RU2185010C1

RU2185010C1 - Microstrip attenuator

Info

Publication number: RU2185010C1
Application number: RU2000131839/09A
Authority: RU
Inventors: Д.И. Кузнецов; Р.М. Овечкин; Н.Н. Тихонов
Original assignee: Казанский государственный технический университет им. А.Н.Туполева
Priority date: 2000-12-18
Filing date: 2000-12-18
Publication date: 2002-07-10

Abstract

FIELD: microwave engineering; radar, radio communications, measurement technology. SUBSTANCE: attenuator primarily used for reducing heavy power of microwave signal has insulating substrate with conducting screen deposited on one of its sides and resistive material, on its other side, the latter carrying conductors; resistive material layer is stepwise reducing in width from center to ends of microstrip attenuator; conductors are disposed at points where resistive layer width changes; they are rounded off on ends and provided with lugs on inner edges. Resistive layer width may be such that it changes every quarter-wavelength; rounded-off ends may be shaped as part of circumference; lugs of adjacent conductors may be contiguous. Provision is made to eliminate probable local overheating at joints between resistive material and conductors as well as to prevent breakdown at resistive material to conductor joints. EFFECT: enhanced reliability and dissipation power limits. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике, а более конкретно - к технике сверхвысоких частот (СВЧ), и может быть использовано в радиолокации, радиосвязи и измерительной технике, преимущественно для ослабления больших мощностей СВЧ сигнала. The invention relates to radio engineering, and more specifically to ultra-high frequency (microwave) technology, and can be used in radar, radio communications and measurement technology, mainly to attenuate high power microwave signal.

Известен микрополосковый аттенюатор, содержащий диэлектрическую подложку, на одной стороне которой нанесен проводящий экран, а на другой стороне - три сосредоточенных пленочных резистора, включенные по П-образной или Т-образной схеме (см. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств/ Под ред. В. И.Вольмана. - М.: Радио и связь, 1982, с.192, рис. 4.42а, б). Недостатками указанного устройства являются: во-первых, малая допустимая СВЧ мощность (так как в указанном устройстве резистивные элементы являются сосредоточенными элементами); во-вторых, необходимость осуществления заземления (для одного из концов каждого параллельного резистора); в-третьих, указанное устройство сложно в изготовлении в частном случае получения малых (менее 3 дБ) величин ослаблений (так как в этом случае величины последовательного и параллельного сопротивлений существенно отличаются (больше, чем на порядок), что приводит к необходимости формировать два вида поверхностного сопротивления (для низкоомных и для высокоомных резисторов)). Known microstrip attenuator containing a dielectric substrate, on one side of which a conductive screen is applied, and on the other side are three concentrated film resistors included in a U-shaped or T-shaped circuit (see the Guide to the calculation and design of microwave strip devices / Ed. V. I. Volman. - M.: Radio and Communications, 1982, p. 192, Fig. 4.42a, b). The disadvantages of this device are: firstly, low permissible microwave power (since in this device resistive elements are lumped elements); secondly, the need for grounding (for one of the ends of each parallel resistor); thirdly, this device is difficult to manufacture in the particular case of obtaining small (less than 3 dB) attenuation values (since in this case the values of series and parallel resistances differ significantly (more than an order of magnitude), which leads to the need to form two types of surface resistance (for low-resistance and high-resistance resistors)).

Известен микрополосковый аттенюатор, содержащий диэлектрическую подложку, на одной стороне которой нанесен проводящий экран, а на другой стороне - пленочный резистивный слой, к двум кромкам которого подключены входная и заземляющая контактные площадки, а выходная контактная площадка размещена на резистивном слое (см. авт. св. 1434514 СССР, Н 01 Р 1/22, БИ 40, 1988). A microstrip attenuator is known that contains a dielectric substrate, on one side of which a conductive shield is applied, and on the other side is a film resistive layer, the input and ground contact pads are connected to its two edges, and the output contact pad is placed on the resistive layer (see Auth. 1434514 USSR, H 01 P 1/22, BI 40, 1988).

Недостатками указанного устройства являются: во-первых, трудность присоединения выходной линии к выходной контактной площадке (так как она со всех сторон на плоскости окружена элементами устройства); во-вторых, необходимость осуществления заземления (для заземляющей контактной площадки). The disadvantages of this device are: firstly, the difficulty of connecting the output line to the output contact pad (since it is surrounded on all sides on the plane by the elements of the device); secondly, the need for grounding (for the grounding pad).

Известен взятый в качестве прототипа микрополосковый аттенюатор, содержащий диэлектрическую подложку, на одной стороне которой нанесен проводящий экран, а на другой стороне постоянный по ширине слой резистивного материала, на который нанесены проводники, разделенные выполненными под углом к продольной оси аттенюатора щелями (заполненными резистивным материалом), причем в средней части аттенюатора щели выполнены сквозными. Величина угла плавно изменяется от прямого в средней части устройства к острому на концах устройства, длины проводников и ширины щелей меньше четверти длины волны (см. авт. св. 1548817 СССР, Н 01 Р 1/22, БИ 9, 1990). A microstrip attenuator taken as a prototype is known, which contains a dielectric substrate, on which side a conductive screen is applied, and on the other side is a constant-width layer of resistive material, on which conductors are applied, separated by slots (filled with resistive material) made at an angle to the longitudinal axis of the attenuator moreover, in the middle part of the attenuator, the slots are made through. The angle varies smoothly from a straight line in the middle of the device to a sharp one at the ends of the device, the length of the conductors and the width of the slots is less than a quarter of the wavelength (see ed. St. 1548817 USSR, Н 01 Р 1/22, БИ 9, 1990).

Недостатками указанного устройства являются: во-первых, малая допустимая рассеиваемая мощность (так как в указанном устройстве резистивные элементы (щели, заполненные поглощающим слоем) являются сосредоточенными элементами (с малой площадью)); во-вторых, возможность локального перегрева в местах соединения резистивного материала и проводников (в углах щелей (особенно в острых углах) из-за неоднородности распределения электромагнитного поля); в-третьих, возможность электрического пробоя в местах соединения резистивного материала и проводников (в углах щелей (особенно в острых углах) из-за неоднородности распределения электромагнитного поля). The disadvantages of this device are: firstly, low permissible power dissipation (since in this device resistive elements (slots filled with an absorbing layer) are concentrated elements (with a small area)); secondly, the possibility of local overheating at the junction of the resistive material and conductors (in the corners of the cracks (especially in sharp corners) due to the heterogeneity of the distribution of the electromagnetic field); thirdly, the possibility of electrical breakdown at the junction of resistive material and conductors (in the corners of the cracks (especially in acute angles) due to the heterogeneity of the distribution of the electromagnetic field).

Решаемой технической задачей изобретения является, во-первых, увеличение допустимой рассеиваемой мощности; во-вторых, устранение возможного локального перегрева в местах соединения резистивного материала и проводников; в-третьих, устранение возможности электрического пробоя в местах соединения резистивного материала и проводников. Solved by the technical problem of the invention is, firstly, an increase in the allowable power dissipation; secondly, the elimination of possible local overheating at the junction of resistive material and conductors; thirdly, eliminating the possibility of electrical breakdown at the junction of resistive material and conductors.

Решаемая техническая задача достигается за счет того, что в известном микрополосковом аттенюаторе, содержащем диэлектрическую подложку, на одной стороне которой нанесен проводящий экран, а на другой стороне слой резистивного материала, на который нанесены проводники, слой резистивного материала выполнен ступенчато уменьшающимся по ширине по направлению от середины к концам микрополоскового аттенюатора, проводники расположены в местах изменений ширины слоя резистивного материала и имеют на наружных краях скругления, а на внутренних краях выступы. Ширина слоя резистивного материала может быть выполнена изменяющейся через четверть длины волны, скругления могут иметь форму частей окружности, выступы соседних проводников могут быть выполнены соприкасающимися. The technical problem being solved is achieved due to the fact that in the known microstrip attenuator containing a dielectric substrate, on one side of which a conductive screen is applied, and on the other side of the resistive material layer on which the conductors are applied, the resistive material layer is made stepwise decreasing in width from the midpoints to the ends of the microstrip attenuator, the conductors are located in places of changes in the width of the layer of resistive material and have rounding off on the outer edges, and on the inner heavens projections. The width of the layer of resistive material can be made varying after a quarter of the wavelength, rounding can take the form of parts of a circle, the protrusions of adjacent conductors can be made in contact.

На приведенных фиг.1 и 2 изображены варианты конструкции предложенного устройства. The figures 1 and 2 show the design options of the proposed device.

Микрополосковый аттенюатор (см. фиг. 1 и 2) содержит диэлектрическую подложку 1 (например, поликоровую подложку толщиной 1 мм с относительной диэлектрической проницаемостью, равной 9,6), на одной стороне которой нанесен проводящий экран (не показан), а на другой стороне слой резистивного материала 2 (например, из резистивного материала с удельным поверхностным сопротивлением 80 Ом/□), на который нанесены проводники 3 (например, из проводящего материала на основе медного сплава), слой резистивного материала 2 выполнен ступенчато уменьшающимся по ширине по направлению от середины к концам микрополоскового аттенюатора, проводники 3 расположены в местах изменений ширины слоя резистивного материала 2 и имеют на наружных краях скругления 4, а на внутренних краях выступы 5. Концы предложенного устройства присоединены к плечам, например, в виде микрополосковых линий 6 и 7 (например, 50-омные микрополосковые линии, ширина каждой из которых равна 1 мм). Изменения ширины слоя резистивного материала 2 могут происходить через четверть длины волны (например, ширины двух крайних боковых участков аттенюатора w'= 1,3 мм, ширины двух промежуточных участков w''=1,6 мм и ширина центрального участка w'''= 2 мм таковы, что образуют пять последовательно включенных согласованных четвертьволновых трансформаторов сопротивлений, причем длина каждого из участков равна, например, 5,5 мм (для центральной частоты 5 ГГц)), скругления 4 могут иметь форму частей окружности, в варианте конструкции устройства (см. фиг.1) выступы 5 могут иметь треугольную форму. В варианте конструкции устройства (см. фиг.2) выступы 5 могут иметь трапециидальную форму, причем выступы соседних проводников соприкасаются (например, вершинами трапеций). The microstrip attenuator (see FIGS. 1 and 2) contains a dielectric substrate 1 (for example, a 1 mm thick multicore substrate with a relative dielectric constant of 9.6), on one side of which there is a conductive screen (not shown), and on the other side a layer of resistive material 2 (for example, of a resistive material with a specific surface resistance of 80 Ohm / □), on which conductors 3 are deposited (for example, of a conductive material based on a copper alloy), the layer of resistive material 2 is made stepwise decreasing in irin in the direction from the middle to the ends of the microstrip attenuator, the conductors 3 are located at the places of changing the width of the layer of resistive material 2 and have on the outer edges of the fillet 4, and on the inner edges of the protrusions 5. The ends of the proposed device are connected to the shoulders, for example, in the form of microstrip lines 6 and 7 (for example, 50-ohm microstrip lines, each 1 mm wide). Changes in the width of the layer of resistive material 2 can occur after a quarter of the wavelength (for example, the width of the two extreme lateral sections of the attenuator w '= 1.3 mm, the width of the two intermediate sections w' '= 1.6 mm and the width of the central section w' '' = 2 mm are such that they form five series-matched matched quarter-wave resistance transformers, and the length of each of the sections is, for example, 5.5 mm (for the center frequency of 5 GHz)), fillets 4 can take the form of parts of a circle, in the design of the device (see Fig. 1) Pack 5 may have a triangular shape. In the embodiment of the device (see FIG. 2), the protrusions 5 can have a trapezoidal shape, and the protrusions of adjacent conductors are in contact (for example, the tops of the trapezoid).

При работе предложенного устройства поступившая в плечо 6 (см. фиг.1 и 2) мощность СВЧ сигнала (например, с рабочей частотой 5 ГГц) на слое резистивного материала 2 преобразуется в тепловую; оставшаяся СВЧ мощность поступает в плечо 7. Аналогично работает предложенное устройство и при поступлении мощности СВЧ сигнала в плечо 7. During the operation of the proposed device, the microwave power received in the arm 6 (see FIGS. 1 and 2) (for example, with an operating frequency of 5 GHz) on the layer of resistive material 2 is converted into heat; the remaining microwave power is supplied to the arm 7. The proposed device also works in the same way when the microwave power is supplied to the arm 7.

По сравнению с прототипом в предложенном устройстве увеличена допустимая рассеиваемая мощность за счет того, что, во-первых, мощность СВЧ сигнала преобразуется в тепловую на распределенных резистивных элементах (слой резистивного материала 2 в предложенном устройстве), а не на сосредоточенных резистивных элементах (щели, заполненные резистивным материалом, в прототипе); во-вторых, ширина слоя резистивного материала 2 увеличена по сравнению с шириной входной микрополосковой линии 6, что увеличивает площадь резистивного слоя, на котором происходит рассеивание мощности; в-третьих, выступы 5 регулируют распределение рассеиваемой мощности по длине устройства, делая, например, рассеивание мощности более равномерным по длине устройства (регулировку осуществляют, например, за счет изменения расстояния между выступами (фиг.1), ширины области соприкосновения выступов (фиг.2): чем меньше расстояние между выступами (фиг.1) или чем больше ширина области соприкосновения (фиг.2), тем меньше выделяемая на этом участке мощность). Compared with the prototype in the proposed device, the permissible dissipated power is increased due to the fact that, firstly, the microwave signal power is converted into thermal power on distributed resistive elements (resistive material layer 2 in the proposed device), and not on concentrated resistive elements (slots, filled with resistive material, in the prototype); secondly, the width of the layer of resistive material 2 is increased in comparison with the width of the input microstrip line 6, which increases the area of the resistive layer on which power dissipation occurs; thirdly, the protrusions 5 control the distribution of power dissipation along the length of the device, making, for example, power dissipation more uniform along the length of the device (adjustment is carried out, for example, by changing the distance between the protrusions (Fig. 1), the width of the contact area of the protrusions (Fig. 2): the smaller the distance between the protrusions (Fig. 1) or the greater the width of the contact area (Fig. 2), the less power released in this section).

По сравнению с прототипом в предложенном устройстве устранена возможность локального перегрева в местах соединения резистивного материала и проводников, так как, во-первых, в местах геометрических неоднородностей (в местах изменений ширины резистивного слоя) на слой резистивного материала 2 нанесены проводники 3 (препятствующие тепловыделению за счет высокой проводимости и улучшающие рассеивание тепла за счет высокой теплопроводности), во-вторых, скругления 4 плавно изменяют общую ширину устройства, не допуская неоднородностей электрического поля (в частности, вызывающих локальный перегрев локальных максимумов электрического поля), в-третьих, выступы 5 плавно меняют ширину проводников, не допуская неоднородностей электрического поля (в частности, вызывающих локальный перегрев локальных максимумов электрического поля). Compared with the prototype, the proposed device eliminated the possibility of local overheating at the junction of the resistive material and the conductors, since, firstly, in the places of geometric inhomogeneities (in the places of the change in the width of the resistive layer), conductors 3 are deposited on the layer of resistive material 2 (preventing heat generation during due to high conductivity and improving heat dissipation due to high thermal conductivity), secondly, fillets 4 smoothly change the total width of the device, avoiding inhomogeneities of the electric Cesky field (in particular, causing local overheating of the local maxima of the electric field), and thirdly, the projections 5 smoothly change the width of conductors, preventing inhomogeneities of the electric field (in particular, causing local overheating of the local maxima of the electric field).

По сравнению с прототипом в предложенном устройстве устранена возможность электрического пробоя в местах соединения резистивного материала и проводников, так как, во-первых, скругления 4 плавно изменяют общую ширину устройства, не допуская неоднородностей электрического поля (в частности, вызывающих локальный перегрев локальных максимумов электрического поля), во-вторых, выступы 5 плавно меняют ширину проводников, не допуская неоднородностей электрического поля (в частности, вызывающих локальный перегрев локальных максимумов электрического поля). Compared with the prototype, the proposed device eliminated the possibility of electrical breakdown at the junction of resistive material and conductors, since, firstly, fillets 4 smoothly change the total width of the device, avoiding inhomogeneities of the electric field (in particular, causing local overheating of local maxima of the electric field ), secondly, the protrusions 5 smoothly change the width of the conductors, avoiding inhomogeneities of the electric field (in particular, causing local overheating of the local maxima of the electric eskogo field).

Так как конструкция предложенного устройства (см. фиг.1) выполнена со ступенчато уменьшающимся по ширине по направлению от середины к концам микрополоскового аттенюатора слоем резистивного материала 2, а изменения ширины слоя резистивного материала происходят через четверть длины волны, то в результате обеспечено согласование (коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) менее 1,5) в широком диапазоне частот (от 1 до 9 ГГц (с наилучшим согласованием для центральной частоты 5 ГГц)). Since the design of the proposed device (see Fig. 1) is made with a stepwise decreasing width in the direction from the middle to the ends of the microstrip attenuator, a layer of resistive material 2, and changes in the width of the layer of resistive material occur after a quarter of the wavelength, as a result, coordination is achieved (coefficient standing wave voltage (VSWR) less than 1.5) in a wide frequency range (from 1 to 9 GHz (with the best match for the center frequency of 5 GHz)).

К достоинствам предложенного устройства относится то, что при его изготовлении не нужно делать заземлений. The advantages of the proposed device include the fact that in its manufacture does not need to do grounding.

Также к достоинствам предложенного устройства следует отнести то, что выступы позволяют легко менять распределение рассеиваемой мощности по длине устройства (например, за счет удаления концов несоприкасающихся выступов или перерезая перемычку между соприкасающимися выступами: чем больше расстояние между выступами (фиг.1) или чем меньше ширина области соприкосновения (фиг. 2), тем больше выделяемая на этом участке мощность). При этом можно осуществить максимальное рассеивание на том участке, который расположен вблизи теплорассеивающего радиатора (например, боковая стенка металлического корпуса). Also, the advantages of the proposed device include the fact that the protrusions make it easy to change the distribution of power dissipation along the length of the device (for example, by removing the ends of non-touching protrusions or by cutting the jumper between the touching protrusions: the greater the distance between the protrusions (figure 1) or the smaller the width areas of contact (Fig. 2), the greater the power released in this area). In this case, maximum dispersion can be achieved in the area that is located near the heat-dissipating radiator (for example, the side wall of a metal case).

Кроме того, к достоинствам предложенного устройства следует отнести то, что выступы позволяют легко менять распределение рассеиваемой мощности по ширине (поперечной оси участков) устройства (например, за счет удаления концов несоприкасающихся выступов или перерезая перемычку между соприкасающимися выступами: чем больше расстояние между выступами (фиг.1) или чем меньше ширина области соприкосновения (фиг.2), тем больше выделяемая на этой части участка устройства мощность). При этом можно осуществить максимальное рассеивание на той части участка устройства, который расположен вблизи теплорассеивающего радиатора. In addition, the advantages of the proposed device include the fact that the protrusions make it easy to change the distribution of power dissipation over the width (transverse axis of the sections) of the device (for example, by removing the ends of non-touching protrusions or by cutting the jumper between the touching protrusions: the greater the distance between the protrusions (Fig. .1) or the smaller the width of the contact area (Fig. 2), the greater the power released on this part of the device’s section). In this case, maximum dispersion can be achieved on that part of the device section that is located near the heat-dissipating radiator.

Кроме того, к достоинствам предложенного устройства следует отнести то, что предложенное устройство изготовлено в едином технологическом цикле с изготовлением СВЧ интегральной схемы, так как все поглощающие резистивные участки предложенного устройства имеют одинаковое удельное поверхностное сопротивление. In addition, the advantages of the proposed device include the fact that the proposed device is manufactured in a single technological cycle with the manufacture of microwave integrated circuits, since all absorbing resistive sections of the proposed device have the same specific surface resistance.

Claims

1. A microstrip attenuator containing a dielectric substrate, on which one side a conductive screen is applied, and on the other side is a layer of resistive material on which conductors are applied, characterized in that the resistive material layer is made stepwise decreasing in width from the middle to the ends of the microstrip attenuator, the conductors are located in places of changes in the width of the resistive material layer and have fillets on the outer edges and protrusions on the inner edges.

2. The microstrip attenuator according to claim 1, characterized in that the layer width of the resistive material is made to change after a quarter of the wavelength, the fillets have the shape of parts of a circle.

3. The microstrip attenuator according to claim 1 or 2, characterized in that the protrusions of adjacent conductors are made in contact.