Электроника», наука, технология, бизнес №2, 2006 г., стр.33-34.), содержащий входной и выходной высокочастотные (ВЧ) коаксиальные разъемы, подключенные к началу и концу сигнального проводника микрополосковой линии (МПЛ), расположенной на диэлектрической плате, расположенной на основании корпуса, па одной стороне диэлектрической платы расположен аттнюатор, включенный в разрыв МПЛ, другая сторона диэлектрической платы металлизирована. В (5) представлено описание аттенюатора, в (6) - П-образная схема и расчеты аттенюатора. Недостатком прототипа является ограниченные функциональные возможности. Введение в сигнальный тракт автономного защитного блока увеличивает число соединений и, следовательно, ухудшает равномерность АЧХ и в местах неоднородностей вызывает отражения, т.е. увеличивает КСВ.
Техническим результатом данного предложения является расширение функциональных возможностей при обеспечении высоких параметров сигнального тракта: равномерности АЧХ и минимального КСВ за счет снижения ВЧ-разъемных соединений и тем самым уменьшения неоднородностей сигнального тракта.
Технический результат в высоковольтном широкополосном аттенюаторе, содержащем входной и выходной коаксиальные разъемы, подсоединенные соответственно к началу и концу сигнального проводника микрополосковой линии (МПЛ), расположенного на диэлектрической плате, расположенной на основании корпуса, на одной стороне диэлектрической платы расположен аттенюатор, включенный в разрыв МПЛ, другая сторона диэлектрической платы металлизирована, достигается тем, что введен защитный элемент, причем диэлектрическая плата выполнена с разрывом, над которым установлены согласованная с волновым сопротивлением МПЛ металлическая перемычка, соединяющая разрыв сигнального проводника МПЛ, и смыкающийся с верхней крышкой корпуса экран, огибающий перемычку с зазором, исключающим их электрический контакт и разделяющий корпус на секцию аттенюатора и секцию защитного элемента, включенного в разрыв МПЛ секции защитного элемента, экранный проводник МПЛ образован металлизацией другой стороны диэлектрической платы и основанием корпуса, ширина сигнальных проводников МПЛ секции аттенюатора и секции защитного элемента определяются из условия согласованности по волновому сопротивлению на каждом участке сигнального проводника МПЛ.
Существо предлагаемого технического решения заключается в использовании определенных элементов аттенюатора для реализации защитной функции, за счет уменьшения числа ВЧ-разъемных соединений с 4-х (характерных для использования автономных блоков) до 2-х. В предложении заявителя представлен вариант использования в качестве защитного элемента газоразрядника, отвечающего требованиям, изложенным выше. В качестве аттенюатора использован резистивный делитель, включенный по П-образной схеме.
Конструкция предлагаемого устройства представлена на фиг.1а, 1б, на фиг.2 представлена упрощенная характеристика предлагаемого блока, отражающая алгоритм его работы, на фиг.3 - эквивалентная схема предлагаемого блока с учетом основных паразитных элементов, на фиг.4 - АЧХ и КСВ оптимизированного устройства.
Принятые обозначения на фиг.1а, б:
Входной и выходной ВЧ разъемы 1, 2, корпус 3, верхняя крышка 4 аттенюатора (в формуле ПМ не участвует), диэлектрическая плата из ВЧ-диэлектрика 5, секция аттенюатора 6, основание корпуса 7, сигнальный проводник 8 МПЛ, секция газоразрядника, 9, проходной пленочный резистор 10 (в формуле не участвует) П-образной схемы, центральные проводники 12, 11 ВЧ разъемов 1, 2, заземляющие дискретные пленочные резисторы (в формуле не участвуют) 13, 14 П-образной схемы, каждый из которых разбит на 2 параллельно включенных резистора, газоразрядник 15,
экран 16, разделяющий устройство на секции газоразрядника и аттенюатора, металлическая перемычка 17, соединяющая сигнальный проводник 8 секций газоразрядника и аттенюатора, выводы газоразрядника 18, металлизация другой стороны диэлектрической платы обозначена позицией 19. Необходимость экрана 16 обусловлено тем, что во время срабатывания газоразрядника 9 возникают мощные импульсные токи до нескольких кА, которые способствуют возникновению электромагнитных наводок, которые, в свою очередь, могут проникнуть непосредственно на вход ОР. Этими же причинами вызвана необходимость выполнения диэлектрической платы с разрывом.
В устройстве могут быть применены следующие материалы и радиоэлементы:
- в П-образной схеме дискретные пленочные резисторы 10, 13, 14 - серии Р1-12, номиналы определяются по формулам из (6) 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;
- двухэлектродный газоразрядник фирмы Epcos - серии ЕС 90 XN (импульсное разрядное напряжение 450 В).
- материал корпуса 3 и крышки 4 - латунь, покрытие - олово-висмут;
- диэлектрическая плата 5, может быть выполнена из ВЧ фольгированного материала ФАФ-4.
Со стороны монтажа газоразрядника 15 и резисторов 10, 13, 14, на диэлектрической плате расположен сигнальный проводник МПЛ 8, с другой стороны диэлектрическая плата 5 полностью металлизирована и прилегает к основанию корпуса 7. Основание корпуса 7 должно иметь высокую степень плоскостности и высокую чистоту поверхности. Экранный проводник МПЛ образован металлизацией другой стороны диэлектрической платы 5 и основанием 7. Металлическая перемычка 16 выполнена из медной фольги, покрытой сплавом: олово-висмут. Экран 16 вблизи разрыва диэлектрической платы имеет выемку и огибает перемычку 17 с зазором, исключающим электростатическую взаимосвязь. Экран 16 может быть выполнен из того же материала, что и корпус.
Корпус газоразрядника 15 «утоплен» в основание корпуса 7, т.е. связан с ним электрически и механически, и включен в разрыв сигнального проводника 8 МПЛ в секции газоразрядника 9. Проходной пленочный резистор 10 П-образной схемы аттенюатора включен в разрыв сигнального проводника 8 МПЛ секции аттенюатора 6, заземляющие резисторы 13, 14 П-образной схемы аттенюатора подключены соответственно к одному из выводов проходного резистора 10 и основанию корпуса 7.
В предложении заявителя с целью снижения рассеиваемой мощности, заземляющие резисторы 13, 14 выполнены в виде двух параллельно включенных резисторов каждый.
Принятые обозначения на фиг.2.:
Uвх - значение входного напряжения до срабатывания газоразрядника
0
Uвх - напряжение срабатывания устройства U остостаточное напряжение после срабатывания газоразрядника
max
Uвх - максимально-допустимое напряжение устройства
N - коэффициент деления аттенюатора.
Принятые обозначения на фиг.3
1, 2 - входной и выходной коаксиальные разъемы;
10, 13, 14 - дискретные пленочные резисторы П-образной схемы аттенюатора;
Сn1-Сn3 - паразитные емкости резисторов 10, 13, 14;
L1 - паразитная индуктивность выводов газоразрядника;
15 - газовый разрядник;
Сп4 - паразитная емкость газоразрядника;
XW1 - отрезок МПЛ в которую включен газоразрядник;
XW2 - отрезок МПЛ в который включается секция аттенюатора;
XW3 - отрезок полосковой линии эквивалентный перемычке 17.
Расчет размеров элементов аттенюатора МПЛ проводится по формулам из (6, 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 XW1, проходит через цепь с газоразрядником 15, включенным в отрезок МПЛ XW 1 и срабатывающим согласно динамической характеристике устройства, приведенной на фиг.2. Далее сигнал, пройдя через перемычку 17 попадает на резистивный делитель из элементов 10, 13, 14, включенный по П-образной схеме в отрезок МПЛ XW2, обеспечивающий на постоянном токе деление напряжения в N раз. Из-за наличия паразитных элементов, показанных на фиг.3, и прежде всего емкости газоразрядника Сп4 и индуктивности его выводов L1, 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 блоки измерительного канала.
Для компенсации влияния этих элементов на динамические характеристики устройства, параметры отрезка МПЛ XW1 (место установки газоразрядника и ширина),
оптимизируются по минимуму отражений, что приведет к наиболее гладкой АЧХ. Компенсация паразитных элементов газоразрядника в заданной полосе частот, в соответствии с условиями широкополосной компенсации (7), осуществляется выбором ширины отрезков полоска МПЛ XW1 и XW2 и места включения газоразрядника Р1 в отрезок XW1. Таким образом, по ф-ле 4-24, стр.89 (7) рассчитывается отрезок XW1 далее тракт оптимизируется по минимальным отражениям (КСВН). Оптимизация осуществляется на компьютере путем изменения длины и ширины XW1, XW2 и вычислением для каждого варианта результирующих АЧХ и КСВН. При этом необходимым условием является согласование всех элементов тракта: разъемов, перемычки 17, согласование которой осуществляется выбором ее ширины, и длины МПЛ, ширина которой, зависящая от толщины платы и диэлектрической проницаемости диэлектрика, должна быть согласована с размерами устанавливаемых в нее элементов. Контроль и подстройка формы АЧХ и (или) ПХ, осуществляется путем подачи на аттенюатор импульса с фронтом 70-120 пс, например, от генератора импульсов Г5-84, и контроля прошедшего через устройство импульса на стробоскопическом осциллографе с полосой пропускания не менее 10 ГГц, например С1-94/1, С1-122/1.
Результат оптимизации (АЧХ - фиг.4а, и КСВН - фиг.4б) для значений паразитной емкости газоразрядника С=1,5 пФ и индуктивностей двух вводов газоразрядника по 0,5 нГн показан на Фиг.4. Из Фиг.4 видно, что АЧХ гладкая без выбросов (полоса пропускания 1,3 ГГц), определяется размерами и способом включения резисторов П-образной схемы аттенюатора и КСВН в диапазоне частот до 2 ГГЦ не превышает 2,5.
Таким образом, предлагаемое устройство обладает защитной функцией сигнального тракта и функцией аттенюатора при обеспечении равномерности АЧХ и удовлетворительного значения КСВ. Следующим достоинством предлагаемого устройства является относительная простота конструкции ее технологичность и, следовательно, относительно невысокая стоимость, что является важным фактором при использовании его в многоканальных системах.
Литература
1. Патент РФ №2258278, 1840159, 2097878.
2. «Электроника», наука, технология, бизнес №2, 2006 г., стр.40-41.
3. Патенты РФ №2003112405, 2234169, 2224338
4. Изобретение №1660561 - разработка заявителя: ФГУП НИИИТ
компенсированный аттенюатор СДНР7 (каталог ФГУП НИИИТ www.niiit.ru).
5. «Электроника», наука, технология, бизнес №2, 2006 г., стр.33-34. - прототип
6. Под редакцией В.И.Вольмана Справочник по расчету и конструированию полосковых устройств. Сов. Радио 1982 г., стр.192-193
7. Г.В.Глебович, И.П.Ковалев «Широкополосные линии передачи импульсных сигналов», М., Сов. Радио, 1972 г., стр.89-96.