КОМПАКТНЫЙ КВАДРАТУРНЫЙ НАПРАВЛЕННЫЙ ОТВЕТВИТЕЛЬ

Полезная модель относится к технике сверхвысоких частот и может быть использовано для деления и суммирования сигналов, построения фазовращателей, смесителей, диаграммообразующих элементов.
Известен направленный ответвитель, описанный в патенте США N 3390356, кл. 333-9, 1968 год. Этот ответвитель содержит две электромагнитно связанные коаксиальные линии передачи и имеет экспоненциально убывающий от одного конца к другому коэффициент связи. Недостатками данного технического решения является невозможность реализовать конструкцию с затуханием меньше 7 дБ и большие искажения передаваемых сигналов в системах связи.
Известен также квадратурный направленный ответвитель на элементах с сосредоточенными параметрами. Ответвитель представляет собой симметричный восьмиполюсник, состоящий из фильтров верхних частот ("Широкополосные устройства СВЧ на элементах с сосредоточенными параметрами" Карпов В.М., Малышев В.А., Перевощиков И.В. - М.: "Радио и связь", 1984. с. 67-72, рис. 5.5). При широкой полосе рабочих частот данный ответвитель содержит большое количество элементов, а, следовательно, имеет большие габаритные размеры, низкую надежность и повторяемость при серийном производстве, высокую стоимость, сложен в изготовлении и настройке.
Известен также микрополосковый направленный ответвитель, который содержит диэлектрическую подложку, одна поверхность которой металлизирована, а на другой две линии передачи соединены на расстоянии четверти длины волны двумя четвертьволновыми шлейфами (Вольман В.И., Пименов Ю.В. Техническая электродинамика - «Связь», 1971.-487 с.). Устройство обеспечивает прохождение сигнала с входа основной линии на выход и ответвление части сигнала, проходящего по основной линии передачи, на два выхода. Фазовый сдвиг напряжений на выходах такого ответвителя составляет 90°.
Однако такой ответвитель имеет следующие недостатки:
- большие габаритные размеры, особенно на низких частотах;
- паразитные полосы пропускания на соседних частотах;
- не используется полезно значительная площадь подложки, заключенная между четвертьволновыми линиями передачи.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является микрополосковый направленный ответвитель. Ответвтитель содержит четыре линии передачи, одна из которых отвечает за вход и четыре попарно одинаковые эквивалентные линии передачи, подключенные друг к другу (М. Tarifi, Nihad Did Reduced Size Quadrature Couplers). Однако является невозможным реализовать данную конструкцию с существенно уменьшенными размерами при незначительном ухудшении характеристик.
Полезная модель направлена на уменьшение не используемой полезно площади подложки и уменьшение занимаемой устройством площади подложки. Таким образом, техническим результатом, достигаемым при реализации полезной модели, является уменьшение длин отрезков линий передачи, которые входят в состав направленного ответвителя.
Технический результат достигается за счет того, что компактный квадратурный направленный ответвитель, содержащий четыре линии передачи, отвечающие за вход, четыре попарно одинаковые эквивалентные линии передачи, подключенные друг к другу, и состоящие из линий передачи, где первый вход первой эквивалентной линии передачи соединен с первым входом устройства и вторым входом четвертой эквивалентной линии передачи, второй вход первой эквивалентной линии передачи соединен со вторым входом устройства и первым входом второй эквивалентной линии передачи, второй вход второй эквивалентной линии передачи соединен с третьим входом устройства и первым входом третьей эквивалентной линией передачи, второй вход третьей эквивалентной линией передачи соединен с четвертым входом устройства и первым входом четвертой эквивалентной линией передачи, отличающийся тем, что эквивалентные линии передачи изогнуты в виде меандра и параллельно к ним подключены низкоомные микрополосковые отрезки.
Эквивалентные линии передачи, используемые для построения направленного ответвителя реализованы в виде высокоомных микрополосковых линий передачи изогнутых в виде меандра (представляющие собой индуктивность) и параллельно к ним подключенных низкоомных микрополосковых отрезков (представляющие собой емкость).
Эквивалентные линии передачи, обладающие значениями фаз в необходимой полосе частот, совпадающие со значениями фаз линии передачи, но при этом обладающие меньшей длиной по сравнению с ней.
Как правило, работу направленного отвевтвителя оценивают по графику зависимости S-параметров от частоты и разности фаз между выходными портами. По графику S-параметров определяется полоса рабочих частот, значения коэффициентов передачи и значение согласования в полосе частот. По графику разности фаз можно определить выполняет ли направленный ответвитель свою функцию обеспечения разности фаз между двумя выходами в 90 градусов.
Сущность полезной модели поясняется фигурами, на которых изображено:
- На фиг. 1 - изображена топология компактного квадратурного направленного ответвителя, реализованного на подложке с относительной диэлектрической проницаемостью, равной 4.4, и толщиной 1 мм; вид сверху, где 1, 2, 3, 4 - входы ответвителя, и имеются четыре эквивалентных линии передачи - 1, 2, 3, 4.
- На фиг. 2 - частотная характеристика S-параметров компактного квадратурного направленного ответвителя.
- На фиг. 3 - график зависимости разности фаз между выходами компактного квадратурного направленного ответвителя от частоты.
Компактный квадратурный направленный ответвитель имеет четыре 50-омных входных линии передачи, состоит из четырех эквивалентных линий передачи в микрополосковом исполнении, подключенных друг к другу через тройники между входами 1 и 2, 1 и 4, 3 и 4, 2 и 3 (см. фиг. 1).
Компактный квадратурный направленный ответвитель работает следующим образом.
Поступающая на вход 1 мощность высокочастотного сигнала (например, с рабочей частотой 1.8 ГГц) через эквивалентные линии передачи частично поступает на вход 4, частично ответвляется на вход 3. Подобная реализация, представленная на фиг. 1, предлагаемого ответвителя обеспечивает равное деление мощности. За счет использования эквивалентных линий передачи, обеспечивающих фазовый набег 90°, вход 2 оказывается электрически развязанным на центральной рабочей частоте. Ввиду симметрии предлагаемого устройства, аналогичное рассуждение справедливо при подаче мощности на другие входы.
Также данная топология позволяет получить разность фаз между выходами в 90 градусов на центральной частоте. Ввиду симметрии предлагаемого устройства аналогичная картина происходит и при подаче мощности на любой вход.
В качестве дополнительного преимущества предлагаемый компактный квадратурный направленный ответвитель не имеет паразитных полос пропускания на соседних частотах. Применение эквивалентных линий передачи вместо отрезков линии передачи позволяет осуществить эффективную миниатюризацию конструкции.
Для испытаний был изготовлен опытный образец полезной модели, предлагаемый компактный квадратурный направленный ответвитель со следующими техническими характеристиками:
- амплитудный разбаланс между основным и связанным каналами ответвителя не превышает 0,4 дБ, в соответствии с данными на фиг. 2;
- разность фаз между основным и связанным каналами отличается от 90° не более чем на 2°, что показано на фиг. 3.
2
Площадь предлагаемый компактного квадратурного направленного ответвителя составляет 508.4 мм, что на 75.1% меньше площади, занимаемой стандартной конструкцией ответвителя.