МОЩНЫЙ АТТЕНЮАТОР

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве эквивалента нагрузки для тестирования мощных радиопередающих устройств.

Известен мощный аттенюатор [1], используемый как нагрузка, содержащий три согласованных, включенных последовательно друг за другом Т-образных звена, выполненных методом тонкопленочной технологии из резистивных поглотителей на подложках с равными геометрическими размерами, изготовленных из одного материала, установленных на теплопроводящем основании с одинаковым шагом. Наряду с такими преимуществами, как высокая технологичность изготовления и возможность унификации, аттенюатор имеет и существенный недостаток: отсутствуют калиброванные выходы (с заданным коэффициентом передачи), поскольку коэффициенты передачи звеньев подбирались исходя из минимально возможного различия по выделяемой в них мощности, а не по необходимости. Это ограничивает функциональные возможности аттенюатора-нагрузки, одновременно снижая его надежность из-за отсутствия возможности вовремя отключить источник сигнала (передатчик) или переключить его на резервную нагрузку при возникновении аварийной ситуации. При этом резистивные поглотители в аттенюаторе лишь кратковременно будут подвергнуты перегрузке и не выйдут из строя.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому устройству является мощный аттенюатор [2], содержащий N включенных последовательно друг за другом согласованных звеньев на одинаковых подложках, установленных с одинаковым шагом на теплопроводящем основании, каждое последующее звено которого имеет большее затухание, чем предыдущее, причем коэффициент передачи по мощности каждого звена задается выражением:

К_РМ=(N-M)/(N-M+1),

где М - порядковый номер звена;

N - количество звеньев.

Несмотря на такие положительные качества, как повышенная надежность за счет одинакового тепловыделения в подложках, высокая стабильность его электрических параметров, данный аттенюатор имеет тот же недостаток: отсутствуют калиброванные выходы, поскольку коэффициенты передачи звеньев рассчитываются, а не выбираются (выбор коэффициента передачи хотя бы одного звена приведет к несовпадению по выделяемой в нем мощности с остальными звеньями). Это опять же ограничивает функциональные возможности аттенюатора, одновременно снижая его надежность.

Целью настоящего изобретения является создание мощного аттенюатора-нагрузки, имеющего по крайней мере один калиброванный выход, что приведет к расширению его функциональных возможностей и повышению надежности. Поставленная цель достигается тем, что в мощный аттенюатор, содержащий N включенных последовательно друг за другом согласованных звеньев на одинаковых подложках, установленных с одинаковым шагом на теплопроводящем основании, в котором каждое последующее звено при одинаковых потерях мощности в них имеет большее затухание, чем предыдущее, а коэффициент передачи по мощности звеньев (К_Р<1) есть функция, как минимум, двух параметров, например:

К_РМ=f(N, M,…),

где N - количество звеньев;

М - порядковый номер звена (М=1, 2, 3,…,N),

введена клемма, соединенная с выходом соответствующего звена, которой поставлены в соответствие параметры N_(К) и К_Р(К), где N_(К) - количество звеньев до указанной клеммы; К_Р(К) - коэффициент передачи по мощности от входной до указанной клеммы, а коэффициент передачи по мощности звеньев описывается функцией

,

причем отношение есть целое число.

Кроме того, коэффициент передачи по мощности может быть задан функциями одного параметра аттенюатора: или .

На фигуре 1 представлена структурная схема заявленного устройства,

где 1 - звенья аттенюатора;

R_Н - согласованная нагрузка;

K_Р1, К_Р2, К_Р3,…, K_PN - коэффициенты передачи по мощности звеньев;

Р₁, P₂, Р₃,…, Р_N - мощность на выходах звеньев;

Р_ВХ - подводимая мощность.

Учитывая, что по условиям равенства тепловыделения потери мощности во всех звеньях должны быть одинаковы, т.е. ΔP=P_BХ/N=P_ПОТ./N_(К) (Р_ПОТ. - мощность потерь в аттенюаторе от входной до указанной клеммы), определяем коэффициенты передачи:

Тогда в общем виде формула будет представлена как

Из формулы для определения потерь в звеньях аттенюатора вытекает, что

Очевидно, что полученное выражение всегда должно быть целым числом (это достигается выбором N_(К) при заданном K_Р(К)), в противном случае возникает неопределенность при расчете коэффициентов передачи звеньев.

Полученная формула есть функция трех параметров аттенюатора:

1. Задаваемый параметр K_Р(К);

2. Выбираемый параметр N_(К);

3. Переменный параметр М.

Выразим коэффициент передачи по мощности данного звена через коэффициент передачи по мощности предыдущего звена К_РМ=f(K_Р(М-1)) путем подстановки в формулу ΔР, определенную как функция коэффициента передачи по мощности предыдущего звена:

Тогда в общем виде формула будет представлена как

(М=2, 3, 4,…,N),

где К_РМ - коэффициент передачи по мощности данного звена;

К_Р(М-1) - коэффициент передачи по мощности предыдущего звена.

Выведенная формула является функцией одного параметра аттенюатора и может быть также использована для расчета, но при М≥2, причем коэффициент передачи первого звена должен быть определен согласно п.2 формулы (только в этом случае результаты вычислений по обеим формулам совпадут и будет реализован положительный эффект). Если коэффициент передачи задан как отношение входной мощности к выходной, т.е. , то , где

легко получается из последней формулы. Из нее же можно получить выражение вида К_Р(М-1)=f(К_РМ), т.е.

или

где

а M=N,…,4, 3, 2.

Функция также является функцией одного параметра аттенюатора и может быть использована для расчета коэффициента передачи по мощности звеньев начиная с предпоследнего звена в направлении ко входу, причем коэффициент передачи последнего звена равен нулю согласно п.2 формулы (только в этом случае результаты вычислений по обеим формулам совпадут и будет реализован положительный эффект). Функции одного параметра удобны тем, что позволяют быстро определять коэффициенты передачи по мощности звеньев как в направлении ко входу, так и к выходу от звена с известным коэффициентом передачи, рассчитанным по формуле п.2. При этом во всех звеньях будет рассеиваться одинаковая мощность, а дополнительное наличие клеммы приведет к расширению функциональных возможностей аттенюатора, одновременно повышая его надежность.

В качестве примера практического исполнения представим аттенюатор с заданной мощностью рассеивания и К_Р(К)=0,5. В данном случае количество звеньев будет целым числом при любом N_(К), в частности, при N_(К)=4 количество звеньев будет N=8. Тогда коэффициенты передачи звеньев, рассчитанные либо по формуле п.2, либо по формулам функции одного параметра, будут следующие:

К_Р1=7/8, К_Р2=6/7, К_Р3=5/6, К_Р4=4/5, К_Р5=3/4, К_Р6=2/3, К_Р7=1/2, K_Р8=0

или в дБ:

К_Р1=-0,58 дБ, К_Р2=-0,67 дБ, К_Р3=-0,79 дБ, К_Р4=-0,97 дБ, K_Р5=-1,25 дБ,

К_Р6=-1,76 дБ, К_Р7=-3,01 дБ, K_Р8 - принимаем минус 30 дБ.

Именно такие коэффициенты передачи звеньев должен иметь представленный аттенюатор, чтобы при наличии одинакового тепловыделения в подложках он имел после четвертого звена калиброванный выход - клемму с заданным значением К_Р(К).

Применение данного изобретения позволит при сохранении всех положительных качеств аналогичных устройств, таких как высокие надежность и технологичность изготовления, возможность унификации, высокая стабильность электрических параметров, расширить функциональные возможности аттенюатора с одновременным повышением его надежности.

Источники информации

1. Корж И.А., Зима В.Н., Евдокимов М.А. Мощные пленочные резисторы на подложках из AlN и Аl₂О₃ для ВЧ аттенюаторов большой мощности.

Труды международной научно-технической конференции «РЭиС-2011».

2. Евдокимов М.А. Электрический расчет мощного аттенюатора-нагрузки по тепловому критерию // Техника радиосвязи / ОАО «ОНИИП». - 2012. - Вып.17. - С.101-104.