СВЧ АТТЕНЮАТОР
MICROWAVE ATTENUATOR

Изобретение относится к СВЧ технике и может быть использовано в  телекоммуникациях, радиопередающих устройствах и  измерительном оборудовании для уменьшения уровня мощности в линиях передачи и высокочастотных трактах
ИзвестенСВЧаттенюатор, содержащий три пленочных микрополосковых резистора, включённых в виде П-образной согласованной структуры (см. книгу под ред. В.И. Вольмана Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств – М.: Радио и связь, 1982, 328 с., рис. 4.42, стр. 193). В П-образной согласованной структуре номинальные значения  пленочных микрополосковых резисторов выбраны в соответствии со следующими соотношениями:
,                                     (1)
,                                        (2)
где , - значение сопротивления крайних пленочных микрополосковых резисторов П-образной согласованной структуры, которые включены  между общим корпусом и соответственно входом и выходом аттенюатора;
- значение сопротивления среднего пленочного микрополоскового резистора  П- образной согласованной структуры;
R
- сопротивление нагрузки для СВЧ аттенюатора;
- коэффициент передачи СВЧ аттенюатора по напряжению;
Описываемый СВЧ аттенюатор обеспечивает заданное значение коэффициента передачи, определяемое следующим выражением
.                         (3)
Недостатком данного СВЧ аттенюатора является ограниченная полоса рабочих частот 0-500 МГц, которая  определяется паразитными емкостями пленочных микрополосковых резисторов. Чем больше  площадь пленочных микрополосковых резисторов, тем больше паразитная емкость, и соответственно меньше полоса рабочих частот.
Известен полосковый СВЧ аттенюатор (см. авторское свидетельство СССР  № 361491, МПК H01P 1/22, опубликовано 01.01.1973, БИ № 1), выполненный в виде отрезка симметричной полосковой линии, в разрыве внутреннего проводника которой перпендикулярно заземляющим пластинам установлен пластинчатый пленочный резистор прямоугольной формы. Полосковый СВЧ аттенюатор с пластинчатым пленочным резистором имеет полосу рабочих частот от 1 до 5 ГГц при значении коэффициента стоячей волны (КСВ) по входу не более 1,5. Основным недостатком этого полоскового СВЧ аттенюатора является малый уровень рассеиваемой СВЧ мощности, поскольку пластинчатый пленочный резистор только торцевыми поверхностями контактирует с заземляющими пластинами. Кроме того, качество согласования вне полосы рабочих частот существенно ухудшается, особенно на частотах менее 1,0 ГГц.
ИзвестентакжеСВЧ аттенюатор (см. статью Митьков А.С., Разинкин В.П., Хрусталев В.А. Пленочные сверхширокополосные СВЧ аттенюаторы // Высшая школа: научные исследования: сб. науч. ст. межвуз. междунар. конгр., Москва, 8июля 2021 г. – Москва: Издательство Инфинити, 2021. –  С. 137-143), являющийся прототипом предлагаемого изобретения и содержащий диэлектрическую подложку, на нижней поверхности которой нанесено металлизированное покрытие, соединенное с общим корпусом, а на верхней поверхности нанесена резистивная пленка, имеющая прямоугольную форму и постоянную величину поверхностного сопротивления,  при этом нижняя сторона резистивной пленки по всей длине соединена с общим корпусом через металлизированное покрытие, нанесенное на нижнюю сторону верхней поверхности диэлектрической подложки и соединенное с металлизированным покрытием, нанесенным на нижний торец диэлектрической подложки и соединенным с металлизированным покрытием нижней поверхности диэлектрической подложки,  а к боковым сторонам резистивной пленки с противоположной стороны от места соединения с металлизированным покрытием подключены соответственно входной и выходной микрополосок, волновое сопротивление каждого из которых равно входному сопротивлению СВЧ аттенюатора
Прототип обеспечивает значение КСВ в полосе частот 0-5 ГГц не более 1,3 и способен работать на высоком уровне мощности при использовании внешнего радиатора с воздушным охлаждением. Прототип отличается конструктивной простотой за счет того, что используется  резистивная пленка прямоугольной формы, при этом ее размеры и значение  поверхностного сопротивления определяются величиной коэффициента передачи СВЧ аттенюатора.
Основной недостаток прототипа заключается в большой неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), которая в полосе рабочих частот достигает 5-6 дБ. Такая величина неравномерности АЧХ обусловлена неуравновешенным взаимодействием емкостных, индуктивных и диссипативных параметров резистивной пленки прямоугольной формы, представляющей собой сложную распределенную СВЧ систему.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является уменьшение неравномерности АЧХ в широкой полосе рабочих частот.
Поставленная задача достигается тем, что СВЧ аттенюатор, содержащий диэлектрическую подложку, на нижнюю поверхность которой нанесено металлизированное покрытие, соединенное с общим корпусом, а на верхнюю поверхность нанесена резистивная пленка,
имеющая прямоугольную форму и постоянную величину  поверхностного сопротивления, при этом нижняя сторона резистивной пленки соединена с общим корпусом через металлизированное покрытие, нанесенное на нижнюю сторону верхней поверхности диэлектрической подложки и соединенное с металлизированным покрытием, нанесенным на нижний торец диэлектрической пластины и соединенным с металлизированным покрытием нижней поверхности диэлектрической подложки,  а к боковым сторонам резистивной пленки с противоположной стороны от места соединения с металлизированным покрытием подключены соответственно входной и выходной микрополосок с одинаковым волновым сопротивлением, равным входному сопротивлению СВЧ аттенюатора, при этом в нижней части резистивной пленки   сделан внутренний вырез прямоугольной формы, ширина которого в два раза больше ширины входного микрополоска, а длина  выбрана из условия обеспечения минимальной неравномерности амплитудно-частотной характеристики.
На фиг. 1 представлена конструкция предлагаемого СВЧ аттенюатора. На фиг. 2 приведена топология предлагаемого СВЧ аттенюатора для проведения численного электродинамического моделирования.  На фиг. 3 приведена приближенная эквивалентная схема прототипа. На фиг. 4 приведена приближенная эквивалентная схема предлагаемого СВЧ аттенюатора. На фиг. 5 представлены АЧХ предлагаемого аттенюатора и АЧХ прототипа, рассчитанные в соответствии с приближенными эквивалентными схемами фиг. 3 и фиг. 4. На фиг. 6 приведены результаты численного электродинамического моделирования АЧХ предлагаемого СВЧ аттенюатора и прототипа с коэффициентом передачи -15 дБ.
СВЧ аттенюатор  содержит  диэлектрическую подложку 1, на нижнюю поверхность которой нанесено металлизированное покрытие 2, соединенное с общим корпусом. На верхнюю поверхность диэлектрической пластины 1 нанесена резистивная пленка 3, имеющая прямоугольную форму.  Нижняя часть резистивной пленки 3 соединена с металлизированным покрытием 4,
нанесенным на нижнюю сторону верхней поверхности диэлектрической подложки 1. Металлизированное покрытие 4 соединено с металлизированным покрытием 5, нанесенным на нижний торец диэлектрической подложки 1. Металлизированное покрытие 5 соединено с металлизированным покрытием 2, нанесенным на нижнюю поверхность диэлектрической подложки 1. К боковым сторонам резистивной пленки 3 с противоположной стороны от места соединения с металлизированным покрытием 4 подключены соответственно входной микрополосок 6 и выходной микрополосок 7. В нижней части резистивной пленки 3  выполнен внутренний вырез прямоугольной формы 8.
Предлагаемый СВЧ аттенюатор работает следующим образом.   Входной СВЧ сигнал через входной микрополосок 6 подводится  к резистивной пленке 3, которая является двумерной диссипативной распределенной системой. Вследствие необратимого преобразования в резистивной пленке части энергии входного СВЧ сигнала в тепловую энергию, уровень сигнала в выходном микрополоске 7 оказывается ослабленным.   При этом за счет соответствующего выбора размеров резистивной пленки и ее поверхностного сопротивления обеспечивается высокое качество согласования и заданная величина вносимого ослабления. Для анализа и сравнения частотных свойств прототипа и предлагаемого СВЧ аттенюатора воспользуемся приближенными эквивалентными схемами, показанными соответственно на фиг. 3 и фиг. 4. Эквивалентная схема прототипа (фиг. 3) содержит два последовательно (каскадно) включенных П-образных структуры, значения резисторов в которых определяются по формулам (1) и (2).   Для определенности зададимся величиной общего коэффициента передачи   равным -15 дБ. Поскольку резистивная пленка 3 выполнена с постоянной величиной поверхностного сопротивления, каждый каскад, показанный на  эквивалентной схеме фиг. 3, имеет коэффициент передачи, равный -7,5 дБ. Емкости и индуктивности, показанные на эквивалентной схеме фиг. 3, учитывают паразитные реактивные параметры резистивной пленки 3.
Эквивалентная схема предлагаемого СВЧ аттенюатора с коэффициентом передачи -15 дБ, показанная на фиг. 4, за счет введения внутреннего выреза прямоугольной формы 8 в резистивной пленке 3 представляет собой однокаскадную П-образную согласованную структуру. Коэффициент передачи по напряжению  эквивалентной схемы фиг. 4 в области низких частот определяется соотношением (3). Отметим, что на эквивалентной схеме фиг. 4 отсутствует центральная индуктивность из-за наличия введенного внутреннего выреза прямоугольной формы 8 в резистивной пленке 3. При этом центральная емкость и две крайние емкости на эквивалентной схеме фиг. 4 присутствуют. За счет подбора длины внутреннего выреза прямоугольной формы 8 осуществляется уравновешенное и сбалансированное взаимодействие двух индуктивностей и трех емкостей, показанных на эквивалентной схеме фиг. 4. В результате чего существенно улучшается форма АЧХ. На фиг. 5 приведены результаты расчета АЧХ для предлагаемого СВЧ аттенюатора (кривая 1) и прототипа (кривая 2), которые проведены в схемотехническом редакторе компьютерной САПР по приближенным эквивалентным схемам фиг. 3 и фиг. 4. Как видно из рассмотрения графиков, показанных на фиг. 5, неравномерность АЧХ для предлагаемого СВЧ аттенюатора не превышает 0,5 дБ.
2
На фиг. 6 приведены результаты численного электродинамического моделирования АЧХ предлагаемого СВЧ аттенюатора с коэффициентом передачи -15 дБ в компьютерной САПР, проведенного в соответствии с топологией, показанной на фиг. 2.  Следует отметить, что численное электродинамическое моделирование в настоящее время обеспечивает наиболее высокую точность расчета СВЧ устройств в области частот до 10-20 ГГц, при этом активные и реактивные параметры резистивной пленки учитываются в исходных данных.  При моделировании частотных свойств предлагаемого СВЧ аттенюатора в качестве диэлектрической подложки был использован поликор, толщиной 1 мм. Размеры резистивной пленки  составили 10,0х6,5 мм.   Поверхностное сопротивление резистивной пленки было выбрано равным 22 Ом/квадрат, что обеспечило значение коэффициента передачи -15 дБ при значении КСВ в начале рабочего диапазона частот 1,04. Как видно из рассмотрения графика фиг. 6 результирующая неравномерность АЧХ не превышает 0,7 дБ в полосе частот 0-5 ГГц.   Таким образом, предлагаемый СВЧ аттенюатор имеет на порядок меньшую неравномерность АЧХ по сравнению с прототипом. Отметим, что за счет достаточно большой площади резистивной пленки  предлагаемый СВЧ аттенюатор с внешним радиатором и принудительным воздушным охлаждением способен работать при уровне мощности входного СВЧ сигнала  100-150 Вт.   Предложенная конструкция  СВЧ аттенюатора отличается  высокой технологичностью и может быть реализована в виде интегральной СВЧ микросхемы.