Свч аттенюатор
Владельцы патента RU 2599915:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский государственный технический университет" (RU)
Изобретение относится к радиоэлектронике и измерительной технике и может быть использовано для заданного ослабления высокочастотного сигнала большой мощности в широкой полосе рабочих частот. СВЧ аттенюатор выполнен из N симметричных П-образных структур, содержащих пленочные резисторы с уменьшенной в N раз площадью поверхности, которые соединены каскадно через идентичные катушки индуктивности, при этом параллельно входу и выходу СВЧ аттенюатора подключены конденсаторы, которые соединены соответственно с первой и последней симметричной П-образной структурой через такие же катушки индуктивности, а емкость конденсаторов равна входной паразитной емкости симметричных П-образных структур. Технический результат заключается в расширении полосы рабочих частот при сохранении заданного уровня мощности входного высокочастотного сигнала. 3 ил., 1 табл.
Изобретение относится к радиоэлектронике и измерительной технике и может быть использовано для заданного ослабления высокочастотного сигнала большой мощности в широкой полосе рабочих частот.
Известен СВЧ аттенюатор (см. патент РФ №1434514, H01P 1/22, опубл. 30.10.1988, Бюл. №40), содержащий входной и заземляющий контакты, а также пленочный резистивный слой, на котором расположен выходной контакт. Данный СВЧ аттенюатор способен рассеивать значительную мощность входного высокочастотного сигнала, однако обладает ограниченной полосой рабочих частот из-за влияния большой паразитной емкости резистивного слоя большой ширины.
Известен также СВЧ аттенюатор (см. патент РФ №2048694, Н01Р 1/22, опубл. 20.11.1995). Он содержит диэлектрическую подложку, на одной стороне которой нанесен проводящий экран, а на другой стороне расположен токонесущий проводник, размещенный на поглощающем слое, при этом поглощающий слой имеет вид полосы, а токонесущий проводник выполнен в форме меандра. В свою очередь токонесущий проводник имеет увеличивающиеся в направлении от его середины к концам ширину и шаг меандра, причем изменения его ширины и шага меандра осуществлены через четверть длины волны. В этом аттенюаторе реализовано хорошее качество согласования по входу и выходу, так как проводник в форме меандра выполнен с увеличивающимися шириной и шагом меандра через четверть длины волны в проводнике.
Существенным недостатком данного СВЧ аттенюатора является малый уровень допустимой мощности входного высокочастотного сигнала, поскольку для получения согласованного режима по входу и выходу ширина поглощающего слоя должна обеспечивать характеристическое сопротивление линии передачи с диссипативными потерями, равное 50 или 75 Ом. Для такого значения волнового сопротивления ширина микрополоскового резистивного проводника не превышает 0,5-1,0 мм, что ограничивает допустимую мощность входного высокочастотного сигнала на уровне 0,5 Вт.
Кроме того, известен СВЧ аттенюатор, являющийся прототипом предлагаемого изобретения и выполненный в виде симметричной П-образной структуры из пленочных резисторов (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). Исходя из обеспечения режима согласования и получения заданного коэффициента передачи, величины пленочных резисторов определяются следующими соотношениями:
где: R1, R3 - значение сопротивления крайних пленочных резисторов симметричной П-бразной структуры;
R2 - значение сопротивления среднего пленочного резистора симметричной П-образной структуры;
R - сопротивление согласованной нагрузки для СВЧ аттенюатора;
Ku - значение коэффициента передачи аттенюатора по напряжению.
Этот СВЧ аттенюатор обеспечивает требуемое значение коэффициента передачи по напряжению и достаточно высокое качество согласования. Отметим, что в согласованном режиме коэффициент передачи по мощности Kp равен квадрату коэффициента передачи по напряжению Ku, то есть 
.
Недостатком прототипа является ограниченная полоса рабочих частот порядка нескольких сотен МГц. При этом, чем больше допустимая мощность входного высокочастотного сигнала, тем уже полоса рабочих частот аттенюатора. Это обусловлено применением мощных пленочных резисторов с большой площадью поверхности, у которых паразитная емкость имеет значительную величину, что обуславливает большую входную и выходную емкость симметричных П-образных структур, в результате чего ухудшается согласование в области высоких частот и соответственно сужается полоса рабочих частот.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является расширение полосы рабочих частот при сохранении уровня допустимой мощности входного высокочастотного сигнала.
Поставленная задача достигается тем, что N симметричных П-образных структур, содержащих пленочные резисторы, выполнены с уменьшенной в N раз площадью поверхности и соединены каскадно через идентичные катушки индуктивности, параллельно входу и выходу СВЧ аттенюатора подключены конденсаторы, которые соединены соответственно с первой и последней симметричной П-образной структурой через такие же катушки индуктивности, при этом емкость конденсаторов равна входной паразитной емкости симметричных П-образных структур, а коэффициент передачи по мощности каждой симметричной П-образной структуры и величина индуктивности катушек индуктивности соответственно равны:
, 
,
где K(n) - коэффициент передачи по мощности симметричной П-образной структуры;
n=1…N - текущий номер включенной каскадно симметричной П-образной структуры;
Kp - коэффициент передачи по мощности широкополосного СВЧ аттенюатора;
α1 - значение первого элемента нормированного фильтра нижних частот третьего порядка;
α2 - значение второго элемента нормированного фильтра нижних частот третьего порядка;
R - сопротивление согласованной нагрузки для СВЧ аттенюатора;
С - емкость конденсаторов, подключенных параллельно входу и выходу СВЧ аттенюатора.
На фиг. 1 представлена схема предлагаемого СВЧ аттенюатора. На фиг. 2 показана зависимость величины коэффициента передачи K(n) симметричной П-образной структуры в предлагаемом СВЧ аттенюаторе от текущего номера каскадного включения n для значения N=10. На фиг. 3 показаны мощности Р(n), рассеиваемые на каскадно включенных симметричных П-образных структурах в зависимости от текущего номера каскадного включения n для значения N=10, рассчитанные по выражению, приведенному в формуле изобретения (сплошная кривая) и при одинаковых значениях K(n) (пунктирная кривая).
Предлагаемый СВЧ аттенюатор содержит симметричные П-образные структуры 1, 2 и 3, выполненные на пленочных резисторах с уменьшенной в N раз площадью поверхности. Симметричные П-образные структуры 1, 2, и 3 включены каскадно через катушки индуктивности 4 и 5. Параллельно входу и выходу СВЧ аттенюатора включены конденсаторы 6 и 7, которые соответственно соединены через катушку индуктивности 8 с симметричной П-образной структурой 1 и через катушку индуктивности 9 соединены с симметричной П-образной структурой 3.
Предлагаемый СВЧ аттенюатор работает следующим образом. Катушки индуктивности 4 и 5 совместно с входными паразитными емкостями симметричных П-образных структур 1, 2 и 3 образуют два фильтра нижних частот третьего порядка. Также два фильтра нижних частот третьего порядка образуют катушки индуктивности 8 и 9, конденсаторы 6, 7 и входные паразитные емкости симметричных П-образных структур 1 и 3. В соответствии с теорией фильтров значения емкостей С и индуктивностей L для фильтра нижних частот третьего порядка определяются соотношениями:
где Δf - полоса рабочих частот фильтра нижних частот;
R - сопротивление нагрузки для аттенюатора;
α1 - значение первого элемента нормированного фильтра третьего порядка;
α2 - значение второго элемента нормированного фильтра третьего порядка;
Учтем, что паразитная емкость С пленочных резисторов, входящих в симметричные П-образные структуры 3, 5 и 7, равна значению емкостей конденсаторов 1 и 7 и равна емкости фильтра нижних частот, определяемой формулой (1).
Из совместного решения двух уравнений (1) и (2) находим величину индуктивности и полосу рабочих частот фильтра нижних частот, которая соответствует полосе рабочих частот предлагаемого СВЧ аттенюатора:
Далее учтем, что в соответствии с формулой предлагаемого изобретения площадь поверхности пленочных резисторов, входящих в симметричные П-образные структуры, в N раз меньше, поэтому паразитная емкость пленочных резисторов также в N раз меньше, чем в прототипе. Это означает, что на основании формулы (4) у прототипа в N раз меньше полоса рабочих частот. Таким образом, полоса рабочих частот прототипа равна
Как известно, СВЧ мощность, рассеиваемая пленочным резистором, при прочих равных условиях пропорциональна его площади. Следовательно, для сохранения уровня максимально допустимой мощности входного высокочастотного сигнала на каждой симметричной П-образной структуре должна рассеиваться одинаковая мощность, в N раз меньшая, чем в прототипе. Мощность, рассеиваемая на каскадно включенных П-образных структурах, каждая из которых согласована, рассчитывается по следующему соотношению:
где Р(n) - мощность, рассеиваемая на n-й симметричной П-образной структуре;
Pin(n) - мощность, подводимая к n-й симметричной П-образной структуре.
Результаты расчета K(n) и Р(n) по приведенным выше соотношениям показаны на фиг. 2 и фиг. 3. Из рассмотрения графика, показанного на фиг. 3 (сплошная линия), следует, что при указанных в формуле изобретения значениях коэффициента передачи по мощности симметричных П-образных структур K(n), включенных каскадно, рассеиваемые мощности Р(n) оказываются одинаковыми, то есть
где Р - допустимая мощность входного высокочастотного сигнала.
Для сравнения на фиг. 3 приведен график рассеиваемых мощностей (пунктирная линия) при одинаковых значениях коэффициентов передачи симметричных П-образных структур 
, что обычно используется на практике. Анализ этого графика показывает, что в этом случае на первых каскадах аттенюатора будет рассеиваться повышенная мощность. В связи с этим первые, более мощные, каскады будут иметь большую площадь и меньшую полосу рабочих частот. Следовательно, выбор коэффициентов передачи K(n) в соответствии с формулой изобретения обеспечивает существенное расширение полосы рабочих частот.
Далее формулу (1), описывающую паразитные емкости пленочных резисторов, входящих в симметричные П-образные структуры предлагаемого устройства, преобразуем следующим образом
Поскольку рассеиваемые мощности пропорциональны емкости пленочных резисторов Р(n)=С, из соотношений (7) и (8) следуют два очевидных равенства:
Из сопоставления формул (9) и (10) следует вывод, что при каскадном соединении симметричных П-образных структур за счет уменьшения рассеиваемой мощности на каждом каскаде в N раз полоса рабочих частот Δf соответственно в N раз расширяется по сравнению с полосой рабочих частот прототипа при сохранении допустимого уровня мощности входного высокочастотного сигнала Р.
Рассмотрим в качестве примера часто используемое значение Kp=0,25 (вносимое затухание 6 дБ) и зададимся числом каскадов N=2.
При одинаковых значениях коэффициентов передачи по мощности K(1)=K(2)=0,5 двух симметричных П-образных структур (N=2) и входной мощности высокочастотного сигнала 100 Вт рассеиваемые мощности равны: Р(1)=50 Вт; Р(2)=25 Вт. Мощность на выходе аттенюатора равна 100·0,52=100-50-25=25 Вт. Если коэффициенты передачи по мощности выбрать в соответствии с выражением, приведенным в формуле изобретения, то получим: K(1)=0,625; K(2)=0,4. При этом рассеиваемые на каждом каскаде мощности равны: Р(1)=100·(1-0,625)=37,5 Вт; Р(1)=(100-37,5)·(1-0,4)=37,5 Вт. В рассмотренном случае выигрыш по полосе рабочих частот при выборе коэффициентов передачи K(n), соответствующих формуле изобретения по отношению к случаю K(1)-K(2)=0,5, составляет 50/37,5=1,33. При этом по сравнению с прототипом выигрыш в полосе рабочих частот равен числу каскадов N=2. Из приведенных расчетов также следует, что равенство рассеиваемых мощностей на каждом каскаде обеспечивает сохранение допустимого уровня мощности входного высокочастотного сигнала.
Численные значения коэффициентов передачи K(n) для аттенюатора с результирующим коэффициентом передачи Kp=0,1 для различных значений N, рассчитанные по соотношению, приведенному в формуле изобретения, представлены в таблице 1.
Высокое качество согласования в широкой полосе частот в предлагаемом устройстве обеспечивается за счет введения катушек индуктивности L 2, 4, 6 и 8, которые входят в состав фильтров нижних частот, что обеспечивает согласование и компенсацию влияния входных паразитных емкостей симметричных П-образных структур. Отметим, что в качестве катушек индуктивностей L 2, 4, 6 и 8 в дециметровом диапазоне длин волн конструктивно могут быть применены короткие отрезки микрополосковых линий передачи с высоким волновым сопротивлением.
Поскольку идеальной согласующей цепью в соответствии с теорией широкополосного согласования Боде-Фано является фильтровая структура (см. книгу Маттей Д.Л. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. / Д.Л. Маттей, Л. Янг, Е.М.Т. Джонс // Перевод с английского под общ. ред. Л.В. Алексеева, Ф.В. Кушнира, М.: Связь, 1971, Том 1, С. 438, на стр. 16-19), в данном устройстве полоса рабочих частот близка к теоретическому пределу.
Таким образом, предложенное устройство позволяет существенно (в N раз) расширить полосу рабочих частот при сохранении допустимого уровня входного высокочастотного сигнала.
СВЧ аттенюатор, выполненный в виде симметричной П-образной структуры из пленочных резисторов с площадью поверхности, обеспечивающей рассеивание заданной мощности входного высокочастотного сигнала, отличающийся тем, что N симметричных П-образных структур, содержащих пленочные резисторы выполнены с уменьшенной в N раз площадью поверхности и соединены каскадно через идентичные катушки индуктивности, параллельно входу и выходу СВЧ аттенюатора подключены конденсаторы, которые соединены соответственно с первой и последней симметричной П-образной структурой через такие же катушки индуктивности, при этом емкость конденсаторов равна входной паразитной емкости симметричных П-образных структур, а коэффициент передачи по мощности каждой симметричной П-образной структуры и величина индуктивности катушек индуктивности соответственно равны:
где K(n) - коэффициент передачи по мощности симметричной П-образной структуры;
n=1…N - текущий номер включенной каскадно симметричной П-образной структуры;
Kp коэффициент передачи по мощности широкополосного СВЧ аттенюатора;
α1 - значение первого элемента нормированного фильтра нижних частот третьего порядка;
α2 - значение второго элемента нормированного фильтра нижних частот третьего порядка;
R - сопротивление согласованной нагрузки для широкополосного СВЧ аттенюатора;
C - емкость конденсаторов, подключенных параллельно входу и выходу СВЧ аттенюатора.
