549_Sovremennye_problemy_telekommunikatsij_

Мощные широкополосные СВЧ аттенюаторы на планарных пленочных резисторах

П.Г. Богомолов, М.Г. Рубанович, В.А. Хрусталев

Представлены методы построения и приведено описание мощных широкополосных СВЧ аттенюаторов на планарных пленочных резисторах, нанесенных на керамическую подложку из ВеО.

Ключевые слова: плѐночный резистор, СВЧ аттенюатор, мощность, согласование.

1. Введение

СВЧ аттенюаторы большой мощности широко применяются для измерения параметров выходного сигнала радиопередающих устройств, используемых в современных цифровых телекоммуникационных системах. Данная работа посвящена рассмотрению способов построения многоэлементных СВЧ аттенюаторов высокого уровня мощности и разработке конструктивных и схемотехнических решений, базирующихся на применение планарных плѐночных резисторов и отрезков микрополосковых линий передачи.

В данной работе предложены новые и описаны усовершенствованные конструкции различных вариантов построения многоступенчатых аттенюаторов высокого уровня мощности, на основе анализа конструкций, схемотехнических решений и технических характеристик известных отечественных и зарубежных аналогов нагрузок-аттенюаторов, выполненных на керамической подложке ВеО и обеспечивающих поглощение СВЧ мощности до единиц кВт.

2. Мощный Т-образный СВЧ аттенюатор

Один из вариантов построения мощного пленочного аттенюатора (100 Вт) Т-образного типа с вносимым ослаблением 4 дБ на керамической подложке ВеО толщиной 4 мм представлен на рис. 1.

Рис.1. Аттенюатор 4 дБ

91

В этой конструкции для получения максимальной допустимой СВЧ мощности входного сигнала первый резистор Т-структуры на планарных пленочных резисторах имеет большую площадь, а средний резистор выполнен по симметричной топологии относительно металлизированного основания.

На рис. 2 представлена 3D электромагнитная модель рассматриваемого Т-образного 4- децибельного аттенюатора на уровень входной СВЧ мощности 100 Вт.

Рис. 2. 3D электромагнитная модель аттенюатора 4 дБ

На рис. 3 изображены результаты электромагнитного моделирования частотных свойств 4-децибельного аттенюатора на уровень входной СВЧ мощности 100 Вт.

Рис. 3. Частотные характеристики аттенюатора 4 дБ

Анализ частотной зависимости коэффициента отражения S11 показывает, что для данного Т-образного аттенюатора, у которого основная мощность входного СВЧ сигнала рассеивается первым последовательным резистором с большой площадью, полоса частот качественного согласования ограничивается значениями от 0,8 ГГц до 1,25 ГГц. Это обусловлено значительной емкостной реакцией мощного пленочного резистора, который

92

включен последовательно. Из рассмотрения графиков рис. 3 следует, что Т-образный аттенюатор имеет частотную характеристику согласования, подобную характеристике фильтра нижних частот, поэтому он обеспечивает качественное согласование на низких

частотах, вплоть до граничной частоты fS , равной 1,3 ГГц.

3. Широкополосный СВЧ аттенюатор

Для расширения полосы рабочих частот целесообразно модернизировать классические Т- и П-образные звенья, реализованные на сосредоточенных резистивных элементах. Для этого в работе предлагается плѐночные диссипативные элементы встроить в фильтр гармоник, выполненный на микрополосковых отрезках линий передачи. В этом случае паразитные реактивные параметры пленочных резисторов естественно и органично входят в структуру фильтра с существенными потерями.

Одним из широко распространенных способов формирования амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) с малой неравномерностью в полосе пропускания для фильтров с существенным уровнем диссипативных потерь, является метод предыскажений [2], в котором для всех катушек индуктивности и конденсаторов должно выполняться условие однородности потерь:

элемента фильтра; Ri - сопротивление потерь индуктивного элемента; Ci - емкость элемента

фильтра; Gi - проводимость потерь емкостного элемента фильтра; i 1,2,3...n; n- порядок

фильтра.

При выполнении условия (1) все нули и полюсы передаточной функции фильтра смещаются на комплексной плоскости влево на величину 0,5 . Это приводит к тому, что

в фильтре с однородными диссипативными потерями АЧХ смещается на постоянную величину при сохранении еѐ формы.

Для линий передачи с диссипативными потерями из (1) однозначно следует условие Хевисайда, обеспечивающее согласованный режим бегущих волн:

где - волновое сопротивление отрезка линии передачи; L - погонная индуктивность;

С- погонная емкость; R - погонное сопротивление; G - погонная проводимость.

Таким образом, условие согласования в линии передачи с диссипативными потерями совпадает с условием отсутствия искажений АЧХ.

Хорошими широкополосными свойствами обладает симметричная структура рис. 4, в которой используется заземлѐнный шлейф.

93

Рис. 4. 3D реализация аттенюатора с заземленными резистивным шлейфом прямоугольной формы

Поверхностное сопротивление резистивного покрытия короткозамкнутого шлейфа составляет s 500 Ом/квадрат, а поверхностное сопротивление резистивного покрытия

вставок, представляющих собой последовательные резисторы, составляет

s 10 Ом/квадрат.

Частотные характеристики аттенюатора с двумя симметрично расположенными заземленными резистивными шлейфами показаны на рис. 5.

Рис. 5. Частотные характеристики аттенюатора с двумя заземленными резистивными шлейфами

Проведем оценку предельно достижимых полосовых свойств исследованных структур, входящих в состав мощных СВЧ аттенюаторов и выполненных в виде фильтра гармоник с диссипативными потерями. Для этого воспользуемся интегральным ограничением Боде- Фано для согласующей цепи в виде фильтра нижних частот, функции которого в данном случае выполняет фильтр гармоник:

где - частотная зависимость коэффициента отражения в полосе пропускания;

где max - максимальное значение коэффициента отражения в полосе пропускания.

Таким образом, выражение (5) определяет предельно достижимую полосу частот аттенюаторов с плѐночными резистивными структурами. Из формулы (5) что для увеличения допустимой мощности входного СВЧ сигнала необходимо уменьшать волновое

сопротивление i и увеличивать физическую длину пленочного микрополоскового резистора i , что приведет к увеличению его площади. Однако в этом случае, в соответствии с соотношением (5), уменьшится граничная частота fS .

Далее учтем, что для низкоомных микрополосковых линий передачи волновое сопротивление определяется по формуле [1]:

где e - эффективная диэлектрическая проницаемость подложки; h- толщина подложки; Wi - ширина микрополосковой линии.

Для нахождения оценки граничной частоты fS снизу упростим выражение (6):

рассеиваемая планарным пленочным резистором, пропорционального его площади и обратно

где k- постоянный коэффициент, определяемый площадью внешнего радиатора и интенсивностью воздушного обдува (устанавливается эмпирически).

Таким образом, получено фундаментальное соотношение fS Pi const , которое

позволяет провести теоретическую оценку предельно достижимых параметров для пленочных планарных резисторов. Для повышения fS необходимо уменьшать Pi за счет

95

снижения сопротивления пленочного резистора. При этом количество резисторов в аттенюаторе будет увеличиваться.

4. Заключение

1. Для повышения граничной частоты fS необходимо уменьшать Pi за счет снижения

сопротивлений пленочных резисторов. При этом количество резисторов в аттенюаторе увеличивается. В настоящее время широкополостные многоэлементные аттенюаторы содержат 10-20 резисторов.

2. На основе приведенных выше соотношений и экспериментальных исследований было установлено, что пленочный резистор площадью 50-100 мм2 на керамической подложке BeO толщиной 4 мм способен рассеивать СВЧ мощность до 200 Вт при наличии внешнего радиатора и принудительного воздушного охлаждения. Такая удельная мощность позволяет ожидать появления в ближайшей перспективе многоэлементных пленочных аттенюаторов допустимой мощности входного СВЧ сигнала 10 кВт и полосой рабочих частот 0-2 ГГц.

5. Литература

1.В.И. Вольмана Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств – М.: Радио и связь, 1982, 328 с., рис. 4.42, стр. 193

2.Decomposition method of calculating the present longitudinal inductance in a transverse band of film resistor Bogomolov, P.G.,Rubanovich, M.G.,Khrustalev, V.A., 2014 International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices, EDM

3.Broadband attenuator Churkin, V.S.,Rubanovich, M.G.,Razinkin, V.P., 12th International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices, EDM'2011 – Proceedings

4. Power adder with distributed ballast resistor Aubakirov, K.E.,Vasilchik, M.U.,Vorobiev, P.M.,Rubanovich, M.G.,Chipumov, S.A., 2010 11th Annual International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices, EDM'2010 – Proceedings

5. Calculation of a high frequency rectangular film resistor Rubanovich, M.G.,Matveev, S.J.,Khrustalyov, V.A.,Razinkin, V.P.,Vasilchic, M.J. Proceedings of the 5th IEEE-Russia Conference - 2005 Microwave Electronics: Measurements, Identification, Applications, MEMIA

'05

96