Результат интеллектуальной деятельности: МОЩНЫЙ АТТЕНЮАТОР

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

Известен мощный аттенюатор [1], представляющий собой Т-образное звено, собранное из резистивных поглотителей, выполненных методом тонкопленочной технологии. Приведены формулы для расчета величины сопротивлений последовательного и параллельного резисторов. Мощный аттенюатор, составленный из таких звеньев, при приемлемых электрических параметрах и габаритах обладал бы недостаточной надежностью из-за отсутствия эффективного отвода тепла от них, т.е. равенства нулю градиента температуры между любыми звеньями (подложками) аттенюатора. При этом может наступить перегрев отдельных подложек, что приведет не только к ухудшению параметров устройства (в том числе КСВ), но и выходу его из строя. Связано это с тем, что в литературе отсутствует методика расчета оптимального коэффициента передачи звеньев с точки зрения одинакового тепловыделения в них.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому устройству является мощный аттенюатор [2], используемый как нагрузка, содержащий три включенных последовательно друг за другом согласованных звена на одинаковых подложках, установленных на теплопроводящем основании с одинаковым шагом. Известное устройство с точки зрения теплоотдачи приближено к оптимальному за счет того, что электрические и геометрические характеристики всех подложек, а также шаг их установки выбраны одинаковыми. Однако подбор коэффициентов передачи звеньев с целью обеспечения равенства тепловыделения в них не был оптимален. Таким образом, отсутствие методики расчета оптимального коэффициента передачи звеньев не дает возможности в полной мере обеспечить максимальную надежность аттенюатора, а также стабильность его параметров (в том числе КСВ).

Задачей настоящего изобретения является создание мощного аттенюатора с повышенной надежностью.

Поставленная задача достигается тем, что в мощном аттенюаторе, содержащем 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.

На чертеже представлена структурная схема заявленного устройства, где

1 - звенья аттенюатора;

2 - согласованная нагрузка;

К_Р1, К_Р2, К_Р3, …, K_PN - коэффициенты передачи по мощности звеньев;

P₁, Р₂, P₃, … P_N - мощность на выходах звеньев;

Р_ВХ - подводимая мощность.

Учитывая, что по условию равенства тепловыделения потери мощности ΔР во всех звеньях должны быть одинаковы, т.е. ΔР=Р_ВХ/N, определяем

K_P1=P₁/Р_ВХ=Р_ВХ-ΔР/Р_ВХ=N-1/N;

К_Р2=Р₂/P₁=Р_ВХ-2ΔР/Р_ВХ-ΔР=N-2/N-1;

К_Р3=Р₃/Р₂=Р_ВХ-3ΔР/Р_ВХ-2ΔР=N-3/N-2;

-----------------------------------

K_PN=P_N/P_N-1=Р_ВХ-N·ΔP/Р_ВХ-(N-1)·ΔР=0/1=0

Тогда в общем виде формула будет представлена как

К_РМ=Р_М/P_M-1=Р_ВХ-M·ΔР/Р_ВХ-(М-1)ΔР=N-M/N-M+1

Как видно из вывода формул, коэффициент передачи последнего звена равен нулю. Реализовать такую передачу невозможно, поэтому с приемлемой для практических целей погрешностью можно принять коэффициент передачи, равный, например, K_PN=0,001(-30 дБ).

Таким образом, приведенная формула позволяет точно определять коэффициенты передачи по мощности всех звеньев аттенюатора и при равных электрических и геометрических характеристиках всех подложек, а также одинакового шага их установки позволяет обеспечить равенство тепловыделения в подложках. Следует отметить, что предлагаемое устройство может быть использовано только в качестве мощной нагрузки, поскольку коэффициенты передачи не выбираются, а рассчитываются.

В качестве примера практического исполнения представим расчет коэффициента передачи по мощности звеньев аттенюатора с мощностью рассеивания Р_ВХ=1 кВт и потерями в звеньях ΔР=250 Вт (при этом площадь подложек может определяться из условия S_ПОДЛ≥ΔР/Р_УД, где Р_УД [Вт/см²] - номинальная удельная мощность рассеивания подложки из выбранного материала).

Учитывая, что количество звеньев N=Р_ВХ/ΔР=4, получим К_РМ=4-М/5-М. Тогда K_P1=3/4, К_Р2=2/3, К_Р3=1/2, К_Р4=0 или в дБ:

K_P1=-1,25 дБ, К_Р2=-1,76 дБ, К_Р3=-3,01 дБ, К_Р4 - принимаем минус 30 дБ.

Именно такие коэффициенты передачи звеньев должен иметь представленный аттенюатор, чтобы при равных электрических и геометрических характеристиках всех подложек, а также одинакового шага их установки на теплопроводящем основании было обеспечено равенство тепловыделения в подложках. Идея равенства тепловыделения в отдельных подложках мощного аттенюатора, установленных на общем радиаторе, известна, однако до сих пор не был найден инструмент для достижения этого равенства.

Применение данного изобретения позволит повысить надежность, расширить диапазон рабочих температур аттенюатора, а также повысить стабильность его параметров (в частности, КСВ) при сохранении всех положительных качеств аналогичных известных устройств, таких как низкая трудоемкость изготовления, хорошая помехоустойчивость и ремонтопригодность.

Кроме того, значительно упрощается процесс конструирования мощных аттенюаторов.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Блинов В.В., Негробов А.В. Мощный аттенюатор. // Антенны. - 2007. - Вып.8 (123).

2. Корж И.А., Зима В.Н., Евдокимов М.А. Мощные пленочные резисторы на подложках из AlN и Al₂O₃ для ВЧ аттенюаторов большой мощности. Труды международной научно-технической конференции. РЭиС-2011.