Аттенюаторы. Часть 1

Рис. 1. Изображение египетского фараона Эхнатона, поклоняющегося Атону

Общие сведенья

Кроме термина «аттенюатор» в отечественной профильной документации используются термины «ослабитель» и «поглотитель».

При решении конкретных задач в радиотехнике часто возникает потребность в уменьшении мощности сигнала, проходящего через устройство. Эту задачу решают устройства, получившие название «аттенюаторы». Большая советская энциклопедия [2] определяет аттенюаторы следующим образом: «Аттенюатор (от франц. attenuer — «смягчить», «ослабить») — устройство для плавного, ступенчатого или фиксированного понижения электрического напряжения, силы тока, мощности электрических или электромагнитных колебаний. В отличие от реостата и потенциометра, сопротивление между входными зажимами аттенюатора не меняется в процессе регулировки (при условии, что сопротивление между выходными зажимами постоянно), при каждом измерении известно вносимое им ослабление. Аттенюатор изготовляют как отдельное устройство или встраивают в измерительные и другие приборы. Различают развязывающие аттенюаторы, некалиброванные или с малой точностью установки ослабления, и измерительные аттенюаторы с высокой точностью установки ослабления».

Исходя из приведенного определения, аттенюатором может считаться любое устройство, ослабляющее электрический сигнал (одну из его характеристик). В том числе, как это отмечено во введении, и мазь от загара, которая имеет полное право называться аттенюатором, поскольку уменьшает мощность проходящего через нее солнечного излучения. Подобное определение сильно затрудняет какую-либо классификацию аттенюаторов ввиду их огромного многообразия.

Тем не менее в определении выделены два основных класса данных устройств — развязывающие и измерительные. Это связано не только с точностью установки степени ослабления сигнала, но и с типом носителя электромагнитного взаимодействия — волной или частицей. В примере, описанном во введении, носителем сигнала является электромагнитная волна в форме фотона, кванта электромагнитного излучения.

Различие в типах носителей электромагнитного взаимодействия приводит к еще одному важному моменту — к различиям в понимании мощности электромагнитного сигнала для носителей типа «частица», например электрона, и носителей типа «волна», например электромагнитного поля. Это различие проявляется в так называемом дуализме электрона — условиях, когда электрон ведет себя как частица, и условиях, когда электрон ведет себя как волна. Мощность сигнала для электрона-частицы определяется в общем случае как произведение протекающего тока на напряжение, приложенное к электрической цепи, и на сдвиг фаз между током и напряжением:

P = U₀I₀ + SU_nI_ncosj_n,

где U₀ и I₀ — постоянные составляющие; U_n, I_n — средние квадратичные значения гармоник напряжения и тока; j_n — сдвиг фаз между напряжением и током для гармоник.

В радиофизике, когда электрон проявляется в виде волны, чаще применяется понятие плотности энергии электромагнитного поля, но, используя уравнения Максвелла, ее можно пересчитать в мощность. И плотность энергии, и мощность электромагнитного поля являются величинами интегральными в определенном объеме пространства, но в самом общем виде плотность энергии можно представить следующим образом:

U = e₀E²/2 + B²/µ₀2,

где E — напряженность электрического поля; B — магнитная индукция; e₀ и µ₀ — диэлектрическая и магнитная постоянные среды.

Носители типа «частица» являются основными для радиотехники, а носители типа волна — для радиофизики. В принципе, радиотехника и радиофизика различаются диапазоном рабочих радиочастот. Разделение это достаточно условно, но принято считать, что частоты до 300 МГц относятся к диапазону радиочастот и, соответственно, к радиотехнике, а частоты выше 300 МГц — к диапазону СВЧ и КВЧ и, соответственно, к радиофизике. Эта граница по частоте показывает, на каких частотах нужно применять радиотехническую схемотехнику, а на каких — радиофизическую, волноводную. Различие радиотехники и радиофизики следует учитывать при анализе конкретных конструкций того или иного изделия. В частности, диапазон 300–500 МГц можно считать переходным диапазоном между схемотехникой радиотехнической и радиофизической. На частоте 400 МГц хорошо работают детекторные или усилительные каскады, собранные на сосредоточенных элементах. Но для высокочувствительных устройств, имеющих чувствительность выше 10^–9 Вт/Гц, применение сосредоточенных элементов приводит к росту собственных шумов каскадов и, соответственно, снижению общей чувствительности устройства. В этом случае необходимо использовать микрополосковую топологию, применять малошумящие компоненты и специальные схемы для компенсации собственных радиотемпературных шумов каскадов.

Казалось бы, между ступенчатыми резистивными аттенюаторами, изображенными на рис. 2а,б (не считая конструктивных особенностей), принципиальной разницы нет. Но на самом деле это не так.

Рис. 2. Ступенчатые резистивные аттенюаторы на сопротивлениях:
а) сосредоточенных [3];
б) распределенных [4]

В аттенюаторе на рис. 2б полезный сигнал распространяется внутри микрополосковой линии, в материал диэлектрика которой включены распределенные поглощающие материалы, выполняющие роль распределенных сопротивлений. Это не сопротивления в чистом виде, а поглощающие вставки, уменьшающие плотность энергии поля за счет поглощения в материале.

Кроме того, для аттенюатора на рис. 2б важными параметрами являются не только собственно уменьшение мощности, но и дополнительные параметры, связанные с другими характеристиками волны, приводящими к паразитным искажениям сигнала — это появление паразитных гармоник, искажающих спектр сигнала; рассеивание на рассогласованиях волновых сопротивлений; изменении типа волны; изменении поляризации волны и тому подобное. Вот почему при выборе аттенюатора для СВЧ-диапазона следует обращать внимание не только на коэффициент подавления (уменьшение мощности), но и на топологию конструкции и соответствие правилам радиофизической схемотехники.

Одной из важнейших особенностей СВЧ-схемотехники является необходимость как можно более точного согласования волновых сопротивлений волнопроводящей линии и подключенных к ней устройств. При полном согласовании волновых сопротивлений волна распространяется в так называемом режиме бегущей волны. В этом режиме энергия волны полностью и без потерь (искажений) попадает из линии в нагрузку. В случае полного рассогласования волновых сопротивлений наступает режим стоячей волны, когда волна от нагрузки (или скачка волнового сопротивления) полностью отражается в линию. Оба этих режима являются предельными, поскольку полного согласования добиться крайне сложно, а режим стоячей волны образуется в случае короткого замыкания проводящей линии. На практике чаще всего образуется так называемый смешанный режим, когда в линии одновременно присутствуют и прямая, и обратная (отраженная) волна. Смешение обеих волн приводит к целому ряду эффектов, влияющих не только на плотность энергии (мощность сигнала), но и на целый ряд других, не менее важных параметров сигнала. К их числу можно отнести:

• наложение сигналов, приводящее к появлению гармоник высших порядков, искажающих исходный спектр сигнала;
• уменьшение мощности сигнала, поступающего в нагрузку, и связанное с этим снижение предельного значения передаваемой мощности из-за возможного электрического пробоя в тракте;
• так называемый уход спектра, связанный с взаимным подавлением центральной несущей частоты;
• фазовый дребезг, связанный с несовпадением фаз прямого и отраженного сигналов.

Для большинства СВЧ-устройств вполне достаточно подобных эффектов, чтобы задуматься о правильном выборе пассивных устройств (в том числе аттенюаторов) в конечном изделии. Но в высокочувствительных устройствах, например СВЧ-радиометрах, этого не остаточно. В частности, необходимо знать соотношение сигнал/шум в аттенюаторе и разъемах, через которые он включается в схему в высокочувствительных устройствах.

Для того чтобы избежать возможных искажений полезного сигнала, необходимо обращать внимание на конструкцию и топологию аттенюатора. В настоящее время производители стараются хранить свои технологические секреты, но понимание физики распространения волн в передающих линиях позволяет качественно оценить, учитывает ли производитель эти особенности в своих изделиях. Например, для СВЧ-цепей, имеющих несколько выходов, обязательным условием правильного согласования по волновому сопротивлению становится наличие согласующих каскадов между передающей линией и всеми выводами. На практике это приводит к увеличению размеров устройства, и если производитель в качестве преимущества заявляет о небольших его размерах, значит, он не включил в свое изделие согласующих цепей. Или сделал их максимально дешевыми и не качественными. Большинство согласующих каскадов в СВЧ-диапазоне строится на основе четвертьволновых шлейфов, что предоставляет возможность, исходя из заявленного рабочего диапазона частот, оценить качество согласования волновых сопротивлений. Уменьшение геометрических размеров согласующих каскадов возможно за счет использования диэлектриков с высоким значением диэлектрической постоянной, что приводит к увеличению прямых потерь мощности сигнала из-за поглощения в диэлектрике.Для понимания схемотехники и особенностей распространения волн в СВЧ-диапазоне рассмотрим в качестве примера дискретный 6‑канальный аттенюатор MP109D [5] от АО «НПФ «Микран» (рис. 3).

Рис. 3. Топология аттенюатора MP109D

Приведенный в описании изделия рисунок не дает полного представления о топологии, но согласующие каскады на топологии видны отчетливо (для наглядности оконтурено черным цветом). Видно, что аттенюатор выполнен по микрополосковой технологии и имеет несколько согласующих каскадов для разных частот (о чем говорят размеры каскадов). По рисунку трудно разобрать учтено ли отражение полезного сигнала на 90°-ных изгибах полосковой линии. Но, судя по заявленному диапазону рабочих частот, учтено, а этот диапазон составляет 0,1–14 ГГц. Материал диэлектрика подложки тоже не известен, но, судя по вносимым прямым потерям, это высокочастотная керамика с диэлектрической проницаемостью не ниже 9. Это может быть, например, радиопрозрачный ситалл, имеющий ДП до 11 и тангенс потерь меньше 0,001. Вносимые потери за счет потерь в материале подложки (S₂₁) составляют 5,5.

Таким образом, можно с уверенностью заключить, что в данном аттенюаторе возможность появления искажающих полезный сигнал факторов, указанных выше, сведена к минимуму.

Чип-аттенюаторы

Этот тип аттенюаторов по объему выпуска (в штуках) во много раз превышает выпуск коаксиальных и волноводных ослабителей. Отчасти это связано с тем, что два крайних типа аттенюаторов наиболее востребованы в относительно ограниченной области микроволновых измерений, в то время как пассивные чип-аттенюаторы не только применяются в приемопередающих трактах радиоустройств, но и являются комплектующими при производстве ослабителей как с коаксиальными соединителями, так и волноводных.

Технологические и технические вопросы изготовления подложек и резистивных слоев чип-аттенюаторов практически полностью совпадают с таковыми же для чип-резисторов и достаточно подробно описаны в материале [6]. Существенным и понятным отличием резисторов от аттенюаторов является форма контактных площадок. Наиболее полный набор дизайнов контактов ослабителей имеет продуктовая линейка компании Barry Industries (рис. 4).

Рис. 4. Формы контактных площадок аттенюаторов Barry Ind:
тип AP(P) — полностью обернутый;
тип AK(K) — обернутый на четверть;
тип AM(M) — контакт на верхней и нижней поверхности;
тип AS(S) — контакт на верхней поверхности;
тип AT(T) — обернутый с трех сторон;
тип AV(V) — обернутый наполовину

Отметим здесь что, несмотря на такое обилие дизайнов терминалов, все снабженные ими компоненты имеют только два варианта установки: либо на поверхность платы (SMD), либо в вырезы платы.

Аттенюаторы Barry Industries выпускаются в 12 типоразмерах. В таблице 1 представлено соответствие между форм-фактором и типом контактной площадки.

Кроме представленных на рис. 4 форм терминалов, которые присутствуют с теми или иными нюансами практически у всех производителей чип-ослабителей, существует несколько специфических технических решений формы компонента. Например, фирма Susumu выпускает серию прецизионных аттенюаторов (серия PAT тип W) для производства ослабителей с коаксиальными соединителями (рис. 5).

Рис. 5. Монтажная и эквивалентная схемы аттенюаторов серии PAT тип W

Предполагается, что центральный проводник коаксиального канала припаивается к сигнальным (средним) терминалам аттенюатора (номера 1, 2 на рис. 5), внешний проводник к заземляющим контактам (контакты 3 на рис. 5). В серии три корпуса с размерами 4,2×3 мм (PAT 3042); 5,6×4,5 мм (PAT 4556) и 6×3 мм (PAT3060H). У каждого корпуса своя форма контактных площадок. Все параметры серии PAT даны в частотном диапазоне DC–10 ГГц (PAT3060H — 6 ГГц), при этом надо заметить, что в фирменной документации измеренные значения КСВ и ослабления представлены только до 3 ГГц. Диапазон мощности серии составляет 0,25–5 Вт. Наихудший КСВ — 1,3. Ослабления от 0 до –20 дБ.

В России похожие элементы производит АО «ОНИИП» (г. Омск). Поглощающие элементы для волноводных ослабителей, подобные чип-аттенюаторам, выпускают также фирмы EMC Technology и RF Labs.

Маломощные аттенюаторы на основе GaAs-процесса

Кроме уже рассмотренных технологий производства пассивных компонентов сопротивления [6], в текущем десятилетии этого века заметен интерес исследователей и производителей к технологиям изготовления пассивных компонентов в едином технологическом процессе с активными. Если раньше такая технология применялась в основном при изготовлении монолитных интегральных схем, или МИС (англ. MMIC), то сейчас таким же образом производятся и отдельные пассивные компоненты или наборы компонентов. Эта технология хорошо «ложится» на производство аттенюаторов, поскольку они представляют собой именно такой набор. В бескорпусном исполнении данный компонент чаще всего обозначается термином Die («кристалл»), и может встречаться обозначение MMIC.

Еще одним достоинством технологии считается стабильная повторяемость параметров изделий. В основном речь идет о кремниевом и арсенид-галлиевом (GaAs) процессах, из которых наиболее часто используется второй. Сравнительные результаты экспериментальных работ по использованию двух техпроцессов представлены в материалах [7, 8]. Так, в работе [7] поясняются преимущества арсенид-галлиевого процесса. В отличие от кремния, здесь применяются металлизированные переходные отверстия. Использование таких отверстий для заземления контактных площадок значительно снижает паразитную индуктивность (до десятков пГн). Кроме того, опять-таки в отличие от кремния, где резисторы производятся диффузионным методом, в арсенид-галлиевом техпроцессе резисторы формируются из тонких пленок нитрида тантала. В общем случае это позволяет утилизировать бÓльшую входную мощность при сравнимых размерах компонента. Так, предельно допустимый ток на единицу ширины резистивного материала в случае кремния составляет 0,5 мА/мкм, а для арсенид-галлия — 1 мА/мкм.

Рис. 6. Серия МР503:
а) топология;
б) функциональная схема

Практическим примером применения технологии является отечественная МИС резистивных фиксированных аттенюаторов серии МР503 (АО «НИИПП», г. Томск) [14]. Серия содержит пять номиналов ослабления: 0, 2, 3, 6, 10 дБ в частотном диапазоне 0–50 ГГц. Максимальная входная мощность 0,2 Вт. Размеры кристалла 0,65×0,65×0,1 мм. На рис. 6 приведены топологии и функциональнальная схема аттенюаторов на 2 и 10 дБ, на рис. 7 — вносимые и обратные потери.

Рис. 7. Характеристики МИС-аттенюаторов МР503:
а) коэффициенты передачи;
б) обратные потери

Для сравнения можно рассмотреть арсенид-галлиевый аттенюатор EWA65xxzz фирмы Endwave Corp. (Gigoptix), данные о котором приведены в [10]. В отличие от МР503, в EWA65 использована Т‑схема ослабителя. Известно, что при одинаковых ослаблениях Т‑схема имеет меньшие номиналы резисторов по сравнению с П‑схемой. В результате у резисторов меньшие размеры и, соответственно, более высокая граничная частота (105 ГГц) и несколько меньшие размеры кристалла 0,5×0,5×0,1 мм у EWA65. Также EWA65 имеет сравнимые с отечественным кристаллом обратные потери в 15 дБ и вдвое меньшую мощность 0,1 Вт, что объясняется более высокой граничной частотой и меньшей площадью кристалла.

Есть примеры и более мощных аттенюаторов в таком форм-факторе. Например, фирма Mini-Circuits производит серию KAT-D MMIC-осла-бителей на арсениде галлия на мощность 1,7 Вт [11]. Размеры кристалла у этого изделия 0,75×0,7×0,1 мм. Заявлена линейка ослаблений 0–10 дБ с шагом 1 дБ и далее 12, 15, 20 и 30 дБ в частотном диапазоне 0–43,5 ГГц. Во всей полосе КСВ 1.2. Обычно такие и подобные (рис. 6) кристаллы оформляются в корпус с шестью терминалами, что однозначно определяет способ монтажа (рис. 8).

Рис. 8. Способ монтажа MMIC-аттенюатора (Mini-Circuits)

Один из вопросов, возникающий при сравнении аттенюатора KAT-D с двумя предыдущими моделями, каким образом при сравнимых габаритах корпуса (размеры кристалла KAT-D на ~20% больше, чем у МР503) поглощаемая мощность повышена практически на порядок. Кроме, конечно же, материала собственно резистивной пленки, не обозначенного производителем, возможный ответ содержится в описании изделия, где указано, что кристалл ослабителя имеет сплошную заземляющую поверхность, охватывающую как четыре терминала верхней поверхности корпуса, так и всю нижнюю сторону. Таким образом, можно отметить, что сигнальные терминалы аттенюатора относятся к типу AS по классификации Barry (Single-Sided), в то время как заземление имеет конструкцию типа AP (Full Wraparound). Тем не менее в документации производителя заземляющая поверхность описана как Single, Contiguous Ground Plane («единая непрерывная заземляющая поверхность»), что еще раз подчеркивает некоторую условность классификаций форм контактных площадок. Такая конструкция заземления подразумевает установку аттенюатора в вырез платы на несущую поверхность, выполняющую роль заземления и теплоотвода. Поскольку Mini-Circuits выпускает тестовые платы с этими аттенюаторами, конструкция платы позволяет увидеть способ установки ослабителя (рис. 9).

Рис. 9. Установка аттенюатора на несущей из медно-молибденового сплава

Специалисты Mini-Circuits рекомендуют оригинальный способ применения входящего в серию KAT аттенюатора KAT‑0‑D c ослаблением 0 дБ (линия без потерь). Дело в том, что у большинства микроволновых компонентов контактные площадки сконструированы таким образом, что каждый сигнальный терминал имеет с двух сторон «земляные» контакты (рис. 6, 8). При измерении параметров этих компонентов используются пробники с соответствующей конфигурацией контактных ламелей. Тем не менее существует достаточное количество компонентов, у которых компоновка контактов «земля-сигнал-земля» отсутствует в основном для экономии места на кристалле, и невозможность подключения стандартных микроволновых пробников значительно затрудняет измерение характеристик таких компонентов. В документе [12] предлагается способ применения аттенюатора с нулевым ослаблением — как переходника между измеряемым компонентом и пробником (рис. 10).

Рис. 10. KAT-0-D аттенюатор как переходник

В приведенном примере измерительные пробники подключаются к кристаллу усилителя PHA‑1‑D через переходные ослабители 0 дБ.

Маломощные LTCC-аттенюаторы

Еще одна одноранговая, как и МИС, технология низкотемпературной совместно обжигаемой керамики — LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic), интенсивно развивающаяся с начала текущего столетия. Предтечей ее была высокотемпературная (HTCC) технология, применяемая при производстве многослойных керамических печатных плат, в объёме которых могли размещаться проводники из вольфрама и молибдена и некоторые пассивные компоненты. HTCC-технология основана на обжиге гранул оксида алюминия (Al₂O₃) при температуре ≥ +1500 °C. Впоследствии в керамический порошок стали добавлять специальное стекло, и температура обжига снизилась до +850 °C. Сейчас к LTCC относят керамики, получаемые при температуре не более +1000 °C. Снижение температуры обжига позволило применять в качестве проводников серебро, золото и платину. В Сети, в том числе в ее русскоязычном сегменте, имеется обширный материал для желающих разобраться в тонкостях технологии. Здесь приведем лишь несколько базовых моментов. LTCC-технология позволила получить керамику, стоимость которой сравнима с FR‑4, при этом частотные свойства близки к керамике из оксида алюминия. Низкотемпературная керамика имеет хорошие защитные свойства от агрессивных факторов внешней среды и позволяет создавать в объеме материала все виды пассивных компонентов и межсоединений. Материал широко используется в потребительской, автомобильной, военной и аэрокосмической электронике, в том числе ВЧ и СВЧ до 100 ГГц.

LTCC-технология применяется и для производства аттенюаторов, интегрированных в керамику. Так, компания Anaren Ceramics выпускает серию LTCC-аттенюаторов на частоты до 18 ГГц и мощность до 0,125 Вт. Серия помещается в четыре корпуса с разной степенью «обернутости». Также используется несколько типов контактных площадок, в том числе золотые под разварку микропроволоками и на основе сплавов платина-золото и палладий-серебро для пайки и проводящего клея. Частотные характеристики серии представлены на рис. 11.

Рис. 11. Характеристики LTCC-аттенюатора 2311 Anaren

Максимальные размеры компонента 2,3×1,1 мм (2311 EIA). В руководстве по эксплуатации Anaren не указан постоянный цифробуквенный префикс названия серии аттенюаторов, а только 16 переменных полей, каждое из которых может принимать различные значения в зависимости от параметров компонента [13].

Рис. 12. Аттенюатор RCAT-серии

Еще один продукт, созданный с помощью LTCC-технологии, представлен компанией Mini-Circuits. Это 2‑Вт серия чип-аттенюаторов RCAT — тонкопленочный ослабитель, в котором резистивный компонент образован в объеме керамики. Герметичное финишное покрытие аттенюатора выполняется в азотной атмосфере. Контактные площадки золотые, покрыты серебряно-цинковым припоем. Частотный диапазон DC–20 ГГц. Стек ослаблений: 0–10, 12, 15, 20, 30 дБ. На рис. 12 представлен внешний вид аттенюатора, а на рис. 13 — характеристики.

Рис. 13. Частотные характеристики аттенюатора RCAT 20 (20 дБ):
а) затухание;
б) обратные потери

Размеры компонента 2,25×2,25×1,1 мм. В данных производителя не указано граничное значение температуры, при котором мощность перестает быть номинальной, но при этом отмечается, что на верхней границе температурного диапазона (–55…+125 °C) поглощаемая мощность равна 0,33 Вт.

Маломощные чип-аттенюаторы с особенностями конструкции

Среди огромного количества маломощных чип-аттенюаторов имеются модели, либо обладающие некоторыми специфическими особенностями, либо нечасто встречающиеся в производственных линейках компаний микроволновой отрасли. Рассмотрим некоторые из них.

Как уже отмечалось, возможности GaAs-технологии позволяют создавать и более сложные изделия. Так, компания Yantel (Китай) выпускает серию сдвоенных аттенюаторов в чип (Die) исполнении. Серия запакована в 8‑выводной корпус размером 2×2×0,75 мм (рис. 14).

Рис. 14. Два фиксированных аттенюатора в чип-исполнении

В серии представлено девять изделий для диапазона 0–43,5 ГГц. Среди них есть чипы с ослабителями как одинакового, так и разного номинала. На следующем рисунке показано сравнение зависимости КСВ от частоты для чипа FAC430210, содержащего аттенюаторы на 2 и 10 дБ (рис. 15).

Рис. 15. Сравнение КСВ для аттенюатора FAC430210

Серия работает с мощностями сигнала до 2 Вт. Производителем заявлена область применения: 5G, измерения, радиолокация, связь, безопасность. Кроме уже представленного аттенюатора в серию FAC входят ослабители со следующими парами номиналов: 1-2, 1-3, 1-4, 1-10, 2-4, 2-6, 2-8, 3-6, 7-7, 10-10, 12-12 дБ.

В производственной линейке компании Yantel есть еще один аттенюатор, который относится к типу пассивных маломощных ослабителей для поверхностного монтажа. Его некоторая особенность состоит в том, что это переменный аттенюатор с ручным дискретным управлением (серия VAD) и с ручным плавнопеременным управлением (серия VAC). Подобные конструкции встречаются нечасто, а потому посвящать им отдельный раздел не имеет смысла. В представлении производителя такой аттенюатор является заменой (видимо, на каком-то этапе разработки прототипа) цифрового аттенюатора. Это связано с тем, что его легче закрепить и настроить. На рис. 16 показаны все виды корпусов серии VAD.

Рис. 16. DIP-корпуса серии VAD

Как видно, в серии предусмотрены корпусы как с вертикальным, так и с боковым расположением движка, в том числе и с терминалами для поверхностного монтажа. Верхняя граничная частота для VAD составляет 2,5 ГГц, мощность — 0,125 Вт. Система настройки аттенюатора позволяет задать шесть положений ослабления и рассчитана на 60 6‑шаговых циклов регулировки (всего 360). Размеры корпуса 10×11×6 мм.

Серия VAC изготовлена по тонкопленочной технологии и поставляется только в DIP-корпусах (рис. 17).

Рис. 17. DIP-корпуса серии VAC

Эта серия работает до 2 ГГц на мощностях до 1 Вт. Узел вращения позволяет регулировать ослабление в диапазоне 0–15 дБ и рассчитан на 500 циклов настройки. Размеры корпуса 9,5×10×5 мм.

На рис. 18 представлены зависимости ослабления и КСВ от частоты для двух произвольно выбранных аттенюаторов серий VAD и VAC.

Рис. 18. Ослабление и КСВ в диапазоне:
а) VAD0305D;
б) VAC18

Еще один чип-аттенюатор с расширенными возможностями предлагает компания AVX (Kyocera). Эта фирма не входит в число флагманов по выпуску аттенюаторов, но является признанным лидером на рынке немагнитных компонентов. Так, в ее производственной линейке имеется немагнитный чип-аттенюатор серии AT, форм-фактора 0603 (EIA), с золотыми контактными площадками (рис. 19).

Рис. 19. Немагнитный чип-аттенюатор от AVX

Для реализации немагнитных свойств компонента производитель предлагает монтаж посредством проводящего эпоксидного клея. При этом конструкция корпуса полностью совместима с системами высокоскоростного автоматизированного монтажа. Аттенюатор имеет тонкопленочную конструкцию из нитрида тантала на подложке из нитрида алюминия и работает в диапазоне 0–20 ГГц. Набор ослаблений 0–10 дБ через 1 дБ. Мощность 1 Вт при ослаблениях до 7 дБ и 0,75 Вт более 7 дБ. Типичный КСВ в полосе 1,25. Компонент рассчитан на установку в копланарные и микрополосковые линии передачи.

Завершая раздел о чип-аттенюаторах для специальных применений, можно отметить изделие, которое производит фирма Apitech. Это низкотемпературный крио-чип-аттенюатор для применения в квантовых компьютерах и рассчитанный на работу при температуре от 4 °мK до 150 °K. Производятся две серии: CCAAW — 18 ГГц и CCAAF — 8 ГГц. Обе выполнены на подложке из нитрида алюминия и имеют одинаковые размеры 1,91×1,52×0,25 мм. и набор ослаблений 0–20 дБ. Более высокочастотная серия имеет мощность до 4 Вт и КСВ
не хуже 1,5, менее высокочастотная соответственно до 5 Вт и КСВ 1,35. Также серии имеют несколько различающийся дизайн контактных площадок («обернутости»).

В таблице 2 приведены некоторые фирмы, производящие маломощные чип-аттенюаторы.

Мощные чип-аттенюаторы

Надо сразу отметить, что у производителей чип- и СМД-чипослаби-телей небольшой выбор способов увеличения мощности своих изделий. Речь, прежде всего, идет о постоянной мощности рассеяния (CW). Попробуем перечислить эти способы.

Применение более теплопроводной подложки. Наглядный пример этого видим в производственной линейке компании Yantel. Так, ее серия 6‑ГГц толстопленочных аттенюаторов FAC06 выпускается на трех подложках. При этом при изготовлении компонента на подложке из оксида алюминия (Al₂O₃ — Alumina) он рассеивает мощность 2 Вт. Напомним, что теплопроводность оксида алюминия — 36 Вт/м·К. Этот же аттенюатор, выполненный на подложке из нитрида алюминия (AlN) или оксида бериллия (BeO), рассеивает уже 5 Вт. Соответствующие значения теплопроводности для нитрида алюминия 170–190 Вт/м·К и для оксида бериллия 210–260 Вт/м·К.

Размер кристалла. Опять обращаемся к изделиям Yantel. Тонко-пленочная серия FAC18 (18 ГГц) с золотыми контактными площадками и обернутым (wrap) «земляным» терминалом рассеивает 0,2 Вт при размере кристалла 1,52×1,9×0,41 мм. Эта же серия, но с размером кристалла 3,1×3,68×0,41 мм рассеивает уже 2 Вт. Отметим, что толщина кристалла в обеих конфигурациях одинакова — 0,41 мм.

Форма контактных площадок. Точнее степень «обернутости».

В качестве примера уже приводилось сравнение двух арсенид-галлиевых аттенюаторов от фирм Endwave (EVA65) и Mini-Circuits (KAT-D). При практически одинаковой площади кристалла они имеют почти десятикратное отличие в поглощаемой мощности. При этом второй от первого отличается наличием полнообернутого «земляного» терминала. Еще раз надо подчеркнуть, что не все десять крат, конечно же, обеспечиваются формой контактной площадки.

Тип и химический состав резистивного вещества. Понятно, что толстопленочные и тонкопленочные поглотители будут иметь разные возможности по утилизации мощности, так же как и, впрочем, химически разные резистивные составы. Обзор большого массива информации на эту тему показывает, что в документации производителей чаще всего встречаются два типа резистивного вещества. Это нитрид тантала и еще один «резистор» с названием «проприетарный». Понятно, что речь идет о веществе, формулу которого производитель не разглашает. Также понятно, что к параметрам, составляющим коммерческую тайну, относятся и особенности вещества, позволяющие рассеивать большую мощность.

Агрегатирование чип-аттенюатора с теплоотводящими элементами в виде фланцев или подобных им конструкций. Происходящее при этом увеличение габаритов аттенюаторов, однозначно связанное с повышением теплоотвода, приводит к значительному снижению верхней граничной частоты работы аттенюатора. Одна из основных причин такого снижения — возрастание паразитной емкости резистивного элемента на «землю». Большинство современных мощных чип-аттенюаторов производится на подложках из оксида бериллия или нитрида алюминия. Поэтому частотные характеристики приборов, связанные с указанной емкостью, определяются диэлектрическими константами соответствующих керамик (BeO — 6,7, AlN — 9). Повышение верхней граничной частоты и мощности аттенюатора возможно при использовании подложки из химического алмаза, имеющего в разы большую теплопроводность (1000–1600 Вт/м·К) и при этом меньшую диэлектрическую проницаемость (5,6). Единственной на данный момент фирмой, серийно производящей такие аттенюаторы, является EMC Technology RF Labs со своей серией CA0505D [15], в которой имеются корпусы типа «чип», «чип с выводами» и «чип, закрепленный на фланце».

Если продолжить перечисление топовых моделей аттенюаторов, при том что верхнюю позицию по частоте займет CA0505D от EMC (26,5 ГГц), самые выдающиеся параметры по мощности имеет фланцевая модель 2018 года от Barry Industries — A3000-1000-1X, рассчитанная на входную мощность до 1000 Вт. Справедливости ради необходимо отметить, что в линейке Barry имеются модели до 3000 Вт, но на малые величины ослаблений (не более 2 дБ) и на частоты до 2 ГГц. При этом А3000-1000 работает в частотном диапазоне до 4,3 ГГц и имеет ослабление 30 дБ.

Это толстопленочный аттенюатор на подложке из оксида бериллия, имеющий соответствующий своей мощности дизайн (рис. 20).

Рис. 20. Аттенюатор А3000-1000-1Х Barry

При работе СВЧ-устройств, имеющих в своем составе мощные аттенюаторы, приходится учитывать зависимость ослабления от частоты. Детальный анализ этой зависимости приведен в руководстве от компании Barry Industries [14]. Начать надо с того, что само значение номинала поглощающего резистора, настраиваемого посредством лазерного триммирования, измеряется на постоянном токе и может отличаться от значения при поглощении микроволновой мощности. Более того, у аттенюаторов П‑схемы при увеличении ослабления происходит изменение (в процентном соотношении) между мощностью, поглощаемой последовательным резистором (она уменьшается), и мощностью, поглощаемой входным шунтирующим резистором (она увеличивается). Все это приводит к тому, что у графиков зависимости ослабления от частоты будет разный наклон для разных ослаблений (рис. 21).

Рис. 21. Типичный частотный отклик мощных аттенюаторов Barry

Еще одна проблема мощных фланцевых и выводных аттенюаторов — контроль температуры изделия. Для работоспособности и времени жизни аттенюатора важна температура резистивного элемента, в то время как методы контроля в основном ориентированы на температуру монтажной поверхности. В технической документации некоторых компаний, производящих аттенюаторы (например, American Technical Ceramics (ATC), AVX), встречается график зависимости утилизируемой мощности от температуры монтажной поверхности, построенный с учетом температуры резистивного элемента [15]. График стал итогом работы по исследованию 20‑ и 30‑дБ аттенюаторов при отсутствии искусственной вентиляции. Мощный фланцевый аттенюатор закреплялся на массивном медном основании, служившем термостатом, который фиксировался на определенной температуре. Далее через закрепленный аттенюатор пропускалась мощность, которая возрастала до тех пор, пока температура резистивного элемента не достигала предельной в +150 °C. После этого мощность фиксировалась и удерживалась 100 ч. Критерием качества аттенюатора считалось изменение ослабления в течение этого цикла не более чем на 0,2 дБ (рис. 22).

Рис. 22. Зависимость мощности от температуры монтажной поверхности

По результатам серии исследований был создан график, который сделан в предположении одномерного распространения температуры при нагревании прибора. Формула этого процесса следующая:

T = T_M + (P × R),

где T — усредненная по площади температура резистивной пленки (максимум +150 °C); Т_М — температура монтажной поверхности, которая считается изотермой; R — термическое сопротивление между монтажной поверхностью и резистивной пленкой ~0,5 °C/Вт; Р — мощность, Вт.

Например, если зафиксировать температуру медного термостата на 0 °C, то нагрев резистивной пленки аттенюатора до +150 °C произойдет при поглощении 300 Вт мощности. Впрочем, в сообщении утверждается, что экспериментальная проверка аналитического выражения производилась только в одной точке: +100 °C и 100 Вт.

Ну и наконец, еще одно, присущее мощным аттенюаторам явление — пассивная интермодуляция. Более подробно о причинах и способах противодействия в разделе об аттенюаторах с коаксиальным соединителем. Здесь отметим только, что среди мощных чип-аттенюаторов существуют модели с пониженным уровнем пассивной интермодуляции (LowPIM). Так, фирма EMC Technology производит изделие 33P7024F во фланцевом исполнении. Это тонкопленочный ослабитель на подложке из нитрида алюминия, рассчитанный на диапазон DC–2,7 ГГц и мощность до 100 Вт. Ряд ослаблений 1–20, 30 дБ, наихудший КСВ — 1,3. Максимальное значение пассивной интермодуляции на уровне 108 дБн. Получено двухчастотным методом 2×43 дБм в диапазоне 1,9 ГГц. О том, какими средствами достигается подавление пассивной интермодуляции, производитель не сообщает.

В таблице 3 приведены некоторые производители мощных чип-аттенюаторов и их продукция.