DE3486157T2

DE3486157T2 - Breitbandiger HF Abschlusswiderstand.

Info

Publication number: DE3486157T2
Application number: DE89103821T
Authority: DE
Inventors: Julius K Botka; S Bruce Donecker
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1984-01-09
Filing date: 1984-12-01
Publication date: 1994-01-20
Anticipated expiration: 2004-12-02
Also published as: DE3484988D1; JPH0795645B2; EP0150336A2; EP0150336A3; DE3486157D1; US4588970A; JPS60167502A; EP0150336B1

Description

Diese Erfindung betrifft eine breitbandige HF-Last.
Breitbandige HF-Lasten oder Präzisionsabschlüsse werden für einige Hochfrequenz-Anwendungen benutzt und sind z. B. als Abschlüsse für Vektornetzanalysatoren nötig.
Für diesen Anwendungsbereich sind Präzisionsabschlüsse erforderlich, die eine weitgehende konstante Impedanz über einen breiten Frequenzbereich aufweisen, mit Rückverlusten von 40 dB oder weniger zwischen 1 GHz bis zu 26,5 GHz und weniger als 34 dB zwischen 45 MHz bis 16 Hz.
Demzufolge ist es die Aufgabe dieser Erfindung ein Präzisionsabschluß oder breitbandige HF-Last bereitzustellen, die über einen breiteren Frequenzbereich bei weitgehend konstanter Impedanz als bisher möglich war, verwendet werden können.
Diese Aufgabe wird anhand einer breitbandigen H.F. Last gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird jetzt in bezug auf die beiliegenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen:
Fig. 1 zeigt eine Referenzlast gemäß der Erfindung;
Fig. 2A, 2B, 2C, 2D, 2E und 2G zeigen vergrößerte Ansichten der Referenzlast und ihrer Elemente; und
Fig. 2F zeigt ein Diagramm der elektrischen Eigenschaften der in Fig. 2C gezeigten Perlen.
Eine HF-Last mit einer breiten Bandbreite ist ein Präzisionselement mit einer konstanten Empfindlichkeit über den gesamten interessierenden Frequenzbereich, der in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel im allgemeinen sich von 45 MHz bis 26.5 GHz erstreckt. Um eine solche konstante Impedanz über diese große Bandbreite zu verwirklichen, ist die HF-Last RO typischerweise ein zusammengesetztes System, wie in Fig. 1 veranschaulicht. Wie dargestellt hat RO drei getrennte Elemente. Das erste, RO1, ist eine verteilte Hochfrequenzlast, die sicherstellt, daß Signale an der Referenzschnittstelle keine Querimpedanz außer RO empfinden. Im Gegensatz zu einem isolierten konzentrierten Widerstand, der weitgehend keine Isolierung erlaubt, kann eine solche verteilte Last fast jede Isolierungsgröße, die angemessenen Dimensionen entspricht, bewerkstelligen. Eine solche Isolierung benötigt allerdings, daß ausreichend Verlust pro Abstandseinheit vorhanden ist, damit bei den interessierenden Frequenzen keine Querimpedanz eingeleitet wird. Verluste von 20-25 dB über die Länge der Last (40-50 dB Isolierung) sind normalerweise ausreichend, um ein Brückenungleichgewicht zu vermeiden.
Die zweite Stufe der Referenzimpedanz RO2 ist eine konzentrierte Last, die sich aiit Ende von RO1 befindet und die einen Verschluß bei niedrigen Frequenzen, wo Verluste in der verteilten Last RO1 nicht ausreichen, um eine Isolierung zu erreichen, bewerkstelligt. Um Parasitär-Querimpedanzen bei diesen niedrigen Frequenzen zu vermeiden, wird die dritte Stufe RO3, ein Ferritkern (balun), hinzugefügt, um die Querreaktanz hoch zu halten. Die R02 und R03 Impedanzbeträge sind so ausgewählt, daß ihre kombinierte Parallelimpedanz gleich R0 ist, da R01 bei niedrigen Frequenzen transparent ist.
Fig. 2A zeigt eine vergrößerte Ansicht der verteilten Last R01 und konzentrierten Last R02. Für Diskussionszwecke werden alle Elemente, die bis jetzt noch nicht beschrieben wurden, mit 700-ter Nummern bezeichnet, um dieses Element mit der Fig. 2 zu assoziieren. Element 701 ist eine untere Massenebene, typischerweise aus Aluminium mit einer Nut für das verteilte Lastmaterial der dreiaxialen Struktur. Verjüngte Lasten 711 und 712 haben typischerweise eine konstante Impedanz-verteilte Last für Frequenzen von über etwa 8 GHz, wobei die übrigen Lasten 711 und 713 bis 740 eine konstante Empfindlichkeit in den Zwischenfrequenzbereichen bewerkstelligen. Wie in Fig. 2B veranschaulicht, sind die verjüngten Lasten 711 und 712 physikalisch miteinander verbunden, um eine gute Anpassung zu erreichen. Verjüngte Last 711 ist typischerweise aus einem relativ verlustlosen Material gebaut, beispielsweise vernetztes Polystyrol mit einer relativen dielektrischen Konstante von ca. 2,54 (z. B. STYCAST 0005, welches von der Firma Emerson & Cuming hergestellt wird), damit die verteilte Last dielektrisch am vorderen Ende belastet wird und man nicht auf Luft als dielektrisches Mittel angewiesen ist. Diese dielektrische Last ist sehr wichtig, um die mit der konzentrierten Last gewünschten Anpassungseigenschaften zu erreichen. An dem vorderen Ende der verjüngten Last 711 beträgt der bevorzugte Durchmesser ca. 0,1497 inch (0,3802 cm), wobei am fernliegenden Ende der bevorzugte Durchmesser ca. 0,0797 inch (0,2024 cm) ist. Die bevorzugte Länge der verjüngten Last 711 ist im allgemeinen etwa 1,959 inch (4,9759 cm), wobei die Verjüngung bei ca. 0,230 inch (0,5842 cm) von vorne beginnt. Verjüngte Last 712 ist typischerweise aus einem maschinell bearbeitbarem mit Verlust behaftetem Material hergestellt, z. B. aus MF112, das auch von Emerson & Cuming hergestellt wird. Die Tabelle I zeigt eine Liste der elektromagnetischen Eigenschaften von MF112 relativ zum Vakuum als eine Funktion der Frequenz.
Die übrigen verteilten Lasten, d. h. Lasten 713 bis 740, entsprechen diesem verjüngten Lastkonzept, weisen aber stufenweise verjüngte Lasten auf. Im allgemeinen haben stufenweise verjüngte Abschlüsse eine relativ geringe Bandbreite und die Dimensionierung ist kritisch. Durch die Verwendung von mit Verlust behafteten Lasten in vielfachen Stufen (d. h. vielfache Lasten) kann jedoch die Bandbreite vergrößert werden, wobei gleichzeitig die gesamte Länge des verteilten Lastabschnitts reduziert wird. Zusätzlich schafft die Verwendung von mit Verlust behafteten Lasten eine unempfindliche Struktur, da anschließende Verluste in nachfolgenden Lasten dazu neigen, Lastenreflexionen undeutlich zu machen. Wie in Fig. 2A angedeutet ist, sind die inneren Lasten 713, 715, 717 und Lastabstandsstück 720 bei der ersten schrittweisen Verjüngung aus STYCAST 0005 Material gebaut, wobei äußere Lasten 714, 716, 718 und 719 und innere Lasten 721, 723, 725, 727, 729, 731, 733, 735 und 737 typischerweise aus MF112 Material hergestellt sind. Die zweite stufenweise Verjüngung beginnt bei Last 722 und geht weiter bis Last 740, wobei Lasten 722, 724, 726, 728, 730, 732, 734, 736, 738, 739 und 740 aus MF124 hergestellt sind, ein von Emerson & Cuming hergestelltes Material, welches einen wesentlich höheren Verlust als MF112 aufweist. Die Tabelle I listet auch die elektromagnetischen Eigenschaften von MF124 gegen Frequenz. MF112 und MF124 wurden gewählt, weil sie eine Mischung aus mit Verlust behafteten Elementen in einem zu STYCAST 0005 äquivalenten Grundmaterial sind. Demzufolge ähnelt bei niedrigen Frequenzen, bei denen mit Verlust behaftete Elemente einen minimalen Verlustbeitrag aufweisen, die äußere Verjüngung der inneren Verjüngung, so daß der verteilte Abschnitt und der konzentrierte Lastabschluß zusammen weitgehend auf die Referenzimpedanz abgestimmt sind. Die Tabelle II ist eine Liste der inneren und äußeren Durchmesser der jeweiligen Lasten. Die innere Dimension jeder Last ist 0,25 inch (0,635 cm) außer für Last 719, die 0,230 inch (0,5842 cm) lang ist und Last 719, die zusammen mit Lastabstandsstück 720 insgesamt 0,25 inch (0,635 cm) entspricht. Wie in den Zeichnungen 2A, 2B und 2C angedeutet, sind die Lasten in unmittelbarer Nähe auf einem zentralen Leiter 705 angebracht. Der Durchmesser des zentralen Leiters 705 ist nominal 0,0474 inch (0,1204 cm).
Eine einstellbare obere Massenebene 741, die typischerweise aus goldbeschichtetem Berylliumkupfer gebildet ist und eine nominale Breite W von 0,237 inch (0,6020 cm), eine Tiefe D von 0,197 inch (0,5004 cm) und eine Länge L von 5,735 inch (14,567 cm) (siehe Fig. 2A und 2E) aufweist, befestigt die Lasten 710 bis 740 in ihren Stellen. Löcher in dem oberen Teil der Massenebene 741 ermöglichen es, daß sich Druckblöcke 748 durch die obere Fläche hindurch erstrecken, um leitende Schuhe 747 zu kontaktieren, die wiederum in Kontakt mit den unteren Flanschen der oberen Massenebene stehen, um sie in einen festen Kontakt mit den Lastelementen zu drücken (siehe Fig. 2D für einen Querschnitt, der die Deformierung der oberen Massenebene an der Außenfläche der Last zeigt). Die Kraft für Druckblöcke 748 ist durch Stellschrauben 755 und 756 geliefert, die in einem oberen Gehäuse 753 montiert sind. Das Vermögen, die individuelle Lastelemente über die obere Massenebene abzustimmen, ist besonders wichtig, um eine präzise Last zu erreichen, da die schrittweisen verjüngten Lasten auf kleine Änderungen in den magnetischen und dielektrischen Eigenschaften besonders empfindlich sein können. Es ist auch zu betonen, daß durch das gesamte System RFI Rundstreifen-leitende elastomerische Dichtungen 708 vorgesehen sind, um einen guten elektrischen Kontakt sicherzustellen.
In Fig. 2C ist das Schlußende der Referenzlast gezeigt, wobei die einzelne Schleife in der inneren koaxialen Anordnung durch eine Sequenz von neun (9) Ferrit-Abschirmungsperlen 757 geführt wurde. Diese Perlen werden verwendet, weil sie eine hohe magnetische Permeabilität haben und sehr mit Verlusten behaftet sind, so daß, wenn die innere koaxiale Anordnung schließlich auf Erde kurzgeschlossen wird, genug in Reihe geschaltete Verluste vorhanden sind, um den Kurzschluß zu isolieren und einen präzisen Referenzabschluß zu schaffen. Ein typisches Material für Perlen 757 ist Ferroxcube Material 3B (erhältlich von Hewlett- Packard unter Lagernummer 9170-0016) mit einer ursprünglichen magnetischen Permeabilität von 900 bezüglich Vakuum bei 20ºC. Die Perlen 757 haben typischerweise einen inneren Durchmesser von 0,051 inch (0,1295 cm) und einen äußeren Durchmesser von 0,138 inch (0,3505 cm) und sind 0,159 inch (0,4938 cm) lang, um eine Impedanz von 300 Ohm in diesem Balun-Abschnitt zu schaffen. Fig. 2F ist eine graphische Darstellung der elektrischen Eigenschaften der Perlen 757.
Fig. 2G zeigt eine vergrößerte Ansicht eines konzentrierten Widerstandes 709 (äquivalent zu R02 der Fig. 1). Er ist im allgemeinen durch das Verbinden der inneren und äußeren aus goldbeschichtetem Saphir bestehenden Ringe mit acht identischen gleich beabstandeten Widerstände 758 gebaut, um einen gesamten Widerstand von 61,5 Ohm zu erreichen.
Der äußere Durchmesser des äußeren Rings des Saphirsubstrats ist typischerweise 0,345 inch (0,8763 cm) und der innere Durchmesser ist typischerweise 0,270 inch (0,6858 cm).
Der äußere Durchmesser des inneren Rings ist typischerweise 0,135 inch (0,3429 cm) und der innere Durchmesser des inneren Rings ist typischerweise 0,075 inch (0,1905 cm). Widerstände 758 werden im allgemeinen aus Tantal hergestellt. TABELLE I Elektromagnetische Eigenschaften Material Eigenschaft * wobei die komplexe dielektrische Konstante (K'-jK'' TAN D) und die komplexe magnetische Permeabilität (M'-jM'' TAN M) ist. TABELLE II: LAST-ELEMENT-DURCHMESSER Element Nummer Äußerer Durchmesser Innerer Durchmesser

Claims

1. Breitbandige H.F.-Last, die über ein Frequenzband eine im wesentlichen konstante Impedanz hat und aufweist: - einen Eingangskanal; und - einen ersten und zweiten mit dem Eingangskanal verbundenen Leiter; gekennzeichnet durch - eine erste verteilte Last (R01), die entlang und zwischen dem ersten (705) und dem zweiten Leiter (701, 741) verteilt ist und die aus inneren Lasten (Ungeraden (711-737)) mit einem inneren Konus und äußeren Lasten (Geraden (712-719, 721-738)) mit einem äußeren Konus besteht, wobei die inneren Lasten einen ersten Werkstoff mit einer ersten inneren Dielektrizitätskonstanten und einem ersten inneren Dämpfungskoeffizienten und die äußeren Lasten aus einem zweiten Werkstoff mit einer ersten äußeren Dielektrizitätskonstanten und einem ersten äußeren Dämpfungskoeffizienten bestehen, von denen der Betrag der ersten inneren Dielektrizitätskonstanten kleiner ist als der Betrag der ersten äußeren Dielektrizitätskonstanten und der Betrag des ersten inneren Dämpfungskoeffizienten kleiner ist als der Betrag des ersten äußeren Dämpfungskoeffizienten; - eine konzentrierte Last (RO2), die dem Eingangskanal gegenüberliegend mit der verteilten Last (RO1) gekoppelt ist; und - eine zweite verteilte Last (RO3), die der verteilten Last (RO1) in Bezug auf die konzentrierte Last gegenüberliegt, mit der konzentrierten Last (RO2) verbunden ist und aus einem dämpfenden Werkstoff gebildet ist, dessen magnetische Permeabilität wesentlich größer ist als die magnetische Permeabilität sowohl des ersten als auch des zweiten Werkstoffs.

2. H.F.-Last nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im wesentlichen im gesamten Frequenzband die erste innere Dielektrizitätskonstante größer als die Dielektrizitätskonstante der Luft.

3. H.F.-Last nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Abschnitt der inneren Lasten eine einzelne Last (711), die kontinuierlich konisch verläuft aus dem ersten Werkstoff und ein erster Abschnitt der äußeren Last eine einzelne Last (712), die kontinuierlich konisch verläuft, aus dem zweiten Werkstoff aufweisen.

4. H.F.-Last nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Abschnitt der inneren und äußeren Lasten mehrere sich schrittweise konisch verjüngende Lasten (713-719, 721-738) aufweist.

5. H.F.-Last nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Lasten im zweiten Abschnitt den ersten Werkstoff enthalten.

6. H.F.-Last nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Lasten im zweiten Abschnitt einen zweiten Werkstoff enthalten.

7. H.F.-Last nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Abschnitt der inneren und äußeren Lasten stufenweise konisch verjüngt ist, wobei die inneren Lasten den zweiten Werkstoff enthalten.

8. H.F.-Last nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Lasten im dritten Abschnitt einen dritten Werkstoff enthalten.

9. H.F.-Last nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Beträge der Dielektrizitätskonstanten und des Dämpfungskoeffizienten des zweiten Werkstoffs jeweils geringer sind als die Dielektrizitätskonstante und der Dämpfungskoeffizient des dritten Werkstoffs.

10. H.F.-Last nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Leiter (701, 741) konzentrisch zum ersten Leiter (705) verläuft um ein koaxiales System um den ersten Leiter (705) zu bilden- wobei die inneren Lasten im wesentlichen konzentrisch innerhalb der äußeren Lasten liegen und die äußeren Lasten sich ihrerseits innerhalb des zweiten Leiters befinden.

11. H.F.-Last nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Leiter (701, 741) eine Vielzahl von Leitern enthält, von denen wenigstens einer einstellbar ist, um eine unabhängige Erdebene in der Nähe jedes Lastelements zur Abstimmung der verteilten Last zu ermöglichen.

12. H.F.-Last nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Leiter (701, 741) konzentrisch zum ersten Leiter (705) liegt, um ein koaxiales System um den ersten Leiter (705) zu bilden, wobei die erste verteilte Last (RO1) innerhalb liegt.

13. H.F.-Last nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leiter (705) selbst ein äußerer leitender Mantel für eine zweite Koaxialleitung ist (Fig. 2d).