МИНИАТЮРНЫЙ ШИРОКОПОЛОСНЫЙ КВАДРАТУРНЫЙ НАПРАВЛЕННЫЙ ОТВЕТВИТЕЛЬ НА ЭЛЕМЕНТАХ С СОСРЕДОТОЧЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ
MINIATURE BROADBAND QUADRATURE DIRECTIONAL COUPLER ON LUMPED ELEMENTS

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиолокации, радионавигации, связи, антенных системах и радиоизмерениях как самостоятельное устройство, а также в качестве функционального узла для построения делителей мощности, фазовращателей, смесителей, модуляторов, дискриминаторов, сумматоров мощности, диаграммообразующих элементов.
Известен широкополосный квадратурный направленный ответвитель на линиях передачи с распределенной электромагнитной связью, представляющий собой четвертьволновый на центральной частоте отрезок экранированной двухпроводной линии передачи («Устройства сложения и распределения мощностей высокочастотных колебаний.» Под ред. З.И. Моделя. Изд. "Советское радио", М. 1980. с.12, рис.1.11, с.82-85, рис. 6.1). Подобный квадратурный направленный ответвитель обеспечивает равное деление мощности и согласование при сильной связи между проводниками двухпроводной линии, которая достигается за счет, близкого расположения проводников. Недостатками являются: малый зазор между протяженными проводниками, усложняющий конструкцию и технологию изготовления и снижающий электрическую прочность устройства, а также сравнительно большой габаритный размер ответвителя для диапазона метровых волн.
Известен квадратурный направленный ответвитель, выполненный в виде двух одинаковых отрезков линии передачи, например коаксиального кабеля, длиной в 1/8 длины волны в линии и содержащий две сосредоточенные емкости связи, которые включены на концах отрезков между потенциальными проводниками линий («Устройства сложения и распределения мощностей высокочастотных колебаний.» Под ред. З.И. Моделя. Изд. "Советское радио", М. 1980. С.86-87, рис.6.6). Недостатками являются узкая полоса рабочих частот и большой габаритный размер.
Известен квадратурный направленный ответвитель на элементах с сосредоточенными параметрами, представляющий 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. Данный ответвитель взят в качестве прототипа изобретения.
Целью изобретения является уменьшение габаритных размеров, создание технологичной конструкции ответвителя, предполагающей возможность ее интегрирования в топологию интегральных схем радиотехнических устройств, при сохранении широкой полосы рабочих частот и уменьшении количества элементов.
Для достижения указанной цели предлагается миниатюрный широкополосный квадратурный направленный ответвитель на элементах с сосредоточенными параметрами, состоящий из двух пар индуктивно связанных катушек, соединенных последовательно, и конденсаторов. Согласно изобретению индуктивно связанные катушки выполнены в виде плоских прямоугольных спиральных проводников, расположенных парами друг под другом в слоях многослойной керамической платы на определенном расстоянии друг от друга для обеспечения требуемого коэффициента индуктивной связи, конденсаторы включены между выводами пар катушек и между выводами пар катушек и землей для обеспечения большей ширины рабочей полосы частот за счет приближения схемы ответвителя к эквивалентной схеме четвертьволнового отрезка связанных линий передач.
Принципиальная электрическая схема ответвителя представлена на Фиг.1. Схемы эквивалентных четырехполюсников, на которые можно разложить схему ответвителя в режиме синфазного и противофазного возбуждения, показаны на Фиг.2. а) и б). Вид конструкции показан на Фиг.3, Фиг.4. На Фиг.5 показаны графики частотных зависимостей коэффициента стоячей волны по напряжению входов ответвителя. На Фиг.6. изображены графики частотных зависимостей рабочего затухания и переходного ослабления ответвителя, выраженные в децибелах. На Фиг.7. изображен график частотной зависимости отклонения разности фаз между связанным и основным входами ответвителя от 90 градусов.
Предлагаемая конструкция содержит две пары индуктивно связанных и включенных последовательно катушек (L1, L2 и L3, L4 на фиг.1.) в виде плоских прямоугольных спиралей (1 на фиг.3, фиг.4.), расположенных друг под другом в слоях многослойной керамической платы на определенном расстоянии друг от друга, обеспечивая одновременное выполнение требований малых размеров и сильной связи между катушками, пяти конденсаторов, три из которых (С1, С3 на фиг.1.) подключены между выводами связанных катушек, два (С2 на фиг.1.) - между выводами связанных катушек и землей. Конденсаторы подключаются к контактным площадкам (2 на фиг.3, фиг.4.) и верхнему металлизированному слою платы (на фигурах не показан). Выводы катушек посредством линий (3 на фиг.3, фиг.4.), согласующих устройств (4 на фиг.3, фиг.4.) подключаются к контактным площадкам (5 на фиг.3, фиг.4.), которые являются входами ответвителя.
Анализ работы устройства можно провести методом четного и нечетного возбуждения. При четном возбуждении сигналы на входах 1 и 2, 3 и 4 (фиг.1.) имеют одинаковую фазу. В плоскости симметрии электрической схемы ответвителя имеет место холостой ход. Эквивалентная электрическая схема ответвителя в этом режиме показана на Фиг.2 а), где К -коэффициент связи между индуктивностями.
При нечетном возбуждении сигналы на входах 1 и 2, 3 и 4 (фиг.1.) находятся в противофазе. В плоскости симметрии электрической схемы ответвителя имеет место короткое замыкание. Эквивалентная электрическая схема ответвителя в этом режиме показана на Фиг.2 б). Можно увидеть, что как в случае четного, так и в случае нечетного возбуждения электрические схемы являются сосредоточенными аналогами отрезков длинных линий. Численные значения параметров элементов подбираются, исходя из требований равенства фазового сдвига в широкой полосе частот и необходимого соотношения между характеристическими сопротивлениями данных отрезков.
Таким образом, предлагаемая схема замещает четвертьволновый отрезок электромагнитно связанных линий передачи по своим электрическим характеристикам, при этом конструкция имеет малые габаритные размеры и обеспечивает в полосе частот с перекрытием 2:1 следующие значения электрических характеристик:
коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) входов ответвителя не более 1,15;
амплитудный разбаланс между основным и связанным каналами ответвителя не превышает 0,7 дБ;
разность фаз между основным и связанным каналами отличается от 90° не более чем на 3°.
Изобретение может быть осуществлено путем изготовления многослойной керамической платы по технологии низкотемпературной совместно спекаемой керамики, либо иной технологии изготовления многослойных плат из диэлектрика с металлизацией, обеспечивающей требуемые точности выполнения топологических элементов и возможность подбора необходимой толщины слоев платы.