RU2786505C1

RU2786505C1 - Microwave attenuator

Info

Publication number: RU2786505C1
Application number: RU2022105362A
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Митьков; Владимир Павлович Разинкин; Владимир Александрович Хрусталев; Михаил Григорьевич Рубанович
Filing date: 2022-03-01
Publication date: 2022-12-21

Abstract

FIELD: microwave technology.

SUBSTANCE: invention relates to microwave technology. The microwave attenuator contains a dielectric substrate, on the lower surface of which a metallized coating is applied, connected to a common body, and a resistive film having a rectangular shape and a constant value of surface resistance is deposited on the upper surface. In this case, the lower side of the resistive film is connected along the entire length to the common body through a metallized coating deposited on the lower side of the upper surface of the dielectric substrate and connected to the metallized coating deposited on the lower end of the dielectric plate and connected to the metallized coating of the lower surface of the dielectric substrate. Input and output microstrips, respectively, are connected to the sides of the resistive film on the opposite side from the junction with the metallized coating. In the lower part of the resistive film, an internal rectangular cutout is made, the width of which is twice the width of the input microstrip.

EFFECT: reducing the unevenness of the amplitude-frequency characteristic (AFC) in a wide band of operating frequencies.

1 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к СВЧ технике и может быть использовано в телекоммуникациях, радиопередающих устройствах и измерительном оборудовании для уменьшения уровня мощности в линиях передачи и высокочастотных трактахThe invention relates to microwave technology and can be used in telecommunications, radio transmitters and measuring equipment to reduce the power level in transmission lines and high-frequency paths

Известен СВЧ аттенюатор, содержащий три пленочных микрополосковых резистора, включённых в виде П-образной согласованной структуры (см. книгу под ред. В.И. Вольмана Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств – М.: Радио и связь, 1982, 328 с., рис. 4.42, стр. 193). В П-образной согласованной структуре номинальные значения пленочных микрополосковых резисторов выбраны в соответствии со следующими соотношениями:Famous microwave an attenuator containing three film microstrip resistors connected in the form of a U-shaped matched structure (see the book edited by V.I. Volman Handbook for the calculation and design of microwave strip devices - M .: Radio and communication, 1982, 328 p., Fig. 4.42, page 193). In the U-shaped matched structure, the nominal values of film microstrip resistors are selected in accordance with the following relationships:

, (1)

, (one)

, (2)

где

,

- значение сопротивления крайних пленочных микрополосковых резисторов П-образной согласованной структуры, которые включены между общим корпусом и соответственно входом и выходом аттенюатора;where

,

- the resistance value of the extreme film microstrip resistors of the U-shaped matched structure, which are connected between the common case and, respectively, the input and output of the attenuator;

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

- the value of the resistance of the average film microstrip resistor U-shaped matched structure;

R - сопротивление нагрузки для СВЧ аттенюатора; R is the load resistance for the microwave attenuator;

- коэффициент передачи СВЧ аттенюатора по напряжению;

- voltage transfer coefficient of the microwave attenuator;

Описываемый СВЧ аттенюатор обеспечивает заданное значение коэффициента передачи, определяемое следующим выражениемThe described microwave attenuator provides a given value of the transmission coefficient, defined by the following expression

. (3)

Недостатком данного СВЧ аттенюатора является ограниченная полоса рабочих частот 0-500 МГц, которая определяется паразитными емкостями пленочных микрополосковых резисторов. Чем больше площадь пленочных микрополосковых резисторов, тем больше паразитная емкость, и соответственно меньше полоса рабочих частот. The disadvantage of this microwave attenuator is the limited operating frequency band of 0-500 MHz, which is determined by the parasitic capacitances of film microstrip resistors. The larger the area of film microstrip resistors, the greater the parasitic capacitance, and, accordingly, the lower the operating frequency band.

Известен полосковый СВЧ аттенюатор (см. авторское свидетельство СССР № 361491, МПК H01P 1/22, опубликовано 01.01.1973, БИ № 1), выполненный в виде отрезка симметричной полосковой линии, в разрыве внутреннего проводника которой перпендикулярно заземляющим пластинам установлен пластинчатый пленочный резистор прямоугольной формы. Полосковый СВЧ аттенюатор с пластинчатым пленочным резистором имеет полосу рабочих частот от 1 до 5 ГГц при значении коэффициента стоячей волны (КСВ) по входу не более 1,5. Основным недостатком этого полоскового СВЧ аттенюатора является малый уровень рассеиваемой СВЧ мощности, поскольку пластинчатый пленочный резистор только торцевыми поверхностями контактирует с заземляющими пластинами. Кроме того, качество согласования вне полосы рабочих частот существенно ухудшается, особенно на частотах менее 1,0 ГГц. A strip microwave attenuator is known (see USSR author's certificate No. 361491, IPC H01P 1/22, published 01/01/1973, BI No. 1), made in the form of a segment of a symmetrical strip line, in the gap of the inner conductor of which a rectangular plate film resistor is installed perpendicular to the grounding plates. forms. A strip microwave attenuator with a plate film resistor has an operating frequency band of 1 to 5 GHz with a standing wave ratio (SWR) at the input of no more than 1.5. The main disadvantage of this strip microwave attenuator is the low level of dissipated microwave power, since the plate film resistor contacts the ground plates only with end surfaces. In addition, out-of-band matching is significantly degraded, especially at frequencies below 1.0 GHz.

Известен также СВЧ аттенюатор (см. статью Митьков А.С., Разинкин В.П., Хрусталев В.А. Пленочные сверхширокополосные СВЧ аттенюаторы // Высшая школа: научные исследования: сб. науч. ст. межвуз. междунар. конгр., Москва, 8июля 2021 г. – Москва: Издательство Инфинити, 2021. – С. 137-143), являющийся прототипом предлагаемого изобретения и содержащий диэлектрическую подложку, на нижней поверхности которой нанесено металлизированное покрытие, соединенное с общим корпусом, а на верхней поверхности нанесена резистивная пленка, имеющая прямоугольную форму и постоянную величину поверхностного сопротивления, при этом нижняя сторона резистивной пленки по всей длине соединена с общим корпусом через металлизированное покрытие, нанесенное на нижнюю сторону верхней поверхности диэлектрической подложки и соединенное с металлизированным покрытием, нанесенным на нижний торец диэлектрической подложки и соединенным с металлизированным покрытием нижней поверхности диэлектрической подложки, а к боковым сторонам резистивной пленки с противоположной стороны от места соединения с металлизированным покрытием подключены соответственно входной и выходной микрополосок, волновое сопротивление каждого из которых равно входному сопротивлению СВЧ аттенюатора Famous same microwave attenuator July 8, 2021 - Moscow: Infiniti Publishing House, 2021. - P. 137-143), which is a prototype of the proposed invention and contains a dielectric substrate, on the lower surface of which a metallized coating is applied, connected to a common body, and a resistive film is applied on the upper surface, having a rectangular shape and a constant value of surface resistance, while the lower side of the resistive film along the entire length is connected to the common body through a metallized coating deposited on the lower side of the upper surface of the dielectric substrate and connected to the metallized coating deposited on the lower end of the dielectric substrate and connected to the metallized coating of the lower surface of the dielectric substrate, and to the sides of the resistive On the opposite side of the junction with a metallized coating, the input and output microstrips are connected, respectively, the wave impedance of each of which is equal to the input impedance of the microwave attenuator

Прототип обеспечивает значение КСВ в полосе частот 0-5 ГГц не более 1,3 и способен работать на высоком уровне мощности при использовании внешнего радиатора с воздушным охлаждением. Прототип отличается конструктивной простотой за счет того, что используется резистивная пленка прямоугольной формы, при этом ее размеры и значение поверхностного сопротивления определяются величиной коэффициента передачи СВЧ аттенюатора. The prototype provides an SWR value in the 0-5 GHz frequency band of no more than 1.3 and is capable of operating at a high power level when using an external air-cooled radiator. The prototype is structurally simple due to the fact that a rectangular resistive film is used, while its dimensions and surface resistance value are determined by the value of the microwave attenuator transmission coefficient.

Основной недостаток прототипа заключается в большой неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), которая в полосе рабочих частот достигает 5-6 дБ. Такая величина неравномерности АЧХ обусловлена неуравновешенным взаимодействием емкостных, индуктивных и диссипативных параметров резистивной пленки прямоугольной формы, представляющей собой сложную распределенную СВЧ систему. The main disadvantage of the prototype lies in the large unevenness of the amplitude-frequency response (AFC), which in the operating frequency band reaches 5-6 dB. Such a value of the frequency response unevenness is due to the unbalanced interaction of the capacitive, inductive and dissipative parameters of a rectangular resistive film, which is a complex distributed microwave system.

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является уменьшение неравномерности АЧХ в широкой полосе рабочих частот.The objective (technical result) of the invention is to reduce the uneven frequency response in a wide band of operating frequencies.

Поставленная задача достигается тем, что СВЧ аттенюатор, содержащий диэлектрическую подложку, на нижнюю поверхность которой нанесено металлизированное покрытие, соединенное с общим корпусом, а на верхнюю поверхность нанесена резистивная пленка, The task is achieved by the fact that the microwave attenuator containing a dielectric substrate, on the lower surface of which a metallized coating is applied, connected to a common housing, and a resistive film is applied on the upper surface,

имеющая прямоугольную форму и постоянную величину поверхностного сопротивления, при этом нижняя сторона резистивной пленки соединена с общим корпусом через металлизированное покрытие, нанесенное на нижнюю сторону верхней поверхности диэлектрической подложки и соединенное с металлизированным покрытием, нанесенным на нижний торец диэлектрической пластины и соединенным с металлизированным покрытием нижней поверхности диэлектрической подложки, а к боковым сторонам резистивной пленки с противоположной стороны от места соединения с металлизированным покрытием подключены соответственно входной и выходной микрополосок с одинаковым волновым сопротивлением, равным входному сопротивлению СВЧ аттенюатора, при этом в нижней части резистивной пленки сделан внутренний вырез прямоугольной формы, ширина которого в два раза больше ширины входного микрополоска, а длина выбрана из условия обеспечения минимальной неравномерности амплитудно-частотной характеристики. having a rectangular shape and a constant value of surface resistance, while the lower side of the resistive film is connected to the common body through a metallized coating deposited on the lower side of the upper surface of the dielectric substrate and connected to a metallized coating deposited on the lower end of the dielectric plate and connected to the metallized coating of the lower surface of the dielectric substrate, and to the sides of the resistive film on the opposite side from the junction with the metallized coating, respectively, the input and output microstrips with the same wave impedance equal to the input impedance of the microwave attenuator are connected, while in the lower part of the resistive film an internal rectangular cut is made, the width of which twice the width of the input microstrip, and the length is chosen from the condition of ensuring the minimum unevenness of the amplitude-frequency characteristic.

На фиг. 1 представлена конструкция предлагаемого СВЧ аттенюатора. На фиг. 2 приведена топология предлагаемого СВЧ аттенюатора для проведения численного электродинамического моделирования. На фиг. 3 приведена приближенная эквивалентная схема прототипа. На фиг. 4 приведена приближенная эквивалентная схема предлагаемого СВЧ аттенюатора. На фиг. 5 представлены АЧХ предлагаемого аттенюатора и АЧХ прототипа, рассчитанные в соответствии с приближенными эквивалентными схемами фиг. 3 и фиг. 4. На фиг. 6 приведены результаты численного электродинамического моделирования АЧХ предлагаемого СВЧ аттенюатора и прототипа с коэффициентом передачи -15 дБ.In FIG. 1 shows the design of the proposed microwave attenuator. In FIG. Figure 2 shows the topology of the proposed microwave attenuator for numerical electrodynamic simulation. In FIG. 3 shows an approximate equivalent circuit of the prototype. In FIG. 4 shows an approximate equivalent circuit of the proposed microwave attenuator. In FIG. 5 shows the frequency response of the proposed attenuator and the frequency response of the prototype, calculated in accordance with the approximate equivalent circuits of FIG. 3 and FIG. 4. In FIG. Figure 6 shows the results of numerical electrodynamic modeling of the frequency response of the proposed microwave attenuator and prototype with a transmission coefficient of -15 dB.

СВЧ аттенюатор содержит диэлектрическую подложку 1, на нижнюю поверхность которой нанесено металлизированное покрытие 2, соединенное с общим корпусом. На верхнюю поверхность диэлектрической пластины 1 нанесена резистивная пленка 3, имеющая прямоугольную форму. Нижняя часть резистивной пленки 3 соединена с металлизированным покрытием 4,The microwave attenuator contains a dielectric substrate 1, on the lower surface of which a metallized coating 2 is applied, connected to a common housing. A resistive film 3 having a rectangular shape is deposited on the upper surface of the dielectric plate 1. The lower part of the resistive film 3 is connected to the metallized coating 4,

нанесенным на нижнюю сторону верхней поверхности диэлектрической подложки 1. Металлизированное покрытие 4 соединено с металлизированным покрытием 5, нанесенным на нижний торец диэлектрической подложки 1. Металлизированное покрытие 5 соединено с металлизированным покрытием 2, нанесенным на нижнюю поверхность диэлектрической подложки 1. К боковым сторонам резистивной пленки 3 с противоположной стороны от места соединения с металлизированным покрытием 4 подключены соответственно входной микрополосок 6 и выходной микрополосок 7. В нижней части резистивной пленки 3 выполнен внутренний вырез прямоугольной формы 8.deposited on the lower side of the upper surface of the dielectric substrate 1. The metallized coating 4 is connected to the metallized coating 5 deposited on the lower end of the dielectric substrate 1. The metallized coating 5 is connected to the metallized coating 2 deposited on the lower surface of the dielectric substrate 1. To the sides of the resistive film 3 on the opposite side of the junction with a metallized coating 4, an input microstrip 6 and an output microstrip 7 are connected, respectively. In the lower part of the resistive film 3, an internal rectangular cutout 8 is made.

Предлагаемый СВЧ аттенюатор работает следующим образом. Входной СВЧ сигнал через входной микрополосок 6 подводится к резистивной пленке 3, которая является двумерной диссипативной распределенной системой. Вследствие необратимого преобразования в резистивной пленке части энергии входного СВЧ сигнала в тепловую энергию, уровень сигнала в выходном микрополоске 7 оказывается ослабленным. При этом за счет соответствующего выбора размеров резистивной пленки и ее поверхностного сопротивления обеспечивается высокое качество согласования и заданная величина вносимого ослабления. Для анализа и сравнения частотных свойств прототипа и предлагаемого СВЧ аттенюатора воспользуемся приближенными эквивалентными схемами, показанными соответственно на фиг. 3 и фиг. 4. Эквивалентная схема прототипа (фиг. 3) содержит два последовательно (каскадно) включенных П-образных структуры, значения резисторов в которых определяются по формулам (1) и (2). Для определенности зададимся величиной общего коэффициента передачи

равным -15 дБ. Поскольку резистивная пленка 3 выполнена с постоянной величиной поверхностного сопротивления, каждый каскад, показанный на эквивалентной схеме фиг. 3, имеет коэффициент передачи, равный -7,5 дБ. Емкости и индуктивности, показанные на эквивалентной схеме фиг. 3, учитывают паразитные реактивные параметры резистивной пленки 3.The proposed microwave attenuator works as follows. The input microwave signal is fed through the input microstrip 6 to the resistive film 3, which is a two-dimensional dissipative distributed system. Due to the irreversible conversion of part of the energy of the input microwave signal into thermal energy in the resistive film, the signal level in the output microstrip 7 is weakened. In this case, due to the appropriate choice of the dimensions of the resistive film and its surface resistance, a high quality of matching and a given value of the introduced attenuation are ensured. To analyze and compare the frequency properties of the prototype and the proposed microwave attenuator, we will use the approximate equivalent circuits shown in Fig. 3 and FIG. 4. The equivalent circuit of the prototype (Fig. 3) contains two series (cascade) U-shaped structures, the values of the resistors in which are determined by formulas (1) and (2). For definiteness, let us set the value of the total transfer coefficient

equal to -15 dB. Since the resistive film 3 is made with a constant surface resistance, each stage shown in the equivalent circuit of FIG. 3 has a gain of -7.5 dB. The capacitances and inductances shown in the equivalent circuit of FIG. 3 take into account the parasitic reactive parameters of the resistive film 3.

Эквивалентная схема предлагаемого СВЧ аттенюатора с коэффициентом передачи -15 дБ, показанная на фиг. 4, за счет введения внутреннего выреза прямоугольной формы 8 в резистивной пленке 3 представляет собой однокаскадную П-образную согласованную структуру. Коэффициент передачи по напряжению

эквивалентной схемы фиг. 4 в области низких частот определяется соотношением (3). Отметим, что на эквивалентной схеме фиг. 4 отсутствует центральная индуктивность из-за наличия введенного внутреннего выреза прямоугольной формы 8 в резистивной пленке 3. При этом центральная емкость и две крайние емкости на эквивалентной схеме фиг. 4 присутствуют. За счет подбора длины внутреннего выреза прямоугольной формы 8 осуществляется уравновешенное и сбалансированное взаимодействие двух индуктивностей и трех емкостей, показанных на эквивалентной схеме фиг. 4. В результате чего существенно улучшается форма АЧХ. На фиг. 5 приведены результаты расчета АЧХ для предлагаемого СВЧ аттенюатора (кривая 1) и прототипа (кривая 2), которые проведены в схемотехническом редакторе компьютерной САПР по приближенным эквивалентным схемам фиг. 3 и фиг. 4. Как видно из рассмотрения графиков, показанных на фиг. 5, неравномерность АЧХ для предлагаемого СВЧ аттенюатора не превышает 0,5 дБ.The equivalent circuit of the proposed microwave attenuator with a gain of -15 dB, shown in Fig. 4, due to the introduction of an internal rectangular cutout 8 in the resistive film 3 is a single-stage U-shaped matched structure. Voltage transfer coefficient

equivalent circuit of Fig. 4 in the low frequency region is determined by relation (3). Note that in the equivalent circuit of FIG. 4, there is no central inductance due to the presence of an inserted internal rectangular cutout 8 in the resistive film 3. In this case, the central capacitance and two extreme capacitances in the equivalent circuit of FIG. 4 are present. By selecting the length of the inner rectangular cutout 8, a balanced and balanced interaction of two inductances and three capacitances, shown in the equivalent circuit of FIG. 4. As a result, the shape of the frequency response is significantly improved. In FIG. 5 shows the results of the calculation of the frequency response for the proposed microwave attenuator (curve 1) and the prototype (curve 2), which were carried out in the circuit editor of computer CAD according to the approximate equivalent circuits of Fig. 3 and FIG. 4. As can be seen from the examination of the graphs shown in FIG. 5, the uneven frequency response for the proposed microwave attenuator does not exceed 0.5 dB.

На фиг. 6 приведены результаты численного электродинамического моделирования АЧХ предлагаемого СВЧ аттенюатора с коэффициентом передачи -15 дБ в компьютерной САПР, проведенного в соответствии с топологией, показанной на фиг. 2. Следует отметить, что численное электродинамическое моделирование в настоящее время обеспечивает наиболее высокую точность расчета СВЧ устройств в области частот до 10-20 ГГц, при этом активные и реактивные параметры резистивной пленки учитываются в исходных данных. При моделировании частотных свойств предлагаемого СВЧ аттенюатора в качестве диэлектрической подложки был использован поликор, толщиной 1 мм. Размеры резистивной пленки составили 10,0х6,5 мм². Поверхностное сопротивление резистивной пленки было выбрано равным 22 Ом/квадрат, что обеспечило значение коэффициента передачи -15 дБ при значении КСВ в начале рабочего диапазона частот 1,04. Как видно из рассмотрения графика фиг. 6 результирующая неравномерность АЧХ не превышает 0,7 дБ в полосе частот 0-5 ГГц. Таким образом, предлагаемый СВЧ аттенюатор имеет на порядок меньшую неравномерность АЧХ по сравнению с прототипом. Отметим, что за счет достаточно большой площади резистивной пленки предлагаемый СВЧ аттенюатор с внешним радиатором и принудительным воздушным охлаждением способен работать при уровне мощности входного СВЧ сигнала 100-150 Вт. Предложенная конструкция СВЧ аттенюатора отличается высокой технологичностью и может быть реализована в виде интегральной СВЧ микросхемы. In FIG. 6 shows the results of numerical electrodynamic simulation of the frequency response of the proposed microwave attenuator with a gain of -15 dB in computer CAD, carried out in accordance with the topology shown in FIG. 2. It should be noted that numerical electrodynamic modeling currently provides the highest accuracy in the calculation of microwave devices in the frequency range up to 10-20 GHz, while the active and reactive parameters of the resistive film are taken into account in the initial data. When modeling the frequency properties of the proposed microwave attenuator, polycor, 1 mm thick, was used as a dielectric substrate. The dimensions of the resistive film were 10.0x6.5 mm ² . The surface resistance of the resistive film was chosen to be 22 ohms/square, which provided a gain value of -15 dB with an SWR value of 1.04 at the beginning of the operating frequency range. As can be seen from the graph of Fig. 6, the resulting unevenness of the frequency response does not exceed 0.7 dB in the frequency band 0-5 GHz. Thus, the proposed microwave attenuator has an order of magnitude less uneven frequency response compared to the prototype. It should be noted that due to the sufficiently large area of the resistive film, the proposed microwave attenuator with an external radiator and forced air cooling is capable of operating at an input microwave signal power level of 100–150 W. The proposed design of the microwave attenuator is highly manufacturable and can be implemented in the form of an integrated microwave microcircuit.

Claims

A microwave attenuator containing a dielectric substrate, the lower surface of which is coated with a metallized coating connected to a common body, and a resistive film having a rectangular shape and a constant surface resistance is applied on the upper surface, while the lower side of the resistive film is connected to the common body through a metallized coating deposited on the lower side of the upper surface of the dielectric substrate and connected to the metallized coating deposited on the lower end of the dielectric substrate and connected to the metallized coating of the lower surface of the dielectric substrate, and the input and output microstrips with the same wave impedance equal to the input impedance of the microwave attenuator, characterized in that an internal rectangular cutout is made in the lower part of the resistive film shaped, the width of which is twice the width of the input microstrip, and the length is chosen from the condition of ensuring the minimum unevenness of the amplitude-frequency characteristic.