Фиксированный аттенюатор

Изобретение относится к СВЧ-технике. Фиксированный аттенюатор высокого уровня мощности выполнен на основе П-образной согласованной структуры, содержащей шесть пленочных микрополосковых резисторов и три четвертьволновых отрезка линии передачи, волновые сопротивления которых выбраны из условия обеспечения режима согласования по входу и выходу. За счет использования четвертьволновых отрезков линии передачи реализовано пространственное разнесение пленочных микрополосковых резисторов. Для компенсации влияния паразитных емкостей пленочных микрополосковых резисторов на входе и выходе фиксированного аттенюатора применены согласующие цепи в виде чебышевского фильтра нижних частот. Техническим результатом является увеличение уровня входной СВЧ-мощности при сохранении полосы рабочих частот. 4 ил.

 

Изобретение относится к СВЧ технике и может быть использовано в телекоммуникациях, радиопередающих устройствах и измерительном оборудовании для уменьшения уровня мощности в линиях передачи и волноведущих трактах.

Известен полосковый фиксированный аттенюатор (см. авторское свидетельство СССР №361491, МПК Н01Р 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. Аттенюатор является широкополосным устройством и имеет полосу рабочих частот от 1,0 до 7,5 ГГц при значении коэффициента стоячей волны (КСВ) по входу не более 1,5. Основным недостатком этого фиксированного аттенюатора является малый уровень рассеиваемой СВЧ мощности, поскольку пластинчатый пленочный резистор только торцом контактирует с заземляющими пластинами. Кроме того, качество согласования вне полосы рабочих частот существенно ухудшается, особенно на частотах менее 1,0 ГГц.

Более высоким уровнем допустимой СВЧ мощности и лучшим качеством согласования обладает устройство, выполненное в виде уравновешенного Т-моста на четырех пленочных микрополосковых резисторах, расположенных параллельно заземляющей пластине (Кисель В.А. Аналоговые и цифровые корректоры: Справочник - М.: Радио и связь, 1986, 184 с, рис. 2.19, стр. 38). Если между смежными плечами уравновешенного Т- моста для пленочных микрополосковых резисторов и сопротивлением нагрузки R выполняются соотношения R_l=R₂=R и R₃⋅R₄=R, то обеспечивается режим согласования по входу и выходу в полосе частот от нуля до максимальной частоты. Такое согласованное устройство можно использовать в качестве фиксированного аттенюатора с практически постоянной величиной вносимого ослабления. В качестве недостатка отметим низкое значение максимальной частоты рабочего диапазона, обусловленное использованием четырех пленочных микрополосковых резисторов, обладающих большими паразитными емкостями.

Известен также фиксированный аттенюатор, являющийся прототипом предлагаемого изобретения и содержащий три пленочных микрополосковых резистора, включенных в виде П-образной согласованной структуры (Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств -под ред. В.И. Вольмана. 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:

где R₁, R₃ - значение сопротивления пленочных микрополосковых крайних резисторов П-образной согласованной структуры, подключенных соответственно ко входу и выходу аттенюатора;

R₃ - значение сопротивления среднего пленочного микрополоскового резистора П-образной согласованной структуры;

R - сопротивление нагрузки для фиксированного аттенюатора;

K_U - коэффициент передачи аттенюатора по напряжению;

А=1/K_U - вносимого ослабления (затухания) по напряжению.

Рассматриваемый фиксированный аттенюатор обеспечивает заданные значения вносимого ослабления и имеет достаточно хорошее качество согласования в диапазоне частот от 0 до 500 МГц. Необходимо отметить, что использование пленочных микрополосковых резисторов с большой площадью приводит к уменьшению полосы рабочих частот. Это связано с тем, что в этом случае пленочные микрополосковые резисторы имеют большие паразитные емкости. В соответствии с теорией согласования комплексных импедансов полоса частот качественного согласования фиксированного аттенюатора на пленочных микрополосковых резисторах определяется следующим известным соотношением

где Δf - полоса рабочих частот СВЧ аттенюатора;

С - паразитная емкость пленочного микрополоскового резистора;

Г - допустимый коэффициент отражения по входу фиксированного аттенюатора.

Из соотношения (3) следует, что с увеличением полоса рабочих частот Δf обратно пропорциональна паразитной емкости пленочного микрополоскового резистора.

Существенным недостатком прототипа является ограниченная величина уровня входной СВЧ мощности, которая пропорциональна площади пленочных микрополосковых резисторов и при использовании принудительного воздушного охлаждения и диэлектрических подложек с высокой теплопроводностью, например, бериллиевой керамики, как правило, не превышает 100-150 Вт.

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является увеличение уровня входной допустимой СВЧ мощности при сохранении полосы рабочих частот.

Поставленная задача достигается тем, что в фиксированном аттенюаторе, содержащем три пленочных микрополосковых резистора R₁, R₂ и R₃, включенных в виде П-образной согласованной структуры, у которой величины крайних резисторов R₁ и R₃ равны друг другу, введено три отрезка линии передачи, длина которых одинакова и равна четверти длины волны на средней рабочей частоте рабочего диапазона, при этом крайние пленочные микрополосковые резисторы П-образной согласованной структуры выполнены в виде двух одинаковых пленочных микрополосковых резисторов с уменьшенным в 2 раза сопротивлением, между которыми соответственно включены первый и третий отрезок линии передачи, волновое сопротивление каждого из которых равно

где: - сопротивление крайних пленочных микрополосковых резисторов П-образной согласованной структуры;

R - сопротивление нагрузки фиксированного аттенюатора;

А=1/K_U - вносимое ослабление по напряжению (затухание);

K_U - коэффициент передачи фиксированного аттенюатора по напряжению,

кроме того, средний пленочный микрополосковый резистор П-образной согласованной структуры также выполнен виде двух одинаковых пленочных микрополосковых резисторов с уменьшенным в два раза сопротивлением, между которыми включен второй отрезок линии передачи, волновое сопротивление которого равно

где - сопротивление среднего пленочного микрополоскового резистора П-образной согласованной структуры.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого фиксированного аттенюатора. На фиг. 2 приведена схема предлагаемого фиксированного аттенюатора с согласующими цепями на входе и выходе. На фиг. 3 приведены частотные зависимости КСВ. На фиг. 4 приведена частотная зависимость коэффициента передачи по напряжению.

Фиксированный аттенюатор содержит пленочные микрополосковые резисторы 1, 2, 3, 4, 5, 6 и отрезки линии передачи 7, 8, 9. Ко входу фиксированного аттенюатора подключены последовательно соединенные пленочный микрополосковый резистор 2, отрезок линии передачи 7 и пленочный микрополосковый резистор 1, один из выводов которого соединен с общим корпусом. К выходу фиксированного аттенюатора подключены последовательно соединенные пленочный микрополосковый резистор 5, отрезок линии передачи 9 и пленочный микрополосковый резистор 6, один из выводов которого соединен с общим корпусом. Между входом и выходом аттенюатора включены последовательно соединенные пленочный микрополосковый резистор 3, отрезок линии передачи 8 и пленочный микрополосковый резистор 4.

Предлагаемый фиксированный аттенюатор работает следующим образом. Для нахождения коэффициента отражения по входу Г и коэффициента передачи по напряжению K_U воспользуемся методом четного и нечетного возбуждения. Корректность использования данного метода обусловлена симметрией конструкции фиксированного аттенюатора. Ось симметрии па схеме фиг. 1 показана пунктирной линией. В соответствии с теорией электрических цепей фиксированный аттенюатор представляет собой четырехполюсник. Метод четного и нечетного возбуждения сводит анализ четырехполюсника к анализу двух двухполюсников.

При четном возбуждении по оси симметрии образуется режим холостого хода. Входная проводимость (Y₊₊) в этом случае будет равна

где f - частота входного сигнала;

f ₀ - средняя частота рабочего диапазона;

- волновое сопротивление четвертьволнового отрезка линии передачи 8;

Отметим, что соотношение (4) получено с учетом того, что волновое сопротивление четвертьволнового отрезка линии передачи 7 равно ρ₁=0,5R₁.

При нечетном возбуждении вдоль оси симметрии возникает режим короткого замыкания. В том режиме в соответствии со схемой фиг. 1 входная проводимость (Y_+-) определяется соотношением

Далее в соответствии с известным методом четного и нечетного возбуждения запишем выражения для коэффициента отражения в режиме четного (Г₊₊) и нечетного (Г_+-) возбуждения:

На основе соотношений (6) составим выражения для коэффициента отражения по входу (Г) и коэффициента передачи по напряжению (K_U) предлагаемого фиксированного аттенюатора:

Исходя из соотношений (4)-(7), приходим к следующему результату:

Из анализа соотношений (8) и (9) следует, что введение отрезков линий передачи 7, 8 и 9 не повлияло на частотные свойства идеализированной П-образной согласованной структуры, в которой паразитными емкостями микрополосковых пленочных резисторов 1, 2, 3, 4, 5 и 6 можно пренебречь. В этом случае полоса рабочих частот может быть сколь угодно большой. Данное приближение справедливо для маломощных фиксированных аттенюаторов. При использовании мощных пленочных микрополосковых резисторов с рассеиваемой СВЧ мощностью до 50 Вт паразитные емкости составляют порядка 1 пФ. Влиянием паразитной индуктивности мощных пленочных микроплосковых резисторов с большой шириной в дециметровом диапазоне можно пренебречь. С учетом этого была составлена эквивалентная схема фиксированного аттенюатора, приведенная на фиг. 2. В соответствии с этой эквивалентной схемой на входе и выходе фиксированного аттенюатора для компенсации влияния паразитных емкостей мощных пленочных микрополосковых резисторов были использованы одинаковые согласующие цепи в виде чебышевского фильтра нижних частот (ФНЧ) третьего порядка. При этом один из емкостных элементов чебышевского ФНЧ замещен паразитной емкостью пленочного микрополоскового резистора. При при значении паразитной емкости 1 пФ значение индуктивности чебышевского ФНЧ равно 4,4 нГ. Для аттенюатора с вносимым ослаблением 6 дБ значения волновых сопротивлений отрезков линий передачи 7, 9 и 8 в соответствии с формулой изобретения соответственно равны: ρ₁=ρ₃=75 Ом; ρ₂=56 Ом.

Результаты расчета частотной зависимости коэффициента стоячей волны (КСВ) и коэффициента передачи по напряжению K_U (дБ) приведены на фиг. 3 и фиг. 4. Как видно из данных графиков, предлагаемый фиксированный аттенюатор имеет полосу рабочих частот 0-1,7 ГГц, уровень входного КСВ не более 1,1. При этом неравномерность АЧХ не превышает ±1 дБ. Необходимо отметить, что полоса рабочих частот практически совпадает с полосой рабочих частот прототипа (Δf=1,67 ГГц), определяемой по соотношению (3). При расчете по соотношению (3) паразитная емкость была принята равной 2 пФ, так в предлагаемом устройстве каждый пленочный микрополосковый резистор исходной П-образной согласованной структуры был представлен в виде двух резисторов, между которыми включены отрезки линий передачи. Данный результат означает, что в предлагаемом фиксированном аттенюаторе полоса рабочих частот сохраняется, то есть оказывается такой же, как в прототипе. При этом разнесение пленочных микрополосковых резисторов друг от друга на четверть длины волны обеспечивает увеличение в 1,5-2 раза уровня входной СВЧ мощности. Кроме того, в предлагаемом фиксированном аттенюаторе пленочные микрополосковые резисторы могут быть расположены на нескольких диэлектрических подложках, а не виде одной гибридной СВЧ микросхемы. Это снижает температуру их нагрева и дополнительно увеличивает уровень входной СВЧ мощности.

Фиксированный аттенюатор, содержащий три пленочных микрополосковых резистора , и , включённых в виде П-образной согласованной структуры, у которой величины крайних резисторов и равны друг другу, отличающийся тем, что в него введено три отрезка линии передачи, длина которых одинакова и равна четверти длины волны на средней частоте рабочего диапазона, при этом крайние пленочные микрополосковые резисторы П-образной согласованной структуры выполнены в виде двух одинаковых пленочных микрополосковых резисторов с уменьшенным в 2 раза сопротивлением, между которыми соответственно включены первый и третий отрезок линии передачи, волновое сопротивление каждого из которых равно

,

где: - сопротивление крайних пленочных микрополосковых резисторов П-образной согласованной структуры;

R - сопротивление нагрузки фиксированного аттенюатора;

- коэффициент вносимого ослабления по напряжению (затухания);

- коэффициент передачи фиксированного аттенюатора по напряжению,

кроме того, средний пленочный микрополосковый резистор П-образной согласованной структуры также выполнен виде двух одинаковых пленочных микрополосковых резисторов с уменьшенным в два раза сопротивлением, между которыми включен второй отрезок линии передачи с волновым сопротивлением

,

где - сопротивление среднего пленочного микрополоскового резистора П-образной согласованной структуры.