Широкополостные аттенюаторы и нагрузки большой мощности для радиопередающей аппаратуры

Юрий Востряков
Амирза Абденов, д.т.н.
Владимир Разинкин, к.т.н.

В статье рассмотрены область применения, достоинства и недостатки многоэлементных СВЧ нагрузок большой мощности, выполненных на основе планарных пленочных резисторов, сформулированы общие принципы проектирования широкополосных СВЧ нагрузок и аттенюаторов.

Показано, что преимущества конструкции планарных пленочных резисторов обеспечивают рассеивание существенно большей мощности входного СВЧ сигнала по сравнению с коаксиальными нагрузками с такими же массогабаритными показателями.

В качестве примера приведен ряд аттенюаторов метрового и дециметрового диапазона на мощность рассеяния до 2000 Вт, спроектированных на основе древовидного параллельнопоследовательного соединения большого числа отдельных пленочных резисторов.

Даны рекомендации по выбору конструктивных параметров аттенюаторов и схемотехнических методов обеспечения требуемого уровня согласования в широкой полосе частот.

В настоящее время наиболее распространенным методом построения широкополосных аттенюаторов является использование трубчатых керамических поглотителей коаксиального исполнения с жидкостным охлаждением. Наиболее широкое применение нашли коаксиальные аттенюаторы. Изделия, изготавливаемые некоторыми зарубежными фирмами, в течение длительного времени в непрерывном режиме обеспечивают максимально допустимую рассеиваемую мощность порядка нескольких сотен ватт. Однако для обеспечения широкополосности коаксиальных аттенюаторов необходим поглотитель большой длины, отвод рассеиваемой тепловой мощности от внутренних слоев которого затруднен. Кроме того, подстройка согласования за счет перемещения поглотителя существенно усложняет конструкцию коаксиального аттенюатора на мощность более 100 Вт, а жидкостное проточное охлаждение требует стационарного режима эксплуатации.

Одним из перспективных методов построения широкополосных аттенюаторов и нагрузок является использование планарных резисторов, выполненных с помощью пленочной технологии на подложке из бериллиевой керамики. Планарный резистор, установленный на радиатор с воздушным охлаждением, способен рассеивать мощность до 250 Вт. Использование различных видов соединений большого количества пленочных планарных резисторов позволяет рассредоточить выделение тепловой мощности аттенюатора на большую площадь. Это дало возможность отказаться от жидкостного и перейти на воздушное охлаждение.

Ниже приведены результаты экспериментального исследования мощных многоэлементных широкополосных СВЧ аттенюаторов на планарных резисторах, имеющих отдельные выходы для контроля параметров и мощности выходного сигнала телевизионного или радиовещательного передатчика. В разработанных аттенюаторах использовались планарные резисторы выпускаемый ряд номинальных значений которых позволил создать широкополосные многоэлементные структуры на различные уровни мощности рассеивания.

В общем случае СВЧ аттенюатор (нагрузка) большой мощности с равномерной частотной характеристикой может быть реализован на основе дендритного (древовидного) параллельно-последовательного соединения нескольких резистивных элементов значительно меньшей мощности, чем общая входная мощность. В качестве примера на рисунке 1 показана схема аттенюатора на рассеиваемую мощность 2 кВт, содержащего 10 планарных резисторов.

Рис. 1. Функциональная схема СВЧ аттенюатора на мощность рассеивания 2 кВт

Из рисунка следует, что общее входное сопротивление аттенюатора равно 50 Ом. Резисторы разделены между собой индуктивностями, компенсирующими собственную емкость резистивной пленки, или отрезками коаксиального кабеля. Как показали проведенные теоретические и экспериментальные исследования, при выбранном типе соединения резистивных элементов полоса рабочих частот достигает 900 МГц при входной мощности 1000 Ватт и более. На основе данного подхода разработано несколько конструкций многоэлементных аттенюаторов на мощность 300…2000 Вт.

Конструкция малогабаритного широкополосного аттенюатора мощностью 300 Вт, выполненного на четырех планарных резисторах, приведена на рисунках 2 и 3.

Рис. 2. Общий вид аттенюатора на мощность рассеивания 300 Вт

Рис. 3. Расположение элементов в аттенюаторе на мощность рассеивания 300 Вт

Для удовлетворения требований по электромагнитной совместимости резистивные элементы закрыты металлическим экраном. Два контрольных выхода обеспечивают одновременное измерение входной мощности и измерение параметров подводимого сигнала.

На рисунках 4 и 5 отображены экспериментальные частотные характеристики вышеописанного аттенюатора мощностью 300 Ватт.

Рис. 4. Частотная зависимость входного КстU аттенюатора на мощность рассеивания 300 Вт

Рис. 5. Передаточная характеристика аттенюатора на мощность рассеивания 300 Вт

На рисунке 6 показана конструкция измерительного аттенюатора, используемого в качестве эквивалентной нагрузки для телевизионного передатчика на мощность рассеивания 1000 Вт.

Рис. 6. Общий вид аттенюатора на мощность рассеивания 1000 Вт

На рисунках 7 и 8 представлены экспериментальные частотные характеристики данной нагрузки (1000 Ватт).

Рис. 7. Частотная зависимость входного КстU аттенюатора на мощность рассеивания 1000 Вт

Рис. 5. Передаточная характеристика аттенюатора на мощность рассеивания 300 Вт

На рисунках 9, 10, 11 и 12 показаны внешний вид и частотные характеристики СВЧ аттенюатора на рассеиваемую мощность 2 кВт, который был спроектирован по модульной технологии. Каждый модуль реализован по схеме последовательнопараллельной дендритной структуры и рассеивает 600…700 Вт. Модульная конструкция обеспечивает автономную настройку отдельных ветвей дендритной структуры с последующей комплексной подстройкой аттенюатора в целом.

Рис. 9. Общий вид аттенюатора на мощность рассеивания 2 кВт

Рис. 10. Частотная зависимость входного КстU аттенюатора на мощность рассеивания 2 кВт

Рис. 11. Передаточная характеристика по выходу «-23 дБ» аттенюатора на мощность рассеивания 2 кВт

Рис. 12. Передаточная характеристика по выходу «-43 дБ» аттенюатора на мощность рассеивания 2 кВт

В заключение рассмотрим таблицу 1 с основными техническими параметрами разработанных многоэлементных аттенюаторов на планарных СВЧ резисторах и аналогичных по рассеиваемой мощности аттенюаторов коаксиального типа, выпускаемых известным зарубежным производителем.

Таблица 1. Основные параметры многоэлементных аттенюаторов на планарных СВЧ резисторах и аттенюаторов коаксиального типа производства известного зарубежного производителя

Анализ данных таблицы позволяет сделать вывод о том, что применение планарных резисторов дает возможность получить технические характеристики СВЧ аттенюаторов, сопоставимые с характеристиками аттенюаторов коаксиального типа.

Все разработанные аттенюаторы по диапазону рабочих температур предназначены для использования в лабораторных условиях. Очевидными преимуществами таких аттенюаторов являются существенно меньшие массогабаритные показатели и высокая ремонтопригодность, обусловленная облегченным доступом к планарным резисторам. Среди основных недостатков выделяется более узкий диапазон рабочих частот, достигнутый на настоящий момент.

Тем не менее, высокая технологичность и конструктивная гибкость многоэлементных аттенюаторов на планарных резисторах должна привлечь внимание многих разработчиков радиопередающих комплексов различного назначения.