ВОЛНОВОДНАЯ ПЛЕНОЧНАЯ НАГРУЗКА Российский патент 2002 года по МПК H01P1/26 

Предлагаемое техническое решение относится к радиотехнической промышленности и может использоваться в волноводной, антенной и СВЧ-измерительной технике.

Известна согласованная волноводная нагрузка [пат. США, 4020427 от 17.05.76 г. ] , состоящая из двух отрезков волновода, полностью заполненных диэлектриком, один из которых короткозамкнут, а резистивная пленка расположена между ними. Длина каждого отрезка равна λεв

/4, где λεв- длина волны в волноводе, заполненном диэлектриком. Электрический контакт резистивной пленки с широкими стенками волновода обеспечивается с помощью медной пленки, нанесенной на диэлектрик. Общая длина нагрузки равна L ≅ 0,5λεв. Настройка по КСВ не предусмотрена.

Известна малогабаритная поглощающая нагрузка для большой мощности [пат. Япония, 48-24341 от 20.07.73 г.], состоящая из короткозамкнутого волноводного четвертьволнового шлейфа (L = λεв

/4), полностью заполненного теплопроводным диэлектриком, и пленочного резистора, нанесенного на этот диэлектрик и имеющего электрический контакт с широкими стенками волновода. Подстройка по КСВ не предусмотрена.

Известна волноводная нагрузка [А.С. 1483525 СССР, 09.04.87 г.], состоящая из поглощающего гексоферритового слоя толщиной W и короткозамкнутого волноводного шлейфа длиной d, заполненного диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε Общая длина нагрузки: L = d+W ≈ λεв

/4.
Наиболее близкой по своей технической сущности к предлагаемому техническому решению можно назвать оконечную нагрузку [пат. США 3796973 от 29.11.72 г. ] , состоящую из короткозамкнутого волноводного шлейфа длиной заполненного диэлектриком с диэлекрической проницаемостью ε₁ = 6,6 (брокерит ОВе), на поверхность которого нанесен пленочный резистор. Для обеспечения теплового и электрического контакта с волноводом резистивный слой продлен на поверхность диэлектрика, соприкасающуюся с широкими стенками волновода. Для согласования нагрузки по КСВ используются несколько слоев диэлектриков, расположенных перед резистором и имеющих ε<ε₁, где ε₁ - диэлектрическая проницаемость диэлектрика, заполняющего короткозамкнутый шлейф. Учитывая плохой теплоотвод от резистивной пленки через диэлектрик, в нагрузке предусмотрена система жидкостного или воздушного охлаждения шлейфа.

Основными недостатками этого известного технического решения являются:
1. большие продольные размеры (L ≈ 1,5λ₀) и масса;
2. большой КСВ в волноводах высокого сечения, обусловленный возбуждением высших типов волн в заполненных диэлектриком участках нагрузки;
3. ненадежный электрический контакт пленочного резистора с волноводом во всех условиях эксплуатации;
4. плохой тепловой контакт с волноводом и связанная с этим необходимость использования громоздких систем принудительного охлаждения;
5. отсутствие компактных подстроечных элементов, позволяющих смещать полосу настройки относительно заданного рабочего диапазона частот и связанная с этим необходимость расширять полосу настройки на столько, чтобы при любых ее технологических перемещениях КСВ в заданной рабочей полосе оставался не хуже требуемого;
6. использование для такого существенного расширения полосы согласования нагрузки громоздкой совокупности нескольких диэлектрических вкладышей-трансформаторов с различным ε, каждый из которых имеет длину
В предлагаемой нагрузке эти недостатки удается преодолеть и обеспечить следующие положительные качества:
1. малые продольные габариты (L≤0,15λ_в) и масса, уменьшенные по сравнению с известным техническим решением примерно в 5÷10 раз за счет введения в нагрузку рядом с резистивной пленкой тонкой диэлектрической пластины (ΔL≤0,15L) с диэлектрической проницаемостью ε≥5;
2. хороший КСВ нагрузки в заданной рабочей полосе частот, обусловленный использованием продольного настроечного металлического штыря в короткозамкнутом шлейфе, а в волноводах высокого сечения также металлических слоев, охватывающих края диэлектрической пластины, соприкасающиеся с широкими стенками волновода, и выступающих в волновод тем больше, чем больше размер "b" волновода;
3. надежный электрический контакт резистивной пленки с волноводом за счет введения вспомогательных металлических слоев, упомянутых в п.2, нанесенных внахлест с резистивной пленкой и имеющих надежный электрический контакт с волноводом через пайку их к его широким стенкам, или приклейку контактным клеем и др.

4. хороший теплоотвод от резистивной пленки через металлические слои, упомянутые в пп.2, 3, к волноводу, играющему роль радиатора.

Технический результат предлагаемого решения заключается в минимизации продольных размеров нагрузки более чем в 2 раза и обеспечении хорошего согласования по КСВ в заданном диапазоне частот при сохранении этих характеристик в реальных условиях изготовления и эксплуатации.

Возможность реализации этого результата обеспечивается за счет использования для сокращения продольных размеров нагрузки до длины L≤λ_в/8, где λ_в- длина волны в волноводе, заполненном воздухом, тонкой диэлектрической пластины (ΔL≤0,15L) с высокой диэлектрической проницаемостью (ε≥5), вплотную прилегающей к резистивной пленке, нанесенной внахлест с металлическими слоями, охватывающими края диэлектрической пластины, соприкасающиеся с широкими стенками волноводного шлейфа, имеющими с этими стенками электрический и тепловой контакт, при этом расстояние между краями металлических слоев на поверхности диэлектрической пластины не превосходит высоты волноводного канала короткозамкнутого шлейфа. Для согласования нагрузки по КСВ используется установленный в торце короткозамкнутого шлейфа настроечный металлический штырь, контактирующий с торцем.

Таким образом, сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что предложена волноводная пленочная нагрузка, содержащая короткозамкнутый волноводный шлейф и расположенные в его поперечном сечении пленочный резистор и диэлектрическая пластина, выполненные так, что
- короткозамкнутый волноводный шлейф имеет длину L≤λ_в/8, где λ_в- длина волны в волноводе шлейфа;
- на торце короткозамкнутого шлейфа вдоль его продольной оси установлен настроечный металлический штырь, имеющий электрический контакт с торцем;
- пленочный резистор с сопротивлением R=(0,8±0,2)Z_о, где Z_о - волновое сопротивление волновода, нанесен на диэлектрическую пластину толщиной ΔL≤0,15L с диэлектрической проницаемостью ε≥5 внахлест с металлическими слоями, охватывающими края диэлектрической пластины, соприкасающиеся с широкими стенками волноводного шлейфа, причем металлические слои имеют с его стенками электрический и тепловой контакт, а расстояние между краями металлических слоев на поверхности диэлектрической пластины b'<b, где b - высота волноводного шлейфа.

Сущность предлагаемого технического решения будет понятна из следующего описания и приложенного к нему графического материала.

Фиг.1 - предлагаемая волноводная пленочная нагрузка;
фиг. 2 - график зависимости КСВ от частоты, измеренный экспериментально, для конкретной реализации волноводной пленочной нагрузки:

глубина погружения металлических слоев в волновод

На фиг. 1:
1 - короткозамкнутый волноводный шлейф;
2 - пленочный резистор;
3 - диэлектрическая пластина;
4 - настроечный металлический штырь;
5 - металлические слои;
Принцип работы предлагаемой волноводной пленочной нагрузки заключается в следующем:
Нагрузка присоединяется к волноводу, сечение которого совпадает с сечением короткозамкнутого шлейфа. СВЧ-сигнал из этого волновода поступает в короткозамкнутый шлейф 1, имеющий длину L≤λ_в/8, что вдвое меньше длины традиционных пленочных нагрузок с четвертьволновым короткозамкнутым шлейфом. Перед короткозамкнутым шлейфом в его поперечном сечении установлен пленочный резистор 2, нанесенный на тонкую (ΔL≤0,15L) диэлектрическую пластину 3 с высокой диэлектрической проницаемостью (ε≥5). Необходимые условия согласования по КСВ в такой короткой нагрузке обеспечиваются за счет измененной структуры поля вблизи пленочного резистора при установке вплотную к нему тонкой диэлектрической пластины с высоким ε, а также за счет уменьшения по сравнению с волновым сопротивлением (Z_о) волновода сопротивления резистивной пленки R= (0,8±0,2)Z_о.

Степень снижения сопротивления R зависит от нескольких факторов: от относительного заполнения сечения волновода резистивной пленкой, имеющей площадь (чем больше K_s, тем меньше сопротивление R); от рабочей частоты (чем выше частота, тем ближе R к Z_о) и др.

В целях ослабления требований к ширине частотной полосы согласования по заданному уровню КСВ в нагрузке предусмотрена настройка с помощью металлического штыря 4, имеющего электрический контакт с торцем короткозамкнутого шлейфа 1 и ориентированного вдоль его продольной оси 00'.

Для обеспечения во всех условиях изготовления и эксплуатации нагрузки надежного электрического контакта и, следовательно, неизменного КСВ, а также и теплового контакта пленочного резистора 2 с волноводным шлейфом, выполняющим в совокупности с присоединяемым волноводом функцию радиатора, на края диэлектрической пластины 3, соприкасающиеся с широкими стенками волноводного шлейфа 1, внахлест с пленочным резистором 2 нанесены металлические слои 5, обладающие малым относительным удельным сопротивлением q и высоким коэффициентом теплопроводности К_т[Вт/м^oс].

Роль этих металлических слоев не ограничивается соединительной функцией резистора с волноводом. В общем случае металлические слои 5 выступают в волновод, уменьшая его размер b до величины b' в зоне расположения резистивной пленки на диэлектрической пластине 3. Это позволяет даже в волноводах с большим b минимизировать возможность возбуждения высших типов волн в диэлектрике и тем самым улучшить условия согласования нагрузки по КСВ. Понятно, что глубина погружения металлических слоев в волновод тем больше, чем выше его размер b. В волноводах низкого сечения глубина погружения металлических слоев 5 в волновод может быть минимальной.

Технико-экономические преимущества предлагаемого решения по сравнению с прототипом заключаются в минимизации массы и габаритов нагрузки при сохранении высоких требований к КСВ в рабочем диапазоне частот и приемлемой для практики устойчивости к воздействию уровня мощности до 10 Вт при температуре окружающей среды до +70^oС. Этот уровень мощности также, как и в аналоге, может быть увеличен за счет использования принудительного охлаждения.

Область применения: антенно-волноводная СВЧ-техника. Предлагается миниатюрная пленочная нагрузка длиной L≤λ_в/8. Уменьшение продольных размеров достигнуто за счет введения в нагрузку тонкой ΔL≤0,15L поперечной диэлектрической пластины с высокой диэлектрической проницаемостью ε≥5 на которую нанесен пленочный резистор, надежность теплового и электрического контакта которого с волноводом обеспечивается с помощью металлических слоев, расположенных на краях диэлектрической пластины, соприкасающихся с широкими стенками волновода и обеспечивающих улучшение условий согласования нагрузки по КСВ. Сопротивление R резистивной пленки в общем случае меньше волнового сопротивления Z_о волновода: R=(0,8±0,2)Z_о. Для настройки нагрузки в короткозамкнутом шлейфе установлен настроечный штырь, ориентированный вдоль его оси и контактно закрепленный на его торце. Техническим результатом является уменьшение продольных габаритов нагрузки при обеспечении хороших рабочих характеристик. 2 ил.

Волноводная пленочная нагрузка, содержащая короткозамкнутый волноводный шлейф, диэлектрическую пластину и пленочный резистор, отличающаяся тем, что короткозамкнутый волноводный шлейф выполнен длиной L≤λ_в/8, где λ_в - длина волны в волноводе, на торце короткозамкнутого шлейфа вдоль его продольной оси установлен настроечный металлический штырь, имеющий электрический контакт с торцом, пленочный резистор с сопротивлением R= (0,8±0,2)Z_о, где Z_о - волновое сопротивление волновода, нанесен на диэлектрическую пластину толщиной ΔL≤0,15L с диэлектрической проницаемостью ε≥5 внахлест с металлическими слоями, охватывающими края диэлектрической пластины, соприкасающиеся с широкими стенками волноводного шлейфа, причем металлические слои имеют с его стенками электрический и тепловой контакт, а расстояние между краями металлических слоев на поверхности диэлектрической пластины b'<b, где b - высота волноводного шлейфа.