RU2449431C1 - Multielement microwave load - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: multielement microwave load contains dielectric substrate 1, one side of which is metalised, and the second accommodates branched film resistor 2, the first contact pad of which is connected with central conductor of strip line 3, via which microwave signal is supplied, and the second contact pad is connected with grounding base of substrate 4. Each branch of resistor is made as two steps of power dividing, the first - as in series, and the second -as in parallel connected by transmission strip lines 5 localised resistive elements 6. Substrate 1 can be common for entire load, or power dividing steps can be located on individual substrates. Due to the fact that branched film resistor is made as large number of localised resistive elements 6 connected in series or in parallel by strip transmission lines 5, which at high levels of dissipated power are located on individual substrates, increased allowable power dissipated by load is provided, as well as increased operating reliability and serviceability of load is provided due to excluding possibility of resistive elements local overheating.

EFFECT: providing increased allowable power dissipated by load, increased operating reliability and serviceability of load due to excluding possibility of resistive elements local overheating.

3 cl, 6 dwg

Description

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.The invention relates to microwave technology and can be used in antenna-feeder devices as the equivalent of an antenna and terminal-matched load in coaxial and strip microwave paths with a high power level.

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.A multi-element microwave load is known, which is a segment of a coaxial path, which includes a concentrated resistor with a resistance equal to the wave impedance of the transmission line. The resistor is an absorbing element in the form of a ceramic cylinder coated with a metal oxide or carbon conductive film. The absorbing element is enclosed in a cylindrical dielectric pipe for pumping coolant. The film thickness is chosen small compared to the current immersion depth, therefore, the surface resistance of the film is almost independent of frequency. So that the input impedance of the coaxial load with the cylindrical absorbing element is purely active and almost does not change in a significant frequency range, such a load is supplied with irregular metal screens with specially selected profiles and sizes.

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.).The main disadvantages of this device are the large overall dimensions, the complexity of the repair and the high cost (Ultra-wide-band microwave devices. Edited by A.P. Krenitsky and V.P. Meshchanov. M., Radio and communications, 2001, 555 p.).

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.).A multi-element microwave load is known, containing a dielectric substrate, one side of which is metallized, and a film resistor of a certain configuration (rectangular, round, trapezoidal or exponential) is placed on the second, the first contact pad of which is connected to the central conductor of the strip line through which the microwave signal is supplied, and the second contact pad is connected to the grounding base of the substrate (Reference for the calculation and design of microwave strip devices. Edited by V.I. Volman. M., Ra Dio and Communication, 1982).

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.The disadvantage of this load is the low level of dissipated microwave power due to uneven heat generation along the length of the load. It is known that in microwave lines there is an exponential decrease in insertion loss along the line, starting from the input. For this reason, the initial part of the resistor is the most heat loaded. This relatively small part of the resistor's area essentially determines the total dissipated microwave power. When applying pulsed microwave power to the input of the resistor, a high potential level is applied to the input of the resistor, which can lead to corona discharge and breakdown of the resistive film.

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).Known as a prototype is a multi-element microwave load containing a dielectric substrate, one side of which is metallized, and a film microwave resistor is placed on the other side, which is branched (see ed. Certificate of the USSR 433898, H01P 1/24, BI 40, 10.30.82 )

Недостатками этой нагрузки являются низкий уровень допустимой рассеиваемой СВЧ мощности, эксплуатационной надежности и ремонтопригодности.The disadvantages of this load are the low level of permissible dissipated microwave power, operational reliability and maintainability.

Задачей изобретения является увеличение допустимой рассеиваемой СВЧ нагрузкой мощности, увеличение эксплуатационной надежности и ремонтопригодности нагрузки.The objective of the invention is to increase the permissible dissipated microwave power load, increase the operational reliability and maintainability of the load.

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:The stated technical problem is achieved due to the fact that in a known load containing a dielectric substrate, one side of which is metallized, and a branched film resistor is placed on the second, the first contact pad of which is connected to the central conductor of the input strip line, and the second contact pad is connected to the grounding base substrates, each branch of the resistor consists of two stages of power division, the first in the form of series, and the second in the form of parallel connected using strip transmission lines of lumped resistive elements, each parallel-connected resistive element of the previous branch simultaneously being a series-connected resistive element of the next branch, and the values of allowable power and input resistance for the i-th branch at the n-th stage of power division are determined by the relations:

P_n,i(доп)=P_n+1,i+P_n+i,i+1+P_n,i P _{n, i (add)} = P _{n + 1, i} + P _{n + i, i + 1} + P _{n, i}

где: n - текущий номер ступени деления мощности,where: n is the current number of the power division stage,

i - текущий номер резистивного элемента (текущий номер ветви) на n-ой ступени деления мощности,i is the current number of the resistive element (current branch number) at the n-th power division stage,

R_{n,i(вход)} - входное сопротивление; i-ой ветви на n-ой ступени деления,R _{n, i (input)} is the input resistance; ith branch on the n-th stage of division,

P_n,i(доп} - допустимая входная мощность i-ой ветви на n-ой ступени деления мощности,P _{n, i (add}} is the allowable input power of the i-th branch at the n-th power division stage,

R_n,i, P_n,i - соответственно сопротивление и допустимая мощность последовательной резистивной цепи i-ой ветви на n-ой ступени деления мощности,R _{n, i} , P _{n, i} - respectively, the resistance and allowable power of the serial resistive circuit of the i-th branch at the n-th stage of power division,

R_n+1,i, P_n+1,i - соответственно сопротивление и допустимая мощность последовательной резистивной цепи i-ой ветви на n+1-ой ступени деления мощности,R _{n + 1, i} , P _{n + 1, i} - respectively, the resistance and allowable power of the serial resistive circuit of the i-th branch at the n + 1-st stage of power division,

R_n+1,i+1 P_n+1,i+1 - соответственно сопротивление и допустимая мощность последовательной резистивной цепи i+1-ой ветви на n+1-ой ступени деления мощности.R _{n + 1, i + 1} P _{n + 1, i + 1} - respectively, the resistance and allowable power of the series resistive circuit of i + 1-st branch at n + 1-st stage of power division.

Количество последовательно соединенных резистивных элементов в первой и во второй ступенях деления мощности внутри каждой ветви резистора может определяться выражениями:The number of series-connected resistive elements in the first and second stages of power division inside each branch of the resistor can be determined by the expressions:

K_n,i=P_n,i/P_max;K _{n, i} = P _{n, i} / P _max ;

K_n+1,i=P_n+1,i/P_max;K _{n + 1, i} = P _{n + 1, i} / P _max ;

K_n+1,i+1=P_n+1,i+1/P_max,K _{n + 1, i + 1} = P _{n + 1, i + 1} / P _max ,

где K_n,i - количество последовательно соединенных резистивных элементов i-ой ветви на n-ой ступени деления мощности,where K _{n, i} is the number of series-connected resistive elements of the i-th branch at the n-th power division stage,

K_n+1,i - количество последовательно соединенных резистивных элементов i-ой ветви на n+1-ой ступени деления мощности,K _{n + 1, i} is the number of series-connected resistive elements of the i-th branch at the n + 1-st stage of power division,

K_n+1,i+1 - количество последовательно соединенных резистивных элементов i+1-ой ветви на n+1-ой ступени деления мощности,K _{n + 1, i + 1} - the number of series-connected resistive elements of the i + 1-st branch at the n + 1-st stage of power division,

P_max - максимально допустимая мощность рассеивания применяемых резистивных элементов.P _max - the maximum allowable power dissipation of the applied resistive elements.

Резистивные элементы в точках деления мощности внутри каждой ветви резистора могут быть соединены полосковыми линиями передачи, волновые сопротивления которых составляют 50 Ом.Resistive elements at the power dividing points inside each branch of the resistor can be connected by strip transmission lines whose wave resistances are 50 Ohms.

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.Figure 1 shows a structural diagram of the proposed microwave load having five stages of power division; figure 2 shows the structural diagram of the i-th branch of the microwave load, figure 3 shows a schematic diagram of the final branch of the microwave load; figure 4 shows a schematic diagram of a microwave load at an input power of 1.0 kW; figure 5 shows a schematic diagram of a microwave load at an input power of 2.0 kW; figure 6 shows the dependence of the coefficient of the standing wave voltage versus frequency at the input of the microwave load at an input power of 2.0 kW.

На Фиг.1 обозначены:Figure 1 marked:

n - текущий номер ступени деления мощности,n is the current number of the power dividing stage,

i - текущий номер резистивного элемента (текущий номер ветви) на n-ой ступени деления мощности,i is the current number of the resistive element (current branch number) at the n-th power division stage,

R_n,i, P_n,i - соответственно сопротивление и допустимая мощность последовательной резистивной цепи i-ой ветви на n-ой ступени деления мощности,R _{n, i} , P _{n, i} - respectively, the resistance and allowable power of the serial resistive circuit of the i-th branch at the n-th stage of power division,

R_n+1,i, P_n+1,i - соответственно сопротивление и допустимая мощность последовательной резистивной цепи i-ой ветви на n+1-ой ступени деления мощности,R _{n + 1, i} , P _{n + 1, i} - respectively, the resistance and allowable power of the serial resistive circuit of the i-th branch at the n + 1-st stage of power division,

R_n+1,i+1, P_n+1,i+1 - соответственно сопротивление и допустимая мощность последовательной резистивной цепи i+1-ой ветви на n+1-ой ступени деления мощности.R _{n + 1, i + 1} , P _{n + 1, i + 1} - respectively, the resistance and allowable power of the serial resistive circuit of i + 1-st branch at the n + 1-st stage of power division.

На Фиг.2 обозначены:Figure 2 marked:

n - текущий номер ступени деления мощности,n is the current number of the power dividing stage,

i - текущий номер резистивного элемента (текущий номер ветви) на n-ой ступени деления мощности,i is the current number of the resistive element (current branch number) at the n-th power division stage,

R_{n,i(вход)} - входное сопротивление i-ой ветви на n-ой ступени деления,R _{n, i (input)} is the input resistance of the i-th branch at the n-th stage of division,

P_n,i(доп) - допустимая входная мощность i-ой ветви на n-ой ступени деления мощности,P _{n, i (add)} is the allowable input power of the i-th branch at the n-th power division stage,

R_n,i, P_n,i - соответственно сопротивление и допустимая мощность последовательной резистивной цепи i-ой ветви на n-ой ступени деления мощности,R _{n, i} , P _{n, i} - respectively, the resistance and allowable power of the serial resistive circuit of the i-th branch at the n-th stage of power division,

R_n+1,i, P_n+1,i - соответственно сопротивление и допустимая мощность последовательной резистивной цепи i-ой ветви на n+1-ой ступени деления мощности,R _{n + 1, i} , P _{n + 1, i} - respectively, the resistance and allowable power of the serial resistive circuit of the i-th branch at the n + 1-st stage of power division,

R_n+1,i+1, P_n+1,i+1 - соответственно сопротивление и допустимая мощность последовательной резистивной цепи i+1-ой ветви на n+1-ой ступени деления мощности.R _{n + 1, i + 1} , P _{n + 1, i + 1} - respectively, the resistance and allowable power of the serial resistive circuit of i + 1-st branch at the n + 1-st stage of power division.

K_n,i - количество последовательно соединенных резистивных элементов i-ой ветви на n-ой ступени деления мощности,K _{n, i} is the number of series-connected resistive elements of the i-th branch at the n-th stage of power division,

K_n+1,i - количество последовательно соединенных резистивных элементов i-ой ветви на n+1-ой ступени деления мощности,K _{n + 1, i} is the number of series-connected resistive elements of the i-th branch at the n + 1-st stage of power division,

K_n+1,i+1 - количество последовательно соединенных резистивных элементов i+1-ой ветви на n+1-ой ступени деления мощности.K _{n + 1, i + 1} is the number of series-connected resistive elements of the i + 1-st branch at the n + 1-st stage of power division.

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.A multi-element microwave load (Figure 1) contains a dielectric substrate 1, one side of which is metallized, and a branched film resistor 2 is placed on the second, the first contact pad of which is connected to the central conductor of the input strip transmission line 3, through which the microwave signal is supplied, and the second contact the platform is connected to the grounding base of the substrate 4. Each branch of the resistor 2 is made in the form of two stages of power division, the first in the form of series, and the second in the form of parallel connected with w stripline transmission lines 5 resistive lumped elements 6. The substrate 1 may be common for the entire load, or the power division stages may be arranged on separate substrates.

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.A multi-element microwave load operates as follows: the input microwave signal with a given power is supplied to the strip transmission line 3 and then to the series-connected resistive element 6 of the first branch, which is the first stage of power division, and branches in phase and equally into the strip transmission lines 5 of the second stage of division power, in turn, these signals are fed to parallel-connected resistive elements 6, which each individually simultaneously are series-connected resistor ramie second branch. In each second branch, the signals after the second stage of dividing the power of the first branch are also branched and, using strip transmission lines 5, are fed to parallel-connected resistors 6, which are the second stage of dividing the power of the second branch, and each of them individually represents series-connected resistors and, therefore , the first step of dividing the power of the third branch. In each third branch, the signals after the first stage of power division also branch out and with the help of strip transmission lines 5 are fed to parallel-connected resistors 6, which are the second stage of power division of the third branch, and each of them individually represents series-connected resistors, that is, the first stage divisions of the fourth branch, and so on.

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:Based on the structure depicted in Fig. 1, in a general way, it is possible to write the values of permissible power and input resistance for the i-th branch at the n-th stage of dividing the power of the microwave load:

P_n,i(доп)=P_n+1,i+P_n+i,i+1+P_n,i P _{n, i (add)} = P _{n + 1, i} + P _{n + i, i + 1} + P _{n, i}

.

.

Также очевидно, чтоIt is also obvious that

,

,

откуда

.where from

.

Если входное сопротивление ветви составляет 50 Ом, то, как будет показано ниже, проектирование и настройка многоэлементной СВЧ нагрузки значительно упрощаются.If the input impedance of the branch is 50 Ohms, then, as will be shown below, the design and configuration of multi-element microwave loads are greatly simplified.

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.Thus, the methodology for calculating the load, having a branched connection structure of resistive elements, will consist in choosing the values of resistances and power dissipation, taking into account technological constraints, first for input stages of power division (for n = 1 and k = 1, 2, 3 ...), and further for the next stages of power division also taking into account technological limitations.

Технологические ограничения элементов представляют собой ограничение следующих величин:The technological limitations of the elements are a limitation of the following values:

- для отдельных резистивных элементов - номинал сопротивления и допустимая рассеиваемая мощность;- for individual resistive elements - resistance rating and allowable power dissipation;

- количество последовательно соединенных отдельных резистивных элементов;- the number of series-connected individual resistive elements;

- величина волнового сопротивления подводящих линий в точках деления мощности.- the value of the wave impedance of the supply lines at the points of power division.

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).For a planar film resistive element on a beryllium ceramic substrate, within the framework of existing manufacturing technologies, the nominal value of its resistance varies from (5-6) Ohms to (250-300) Ohms, and the dissipated power - from 5 W to 200 W (Reference for calculation and design Microwave Strip Devices Edited by V.I. Volman, M., Radio and Communications, 1982; Vostryakov Yu.V., Matveev S.Yu., Rubanovich MG, Razinkin VP, Khrustalev V .A. Universal broadband modular attenuator of high power for radio transmitting equipment // Electronic Components, 20 05, No. 9, p. 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.It should be noted that the dissipation power of even one branch of the proposed multi-element microwave load is tens of times higher than the entire prototype load, since the branched prototype load resistor placed on one substrate also provides power dissipation of not more than 200 watts.

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.The solution to this problem is to increase the permissible power dissipated by a multi-element microwave load and operational reliability compared to the prototype load by using various types of compounds of a large number of film resistive elements, which makes it possible to disperse the total thermal power released by the load over a large surface, refuse liquid cooling and switch to forced air. In addition, in the case of high levels of power dissipation, it is possible to place individual load branches on separate substrates and radiators, which eliminates the local overheating of resistive elements. We show this with a number of examples.

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_n и значение величины их мощности рассеивания P_n, а также параллельной цепи - соответственно R_n+1 и P_n+1 (Фиг.2).Let us cite as an example the calculation of the load structure for a number of power dissipation values and an input resistance value of 50 Ohms. The results of this calculation will be the values of the resistive element or elements of the serial circuit R _n and the value of their power dissipation P _n , as well as the parallel circuit, respectively, R _{n + 1} and P _{n + 1} (Figure 2).

Если параллельно соединенные заземленные резистивные элементы оконечной ветви выбраны R_n+1,i=R_n+1,i+1=50 Ом, тогда значение последовательно соединенного резистора составляет R_n,i=25 Ом. (Фиг.3).Условие для входного сопротивления ветвиIf parallel connected grounded resistive elements of the terminal branch are selected R _{n + 1, i} = R _{n + 1, i + 1} = 50 Ohms, then the value of the series-connected resistor is R _{n, i} = 25 Ohms. (Figure 3). Condition for input resistance of the branch

выполняется. При этом мощности сигналов, рассеиваемые в последовательной и параллельной цепях ветви резистора, оказываются равными половине входной мощности.performed. In this case, the signal powers dissipated in the serial and parallel circuits of the resistor branch turn out to be equal to half the input power.

Если мощность сигнала на входе ветви составляет 0,3 кВт, а максимально допустимая мощность рассеивания применяемых резистивных элементов равна P_max=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.If the signal power at the branch input is 0.3 kW, and the maximum allowable dissipation power of the applied resistive elements is P _max = 200 W, then the power dissipated on the series-connected resistive element is 150 W, and on each of the parallel-connected elements - 75 watts At the same time, technological limitations are met (the power dissipated by the resistive elements is less than 200 W), and the circuit diagram of the branch does not undergo changes.

Однако, если мощность входного сигнала составляет 1,0 кВт (Фиг.4), при том же значении P_max=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.However, if the input signal power is 1.0 kW (Figure 4), with the same value of P _max = 200 W, the dissipation power is 500 W on a series-connected resistive element, and 250 W on parallel-connected elements, which is everywhere higher allowable level of 200 watts. For a more even distribution of power among the resistive elements, it is necessary to perform a series circuit in the form of three series-connected resistive elements with nominal values of 8.3 ohms (in total 25 ohms). Each of the parallel-connected resistive elements is made of two series-connected with nominal values of 25 ohms. The branch contains 7 resistive elements.

Если мощность входного сигнала, поступающего на ветвь, составляет 2,0 кВт, то с учетом вышеприведенных расчетов ветвь содержит 11 резисторов (Фиг.5).If the power of the input signal entering the branch is 2.0 kW, then, taking into account the above calculations, the branch contains 11 resistors (Figure 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.Given the restrictions on the implementation of resistive elements with ratings less than 5.0 ohms, it can be concluded that modern technological capabilities for creating resistive elements limit the maximum dissipated load power in the form of a single branch at the level of 2.0 kW. For the case of higher input signal powers (more than 2.0 kW), the number of branches of a multi-element microwave load must be increased. In this case, it is necessary to make series-parallel connections of resistive elements with ratings that do not go beyond technological limitations. Compounds of this type have a smaller than a single resistive element operating frequency bandwidth due to an increase in the values of the total stray capacitances and inductances for the entire connection of resistive elements.

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 K_стU 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).However, the presence of a relatively small number of resistive elements and carrying out tuning works allow us to ensure, at such high power levels, a fairly wide band of operating frequencies of the proposed multi-element microwave load. For example, the coefficient of the standing wave voltage K _st U at the input of small-scale samples of multi-element microwave load on the input power of 2.0 kW is 1.00-1.20 in the frequency range 0-1000 MHz (Fig.6) (Vostryakov Yu.V ., Matveev S.Yu., Rubanovich MG, Razinkin VP, Khrustalev VA Universal broadband modular attenuator of high power for radio transmitting equipment // Electronic Components, 2005, No. 9, p. 116- 117).

Повышение эксплуатационной надежности предлагаемой многоэлементной СВЧ нагрузки по сравнению с нагрузкой-прототипом достигается за счет устранения возможного локального перегрева резистивных элементов.Improving the operational reliability of the proposed multi-element microwave load compared with the load of the prototype is achieved by eliminating the possible local overheating of resistive elements.

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.The solution to the thermal problem, described in detail in (Vostryakov Yu.V., Rubanovich MG, Abdenov A.Zh., Khrustalev V.A. Experimental study of temperature fields created by film resistors as heat sources. Informatics and telecommunication problems. Russian scientific -technical conference. Novosibirsk, 2008, volume 1, pp. 340-342; Abdenov A.Zh., Rubanovich MG, Khrustalev VA Investigation of temperature conditions of film resistors // Electrosvyaz, Moscow, No. 6, 2010, p 47-52; Bushminsky IP, Morozov GV Technology of hybrid integrated circuits microwave. M., Higher school, 1980, 287 pp.), Showed that according to the conditions of the technological process of deposition of a resistive film on beryllium ceramics and the type of resistive film material, the permissible film temperature is 120-130 ° С. This temperature limit is not exceeded if the width of the resistive layer of the resistor with the substrate, for example, with dimensions of 20 × 20 × 4 mm, is at least 10 mm with an input power of 200 watts. These dimensions of the substrate and the value of the input power are most often used in the practice of designing such loads. The temperature of the resistive films of the elements does not exceed the maximum allowable (130 ° C) only for cases where the distance between the resistive elements is at least 40 mm.

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.Fulfilling these requirements for the given example, it is necessary to ensure that the distances between the resistive elements are not less than 40 mm, which will avoid overheating of any of the applied resistive elements and thereby achieve a significantly higher operational reliability of the proposed multi-element microwave load compared to the prototype load.

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.Improving the maintainability of the proposed multi-element microwave load compared with the load of the prototype is provided by its repeatability, identity at any level of power dissipation. This means that when designing multi-element loads for dissipation power in excess of 2.0 kW, circuit structures of a lower dissipation power level are included in circuit structures of a higher dissipation power level. So, the structure of the schematic diagram of the load on the dissipation power of 5000 W includes two identical blocks assembled according to the schematic diagrams of the load on the dissipation power of 2.0 kW, and the structure of the load structure on the dissipation power of 10.0 kW will include blocks assembled according to the schemes loads of dissipation power 5.0 kW, etc. This indicates a universal approach to the design of multi-element microwave loads. As a result of this, the product tuning will consist of tuning at the initial stage of the units of the lower level of power dissipation, having inputs and outputs with standard values of wave impedances of 50 Ohms (if necessary - 75 Ohms), which ensures their connection to standard paths of the measuring equipment. This property of the proposed multi-element microwave load provides autonomous adjustment of each block of the lower level of power dissipation separately with its subsequent complex adjustment when setting the next level of power dissipation of the load, which also has connectors with standard values of wave impedance, etc. to the entrance of the multi-element microwave structure.

Итак, все вышеотмеченное обеспечивает решение поставленной задачи - увеличение допустимой рассеиваемой нагрузкой мощности, а также увеличение эксплуатационной надежности и ремонтопригодности нагрузки.So, all of the above provides a solution to the problem - an increase in the permissible power dissipated by the load, as well as an increase in the operational reliability and maintainability of the load.

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.In combination with lower mass and dimensional indicators than coaxial loads of similar dissipation powers, powerful multi-element loads created using a structurally more flexible technology using planar thin-film resistive elements can successfully compete with other types of classical coaxial loads.

Claims (3)

1. Многоэлементная СВЧ нагрузка, содержащая 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, отличающаяся тем, что 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-той ветви на n-й ступени деления мощности определяются соотношениями:
P_n,i(доп)=P_n+1,i+P_n+i,i+1+P_n,i

где n - текущий номер ступени деления мощности,
i - текущий номер резистивного элемента (текущий номер ветви) на n-й ступени деления мощности,
R_{n,i(вход)} - входное сопротивление i-й ветви на n-й ступени деления,
P_n,1(доп) - допустимая входная мощность i-й ветви на n-й ступени деления мощности,
R_n,i, P_n,i - соответственно сопротивление и допустимая мощность последовательной резистивной цепи i-й ветви на n-й ступени деления мощности,
R_n+1,i P_n+1,i - соответственно сопротивление и допустимая мощность последовательной резистивной цепи i-й ветви на n+1-й ступени деления мощности,
R_n+1,i+1 P_n+1,i+1 - соответственно сопротивление и допустимая мощность последовательной резистивной цепи i+1-й ветви на n+1-й ступени деления мощности.1. A multi-element microwave load containing a dielectric substrate, one side of which is metallized, and on the second there is a branched film resistor, the first contact pad of which is connected to the central conductor of the input strip line, and the second contact pad is connected to the grounding base of the substrate, characterized in that each the resistor branch consists of two power dividing stages, the first in the form of series, and the second in the form of parallel lines connected with strip lines supply of concentrated resistive elements, with each of the parallel-connected resistive elements of the previous branch simultaneously being a series-connected resistive element of the next branch, and the values of allowable power and input resistance for the i-th branch at the n-th stage of power division are determined by the relations:
P _{n, i (add)} = P _{n + 1, i} + P _{n + i, i + 1} + P _{n, i}

where n is the current number of the power division step,
i is the current number of the resistive element (current branch number) at the n-th power division stage,
R _{n, i (input)} is the input resistance of the i-th branch at the n-th stage of division,
P _{n, 1 (add.)} - allowable input power of the i-th branch at the n-th stage of power division,
R _{n, i} , P _{n, i} - respectively, the resistance and allowable power of the serial resistive circuit of the i-th branch at the n-th stage of power division,
R _{n + 1, i} P _{n + 1, i} - respectively, the resistance and allowable power of the serial resistive circuit of the i-th branch at the n + 1-st stage of power division,
R _{n + 1, i + 1} P _{n + 1, i + 1} - respectively, the resistance and allowable power of the series resistive circuit of i + 1-st branch at the n + 1-st stage of power division. 2. Многоэлементная СВЧ нагрузка по п.1, отличающаяся тем, что количество последовательно соединенных резистивных элементов в первой и во второй ступенях деления мощности внутри каждой ветви резистора определяется выражениями:
K_n,i=P_n,i/P_max;
K_n+1,i=P_n+1,i/P_max;
K_n+1,i+1=P_n+1,i+1/P_max,
где K_n,i - количество последовательно соединенных резистивных элементов i-той ветви на n-й ступени деления мощности,
K_n+1,i - количество последовательно соединенных резистивных элементов i-той ветви на n+1-й ступени деления мощности,
K_n+1,i+1 - количество последовательно соединенных резистивных элементов i+1-й ветви на n+1-й ступени деления мощности,
P_max - максимально допустимая мощность рассеивания применяемых резистивных элементов.2. The multi-element microwave load according to claim 1, characterized in that the number of series-connected resistive elements in the first and second stages of power division inside each branch of the resistor is determined by the expressions:
K _{n, i} = P _{n, i} / P _max ;
K _{n + 1, i} = P _{n + 1, i} / P _max ;
K _{n + 1, i + 1} = P _{n + 1, i + 1} / P _max ,
where K _{n, i} is the number of series-connected resistive elements of the i-th branch at the n-th stage of power division,
K _{n + 1, i} is the number of series-connected resistive elements of the i-th branch at the n + 1-st stage of power division,
K _{n + 1, i + 1} is the number of series-connected resistive elements of the i + 1-st branch at the n + 1-st stage of power division,
P _max - the maximum allowable power dissipation of the applied resistive elements. 3. Многоэлементная СВЧ нагрузка по п.1, отличающаяся тем, что резистивные элементы в точках деления мощности внутри каждой ветви резистора соединены полосковыми линиями передачи, волновые сопротивления которых составляют 50 Ом. 3. The multi-element microwave load according to claim 1, characterized in that the resistive elements at the points of power division inside each branch of the resistor are connected by strip transmission lines, the wave impedances of which are 50 Ohms.

Images