МНОГОЭЛЕМЕНТНАЯ СВЧ НАГРУЗКА
MULTIELEMENT MICROWAVE LOAD

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в антенно-фидерных устройствах в качестве эквивалента антенны и оконечно-согласованной нагрузки в коаксиальных и полосковых СВЧ трактах с высоким уровнем мощности.
Известна многоэлементная СВЧ нагрузка, представляющая собой отрезок коаксиального тракта, в который включен сосредоточенный резистор с сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи. Резистор представляет собой поглощающий элемент в виде керамического цилиндра, покрытого металлооксидной или углеродистой проводящей пленкой. Поглощающий элемент заключен в цилиндрическую диэлектрическую трубу для прокачки охлаждающей жидкости. Толщину пленки выбирают малой по сравнению с глубиной погружения тока, поэтому поверхностное сопротивление пленки почти не зависит от частоты. Чтобы входное сопротивление коаксиальной нагрузки с цилиндрическим поглощающим элементом было чисто активным и почти не менялось в значительном интервале частот, такую нагрузку снабжают нерегулярными металлическими экранами со специально подобранными профилями и размерами.
Главными недостатками этого устройства является большие массогабаритные показатели, трудоемкость ремонта и высокая стоимость (Сверхширокополосные микроволновые устройства. Под редакцией А.П.Креницкого и В.П.Мещанова. М., Радио и связь, 2001 г., 555 с.).
Известна многоэлементная СВЧ нагрузка, содержащая диэлектрическую подложку, одна сторона которой металлизирована, а на второй размещен пленочный резистор определенной конфигурации (прямоугольной, круглой, трапециеидальной или экспоненциальной), первая контактная площадка которого соединена с центральным проводником полосковой линии, через который подается СВЧ сигнал, а вторая контактная площадка соединена с заземляющим основанием подложки (Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств. Под ред. В.И.Вольмана. М., Радио и связь, 1982 г.).
Недостатком этой нагрузки является низкий уровень рассеиваемой СВЧ мощности вследствие неравномерности тепловыделения по длине нагрузки. Известно, что в СВЧ линиях имеет место экспоненциальное уменьшение вносимых потерь по длине линии, начиная от входа. По этой причине наиболее теплонагруженной оказывается начальная часть резистора. Эта сравнительно небольшая часть площади резистора по сути определяет общую рассеиваемую СВЧ мощность. При подаче на вход резистора импульсной СВЧ мощности ко входу резистора прикладывается высокий потенциальный уровень, который может привести к появлению коронного разряда и пробою резистивной пленки.
Известна взятая в качестве прототипа многоэлементная СВЧ нагрузка, содержащая диэлектрическую подложку, одна сторона которой металлизирована, а на второй размещен пленочный СВЧ резистор, который выполнен разветвленным (см. авт.свид. СССР 433898, H01P 1/24, БИ 40, 30.10.82).
Недостатками этой нагрузки являются низкий уровень допустимой рассеиваемой СВЧ мощности, эксплуатационной надежности и ремонтопригодности.
Задачей изобретения является увеличение допустимой рассеиваемой СВЧ нагрузкой мощности, увеличение эксплуатационной надежности и ремонтопригодности нагрузки.
Поставленная техническая задача достигается за счет того, что в известной нагрузке, содержащей диэлектрическую подложку, одна сторона которой металлизирована, а на второй размещен разветвленный пленочный резистор, первая контактная площадка которого соединена с центральным проводником входной полосковой линии, а вторая контактная площадка соединена с заземляющим основанием подложки, каждая ветвь резистора состоит из двух ступеней деления мощности, выполненных первая - в виде последовательно, а вторая - в виде параллельно соединенных с помощью полосковых линий передачи сосредоточенных резистивных элементов, при этом каждый из параллельно соединенных резистивных элементов предыдущей ветви одновременно является последовательно соединенным резистивным элементом последующей ветви, а значения допустимой мощности и входного сопротивления для i-ой ветви на n-ой ступени деления мощности определяются соотношениями:
n,i(доп)
n+1,i
n+i,i+1
n,i
P=P+P+P
где: n - текущий номер ступени деления мощности,
i - текущий номер резистивного элемента (текущий номер ветви) на n-ой ступени деления мощности,
n,i(вход)
R - входное сопротивление; i-ой ветви на n-ой ступени деления,
n,i(доп}
P - допустимая входная мощность i-ой ветви на n-ой ступени деления мощности,
n,i
n,i
R, P - соответственно сопротивление и допустимая мощность последовательной резистивной цепи i-ой ветви на n-ой ступени деления мощности,
n+1,i
n+1,i
R, P - соответственно сопротивление и допустимая мощность последовательной резистивной цепи i-ой ветви на n+1-ой ступени деления мощности,
n+1,i+1
n+1,i+1
R P - соответственно сопротивление и допустимая мощность последовательной резистивной цепи i+1-ой ветви на n+1-ой ступени деления мощности.
Количество последовательно соединенных резистивных элементов в первой и во второй ступенях деления мощности внутри каждой ветви резистора может определяться выражениями:
n,i
n,i
max
K=P/P;
n+1,i
n+1,i
max
K=P/P;
n+1,i+1
n+1,i+1
max
K=P/P,
n,i
где K - количество последовательно соединенных резистивных элементов i-ой ветви на n-ой ступени деления мощности,
n+1,i
K - количество последовательно соединенных резистивных элементов i-ой ветви на n+1-ой ступени деления мощности,
n+1,i+1
K - количество последовательно соединенных резистивных элементов i+1-ой ветви на n+1-ой ступени деления мощности,
max
P - максимально допустимая мощность рассеивания применяемых резистивных элементов.
Резистивные элементы в точках деления мощности внутри каждой ветви резистора могут быть соединены полосковыми линиями передачи, волновые сопротивления которых составляют 50 Ом.
На Фиг.1 изображена структурная схема предлагаемой СВЧ нагрузки, имеющая пять ступеней деления мощности; на Фиг.2 приведена структурная схема i-ой ветви СВЧ нагрузки, на Фиг.3 приведена принципиальная схема оконечной ветви СВЧ нагрузки; на Фиг.4 приведена принципиальная схема СВЧ нагрузки на входную мощность 1,0 кВт; на Фиг.5 приведена принципиальная схема СВЧ нагрузки на входную мощность 2,0 кВт; на Фиг.6 приведена зависимость коэффициента стоячей волны по напряжению от частоты по входу СВЧ нагрузки на входную мощность 2,0 кВт.
На Фиг.1 обозначены:
n - текущий номер ступени деления мощности,
i - текущий номер резистивного элемента (текущий номер ветви) на n-ой ступени деления мощности,
n,i
n,i
R, P - соответственно сопротивление и допустимая мощность последовательной резистивной цепи i-ой ветви на n-ой ступени деления мощности,
n+1,i
n+1,i
R, P - соответственно сопротивление и допустимая мощность последовательной резистивной цепи i-ой ветви на n+1-ой ступени деления мощности,
n+1,i+1
n+1,i+1
R, P - соответственно сопротивление и допустимая мощность последовательной резистивной цепи i+1-ой ветви на n+1-ой ступени деления мощности.
На Фиг.2 обозначены:
n - текущий номер ступени деления мощности,
i - текущий номер резистивного элемента (текущий номер ветви) на n-ой ступени деления мощности,
n,i(вход)
R - входное сопротивление i-ой ветви на n-ой ступени деления,
n,i(доп)
P - допустимая входная мощность i-ой ветви на n-ой ступени деления мощности,
n,i
n,i
R, P - соответственно сопротивление и допустимая мощность последовательной резистивной цепи i-ой ветви на n-ой ступени деления мощности,
n+1,i
n+1,i
R, P - соответственно сопротивление и допустимая мощность последовательной резистивной цепи i-ой ветви на n+1-ой ступени деления мощности,
n+1,i+1
n+1,i+1
R, P - соответственно сопротивление и допустимая мощность последовательной резистивной цепи i+1-ой ветви на n+1-ой ступени деления мощности.
n,i
K - количество последовательно соединенных резистивных элементов i-ой ветви на n-ой ступени деления мощности,
n+1,i
K - количество последовательно соединенных резистивных элементов i-ой ветви на n+1-ой ступени деления мощности,
n+1,i+1
K - количество последовательно соединенных резистивных элементов i+1-ой ветви на n+1-ой ступени деления мощности.
Многоэлементная СВЧ нагрузка (Фиг.1) содержит диэлектрическую подложку 1, одна сторона которой металлизирована, а на второй размещен разветвленный пленочный резистор 2, первая контактная площадка которого соединена с центральным проводником входной полосковой линии передачи 3, через который подается СВЧ сигнал, а вторая контактная площадка соединена с заземляющим основанием подложки 4. Каждая ветвь резистора 2 выполнена в виде двух ступеней деления мощности, первая - в виде последовательно, а вторая - в виде параллельно соединенных с помощью полосковых линий передачи 5 сосредоточенных резистивных элементов 6. Подложка 1 может быть общей для всей нагрузки, или ступени деления мощности могут быть расположены на отдельных подложках.
Многоэлементная СВЧ нагрузка работает следующим образом: входной СВЧ сигнал с заданной мощностью поступает на полосковую линию передачи 3 и далее на последовательно включенный резистивный элемент 6 первой ветви, представляющий собой первую ступень деления мощности, и разветвляется синфазно и поровну в полосковые линии передачи 5 второй ступени деления мощности, в свою очередь эти сигналы поступают на параллельно соединенные резистивные элементы 6, которые каждый в отдельности одновременно являются последовательно соединенными резисторами второй ветви. В каждой второй ветви сигналы после второй ступени деления мощности первой ветви также разветвляются и с помощью полосковых линий передачи 5 поступают на параллельно соединенные резисторы 6, представляющие собой вторую ступень деления мощности второй ветви, а каждый из них в отдельности представляет последовательно соединенные резисторы и, следовательно, первую ступень деления мощности третьей ветви. В каждой третьей ветви сигналы после первой ступени деления мощности также разветвляются и с помощью полосковых линий передачи 5 поступают на параллельно соединенные резисторы 6, представляющие собой вторую ступень деления мощности третьей ветви, а каждый из них в отдельности представляет последовательно соединенные резисторы, то есть первую ступень деления четвертой ветви, и так далее.
Исходя из структуры, изображенной на Фиг.1, в общем виде можно записать значения допустимой мощности и входного сопротивления для i-ой ветви на n-ой ступени деления мощности СВЧ нагрузки:
n,i(доп)
n+1,i
n+i,i+1
n,i
P=P+P+P
.
Также очевидно, что
,
откуда .
Если входное сопротивление ветви составляет 50 Ом, то, как будет показано ниже, проектирование и настройка многоэлементной СВЧ нагрузки значительно упрощаются.
Таким образом, методика расчета нагрузки, имеющей разветвленную структуру соединения резистивных элементов, будет заключаться в выборе значений сопротивлений и мощностей рассеивания с учетом технологических ограничений сначала для входных ступеней деления мощности (для n=1 и k=1, 2, 3…), а далее для следующих ступеней деления мощности также с учетом технологических ограничений.
Технологические ограничения элементов представляют собой ограничение следующих величин:
- для отдельных резистивных элементов - номинал сопротивления и допустимая рассеиваемая мощность;
- количество последовательно соединенных отдельных резистивных элементов;
- величина волнового сопротивления подводящих линий в точках деления мощности.
Для планарного пленочного резистивного элемента на подложке из бериллиевой керамики в рамках существующих технологий изготовления номинал его сопротивления варьируется от (5-6) Ом до (250-300) Ом, а рассеиваемая мощность - от 5 Вт до 200 Вт (Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств. Под ред. В.И.Вольмана. М., Радио и связь, 1982 г.; Востряков Ю.В., Матвеев С.Ю., Рубанович М.Г., Разинкин В.П., Хрусталев В.А. Универсальный широкополосный модульный аттенюатор большой мощности для радиопередающей аппаратуры // «Электронные компоненты», 2005, №9, с.116-117).
Следует отметить, что мощность рассеивания даже одной ветви предлагаемой многоэлементной СВЧ нагрузки в десятки раз более высокая, чем всей нагрузки-прототипа, так как разветвленный резистор нагрузки-прототипа, размещенный на одной подложке, обеспечивает рассеивание мощности также не более 200 ватт.
Решение поставленной задачи - увеличение допустимой рассеиваемой многоэлементной СВЧ нагрузкой мощности и эксплуатационной надежности по сравнению с нагрузкой-прототипом достигается использованием различных видов соединений большого количества пленочных резистивных элементов, что позволяет рассредоточить выделяемую нагрузкой суммарную тепловую мощность по большой поверхности, отказаться от жидкостного охлаждения и перейти на принудительное воздушное. Кроме того, в случае высоких уровней мощностей рассеивания возможно размещение отдельных ветвей нагрузки на отдельных подложках и радиаторах, что позволяет исключить локальный перегрев резистивных элементов. Покажем это на ряде примеров.
n
n
n+1
n+1
Приведем в качестве примера расчет структуры нагрузки на ряд значений рассеиваемой мощности и значении входного сопротивления 50 Ом. Результатами этого расчета будут значения номинала резистивного элемента или элементов последовательной цепи R и значение величины их мощности рассеивания P, а также параллельной цепи - соответственно R и P (Фиг.2).
n+1,i
n+1,i+1
n,i
Если параллельно соединенные заземленные резистивные элементы оконечной ветви выбраны R=R=50 Ом, тогда значение последовательно соединенного резистора составляет R=25 Ом. (Фиг.3).Условие для входного сопротивления ветви
выполняется. При этом мощности сигналов, рассеиваемые в последовательной и параллельной цепях ветви резистора, оказываются равными половине входной мощности.
max
Если мощность сигнала на входе ветви составляет 0,3 кВт, а максимально допустимая мощность рассеивания применяемых резистивных элементов равна P=200 Вт, то мощность, рассеваемая на последовательно соединенном резистивном элементе, составляет 150 Вт, а на каждом из параллельно соединенных элементах - по 75 Вт. При этом технологические ограничения выполняются (мощность, рассеиваемая на резистивных элементах, меньше 200 Вт), и принципиальная схема ветви не претерпевает изменений.
max
Однако, если мощность входного сигнала составляет 1,0 кВт (Фиг.4), при том же значении P=200 Вт на последовательно соединенном резистивном элементе мощность рассеивания составляет 500 Вт, а на параллельно соединенных элементах - по 250 Вт, что везде выше допустимого уровня 200 Вт. Для более равномерного распределения мощности по резистивным элементам необходимо выполнить последовательную цепь в виде трех последовательно соединенных резистивных элементов с номиналами по 8,3 Ом (в сумме 25 Ом). Каждый из параллельно включенных резистивных элементов выполняется из двух последовательно включенных с номиналами по 25 Ом. Ветвь содержит 7 резистивных элементов.
Если мощность входного сигнала, поступающего на ветвь, составляет 2,0 кВт, то с учетом вышеприведенных расчетов ветвь содержит 11 резисторов (Фиг.5).
Учитывая ограничения по реализации резистивных элементов с номиналами меньше 5,0 Ом, можно сделать вывод, что современные технологические возможности по созданию резистивных элементов ограничивают максимальную рассеиваемую мощность нагрузки в виде одной ветви на уровне 2,0 кВт. Для случая более высоких мощностей входного сигнала (более 2,0 кВт) количество ветвей многоэлементной СВЧ нагрузки необходимо увеличивать. При этом нужно составлять последовательно-параллельные соединения резистивных элементов с номиналами, не выходящими за рамки технологических ограничений. Соединения такого вида обладают меньшей, чем одиночный резистивный элемент, шириной полосы рабочих частот ввиду увеличения значений величин суммарных паразитных емкостей и индуктивностей для всего соединения резистивных элементов.
ст
Однако наличие относительно небольшого количества резистивных элементов и проведение настроечных работ позволяют обеспечить при таких высоких уровнях мощностей довольно широкую полосу рабочих частот предлагаемой многоэлементной СВЧ нагрузки. Например, коэффициент стоячей волны по напряжению KU на входе мелкосерийных образцов многоэлементной СВЧ нагрузки на входную мощность 2,0 кВт составляет значения 1,00-1,20 в диапазоне частот 0-1000 МГц (Фиг.6) (Востряков Ю.В., Матвеев С.Ю., Рубанович М.Г., Разинкин В.П., Хрусталев В.А. Универсальный широкополосный модульный аттенюатор большой мощности для радиопередающей аппаратуры // «Электронные компоненты», 2005, №9, с.116-117).
Повышение эксплуатационной надежности предлагаемой многоэлементной СВЧ нагрузки по сравнению с нагрузкой-прототипом достигается за счет устранения возможного локального перегрева резистивных элементов.
Решение тепловой задачи, подробно изложенное в (Востряков Ю.В., Рубанович М.Г., Абденов А.Ж., Хрусталев В.А. Экспериментальное исследование температурных полей, создаваемых пленочными резисторами как источниками тепла. Информатика и проблемы телекоммуникаций. Российская научно-техническая конференция. Новосибирск, 2008, том 1, стр.340-342; Абденов А.Ж., Рубанович М.Г., Хрусталев В.А. Исследование температурных режимов пленочных резисторов // Электросвязь, Москва, № 6, 2010, с 47-52; Бушминский И.П., Морозов Г.В. Технология гибридных интегральных схем СВЧ. М., Высшая школа, 1980, 287 с.), показало, что по условиям технологического процесса напыления резистивной пленки на бериллиевую керамику и вида резистивного материала пленки допустимая температура пленки составляет 120-130°С. Данный температурный предел не превышается, если ширина резистивного слоя резистора с подложкой, например, с размерами 20×20×4 мм составляет не менее 10 мм при подводимой мощности 200 Вт. Данные размеры подложки и значение подводимой мощности являются наиболее часто употребительными в практике конструирования подобных нагрузок. Температура резистивных пленок элементов не превышает максимально допустимую (130°C) только для случаев, когда расстояние между резистивными элементами составляет не менее 40 мм.
Выполняя для приведенного примера эти требования, необходимо обеспечить расстояния между резистивными элементами не менее 40 мм, что позволит избежать перегрева какого-либо из применяемых резистивных элементов и тем самым достичь значительно более высокой эксплуатационной надежности предлагаемой многоэлементной СВЧ нагрузки по сравнению с нагрузкой-прототипом.
Повышение ремонтопригодности предлагаемой многоэлементной СВЧ нагрузки по сравнению с нагрузкой-прототипом обеспечивается ее повторяемостью, тождественностью на любом уровне рассеиваемой мощности. Это означает, что при проектировании многоэлементных нагрузок на мощность рассеивания свыше 2,0 кВт схемные структуры более низкого уровня мощности рассеивания входят в схемные структуры более высокого уровня мощности рассеивания. Так, в состав структуры принципиальной схемы нагрузки на мощность рассеивания 5000 Вт входят два идентичных блока, собранных по принципиальным схемам нагрузки на мощность рассеивания 2,0 кВт, а в состав структуры нагрузки на мощность рассеивания 10,0 кВт будут входить блоки, собранные по схемам нагрузок на мощность рассеивания 5,0 кВт, и т.д. Это говорит об универсальном подходе при проектировании многоэлементных СВЧ нагрузок. Как следствие этого, настройка изделия будет состоять из настройки на начальном этапе блоков нижнего уровня рассеиваемой мощности, имеющих входы и выходы со стандартными значениями волновых сопротивлений 50 Ом (если необходимо - 75 Ом), что обеспечивает их подключение в стандартные тракты измерительной аппаратуры. Такое свойство предлагаемой многоэлементной СВЧ нагрузки обеспечивает автономную настройку каждого блока нижнего уровня рассеиваемой мощности в отдельности с последующей комплексной подстройкой его при настройке следующего уровня рассеиваемой мощности нагрузки, также имеющего разъемы со стандартными значениями волнового сопротивления, и т.д. до самого входа многоэлементной СВЧ структуры.
Итак, все вышеотмеченное обеспечивает решение поставленной задачи - увеличение допустимой рассеиваемой нагрузкой мощности, а также увеличение эксплуатационной надежности и ремонтопригодности нагрузки.
В сочетании с меньшими, чем у коаксиальных нагрузок на аналогичные мощности рассеивания, массогабаритными показателями, мощные многоэлементные нагрузки, созданные по конструктивно более гибкой технологии с использованием планарных тонкопленочных резистивных элементов, могут успешно конкурировать с классическими коаксиальными и нагрузками других типов.