Полосковая нагрузка

Изобретение относится к радиотехнике, а более конкретно - к технике сверхвысоких частот (СВЧ), и может быть использовано в радиолокации, радиосвязи и измерительной технике. Техническим результатом является увеличение рассеиваемой мощности, повышение удобства и безопасности регулировки устройства, возможность подстройки согласования устройства. Полосковая нагрузка содержит плату в виде пластины из диэлектрического материала с электропроводным экраном, входной полосковой линией из электропроводного материала и короткозамыкателем. Поглощающий слой из резистивного материала с подключенными параллельно элементами из электропроводного материала гальванически включен между входной полосковой линией и короткозамыкателем. Над платой в виде пластины размещено с зазором друг над другом N, где N - натуральный ряд чисел, дополнительных пластин из диэлектрического материала с коэффициентом теплопроводности больше, чем коэффициент теплопроводности материала платы. Между N дополнительными пластинами размещено N-1 дополнительных поглощающих слоев из резистивного материала с подключенными параллельно дополнительными элементами из электропроводного материала, гальванически включенных между входной полосковой линией и короткозамыкателем. Расположенные в зазорах элементы выполнены прерывистыми и примыкающими к боковым кромкам поглощающих слоев. Элементы выполнены из электропроводного материала с температурой плавления ниже, чем температуры плавления резистивного материала, и электропроводного материала полосковой линии и короткозамыкателя. Не примыкающие к боковым кромкам участки поглощающих слоев и соприкасающиеся с ними участки поверхностей пластин выполнены шероховатыми. Электропроводный экран и плата могут быть выполнены с отверстием под поглощающим слоем, содержащим регулировочный вкладыш из электропроводного материала, у которого фазовые превращения наступают при температуре ниже температур плавления резистивного материала и электропроводного материала полосковой линии и короткозамыкателя. Толщина зазоров между пластинами может уменьшаться в направлении от входной полосковой линии к короткозамыкателю. Толщина зазоров между всеми пластинами и толщина всех пластин может увеличиваться в направлении от платы к N-ой пластине, а ширина пластин - уменьшаться в направлении от платы к N-ой пластине. Элементы могут быть выполнены прерывистыми в виде примыкающих к боковым кромкам поглощающих слоев шлейфов, величина прерываний может увеличиваться по направлению от входной полосковой линии к короткозамыкателю. Ширина поглощающих слоев может быть различна и их боковые кромки могут быть не расположены друг над другом. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике, а более конкретно - к технике сверхвысоких частот (СВЧ), и может быть использовано в радиолокации, радиосвязи и измерительной технике.

Известна СВЧ-нагрузка, содержащая диэлектрическую плату в виде регулировочной пластины, на одной стороне которой расположен входной СВЧ-тракт, а на другой стороне - поглощающий СВЧ-энергию слой, на который нанесен электропроводный экран, являющийся короткозамыкателем, причем регулировка осуществляется выбором величины диэлектрической проницаемости пластины, влияющей на выбор толщины поглощающего СВЧ-энергию слоя (А.с. №1483525, МПК Н01Р 1/26, БИ №20, 1989).

Недостатками указанного устройства являются: во-первых, малая рассеиваемая мощность, т.к. мала площадь поверхности резистивного материала; во-вторых, малая рассеиваемая мощность в импульсном режиме, т.к. отсутствуют аккумуляторы тепла; в-третьих, неудобная и небезопасная регулировка устройства, т.к. регулировочная пластина расположена в середине устройства и к ней нет свободного доступа, а также она соприкасается непосредственно с раскаленным поглощающим СВЧ энергию слоем.

Известна взятая в качестве прототипа полосковая нагрузка в составе аттенюатора, содержащая плату в виде пластины из диэлектрического материала, на нижней стороне которой расположен электропроводный экран, а на верхней стороне - входная и выходная полосковые линии из электропроводного материала, причем выходная полосковая линия может служить короткозамыкателем, поглощающий слой из резистивного материала с подключенными параллельно элементами из электропроводного материала, поглощающий слой гальванически включен между входной полосковой линией и короткозамыкателем, а также содержит регулятор резистивных потерь, при этом регулятор наносится непосредственно на резистивный слой, причем выходная полосковая линия может работать короткозамыкателем как с электрически разомкнутым концом (при четвертьволновой электрической длине, являясь шлейфом с открытым концом), так и с замкнутым концом (при изготовлении по полосковой технологии напыление электропроводного материала происходит не только на верхнюю, но и на боковую часть подложки, т.е. происходит замыкание через край подложки) (А.с. №1548817, МПК Н01Р 1/22, БИ №9, 1990).

Недостатками указанного устройства являются: во-первых, малая рассеиваемая мощность, т.к. мала площадь поверхности резистивного материала; во-вторых, малая рассеиваемая мощность в импульсном режиме, т.к. отсутствуют аккумуляторы тепла; в-третьих, неудобная и небезопасная регулировка устройства, т.к. регулятор соприкасается непосредственно с раскаленным и находящимся под напряжением резистивным слоем; в-четвертых, невозможность подстройки согласования устройства, т.к. регулятор регулирует лишь величину резистивных потерь.

Решаемой технической задачей изобретения является, во-первых, увеличение рассеиваемой мощности; во-вторых, увеличение рассеиваемой мощности в импульсном режиме; в-третьих, повышение удобства и безопасности регулировки устройства; в-четвертых, возможность подстройки согласования устройства.

Решаемая техническая задача в полосковой нагрузке, содержащей плату в виде пластины из диэлектрического материала, на нижней стороне которой расположен электропроводный экран, а на верхней стороне - входная полосковая линия из электропроводного материала и короткозамыкатель из электропроводного материала, поглощающий слой из резистивного материала с подключенными параллельно элементами из электропроводного материала, причем поглощающий слой гальванически включен между входной полосковой линией и короткозамыкателем, достигается тем, что над платой в виде пластины размещено с зазором друг над другом N, где N - натуральный ряд чисел, дополнительных пластин из диэлектрического материала с коэффициентом теплопроводности больше, чем коэффициент теплопроводности материала платы, а также между N дополнительными пластинами N-1 дополнительных поглощающих слоев из резистивного материала с подключенными параллельно дополнительными элементами из электропроводного материала, гальванически включенных между входной полосковой линией и короткозамыкателем, причем все поглощающие слои с подключенными параллельно элементами расположены в зазорах между пластинами, причем расположенные в зазорах элементы выполнены прерывистыми и примыкающими к боковым кромкам поглощающих слоев, элементы выполнены из электропроводного материала с температурой плавления ниже, чем температуры плавления резистивного материала и электропроводного материала полосковой линии и короткозамыкателя, причем не примыкающие к боковым кромкам участки поглощающих слоев и соприкасающиеся с ними участки поверхностей пластин выполнены шероховатыми. Электропроводный экран и плата могут быть выполнены с отверстием под поглощающим слоем, содержащим регулировочный вкладыш из электропроводного материала, у которого фазовые превращения наступают при температуре ниже температур плавления резистивного материала и электропроводного материала полосковой линии и короткозамыкателя. Толщина зазоров между пластинами может быть выполнена уменьшающейся в направлении от входной полосковой линии к короткозамыкателю. Толщина зазоров между всеми пластинами и толщина всех пластин могут быть выполнены увеличивающимися в направлении от платы к N-ой пластине, а ширина пластин может быть выполнена уменьшающейся в направлении от платы к N-ой пластине. Элементы могут быть выполнены прерывистыми в виде примыкающих к боковым кромкам поглощающих слоев шлейфов, величина прерываний может быть выполнена увеличивающейся по направлению от входной полосковой линии к короткозамыкателю. Ширина поглощающих слоев может быть выполнена различной и их боковые кромки могут быть выполнены не расположенными друг над другом.

На приведенных чертежах (Фиг.1-Фиг.4) изображены примеры конкретной реализации предложенного устройства (на Фиг.1, Фиг.3 - виды с условно частично удаленной верхней пластиной; на Фиг.2, Фиг.4 - виды устройства в разрезе (вид со стороны входной полосковой линии)).

Пример конкретной реализации предложенного устройства (см. Фиг.1, Фиг.2) содержит плату 1 в виде пластины из диэлектрического материала, на нижней стороне которой расположен электропроводный экран 2, а на верхней стороне - входная полосковая линия 3 из электропроводного материала и короткозамыкатель 4 из электропроводного материала, поглощающий слой 5 из резистивного материала (например, поглощающего энергию СВЧ электромагнитных колебаний) с подключенными параллельно элементами 6 из электропроводного материала, причем поглощающий слой 5 гальванически включен между входной полосковой линией 3 и короткозамыкателем 4, причем над платой в виде пластины размещено с зазором друг над другом N, где N - натуральный ряд чисел, дополнительных пластин 7 из диэлектрического материала с коэффициентом теплопроводности больше, чем коэффициент теплопроводности материала платы 1 (например, две пластины (N=2), при этом N ограничено таким образом, чтобы высота всех пластин не превысила ширину устройства), а также между N дополнительными пластинами N-1 дополнительных поглощающих слоев из резистивного материала 8 (например, один слой (N-1=1)) с подключенными параллельно дополнительными элементами 9 из электропроводного материала, гальванически включенных между входной полосковой линией 3 и короткозамыкателем 4, причем все поглощающие слои 5, 8 с подключенными параллельно элементами 6, 9 расположены в зазорах между пластинами 1, 7, причем расположенные в зазорах элементы 6, 9 выполнены прерывистыми и примыкающими к боковым кромкам поглощающих слоев 5, 8, элементы 6, 9 выполнены из электропроводного материала с температурой плавления ниже, чем температуры плавления резистивного материала и электропроводного материала полосковой линии 3 и короткозамыкателя 4, причем не примыкающие к боковым кромкам участки поглощающих слоев 5, 8 и соприкасающиеся с ними участки поверхностей пластин 1, 7 выполнены шероховатыми (например, наибольшие размеры каждой шероховатости не превышают 1/100 длины волны, а ширины участков не превышают 1/16 длины волны). Электропроводный экран 2 и плата 1 выполнены с отверстием под поглощающим слоем 5 (например, с отверстием, выполненным сквозным для экрана 2 и несквозным для платы 1), содержащим регулировочный вкладыш 10 из электропроводного материала, у которого фазовые превращения наступают при температуре ниже температур плавления резистивного материала и электропроводного материала полосковой линии 3 и короткозамыкателя 4. Толщина зазоров между пластинами 1, 7 выполнена уменьшающейся в направлении от входной полосковой линии 3 к короткозамыкателю 4. Толщина зазоров между всеми пластинами 1, 7 и толщина всех пластин 1, 7 выполнены увеличивающимися в направлении от платы 1 к N-ой пластине, а ширина пластин 1, 7 выполнена уменьшающейся в направлении от платы 1 к N-ой пластине (например, N=2). Элементы 6, 9 выполнены прерывистыми в виде примыкающих к боковым кромкам поглощающих слоев 5, 8 шлейфов (например, шлейфов четвертьволновой длины), величина прерываний выполнена увеличивающейся по направлению от входной полосковой линии 3 к короткозамыкателю 4. Ширина поглощающих слоев 5, 8 выполнена различной и их боковые кромки выполнены не расположенными друг над другом (например, ширина поглощающих слоев 5, 8 выполнена убывающей по направлению от платы 1 к N-ой пластине (например, N=2)).

Другой пример конкретной реализации предложенного устройства (см. Фиг.3, Фиг.4) содержит плату 1 в виде пластины из диэлектрического материала, на нижней стороне которой расположен электропроводный экран 2, а на верхней стороне - входная полосковая линия 3 из электропроводного материала и короткозамыкатель 4 из электропроводного материала, поглощающий слой 5 из резистивного материала (например, поглощающего энергию СВЧ электромагнитных колебаний) с подключенными параллельно элементами 6 из электропроводного материала, причем поглощающий слой 5 гальванически включен между входной полосковой линией 3 и короткозамыкателем 4, причем над платой в виде пластины размещено с зазором друг над другом N, где N - натуральный ряд чисел, дополнительных пластин 7 из диэлектрического материала с коэффициентом теплопроводности больше, чем коэффициент теплопроводности материала платы 1 (например, две пластины (N=2), при этом N ограничено таким образом, чтобы высота всех пластин не превысила ширину устройства), а также между N дополнительными пластинами N-1 дополнительных поглощающих слоев из резистивного материала 8 (например, один слой (N-1=1)) с подключенными параллельно дополнительными элементами 9 из электропроводного материала, гальванически включенных между входной полосковой линией 3 и короткозамыкателем 4, причем все поглощающие слои 5, 8 с подключенными параллельно элементами 6, 9 (например, каждый элемент выполнен в виде прерывистой полосы, величина прерываний и ширина полосы менее ширины полосковой линии 3 и уменьшаются в направлении от концов (полосковой линии 3, короткозамыкателя 4) к середине устройства) расположены в зазорах между пластинами 1, 7, причем расположенные в зазорах элементы 6, 9 выполнены прерывистыми (например, величина прерываний меньше 1/4 длины волны) и примыкающими к боковым кромкам поглощающих слоев 5, 8, элементы 6, 9 выполнены из электропроводного материала с температурой плавления ниже, чем температуры плавления резистивного материала и электропроводного материала полосковой линии 3 и короткозамыкателя 4, причем не примыкающие к боковым кромкам участки поглощающих слоев 5, 8 и соприкасающиеся с ними участки поверхностей пластин 1, 7 выполнены шероховатыми (например, величины шероховатостей соответствуют величинам шероховатостей неотполированных пластин в виде подложек, например, поставляемых производителями стандартных подложек, а величина ширины участков не менее 1 и не более 10 величин толщин скин-слоев).

При работе устройства поступившая на входную полосковую линию 3 СВЧ-мощность поглощается, преобразуясь в тепло, не только на площади резистивного материала нижнего поглощающего слоя 5, но на дополнительной площади N-1 дополнительных поглощающих слоев 8 из резистивного материала. При этом тепло в момент прохождения короткого импульса (во избежание прожога резистивного слоя в местах максимальной напряженности электрического поля и максимального тепловыделения (в частности, у боковых кромок поглощающих слоев 5, 8)) сначала аккумулируется в аккумуляторах тепла - элементах из электропроводного материала 6 и дополнительных элементах 9, дополнительных пластинах 7, вкладыше 10, а затем отводится и рассеивается с помощью платы 1, пластин 8, элементов 6, дополнительных элементов 9 и экрана 2. Теплоемкость аккумуляторов тепла повышена за счет того, что тепло затрачивается не только на нагрев, но и на фазовые превращения (например, при частичном расплавлении примыкающих к боковым кромкам поглощающих слоев элементов 6 и дополнительных элементов 9, материала вкладыша 10, что позволяет сохранить работоспособность устройства в случае поступления очень мощного СВЧ-импульса). Изменение ширин и толщин пластин 1, 7, величин зазоров и соответственно толщин поглощающих слоев 5, 8 и элементов 6, 9 в вертикальном направлении (например, увеличение толщин снизу вверх) дает возможность оптимизировать теплоотвод в сторону наиболее выгодного теплового стока (например, вниз). Изменение размеров зазоров, пластин 1, 7, элементов 6, 9 (в частности, их прерывистости) в горизонтальном направлении дает возможность оптимизировать теплоотвод в сторону наиболее выгодного теплового стока (например, в сторону, удаленную от наиболее нагруженного в тепловом отношении входа устройства). Поскольку ширина поглощающих слоев 5, 8 выполнена различной и их боковые кромки выполнены не расположенными друг над другом, то зоны наибольшего тепловыделения не расположены друг над другом, что позволило увеличить рассеиваемую мощность.

По сравнению с прототипом в предложенном устройстве увеличена рассеиваемая мощность, поскольку площадь поверхности резистивного материала увеличена (за счет шероховатостей и дополнительных поглощающих слоев) более чем в N раз, кроме того, резистивный материал соприкасается с более теплопроводной поверхностью и на значительно большей площади (за счет шероховатостей и дополнительных поглощающих слоев).

По сравнению с прототипом в предложенном устройстве увеличена рассеиваемая мощность в импульсном режиме, поскольку площадь поверхности резистивного материала увеличена более чем в N, резистивный материал соприкасается с более теплопроводной поверхностью и на значительно большей площади, боковые кромки проводящих слоев не выполнены шероховатыми (и, следовательно, не вызывают роста напряженности электрического поля и повышенного тепловыделения), а также введены аккумуляторы тепла, в частности боковые кромки резистивного материала, где наибольшая напряженность электрического поля и выделяемая мощность, соприкасаются с элементами из электропроводного материала, кроме того, в плате под поглощающим слоем - регулировочный вкладыш из теплопроводного материала, толщина и теплоемкость которого более толщины и теплоемкости диэлектрической пластины; поскольку температура плавления аккумуляторов тепла ниже, чем у материала резистивных слоев и полосковых линий, то при подаче одиночного мощного СВЧ-импульса выделяемое тепло не прожигает резистивный слой, поскольку затрачивается не только на нагрев, но и на фазовый переход (например, из твердого в жидкое состояние).

По сравнению с прототипом в предложенном устройстве повышены удобство и безопасность регулировки устройства, поскольку регулировочный вкладыш не соприкасается непосредственно с раскаленным и находящимся под напряжением резистивным слоем.

По сравнению с прототипом в предложенном устройстве возможна подстройка согласования устройства, в частности, с помощью подбора толщины и диэлектрической проницаемости верхней пластины, габаритов и диэлектрической проницаемости вкладыша, а также с помощью расплавления отдельных частей прерывистых элементов и изменения как их формы, так и величины прерываний между ними (вплоть до смыкания некоторых прерываний). При этом подстройка с помощью расплавления осуществлялась как с помощью инструмента (например, паяльника; преимущественно для верхних элементов (например, сделанных в виде четвертьволновых шлейфов (регулируется частота резонанса шлейфа) при снятой в процессе регулировки верхней пластине), так и непосредственно при подаче мощного одиночного СВЧ-импульса (в местах наибольшей напряженности электрического поля у боковых кромок слоев резистивного материала и соответственно наибольшего выделения тепла участки прерывистых элементов расплавлялись и смыкались, после чего сопротивление резко падало, выделение тепла на данном участке прекращалось и, таким образом, не только устранялась опасность прожигания резистивного слоя, но и менялись электрические параметры устройства в сторону улучшения согласования).

К достоинствам предложенного устройства следует отнести то, что выполнение частей прерывистых элементов в виде шлейфов повышает возможности подстройки (за счет того, что шлейфы имеют разную длину, форму (например, выполнение шлейфов с отличающимися на 5% длинами расширяет рабочую полосу согласованного устройства на 5%), при этом возможность изменения формы шлейфа по сравнению с формой традиционного полоскового шлейфа (например, выполнение шлейфов редуцированными, секторными, треугольными и др.) также расширяет возможности подстройки).

К достоинствам предложенного устройства следует отнести то, что регулировочный вкладыш позволил регулировать не только согласование устройства и величину потерь (например, уменьшая коэффициент стоячей волны (КСВ) и увеличивая потери в децибелах (дБ), например, с помощью подбора габаритов, положения и материала вкладыша (например, с помощью выбора материала с большим погонным затуханием СВЧ-волн)), но и температурный режим (например, позволил уменьшить температуру при работе устройства, например, с помощью подбора материала вкладыша (например, с помощью выбора материала с более низкой температурой фазового перехода, более высокой теплоемкостью и удельной теплотой плавления)).

К достоинствам предложенного устройства следует отнести то, что устройство обладает свойством термостабильности при повышении подаваемой СВЧ-мощности, поскольку тепло затрачивается на фазовые превращения и температура не превышает температуры фазового перехода (например, температуры перехода из твердого в жидкое состояние или из жидкого в газообразное (в этом случае электропроводный экран и плата выполнены с отверстием под поглощающим слоем, содержащим регулировочный вкладыш, верхняя часть которого выполнена из материала, испытывающего фазовые превращения при температуре ниже температуры плавления резистивного материала и электропроводного материала полосковой линии и короткозамыкателя, а нижняя часть выполнена с выемкой, выполняющей функции предохранительного клапана)).

Кроме того, к достоинствам предложенного устройства следует отнести то, что нет необходимости делать полировку всей поверхности платы и пластин, устранение шероховатостей производилось только на небольших по площади участкам, примыкающих к боковым кромкам поглощающих слоев, что снизило трудоемкость изготовления устройства. Также к достоинствам предложенного устройства следует отнести то, что практически исключена возможность испарения (в том числе, путем перехода напрямую из твердого в газообразное состояние, при подаче мощного СВЧ-импульса) резистивного материала за счет помещения его в зазор.

1. Полосковая нагрузка, содержащая плату в виде пластины из диэлектрического материала, на нижней стороне которой расположен электропроводный экран, а на верхней стороне - входная полосковая линия из электропроводного материала и короткозамыкатель из электропроводного материала, поглощающий слой из резистивного материала с подключенными параллельно элементами из электропроводного материала, причем поглощающий слой гальванически включен между входной полосковой линией и короткозамыкателем, отличающаяся тем, что над платой в виде пластины размещено с зазором друг над другом N, где N - натуральный ряд чисел, дополнительных пластин из диэлектрического материала с коэффициентом теплопроводности больше, чем коэффициент теплопроводности материала платы, а также между N дополнительными пластинами, N-1 дополнительных поглощающих слоев из резистивного материала с подключенными параллельно дополнительными элементами из электропроводного материала, гальванически включенных между входной полосковой линией и короткозамыкателем, причем все поглощающие слои с подключенными параллельно элементами расположены в зазорах между пластинами, причем расположенные в зазорах элементы выполнены прерывистыми и примыкающими к боковым кромкам поглощающих слоев, элементы выполнены из электропроводного материала с температурой плавления ниже, чем температуры плавления резистивного материала и электропроводного материала полосковой линии и короткозамыкателя, причем не примыкающие к боковым кромкам участки поглощающих слоев и соприкасающиеся с ними участки поверхностей пластин выполнены шероховатыми.

2. Полосковая нагрузка по п.1, отличающаяся тем, что электропроводный экран и плата выполнены с отверстием под поглощающим слоем, содержащим регулировочный вкладыш из электропроводного материала, у которого фазовые превращения наступают при температуре ниже температур плавления резистивного материала и электропроводного материала полосковой линии и короткозамыкателя.

3. Полосковая нагрузка по п.1, отличающаяся тем, что толщина зазоров между пластинами выполнена уменьшающейся в направлении от входной полосковой линии к короткозамыкателю.

4. Полосковая нагрузка по п.1, отличающаяся тем, что толщина зазоров между всеми пластинами и толщина всех пластин выполнены увеличивающимися в направлении от платы к N-й пластине, а ширина пластин выполнена уменьшающейся в направлении от платы к N-й пластине.

5. Полосковая нагрузка по п.1, отличающаяся тем, что элементы выполнены прерывистыми в виде примыкающих к боковым кромкам поглощающих слоев шлейфов, величина прерываний выполнена увеличивающейся по направлению от входной полосковой линии к короткозамыкателю.

6. Полосковая нагрузка по п.1, отличающаяся тем, что ширина поглощающих слоев выполнена различной и их боковые кромки выполнены не расположенными друг над другом.