МИКРОПОЛОСКОВЫЙ НАПРАВЛЕННЫЙ ОТВЕТВИТЕЛЬ НА НЕРЕГУЛЯРНЫХ СВЯЗАННЫХ ЛИНИЯХ

Полезная модель относится к технике СВЧ и может быть использована в системах беспроводного широкополосного доступа 3G и 4G для направленного деления мощности между входным портом и двумя выходными портами с непериодической частотной зависимостью переходного ослабления сигналов между портами.
oe
OO
Известен СВЧ направленный ответвитель [1] Направленный ответвитель (фиг.1) содержит четыре порта: 1 - входной, 2, 3 и 4 - выходные. Конструктивно направленный ответвитель выполнен на двух ортогонально расположенных диэлектрических подложках 5 и 6. Первая подложка 5 расположена горизонтально, вторая подложка 6 вертикально. Связанные элементы (полоски) 7-7′ расположены на обеих сторонах второй подложки 6 таким образом, что между ними образована лицевая связь. Эти полоски представляют первую часть связанных линий 7-7′. Вторая часть связанных линий 8-8′ формируется на горизонтальной подложке 1. Первая часть связанных линий 7-7′ на одной стороне вертикальной подложки соединяется со второй частью полосок 8-8′ на горизонтальной подложке. Входной порт 1 и выходные порты 2, 3, 4 нагружены на сопротивления величиной , где Z и Z - соответственно характеристические сопротивления связанных линий синфазного и противофазного (четного и нечетного) возбуждения. Мощность сигнала, поступающая на порт 1, делится между портами 2, 3 и 4. На порту 2 уровень мощности определяется как разница между мощностью на входе 1 и мощностью сигнала на портах 3 и 4. При этом на порту 2 уровень мощности определяется переходным ослаблением сигнала между связанными линиями 7-7′ и 8-8′.
21
31
Волновой процесс в связанных линиях, определяющий переходное ослабление, зависит от коэффициента связи k между обеими частями связанных линий 7-7′ и 8-8′. При коэффициенте связи k=0.707 переходное ослабление сигнала по напряжению между портом 1 и 2 теоретически составляет - 3 дБ. Экспериментально измеренная частотная зависимость модулей коэффициентов S и S матрицы рассеяния показана на фиг. 2 [1].
Недостатком направленного ответвителя [1] является то, что он имеет периодически повторяющуюся частотную характеристику . Рассчитанные и экспериментально измеренные зависимости , имеют вид, показанный на фиг.3.
Наиболее близким является СВЧ направленный ответвитель для поверхностного монтажа [2]. Направленный ответвитель содержит монтажную плату 1, монтируемую примерно перпендикулярно основной монтажной плате 2, расположенную горизонтально. Первая и вторая связанные полоски (поз.3 и 3' на фиг.4, 5) расположены на противоположных поверхностях монтажной платы 1. Связь между полосками 3 и 3′ определяет характеристическое сопротивление нечетной (противофазной) моды Т-волны. Первая и вторая нижние дорожки (поз.4, 4′ на фиг.4, 5) также расположены на противоположных поверхностях платы 1 и соединены с планарным заземляемым экраном 5. Полоски 3, 3′ и 4, 4′ расположены таким образом, что характеристическое сопротивление четной (синфазной) моды Т-волны определяется зазором между полосками 3 и 4, и 3′ и 4′ соответственно.
Конструкция направленного ответвителя позволяет улучшить направленность и расширить рабочую полосу частот.Однако при этом направленный ответвитель [2] имеет следующие недостатки:
периодически повторяющуюся частотную характеристику, характерную для направленных ответвителей, имеющих в среднем регулярные параметры вдоль продольной координаты х (см. фиг.3);
с повышением частоты начинают сказываться неоднородности связанных полосок, имеющих форму меандра. Наличие неоднородностей в зазоре между полосками 3, 4 и 3′ и 4′ приводит к частотной зависимости параметров связи и, как следствие, увеличению переходного ослабления при переходе от первой ко второй и от второй к третьей полосе пропускания.
Целью предложенной полезной модели является получение непериодической частотной характеристики переходного ослабления с уменьшением его величины от первой ко второй полосе пропускания и от второй к третьей полосе пропускания.
Поставленная цель достигается тем, что микрополосковый направленный ответвитель на нерегулярных связанных линиях содержит основную диэлектрическую подложку, на которой расположены связанные микрополосковые линии. Перпендикулярно основной подложке, в зазор линий установлена дополнительная диэлектрическая подложка. На нижней части боковых поверхностей дополнительной подложки, нанесены микрополосковые линии, причем электрический контакт с линиями на основной и дополнительной подложке расположен вдоль линии касания подложек. Микрополосковые линии выполнены в виде ступенчато-нерегулярных линий. При этом каждый четный отрезок ступенчато-нерегулярных линий с номерами 2i (i=1, 2) имеет ступенчатый выступ на основной подложке, а нечетные отрезки с номерами 2i-l (i=1, 2, 3) имеют ступенчатые выступы на дополнительной подложке.
Сущность заявляемой полезной модели, ее основные конструктивные особенности поясняются иллюстративными материалами, представленными на фиг. 6-16.
На фиг.6 изображен общий вид, поясняющий основные конструктивные особенности заявляемого микрополоскового направленного ответвителя.
На фиг.7 показан вид сверху, поясняющий топологию нерегулярных линий на основной подложке.
На фиг.8 изображен вид в разрезе А-А, поясняющий структуру поперечного сечения на участках с сильной связью.
На фиг.9 - вид в разрезе Б-Б, поясняющий структуру поперечного сечения на участках со слабой связью.
На фиг.10 - вид сбоку, поясняющий топологию нерегулярных линий на дополнительной диэлектрической пластине.
На фиг.11, 12 - приведены размеры полосок.
21
31
На фиг.13 - расчетные и экспериментальные частотные характеристики переходного ослабления между портами I, II и I и III, рассчитанные как модули коэффициентов матрицы рассеяния |S|, |S| для случая, когда длина всех связанных отрезков одинакова и составляет 40 мм.
21
31
1
2
На фиг.14 показаны частотные характеристики переходного ослабления между портами I, II и I и III, рассчитанные как модули коэффициентов матрицы рассеяния |S|, |S| для случая, когда длина связанных отрезков с сильной связью составляет l=52 мм, а длина связанных отрезков со слабой связью составляет l=28 мм.
21
31
2
На фиг.15 показаны частотные зависимости коэффициентов передачи (модулей матрицы коэффициентов матрицы рассеяния |S| |S|) при мм, l=28 мм
На фиг.16 показана реакция устройства на ступенчатое изменение напряжения на входе.
В таблице 1 приведены размеры проводников и подложек микрополоскового направленного ответвителяна нерегулярных связанных линий.
11
12
12
11
21
22
21
22
22
12
22
12
22
12
21
11
На основной подложке фиг.6 расположены отрезки подводящих линий передачи 3, 4, 5, 6, входы которых образуют соответственно порт I, порт II, порт III и порт IV. На основной подложке 1 расположены ступечато-нерегулярные связанные линии передачи, образованные последовательно соединенными полосками 7, 8, 9, 10, 11 и симметрично им относительно продольной оси х также последовательно соединенными полосками 7′, 8′, 9′, 10′, 11′ (см. фиг.6, 7, 8, 9). Между полосками 7 и 7′, 8 и 8′, 9 и 9′, 10 и 10′, 11 и 11′ со стороны их лицевой связи выполнен зазор S, одинаковый для всех отрезков 18-22 ступенчато-нерегулярных связанных линий (фиг.8). Дополнительная подложка 2 установлена перпендикулярно основной подложке в зазоре S. На дополнительной подложке 2 расположены отрезки ступечато-нерегулярных связанных линий, образованные последовательно соединенными полосками 12, 13, 14, 15, 16 и 12′, 13′, 14′, 15′, 16′. Отрезки 18-22 ступечато-нерегулярных связанных линий передачи на основной подложке 1 соединены с портами I-IV через отрезки подводящих линий передачи 3, 4, 5, 6. Отрезки ступечато-нерегулярных связанных линий передачи на основной подложке 1 и отрезки ступечато-нерегулярных связанных линий передачи на дополнительной подложке 2 соединены друг с другом по линиям касания подложек (фиг.7, 8, 9). Полоски 7, 7′, 9, 9′, 11, 11′ имеют ширину W, а полоски 8, 8′, 10, 10′ - W причем W>W - Полоски 12, 12′, 14, 14′, 16, 16′ имеют ширину W, полоски 13, 13′, 15, 15′ - W, при этом W>W. Соотношение между размерами полосок отрезков: для отрезка 18 - W2i>Wu; для отрезка 19 - W<W; для отрезка 20 - W>W; для отрезка 21 - W<W для отрезка 22 - W>W. На подложке 1 с обратной стороны нанесено заземляемое основание 17 в виде металлизации.
Микрополосковый направленный ответвитель на нерегулярных связанных линиях работает следующим образом.
11
0
21
11
CL
CL
На подводящую линию 3 фиг.7 подается входное широкополосное воздействие. Отрезок связанных линий 18, образованный полосками 7, 7′, 12, 12′ характеризуется сильной электромагнитной связью, т.к. W21>W. Характеристические сопротивления связанных линий для синфазной и противофазной волн  и  выбираются из условия , где Z - характеристическое сопротивление подводящих линий (нагрузок). В силу того, что W>W, коэффициент электромагнитной связи k между линиями отрезка связанных линий достаточно большой, например, k - 0.7.
CL
Отрезок связанных линий 19, образованный полосками 8, 8′, 13, 13′, характеризуется слабой электромагнитной связью, например k=0.45, т.к.
22
12
W<W- При этом также характеристические сопротивления синфазной  и противофазной  волн выбираются также из условия
Отрезки связанных линий 20, 22 образованные соответственно полосками 9, 9′, 14, 14′, 11, 11′, 16, 16′ идентичны отрезку 18. Отрезок связанных линий 21, образованный полосками 10, 10′, 15, 15′ идентичен отрезку 19.
CLmax
CLmin
Каждый из отрезков связанных линий 18-22 имеет одинаковую длину l, общая длина участка связи, образованного каскадно включенными отрезками 18, 19, 20, 21, 22, составляет 5 l. При общем фазовом набеге 90 град между портом I и портом III переходное ослабление между портом I и портом II минимально и составляет - 4.7 дБ, что соответствует среднему значению коэффициента электромагнитной связи , где k - максимальный коэффициент связи между полосками отрезков связанных линий 18, 20, 22, k - минимальный коэффициент связи между полосками отрезков связанных линий 19 и 22. С увеличением частоты сигнала и возрастанием фазового набега между портом I и портом III до 360 град переходное ослабление между портом I и портом II уменьшается. Полюс (наибольшая величина) переходного ослабления формируется при фазовом сдвиге 180 град между портом I и портом III. На частоте, соответствующей фазовому набегу 540 град, переходное ослабление между портом I и портом III уменьшается до -1.1 дБ, полоса пропускания увеличивается примерно в 2 раза. Таким образом, заявляемая полезная модель обладает свойством непериодической частотной характеристики переходного ослабления.
Пример конкретной реализации полезной модели.
Расчет и экспериментальные исследования полезной модели проведены на образце, размеры проводников которого обозначены на фиг.11, 12. Рассмотрены два варианта исполнения устройства: первый с равными длинами отрезков связанных линий; второй - со значениями длины отрезков, приведенными в табл.1.
Расчет и экспериментальные измерения проводились в частотной, и во временной области. Частотные характеристики были получены с помощью прибора OBZOR-103. Измерения частотных характеристик проводились в согласованном режиме, в полосе частот от 300 кГц до 1,4 ГГц, а измерения во временной области осуществлены на установке, содержащей стробоскопический осциллограф Tektronix 11801 В и измерительную головку SD-24. Установка содержит также генератор ступенчатого скачка напряжения с длительностью фронта порядка 70 пс, и позволяет регистрировать отклик от устройства с частотой 256x109 выборок в секунду (длительность выборки 3.9 пс).
1
2
На фиг.13, 14 приведены частотные характеристики, полученные в результате моделирования и эксперимента для первого случая при l=l=l=40 мм.
Из анализа частотных характеристик фиг.15 следуют важные выводы:
21
31
31
1) Зависимости |S| |S| от частоты /имеют вид непериодической функции в диапазоне частот, соответствующем нарастанию arg(S) до 360 град, т.е. до частоты, на которой длина участка связи нерегулярных линий соответствует длине волны;
2) Переходное ослабление с ростом частоты уменьшается при переходе от первой ко второй и от второй к третьей полосе пропускания. Величины ослабления: на первой полосе - 4,0 дБ, на второй полосе пропускания - 3,0 дБ; на третьей - 1,1 дБ.
1
2
1
1
3
1
2
2
l
2
На фиг.16 показаны импульсные характеристики макета полезной модели при l=l=l=40 мм. На вход устройства (порт I) подавался импульсный сигнал в виде ступеньки напряжения U(t) (фиг. 16, а). Импульс U(t) имеет фронт нарастания 0.1 не. На выходе порта III напряжение U(t) (фиг.16, а) повторяет форму сигнала U(t) с затянутым фронтом 0.6 нс. На фиг. 16, б показана зависимость U(t) импульса, сформированного на нагрузке порта II. Фронт импульса U(t) практически идентичен фронту U(t), но импульс имеет три ярко выраженных максимума. Это свидетельствует о механизме образования U(t) за счет перекачки части
2
энергии падающей волны в линии, образованной каскадным соединением отрезков 7-11, в волну в линии, образованной каскадным соединением отрезков 7′-11′, распространяющуюся в обратном направлении. При этом четко просматривается задержка максимумов U(t) обусловленная групповым временем запаздыванием волны, сформированной на участках сильной связи между линиями.
Литература
1. Yoshirito Konishi, Haruaki Fujimoto. Microwave Directional
Coupler. Pat. U.S. 4,823,097. Apr., 18, 1989.
2. Пат.RU 2 265 260 Cl. Бородулин Д., Диттмер Т., Кабрера Дж.
(США). Направленный ответвитель для поверхностного монтажа. Опубл.: 27.11.2005. Бюл. №33; Pat. US 5,539,362. Michael J. Culling. Jul. 23, 1996. Surface Mounted Directional Coupler. Int. CI. H01P 5/18. U.S. CI. 333/116; 333/238.
МИКРОПОЛОСКОВЫЙ НАПРАВЛЕННЫЙ ОТВЕТВИТЕЛЬ НА НЕРЕГУЛЯРНЫХ СВЯЗАННЫХ ЛИНИЯХ
Таблица 1
Параметр, единица измерения
Обозначение
Значениe
Длина структуры, мм
А
214
Ширина структуры, мм
В
38
Толщина основной подложки, мм
h<sub>1</sub>
2
Толщина дополнительной вертикальной подложки, мм
h<sub>3</sub>
0,52
Зазор между связанными линиями, мм
S
0,52
Длина отрезков связанных линий с коэффициентом связи <img file="00000013.tif" he="7" wi="25" img-content="undefined" img-format="tif" />, мм
l<sub>1</sub>
52
Длина отрезков связанных линий с коэффициентом связи <img file="00000014.tif" he="7" wi="28" img-content="undefined" img-format="tif" />, мм
l<sub>2</sub>
28
Относительная диэлектрическая проницаемость основной подложки
ε<sub>1</sub>
5
Относительная диэлектрическая проницаемость вертикальной подложки
ε<sub>2</sub>
2,8
Ширина горизонтального проводника с коэффициентом связи <img file="00000015.tif" he="7" wi="25" img-content="undefined" img-format="tif" />, мм
W<sub>11</sub>
0,71
Ширина вертикального проводника с коэффициентом связи <img file="00000016.tif" he="7" wi="25" img-content="undefined" img-format="tif" />, мм
W<sub>21</sub>
1,56
Ширина горизонтального проводника с коэффициентом связи <img file="00000017.tif" he="7" wi="28" img-content="undefined" img-format="tif" />, мм
W<sub>l2</sub>
2,05
Ширина вертикального проводника с коэффициентом связи <img file="00000017.tif" he="7" wi="28" img-content="undefined" img-format="tif" />,мм
W<sub>22</sub>
0,45
Длина подводящей линии, мм
l<sub>пл</sub>
18,3
Ширина подводящей линии, мм
W<sub>пл</sub>
3,58