Исследование направленного ответвителя на связанных полосковых линиях

Исследование направленного ответвителя на связанных полосковых

линиях

112 1 А.В.Андрианов , Д.Е.Губарев , А.Н.Зикий , В.Г Сленчковский

1 Таганрогский научно-исследовательский институт связи, Таганрог 2 Южный Федеральный Университет, Таганрог

Аннотация: Проведено исследование направленного ответвителя диапазона 1-4ГГц. Дано описание конструкции на симметричной полосковой линии с боковой связью. Проведено моделирование амплитудно-частотных характеристик с помощью пакета MicrowaveOffice. Экспериментально исследован макет направленного ответвителя, получены следующие результаты: рабочее затухание не превышает 1,7 дБ, переходное ослабление не превышает 10 дБ.

Ключевые слова: Направленный ответвитель, амплитудно-частотная характеристика, неравномерность, симметричная полосковая линия.

Направленные ответвители (далее НО) широко используются на входе приемника для ввода контрольного сигнала, и на выходе передатчика для контроля выходной мощности, поэтому их исследование является актуальным.

Объектом исследования является направленный ответвитель на симметричной полосковой линии с боковой связью [1-3]. Методика расчета такого НО достаточно хорошо известна [1-3], в то же время результаты моделирования и эксперимента опубликованы недостаточно.

Конструкция

Направленный ответвитель выполнен на симметричной полосковой линии [1]. Топология его проводников представлена на рис. 1. НО размещен в корпусе чашечного типа с внутренним размером 69,2х82,3х9 мм. Корпус изготовлен из латуни методом фрезерования и покрыт слоем серебра. В качестве соединителей использованы 4 гнезда (коаксиально-полосковых перехода) типа IV по ГОСТ20265. В качестве диэлектрикаиспользован

фторопласт-4 толщиной 4,5 мм[4]. Проводники выполнены из меди и покрыты серебром. Корпус закрывается крышкой из латуни толщиной 2мм.

Крышка привинчивается к корпусу 11 винтами М2,5, распределенными по периметру как показано на рис. 1. Отсутствие двух-трех винтов из 11 приводит к провалам в АЧХ, поэтому их завинчивание перед испытанием является обязательным.

Геометрические размеры НО можно вычислить, пользуясь книгой [2]. В качестве исходных взяты следующие данные :

— центральная частота 3ГГц;

— диэлектрическая постоянная е=2;

— расстояние между полоском и крышкой Н1=Н2=4.5 мм;

— коэффициент связи минус 8 дБ (переходное ослабление). Результаты расчета приведены в таблице 1.

Рис. 1- Фото направленного ответвителя со снятой крышкой и верхней пластиной фторопласта

Таблица 1

Геометрические размеры НО

Наименование параметра,размерность Расчет Моделирование Эксперимент

Диэлектрическая проницаемость 2 2 2

Коэффициент связи (переходное ослабление), дБ -8 -8 -8

Растояние между полоском и крышкой, мм 4,5 4,5 4,5

Длина области связи, мм 17,6 17,6 17,6

Зазор в области связи, мм 0,6 0,6 0,6

Ширина полосковой линии в области связи, мм 4,4 4,4 4,4

Ширина подводящих полосковых линий, мм 6,6 6,6 6,6

Растояние между крышками, мм 9 9 9

Внутренние размеры корпуса, мм - - 69,2х82,3х9

Наружные размеры корпуса, мм - - 99х84х14

Толщина полосковой линии, мм 0,5 0,5 0,5

Моделирование

Моделирование НО проводилось в пакете прикладных программ MicrowaveOffice [5-6]. Модель НО представлена на рис.2, а амплитудно-частотные характеристики на рис.3. Исходные данные для моделирования взяты из таблицы 1.

Рис. 2- Модель НО для анализа Б21

-1 -2

-3

-5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 -12 -13 -14

- — - - - __ a- П----

у* 2995 MHz I.," '

-0.7988 dB | -A- DB

2995 MHz -7 R7 riR

—-Ç ?=—— л

" - - -.

у

/

1000

2000

3000

4000

Frequency

Рис.3- Амплитудно-частотные характеристики прямого DB(S(3,1)) и

бокового ^(2,1))каналов НО

Эксперимент

Эксперимент проводился на установке, содержащей векторный анализатор цепей типа РКА-Ь, набор кабелей и переходов, 2-х согласованных нагрузок с вилкой по типу 1УГОСТ20265-83. Измерения проводились в два этапа. На первом этапе измерялась характеристика Б 2,1, при этом порт 2 был

нагружен на согласованную нагрузку. Результат измерения приведен на рис.4. На втором этапе измерялась характеристика Б31,при этом порт 3 был нагружен на согласованную нагрузку. Результат измерения показан на рис.5.Графики на рис. 3-5 позволяют сформулировать количественные выводы.

Rle Trace/Chan Response Ma rkei/Ana lysis Stimulus Utility Help

-0.20 -0.40 -0.60 Trl S21 LoqM 0.200dB -).20dB

-1.00

дДу \/\Г

-1.40 Vl л Л f т г

\ \Л/ V v

-1.S0 -2.00 2.20 V V

1 >Ch1: Start 1 00000 GHz— Stop 4 00000 GHz

Cnnt CM 1 521 С RMpon» LCI

Рис. 4- АЧХ прямого канала

File Trace/Chan Response Marter/Analysls Stimulus Utility Help

-5.50 -6 00 Tr I S21 LogM 0.500dB -8.00dB

-7 00 -7 50

-8 50 -9 00 -9 50 -10 00 • 10 50

/

f 1

Ц

1 :-Ch1: Start 1.00000GHz— Stop 4.00000QH3

Com Си i Sii С Response LCL

Рис. 5-АЧХ бокового канала

Выводы

Основные характеристики НО, полученные при расчете, моделировании и эксперименте, сведены в таблицу 2.

Таблица 2

Характеристики НО

Параметр НО, Задано Моделирование Эксперимент

размерность

Диапазон рабочих 1-4 1-4 1-4

частот, ГГц

Переходное ослабление, дБ 8 7,9-13 6-10

Волновое 50 50 50

сопротивление

входа и выходов

Рабочее затухание, дБ (Б21) 2 0,2-0,8 1,7

Неравномерность ±2 ±2 ±2

переходного ослабления, дБ

Неравномерность рабочего затухания, дБ 2 0,6 1,1

Сравнение данных в таблице 2 позволяет сделать вывод о том, что все требования к НО выполняются.

Описанный в статье НО имеет большую допустимую мощность (не менее 100 Вт), что позволяет его использовать в мощных радиопередатчиках. Конструкция НО, в том числе наличие антикоррозийных покрытий допускает его применение в жестких условиях эксплуатации. При выполнении данной работы были полезны источники [7-10].

Литература

1. Светличный Ю.Н., Воробьевский Е.М. Справочник по расчету элементов СВЧ на симметричных полосковых линиях. М.: НИИЭИР, 1973. -84 с.

2. Ковалева И.С. Конструирование и расчет полосковых устройств. -М.: Сов. радио, 1974. -296 с.

3. Малорацкий Л.Г., Явич Л.Р. Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях. М.: Сов. радио, 1972. -232 с.

4. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств. Под ред. В.И. Вольмана. М.: Радио и связь, 182.-328 с.

5. Бахвалова С. А., Романюк В. А. Основы моделирования и проектирования радиотехнических устройств в Microwave Office. Учебное пособие -М.: Солон-Пресс, 2016. -152 с.

6. Разевиг В.Д., Потапов Ю.В., Курушин А.А. Проектирование СВЧ устройств с помощью Microwave Office. -М.: Солон-Пресс, 2003. -496 с.

7. DAS. А.С. A Compact Branch-Line Couper Using Folded Microstrip Lines//Das/ A/C/. L/Murmu. S/Dwari//IEEEMicrow/ WirelessCompon. Lett. Dec/ 2013, V.10.№7, pp. 1-3.

8. Tsai, K.-Yu. A miniaturized 3dB branch-line hibrid coupler with harmonics suppression//K.-Yu Tsai. H.-Sh. Yang, j. - H. Chen, Yi-j.E. Chen//IEEE Microw. Wireless Compon. Lett. Oct. 2011. V.21, №. 10, pp. 537-539.

9. АндриановА.В., Зикий А.Н., Пустовалов А.И. Моделирование и экспериментальное исследование трактового фильтра на встречных стержнях // Инженерный вестник Дона, 2016, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N4y2016/3778

10. Андрианов А.В., Быков С.А., Зикий А.Н., Пустовалов А.И. Моделирование и экспериментальное исследование трактового фильтра сантиметрового диапазона // Инженерный вестник Дона, 2017, №1 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N1y17/4042

References

1. Svetlichnyj YU.N., Vorob'evskij E.M. Spravochnik po raschetu ehlementov SVCH na simmetrichnyh poloskovyh liniyah [The basics modelir reference for

calculation of microwave elements on a symmetric strip lines]. M.: NIIEHIR, 1973. 84 p.

2. Kovaleva I.S. Konstruirovanie i raschet poloskovyh ustrojstv. [Design and calculation of stripline devices]. M.: Sov. radio, 1974. 296 p.

3. Malorackij L.G., YAvich L.R. Proektirovanie I raschet SVCH ehlementov na poloskovyh liniyah [Design and calculation of microwave elements on strip lines]. M.: Sov. radio, 1972. 232 p.

4. Spravochnik po raschetu I konstruirovaniyu SVCH poloskovyh ustrojstv. Pod red. V.I. Vol'mana [Guide to the calculation and design of microwave strip devices]. M.: Radio isvyaz', 182. 328 p.

5. Bahvalova S.A., Romanyuk V.A. Osnovy modelirovaniya I proektirovaniya radiotekhnicheskih ustrojstv v Microwave Office [Fundamentals of modeling and design of radio devices in Microwave Office]. Uchebnoe posobie. M.: Solon-Press, 2016. 152 p.

6. Razevig V.D., Potapov YU.V., Kurushin A.A. Proektirovanie SVCH ustrojstv s pomoshch'yu Microwave Office [Fundamentals of modeling and design of radio devices in Microwave Office.Textbook]. M.: Solon-Press, 2003. 496 p.

7. DAS. A.S. A Compact Branch-Line Couper Using Folded Microstrip Lines Das A C .L Murmu. S DwariIEEE MicrowWireless Compon. Lett. Dec 2013, V.10.№7, pp. 1-3.

8. Tsai, K.-Yu. A miniaturized 3dB branch-line hibrid coupler with harmonics suppression K.-Yu Tsai. H.-Sh. Yang, j. H. Chen, Yi-j.E. Chen IEEE Microw. Wireless Compon. Lett. Oct. 2011. V.21, №. 10, pp. 537-539.

9. Andrianov A.V., Zikij A.N., Pustovalov A.I. Inzhenernyj vestnik Dona, 2016, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N4y2016/3778

10. Andrianov A.V., Bykov S.A., Zikij A.N., Pustovalov A.I. Inzhenernyj vestnik Dona, 2017, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N1y17/4042