Мощный резистивный сверхвысокочастотный поглотитель

Полезная модель относится к радиоэлектронике и измерительной технике и может быть использована для заданного ослабления СВЧ-сигнала большой мощности в широкой полосе рабочих частот.
Известно построение мощных поглотителей (аттенюаторов) на планарных пленочных резисторах, нанесенных 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 (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.). Схема построения ВЧ аттенюатора из нескольких каскадов обусловливает необходимость согласования между собой этих каскадов.
PM
Известен мощный аттенюатор (RU 2477910 C1), содержащий N включенных последовательно друг за другом согласованных звеньев на одинаковых подложках, установленных с одинаковым шагом на теплопроводящем основании, каждое последующее звено имеет большее затухание, чем предыдущее, причем коэффициент передачи по мощности каждого звена задается выражением K = N – M/N – M+1, где М – порядковый номер звена; N – количество звеньев. При этом тепловые потоки от всех подложек будут направлены в теплоотвод, а градиенты температуры между подложками будут равны нулю, за счет чего и повышается надежность.
К недостаткам известного аттенюатора относится пониженная надежность устройства из-за термомеханических напряжений, возникающая при жестком креплении элементов к радиатору из-за большой разности температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) металла и керамики.
Известен среднемощный сверхширокополосный коаксиальный фиксированный аттенюатор (RU 2754065 C1), состоящий из трёх последовательно включённых отрезков, два из которых являются коаксиальными волноводами с соединителями на торцах, а третий образован центральной втулкой с настроечными винтами, поджатой волноводными отрезками, в которой в продольных пазах подвешена диэлектрическая подложка с нанесённым на ней топологическим рисунком, при этом центральная втулка размещена в сквозном ступенчатом отверстии корпуса радиатора.
Известная конструкция характеризуется пониженной надежностью из-за термомеханических напряжений, возникающих при жестком креплении элементов в центральной втулке, а также высоким тепловым сопротивлением «плата - радиатор» из-за неплотного контакта поверхности втулки и радиатора.
В качестве прототипа выбран мощный СВЧ-аттенюатор (RU 2758083 C1), состоящий из корпуса-радиатора с коаксиальными соединителями на входе и выходе и цепочки планарных пленочных резисторов на керамических полосковых платах, при этом керамические полосковые платы электрически соединены между собой каскадно гибкими перемычками и механически закреплены во внутреннем канале корпуса-радиатора через пружинные контакты, обеспечивающие демпфирующее действие при термомеханических нагрузках, а также электрический и тепловой контакт с корпусом-радиатором.
Недостатком прототипа является необходимость использования разрезной конструкции радиатора, которая сложнее в изготовлении, чем цельная конструкция, особенно если форма радиатора цилиндрическая, и требует больше вспомогательных деталей для внешних подключений.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является упрощение изготовления мощных резистивных поглотителей, снижение количества и возможность унификации составных деталей.
Технический результат - возможность модульной сборки поглотителей с обеспечением набора характеристик.
Указанная задача решается мощным резистивным сверхвысокочастотным поглотителем, состоящим из корпуса-радиатора с коаксиальными соединителями на входе и выходе и пленочные резистивные поглощающие элементы на керамической плате, механически закрепленной во внутреннем канале через пружинные контакты, в котором, согласно предложению, внутренний канал представляет собой металлическую теплопроводную гильзу-носитель, установленную с притиркой в отверстие с черной поверхностью цельного корпуса-радиатора.
Предпочтительный вариант осуществления поглотителя: коаксиальные соединители контактируют с керамическими полосковыми платами через пружинные контакты, а пружинные контакты соединения керамических полосковых плат и корпуса-радиатора выполнены в виде П-образного профиля с волнообразными поверхностями.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана керамическая полосковая плата поглотителя.
На фиг. 2 показан общий вид гильзы-носителя.
На фиг. 3 показаны примеры поперечного сечения гильзы-носителя.
На фиг. 4 показан вид сбоку на корпус-радиатор.
На фиг. 5 показан вид с торца на корпус-радиатор.
На фиг. 6 показан общий вид двух каскадированных поглотителей.
На фиг. 7 показан поперечный разрез двух каскадированных поглотителей.
На фиг. 8 показан предпочтительный вариант выполнения пружинного контакта.
Мощный резистивный сверхвысокочастотный поглотитель содержит керамическую плату 1, на которой сформированы пленочные резистивные поглощающие элементы 2. Резистивные поглощающие элементы 2 могут быть квазисосредоточенными (находящимися на расстоянии друг от друга вдоль линии передачи) или распределенными (частично или полностью объединенными в разрыве линии передачи). Пленочный проводник 3, нанесенный на плату, совместно с каналом 4 металлической теплопроводной гильзы-носителя 5 образуют частично заполненную диэлектриком полосковую линию передачи. Гильза 5 с притиркой установлена в имеющее черную поверхность отверстие 6 цельного корпуса-радиатора 7. Гильза-носитель 5 может иметь различную форму поперечного сечения (при этом меняется коэффициент теплопередачи), например, поверхность контакта с корпусом радиатором 7 может быть не только гладкой (фиг. 2а, 3а), но и более развитой (фиг. 2б, 3б). С торца корпуса-радиатора 7 может быть установлена переходная коаксиальная втулка 8 для каскадирования модулей поглотителя, или стандартные коаксиальные соединители 9 для внешнего подключения поглотителя, с присоединительными размерами стандартного типа (например, типа N, типа III и др.), электрически соединенные с платами через пружинный контакт 10. На радиаторе могут дополнительно размещаться вентиляторы принудительного охлаждения.
При изготовлении поглотителей на керамической подложке сначала формируется слой проводника (полосковая линия передачи и заземляющие контакты). Затем формируют слой поглощающих элементов с удельным поверхностным электрическим сопротивлением ρ1 и ρ2 в зависимости от заданного ослабления аттенюатора (в децибелах). Далее формируют второй слой проводника (полосковая линия передачи). Затем выполняют подгонку сопротивления резистивных поглощающих элементов лазерным или механическим способом для получения заданного ослабления аттенюатора и наносят защитный слой на поглощающие элементы. Завершающий слой - согласующие проводниковые элементы, а также проводниковые торцевые контакты.
Плата 1 механически закреплена во внутреннем канале 4 гильзы-носителя 5 через гофрированный пружинный контакт 11, обеспечивающий как электрический, так и тепловой контакт с гильзой.
Корпус-радиатор 7 для рассеивания тепловой энергии поглотителя внешне представляет собой реберную цельную конструкцию, что позволяет без вспомогательных деталей (например, фланцев) устанавливать в него коаксиальные соединители или каскадировать с использованием переходных втулок 8 поглотители на основе отдельных корпусов-радиаторов. С целью эффективной передачи тепловой энергии от гильзы 5 корпусу-радиатору 7 внутренняя поверхность отверстия 6 имеет черную поверхность (то есть, с максимальной поглощающей способностью) и механически притерта к гильзе.
Сборку конструкции каждого модуля осуществляют в следующей последовательности. На боковые стороны керамической платы 1 устанавливают гофрированные пружинные контакты 11 и совместно укладывают в канал одной из половин разрезной гильзы-носителя 5. Затем сверху устанавливают вторую половину разрезной гильзы-носителя 5 и выполняют сжатие полученной конструкции в специальной оснастке для вставки в отверстие 6 в корпусе-радиаторе 7. После вставки в отверстие 6 примерно наполовину гильзу-носитель 5 освобождают от вспомогательной оснастки, упругие гофрированные пружинные контакты 11 разжимают конструкцию, и дальнейшую вставку гильзы-носителя 5 с установленной платой 1 выполняют с усилием (притиркой). Завершающим этапом сборки является установка переходных коаксиальных втулок 8 и/или внешних коаксиальных соединителей 9. Переходные коаксиальные втулки 8 могут иметь резьбовую или вставную (прижимную) конструкцию. Коаксиальные внешние соединители 9 могут иметь различные установочные и присоединительные размеры в соответствии со стандартами на типы.
Мощный резистивный сверхвысокочастотный поглотитель функционирует следующим образом. Значения коэффициентов передачи по мощности резистивных структур, так же, как и в прототипе, обеспечивают равномерное распределение по каскадам рассеиваемой мощности высокочастотного сигнала. Так же как в прототипе отвод тепла от резистивных поглощающих элементов 2 осуществляется через объем плат 1 в боковом направлении. Однако если в прототипе теплопередача от платы осуществляется непосредственно к радиатору (через демпфирующие термомеханические напряжения пружинные контакты), то в описываемой конструкции поглотителя теплопередача от платы 1 осуществляется промежуточному элементу - металлической теплопроводной гильзе-носителю 5. Теплопередача от гильзы 5 корпусу-радиатору 7 осуществляется как за счет  теплопроводности в точках касания гильзы и радиатора, так и излучения, более эффективного за счет того, что поверхность внутри отверстия 6 корпуса-радиатора 7 является черной (например, анодирована). Гофрированный металлический пружинный контакт 11 имеет волнистый профиль и в замонтированном состоянии жестко зажат между половинками гильзы-носителя 5 и платой 1. Соприкасающиеся части гофрированного пружинного контакта позволяют осуществить электрический и тепловой контакты между платами и гильзой. При этом, несмотря на жесткое крепление, упругие свойства пружинного контакта позволяют демпфировать термомеханические напряжения, возникающие между платами и гильзой, исключает механическое повреждение плат и обеспечивает плотное прижатие гильзы к поверхности отверстия радиатора.
Данное техническое решение, несмотря на незначительно увеличенное относительно прототипа тепловое сопротивление «плата - радиатор» из-за дополнительного теплового перехода, обладает таким достоинством, что не требуется использовать разрезные радиаторы, что особенно удобно и технологично в случае использования радиаторов цилиндрической формы.
Модульная конструкция поглотителей позволяет собирать изделия с широким диапазоном входной мощности (5-30 Вт, 50-300 Вт в непрерывном режиме и 50-300 Вт, 500-3000 Вт - в импульсном), коэффициента ослабления от 3 до 60 дБ и более, рабочего диапазона частот до 18 ГГц и более, соединяя модули переходными коаксиальными втулками. На торцах крайних поглотителей устанавливают коаксиальные соединители с присоединительными размерами стандартного типа (например, типа N, типа III, SMA и др.).