МОЩНЫЙ АТТЕНЮАТОР Российский патент 2014 года по МПК H03H7/24 

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

$$K_{РМ}=f\left(N_{(К)},M,K{Р}_{(К)}\right)$$ ,

причем отношение $$\frac{N_{(К)}}{1-K_{Р(К)}}$$ есть целое число.

Кроме того, коэффициент передачи по мощности может быть задан функциями одного параметра аттенюатора: $$K_{РМ}=f\left(K_{Р(М-1)}\right)$$ или $$K_{Р(М-1)}=f\left(K_{РМ}\right)$$ .

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:

$$K_{Р1}=P_1/P_{ВХ}=\frac{P_{ВХ}-\Delta P}{P_{ВХ}}=\frac{N_{(К)}-1\cdot \left(1-K_{Р(К)}\right)}{N_{(К)}-0\cdot \left(1-K_{Р(К)}\right)}$$

$$K_{Р2}=P_2/P_1=\frac{P_{ВХ}-2\cdot \Delta P}{P_{ВХ}-\Delta P}=\frac{N_{(К)}-2\cdot \left(1-K_{Р(К)}\right)}{N_{(К)}-1\cdot \left(1-K_{Р(К)}\right)}$$

$$K_{Р3}=P_3/P_2=\frac{P_{ВХ}-3\cdot \Delta P}{P_{ВХ}-2\cdot \Delta P}=\frac{N_{(К)}-3\cdot \left(1-K_{Р(К)}\right)}{N_{(К)}-2\cdot \left(1-K_{Р(К)}\right)}$$

$$K_{P{N}_{(K)}}=P_{N_{(K)}}/P_{N_{(K)}-1}=\frac{P_{ВХ}-N_{(К)}\cdot \Delta P}{P_{ВХ}-\left(N_{(К)}-1\right)\cdot \Delta P}=\frac{N_{(К)}-N_{(К)}\cdot \left(1-K_{Р(К)}\right)}{N_{(К)}-\left(N_{(К)}-1\right)\cdot \left(1-K_{Р(К)}\right)}$$

$${К}_{PN}={Р}_N/{Р}_{N-1}=\frac{P_{ВХ}-N\cdot \Delta P}{P_{ВХ}-\left(N-1\right)\cdot \Delta P}=\frac{N_{(К)}-N\cdot \left(1-K_{Р(К)}\right)}{N_{(К)}-\left(N-1\right)\cdot \left(1-K_{Р(К)}\right)}$$

Тогда в общем виде формула будет представлена как

$$K_{РМ}=\frac{N_{(К)}-M\cdot \left(1-K_{Р(К)}\right)}{N_{(К)}-\left(M-1\right)\cdot \left(1-K_{Р(К)}\right)}$$

Из формулы для определения потерь в звеньях аттенюатора вытекает, что

$$N=\frac{N_{(К)}\cdot P_{ВХ}}{P_{ПОТ.}}=\frac{N_{(К)}\cdot P_{ВХ}}{P_{ВХ}\cdot \left(1-K_{Р(К)}\right)}=\frac{N_{(К)}}{1-K_{Р(К)}}$$

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:

$${К}_{Р2}=\frac{2\cdot {К}_{Р1}-1}{{К}_{Р1}}$$

$${К}_{Р3}=\frac{2\cdot {К}_{Р2}-1}{{К}_{Р2}}$$

$${К}_{Р4}=\frac{2\cdot {К}_{Р3}-1}{{К}_{Р3}}$$

$${К}_{P{N}_{(K)}}=\frac{2\cdot {К}_{Р\left(N_{{(K)}^{-1}}\right)}-1}{{К}_{Р\left(N_{{(K)}^{-1}}\right)}}$$

$${К}_{PN}=\frac{2\cdot К{Р}_{(N-1)}-1}{{К}_{Р(N-1)}}$$

Тогда в общем виде формула будет представлена как

$${К}_{РМ}=\frac{2\cdot {К}_{Р(М-1)}-1}{{К}_{Р(М-1)}}$$

(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. $${К}_{Р}^{/}>1$$ , то $${К}_{РМ}=1/{К}_{РМ}^{/}$$ , где

$${К}_{РМ}^{/}=\frac{1}{2-{К}_{Р(М-1)}^{/}}$$

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

$${К}_{Р(М-1)}=\frac{1}{2-{К}_{РМ}}$$

или

$${К}_{Р(М-1)}=\frac{1}{{К}_{Р(М-1)}^{/}}\left({К}_{Р}^{/}>1\right)$$

где

$${К}_{Р(М-1)}^{/}=\frac{2\cdot {К}_{РМ}^{/}-1}{{К}_{РМ}^{/}}$$

а M=N,…,4, 3, 2.

Функция $${К}_{Р(М-1)}=f\left({К}_{РМ}\right)$$ 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.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве эквивалента нагрузки для тестирования мощных радиопередающих устройств. Достигаемый технический результат - расширение функциональных возможностей и повышение надежности. Мощный аттенюатор содержит N включенных последовательно друг за другом согласованных звеньев на одинаковых подложках, установленных с одинаковым шагом на теплопроводящем основании, 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), при этом введена клемма, соединенная с выходом соответствующего звена, которой поставлены в соответствие параметры: количество звеньев до указанной клеммы и коэффициент передачи по мощности от входной до указанной клеммы. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. 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),
отличающийся тем, что в него 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.

2. Аттенюатор по п.1, отличающийся тем, что указанная функция имеет вид

3. Аттенюатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что начиная со второго звена коэффициент передачи по мощности звеньев может быть задан функцией одного параметра, причем указанная функция имеет вид

или
,
где

а М=2, 3, 4, …, N;
К_Р(М-1), - коэффициент передачи по мощности предыдущего звена.

4. Аттенюатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что начиная с предпоследнего звена в направлении ко входу коэффициент передачи по мощности звеньев может быть задан функцией одного параметра, причем указанная функция имеет вид:

или

Где

a M=N, …, 4, 3, 2.