RU214403U1

RU214403U1 - Powerful resistive microwave absorber

Info

Publication number: RU214403U1
Application number: RU2022108784U
Authority: RU
Inventors: Татьяна Михайловна Калинина; Илья Николаевич Малышев
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственное объединение "ЭРКОН"
Filing date: 2022-04-01
Publication date: 2022-10-26

Abstract

Полезная модель относится к радиоэлектронике и измерительной технике и может быть использована для заданного ослабления СВЧ-сигнала большой мощности в широкой полосе рабочих частот. Сущность полезной модели: мощный резистивный сверхвысокочастотный поглотитель содержит корпус-радиатор и пленочные резистивные поглощающие элементы на керамической плате, механически закрепленной во внутреннем канале через пружинные контакты, внутренний канал представляет собой металлическую теплопроводную гильзу-носитель, установленную с притиркой в отверстие с черной поверхностью цельного корпуса-радиатора. Корпус-радиатор может быть выполнен с коаксиальными соединителями на входе и выходе и контактом коаксиальных соединителей с керамическими полосковыми платами через пружинные контакты. Корпус-радиатор может включать переходную коаксиальную втулку для каскадирования поглотителей. Пружинные контакты соединения керамических полосковых плат и корпуса-радиатора могут быть выполнены в виде П-образного профиля с волнообразными поверхностями. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

The utility model relates to radio electronics and measuring technology and can be used for a given attenuation of a high power microwave signal in a wide band of operating frequencies. The essence of the utility model: a powerful resistive microwave absorber contains a body-radiator and film resistive absorbing elements on a ceramic board, mechanically fixed in the inner channel through spring contacts, the inner channel is a metal heat-conducting sleeve-carrier installed with lapping into a hole with a black surface of the solid body -radiator. The heatsink housing can be made with coaxial connectors at the input and output and contact of the coaxial connectors with ceramic strip plates through spring contacts. The radiator housing may include an adapter coaxial sleeve for cascading absorbers. The spring contacts connecting the ceramic strip plates and the heatsink housing can be made in the form of a U-shaped profile with wavy surfaces. 4 w.p. f-ly, 8 ill.

Description

Полезная модель относится к радиоэлектронике и измерительной технике и может быть использована для заданного ослабления СВЧ-сигнала большой мощности в широкой полосе рабочих частот.The utility model relates to radio electronics and measuring technology and can be used for a given attenuation of a high power microwave signal in a wide band of operating frequencies.

Известно построение мощных поглотителей (аттенюаторов) на планарных пленочных резисторах, нанесенных на диэлектрическую подложку из бериллиевой керамики, обладающей хорошими диэлектрическими свойствами и теплопроводностью, сравнимой с теплопроводностью металла. Обеспечение большой допустимой мощности входного высокочастотного сигнала достигается за счет отвода тепла через диэлектрическую подложку с высокой теплопроводностью на металлизированное основание, которое установлено на радиатор с воздушным охлаждением. При использовании воздушного обдува металлизированного основания и радиатора микроволновый аттенюатор обеспечивает в непрерывном режиме рассеивание мощности входного высокочастотного сигнала 250-300 Вт. Для построения мощных широкополосных аттенюаторов на пленочных резисторах применяется каскадное включение нескольких аттенюаторов, в которых рассеиваются равные мощности (Богомолов П.Г., Рубанович М.Г., Хрусталев В.А., Разинкин В.П. Широкополосный пленочный СВЧ-аттенюатор. Сб. трудов Всероссийской конференции «Электроника и микроэлектроника СВЧ», С-Петербург, 2-5 июня 2014 г.). Схема построения ВЧ аттенюатора из нескольких каскадов обусловливает необходимость согласования между собой этих каскадов.It is known to build powerful absorbers (attenuators) on planar film resistors deposited on a dielectric substrate made of beryllium ceramics, which has good dielectric properties and thermal conductivity comparable to that of metal. Ensuring a large allowable power of the input high-frequency signal is achieved by removing heat through a dielectric substrate with high thermal conductivity to a metallized base, which is installed on an air-cooled radiator. When using air blowing of a metallized base and a radiator, the microwave attenuator provides continuous power dissipation of the input high-frequency signal of 250-300 W. To build powerful broadband attenuators on film resistors, a cascade connection of several attenuators is used, in which equal powers are dissipated (Bogomolov P.G., Rubanovich M.G., Khrustalev V.A., Razinkin V.P. Broadband microwave film attenuator. Sat Proceedings of the All-Russian Conference "Electronics and Microelectronics Microwave", St. Petersburg, June 2-5, 2014). The scheme for constructing an RF attenuator from several stages makes it necessary to coordinate these stages with each other.

Известен мощный аттенюатор (RU 2477910 C1), содержащий N включенных последовательно друг за другом согласованных звеньев на одинаковых подложках, установленных с одинаковым шагом на теплопроводящем основании, каждое последующее звено имеет большее затухание, чем предыдущее, причем коэффициент передачи по мощности каждого звена задается выражением K_PM = N – M/N – M+1, где М – порядковый номер звена; N – количество звеньев. При этом тепловые потоки от всех подложек будут направлены в теплоотвод, а градиенты температуры между подложками будут равны нулю, за счет чего и повышается надежность.A powerful attenuator is known (RU 2477910 C1), containing N connected sequentially one after another matched links on identical substrates installed with the same pitch on a heat-conducting base, each subsequent link has a greater attenuation than the previous one, and the power transfer coefficient of each link is given by the expression K _PM = N - M / N - M + 1, where M is the serial number of the link; N is the number of links. In this case, the heat fluxes from all substrates will be directed to the heat sink, and the temperature gradients between the substrates will be equal to zero, thereby increasing reliability.

К недостаткам известного аттенюатора относится пониженная надежность устройства из-за термомеханических напряжений, возникающая при жестком креплении элементов к радиатору из-за большой разности температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) металла и керамики.The disadvantages of the known attenuator include reduced reliability of the device due to thermomechanical stresses that occurs when the elements are rigidly attached to the radiator due to the large difference in the temperature coefficients of linear expansion (TCLE) of metal and ceramics.

Известен среднемощный сверхширокополосный коаксиальный фиксированный аттенюатор (RU 2754065 C1), состоящий из трёх последовательно включённых отрезков, два из которых являются коаксиальными волноводами с соединителями на торцах, а третий образован центральной втулкой с настроечными винтами, поджатой волноводными отрезками, в которой в продольных пазах подвешена диэлектрическая подложка с нанесённым на ней топологическим рисунком, при этом центральная втулка размещена в сквозном ступенчатом отверстии корпуса радиатора.A medium-power ultra-wideband coaxial fixed attenuator (RU 2754065 C1) is known, consisting of three segments connected in series, two of which are coaxial waveguides with connectors at the ends, and the third is formed by a central sleeve with tuning screws, preloaded by waveguide segments, in which a dielectric is suspended in longitudinal grooves. a substrate with a topological pattern printed on it, while the central sleeve is placed in a through stepped hole in the radiator housing.

Известная конструкция характеризуется пониженной надежностью из-за термомеханических напряжений, возникающих при жестком креплении элементов в центральной втулке, а также высоким тепловым сопротивлением «плата - радиатор» из-за неплотного контакта поверхности втулки и радиатора.The known design is characterized by reduced reliability due to thermomechanical stresses arising from the rigid fastening of the elements in the central sleeve, as well as high thermal resistance "board - radiator" due to loose contact between the surface of the sleeve and the radiator.

В качестве прототипа выбран мощный СВЧ-аттенюатор (RU 2758083 C1), состоящий из корпуса-радиатора с коаксиальными соединителями на входе и выходе и цепочки планарных пленочных резисторов на керамических полосковых платах, при этом керамические полосковые платы электрически соединены между собой каскадно гибкими перемычками и механически закреплены во внутреннем канале корпуса-радиатора через пружинные контакты, обеспечивающие демпфирующее действие при термомеханических нагрузках, а также электрический и тепловой контакт с корпусом-радиатором.As a prototype, a powerful microwave attenuator (RU 2758083 C1) was chosen, consisting of a radiator case with coaxial connectors at the input and output and a chain of planar film resistors on ceramic strip boards, while the ceramic strip boards are electrically connected to each other by cascaded flexible jumpers and mechanically fixed in the internal channel of the radiator housing through spring contacts that provide damping action under thermomechanical loads, as well as electrical and thermal contact with the radiator housing.

Недостатком прототипа является необходимость использования разрезной конструкции радиатора, которая сложнее в изготовлении, чем цельная конструкция, особенно если форма радиатора цилиндрическая, и требует больше вспомогательных деталей для внешних подключений. The disadvantage of the prototype is the need to use a split design of the radiator, which is more difficult to manufacture than a one-piece design, especially if the shape of the radiator is cylindrical, and requires more auxiliary parts for external connections.

Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является упрощение изготовления мощных резистивных поглотителей, снижение количества и возможность унификации составных деталей.The task to be solved by the utility model is to simplify the manufacture of powerful resistive absorbers, to reduce the number and the possibility of unifying composite parts.

Технический результат - возможность модульной сборки поглотителей с обеспечением набора характеристик.EFFECT: possibility of modular assembly of absorbers providing a set of characteristics.

Указанная задача решается мощным резистивным сверхвысокочастотным поглотителем, состоящим из корпуса-радиатора с коаксиальными соединителями на входе и выходе и пленочные резистивные поглощающие элементы на керамической плате, механически закрепленной во внутреннем канале через пружинные контакты, в котором, согласно предложению, внутренний канал представляет собой металлическую теплопроводную гильзу-носитель, установленную с притиркой в отверстие с черной поверхностью цельного корпуса-радиатора. This problem is solved by a powerful resistive microwave absorber, consisting of a radiator housing with coaxial connectors at the input and output and film resistive absorbing elements on a ceramic board mechanically fixed in the inner channel through spring contacts, in which, according to the proposal, the inner channel is a metal heat-conducting a carrier sleeve installed with grinding into a hole with a black surface of a one-piece radiator case.

Предпочтительный вариант осуществления поглотителя: коаксиальные соединители контактируют с керамическими полосковыми платами через пружинные контакты, а пружинные контакты соединения керамических полосковых плат и корпуса-радиатора выполнены в виде П-образного профиля с волнообразными поверхностями.The preferred embodiment of the absorber: the coaxial connectors are in contact with the ceramic strip plates through spring contacts, and the spring contacts connecting the ceramic strip plates and the heatsink housing are made in the form of a U-shaped profile with wavy surfaces.

Полезная модель поясняется чертежами.The utility model is illustrated by drawings.

На фиг. 1 показана керамическая полосковая плата поглотителя.In FIG. 1 shows a ceramic strip plate absorber.

На фиг. 2 показан общий вид гильзы-носителя.In FIG. 2 shows a general view of the carrier sleeve.

На фиг. 3 показаны примеры поперечного сечения гильзы-носителя.In FIG. 3 shows examples of a cross section of a carrier sleeve.

На фиг. 4 показан вид сбоку на корпус-радиатор.In FIG. 4 shows a side view of the radiator case.

На фиг. 5 показан вид с торца на корпус-радиатор.In FIG. 5 shows an end view of the heatsink housing.

На фиг. 6 показан общий вид двух каскадированных поглотителей. In FIG. 6 shows a general view of two cascaded absorbers.

На фиг. 7 показан поперечный разрез двух каскадированных поглотителей.In FIG. 7 shows a cross section of two cascaded absorbers.

На фиг. 8 показан предпочтительный вариант выполнения пружинного контакта.In FIG. 8 shows a preferred embodiment of the spring contact.

Мощный резистивный сверхвысокочастотный поглотитель содержит керамическую плату 1, на которой сформированы пленочные резистивные поглощающие элементы 2. Резистивные поглощающие элементы 2 могут быть квазисосредоточенными (находящимися на расстоянии друг от друга вдоль линии передачи) или распределенными (частично или полностью объединенными в разрыве линии передачи). Пленочный проводник 3, нанесенный на плату, совместно с каналом 4 металлической теплопроводной гильзы-носителя 5 образуют частично заполненную диэлектриком полосковую линию передачи. Гильза 5 с притиркой установлена в имеющее черную поверхность отверстие 6 цельного корпуса-радиатора 7. Гильза-носитель 5 может иметь различную форму поперечного сечения (при этом меняется коэффициент теплопередачи), например, поверхность контакта с корпусом радиатором 7 может быть не только гладкой (фиг. 2а, 3а), но и более развитой (фиг. 2б, 3б). С торца корпуса-радиатора 7 может быть установлена переходная коаксиальная втулка 8 для каскадирования модулей поглотителя, или стандартные коаксиальные соединители 9 для внешнего подключения поглотителя, с присоединительными размерами стандартного типа (например, типа N, типа III и др.), электрически соединенные с платами через пружинный контакт 10. На радиаторе могут дополнительно размещаться вентиляторы принудительного охлаждения.The powerful resistive microwave absorber contains a ceramic board 1 on which film resistive absorbing elements 2 are formed. The film conductor 3 deposited on the board, together with the channel 4 of the metal heat-conducting sleeve-carrier 5 form a strip transmission line partially filled with a dielectric. The sleeve 5 with lapping is installed in the hole 6 of the integral radiator housing 7, which has a black surface. The carrier sleeve 5 can have a different cross-sectional shape (the heat transfer coefficient changes), for example, the contact surface with the radiator housing 7 can be not only smooth 2a, 3a), but also more developed (Figs. 2b, 3b). From the end of the radiator case 7, a transitional coaxial sleeve 8 can be installed for cascading the absorber modules, or standard coaxial connectors 9 for external connection of the absorber, with connecting dimensions of a standard type (for example, type N, type III, etc.), electrically connected to the boards through spring contact 10. Forced cooling fans can be additionally placed on the radiator.

При изготовлении поглотителей на керамической подложке сначала формируется слой проводника (полосковая линия передачи и заземляющие контакты). Затем формируют слой поглощающих элементов с удельным поверхностным электрическим сопротивлением ρ1 и ρ2 в зависимости от заданного ослабления аттенюатора (в децибелах). Далее формируют второй слой проводника (полосковая линия передачи). Затем выполняют подгонку сопротивления резистивных поглощающих элементов лазерным или механическим способом для получения заданного ослабления аттенюатора и наносят защитный слой на поглощающие элементы. Завершающий слой - согласующие проводниковые элементы, а также проводниковые торцевые контакты.In the manufacture of absorbers on a ceramic substrate, a conductor layer is first formed (stripline transmission line and ground contacts). Then a layer of absorbing elements is formed with specific surface electrical resistance ρ1 and ρ2 depending on the specified attenuation of the attenuator (in decibels). Next, a second conductor layer (stripline) is formed. Then, the resistance of the resistive absorbing elements is adjusted by laser or mechanical means to obtain a given attenuation of the attenuator, and a protective layer is applied to the absorbing elements. The final layer is matching conductor elements, as well as conductor end contacts.

Плата 1 механически закреплена во внутреннем канале 4 гильзы-носителя 5 через гофрированный пружинный контакт 11, обеспечивающий как электрический, так и тепловой контакт с гильзой.The board 1 is mechanically fixed in the inner channel 4 of the carrier sleeve 5 through a corrugated spring contact 11, which provides both electrical and thermal contact with the sleeve.

Корпус-радиатор 7 для рассеивания тепловой энергии поглотителя внешне представляет собой реберную цельную конструкцию, что позволяет без вспомогательных деталей (например, фланцев) устанавливать в него коаксиальные соединители или каскадировать с использованием переходных втулок 8 поглотители на основе отдельных корпусов-радиаторов. С целью эффективной передачи тепловой энергии от гильзы 5 корпусу-радиатору 7 внутренняя поверхность отверстия 6 имеет черную поверхность (то есть, с максимальной поглощающей способностью) и механически притерта к гильзе. The body-radiator 7 for dissipating the thermal energy of the absorber is externally a single-piece rib structure, which makes it possible to install coaxial connectors into it without auxiliary parts (for example, flanges) or to cascade absorbers using adapter sleeves 8 based on separate radiator cases. In order to effectively transfer thermal energy from the sleeve 5 to the body-radiator 7, the inner surface of the hole 6 has a black surface (that is, with maximum absorption capacity) and is mechanically lapped to the sleeve.

Сборку конструкции каждого модуля осуществляют в следующей последовательности. На боковые стороны керамической платы 1 устанавливают гофрированные пружинные контакты 11 и совместно укладывают в канал одной из половин разрезной гильзы-носителя 5. Затем сверху устанавливают вторую половину разрезной гильзы-носителя 5 и выполняют сжатие полученной конструкции в специальной оснастке для вставки в отверстие 6 в корпусе-радиаторе 7. После вставки в отверстие 6 примерно наполовину гильзу-носитель 5 освобождают от вспомогательной оснастки, упругие гофрированные пружинные контакты 11 разжимают конструкцию, и дальнейшую вставку гильзы-носителя 5 с установленной платой 1 выполняют с усилием (притиркой). Завершающим этапом сборки является установка переходных коаксиальных втулок 8 и/или внешних коаксиальных соединителей 9. Переходные коаксиальные втулки 8 могут иметь резьбовую или вставную (прижимную) конструкцию. Коаксиальные внешние соединители 9 могут иметь различные установочные и присоединительные размеры в соответствии со стандартами на типы.The assembly of the structure of each module is carried out in the following sequence. Corrugated spring contacts 11 are installed on the sides of the ceramic board 1 and jointly placed in the channel of one of the halves of the split carrier sleeve 5. Then the second half of the split carrier sleeve 5 is installed on top and the resulting structure is compressed in special equipment for insertion into the hole 6 in the housing -radiator 7. After insertion into the hole 6 about halfway, the carrier sleeve 5 is released from auxiliary equipment, the elastic corrugated spring contacts 11 open the structure, and further insertion of the carrier sleeve 5 with the board 1 installed is performed with force (lapping). The final stage of assembly is the installation of transitional coaxial bushings 8 and/or external coaxial connectors 9. Transitional coaxial bushings 8 may have a threaded or plug-in (clamping) design. Coaxial external connectors 9 can have different installation and connection dimensions in accordance with the type standards.

Мощный резистивный сверхвысокочастотный поглотитель функционирует следующим образом. Значения коэффициентов передачи по мощности резистивных структур, так же, как и в прототипе, обеспечивают равномерное распределение по каскадам рассеиваемой мощности высокочастотного сигнала. Так же как в прототипе отвод тепла от резистивных поглощающих элементов 2 осуществляется через объем плат 1 в боковом направлении. Однако если в прототипе теплопередача от платы осуществляется непосредственно к радиатору (через демпфирующие термомеханические напряжения пружинные контакты), то в описываемой конструкции поглотителя теплопередача от платы 1 осуществляется промежуточному элементу - металлической теплопроводной гильзе-носителю 5. Теплопередача от гильзы 5 корпусу-радиатору 7 осуществляется как за счет теплопроводности в точках касания гильзы и радиатора, так и излучения, более эффективного за счет того, что поверхность внутри отверстия 6 корпуса-радиатора 7 является черной (например, анодирована). Гофрированный металлический пружинный контакт 11 имеет волнистый профиль и в замонтированном состоянии жестко зажат между половинками гильзы-носителя 5 и платой 1. Соприкасающиеся части гофрированного пружинного контакта позволяют осуществить электрический и тепловой контакты между платами и гильзой. При этом, несмотря на жесткое крепление, упругие свойства пружинного контакта позволяют демпфировать термомеханические напряжения, возникающие между платами и гильзой, исключает механическое повреждение плат и обеспечивает плотное прижатие гильзы к поверхности отверстия радиатора.Powerful resistive microwave absorber operates as follows. The values of the power transmission coefficients of the resistive structures, as well as in the prototype, provide a uniform distribution of the cascades of the dissipated power of the high-frequency signal. Just as in the prototype, heat is removed from the resistive absorbing elements 2 through the volume of the boards 1 in the lateral direction. However, if in the prototype the heat transfer from the board is carried out directly to the radiator (through spring contacts damping thermomechanical stresses), then in the described design of the absorber, heat transfer from the board 1 is carried out to an intermediate element - a metal heat-conducting sleeve-carrier 5. Heat transfer from sleeve 5 to the body-radiator 7 is carried out as due to thermal conductivity at the points of contact of the sleeve and the radiator, and radiation, more efficient due to the fact that the surface inside the hole 6 of the radiator housing 7 is black (for example, anodized). The corrugated metal spring contact 11 has a wavy profile and, in the mounted state, is rigidly clamped between the halves of the carrier sleeve 5 and the board 1. The contacting parts of the corrugated spring contact make it possible to make electrical and thermal contacts between the boards and the sleeve. At the same time, despite the rigid fastening, the elastic properties of the spring contact make it possible to damp the thermomechanical stresses that arise between the boards and the sleeve, eliminate mechanical damage to the boards and ensure that the sleeve is tightly pressed against the surface of the radiator hole.

Данное техническое решение, несмотря на незначительно увеличенное относительно прототипа тепловое сопротивление «плата - радиатор» из-за дополнительного теплового перехода, обладает таким достоинством, что не требуется использовать разрезные радиаторы, что особенно удобно и технологично в случае использования радиаторов цилиндрической формы.This technical solution, despite the slightly increased thermal resistance "board - radiator" compared to the prototype due to the additional thermal transition, has such an advantage that it is not required to use split radiators, which is especially convenient and technologically advanced in the case of using cylindrical radiators.

Модульная конструкция поглотителей позволяет собирать изделия с широким диапазоном входной мощности (5-30 Вт, 50-300 Вт в непрерывном режиме и 50-300 Вт, 500-3000 Вт - в импульсном), коэффициента ослабления от 3 до 60 дБ и более, рабочего диапазона частот до 18 ГГц и более, соединяя модули переходными коаксиальными втулками. На торцах крайних поглотителей устанавливают коаксиальные соединители с присоединительными размерами стандартного типа (например, типа N, типа III, SMA и др.).The modular design of absorbers allows you to assemble products with a wide range of input power (5-30 W, 50-300 W in continuous mode and 50-300 W, 500-3000 W in pulsed mode), attenuation coefficient from 3 to 60 dB or more, operating frequency range up to 18 GHz and more, connecting the modules with adapter coaxial bushings. At the ends of the extreme absorbers, coaxial connectors with connecting dimensions of a standard type (for example, type N, type III, SMA, etc.) are installed.

Claims

1. A powerful resistive microwave absorber containing a body-radiator and film resistive absorbing elements on a ceramic board fixed in the inner channel through spring contacts, characterized in that the inner channel is a metal heat-conducting sleeve-carrier installed with lapping into the hole of the solid body - radiator.

2. Powerful resistive microwave absorber according to claim 1, characterized in that the hole is made with a black surface.

3. Powerful resistive microwave absorber according to claim 1, characterized in that the heatsink body is made with coaxial connectors at the input and output, and the coaxial connectors are in contact with ceramic strip plates through spring contacts.

4. A powerful resistive microwave absorber according to claim 1, characterized in that the radiator case includes a transitional coaxial sleeve for cascading absorbers.

5. A powerful resistive microwave absorber according to claim 3, characterized in that the spring contacts for connecting the ceramic strip plates and the radiator case are made in the form of a U-shaped profile with wavy surfaces.