ШИРОКОПОЛОСНАЯ МИКРОПОЛОСКОВАЯ СОГЛАСОВАННАЯ НАГРУЗКА
BROADBAND MICROSTRIP MATCHED LOAD

Изобретение относится к области радиотехники и электроники и может быть использовано как самостоятельно для поглощения электромагнитной волны на выходе СВЧ-волноводного тракта, так и в качестве элементов более сложных функциональных устройств: направленных ответвителей, сумматоров мощности, измерительных мостов, фильтров и т.д.
Известна микрополосковая нагрузка (см. патент RU на ПМ №126197, МПК H01P 1/26), включающая диэлектрическую подложку из оксида алюминия с отрезком микрополосковой линии и резистивным слоем, выполненным в виде двух прямоугольных резисторов, расположенных по разные стороны от отрезка микрополосковой линии и примыкающих одной стороной к этому отрезку, а противоположные стороны этих резисторов замыкаются между собой через П-образный проводник с установленной в его середине перемычкой на земляной слой, выполненный на противоположной плоскости подложки. В пятидесятиомном тракте, работающем на частотах 1000-1500 МГц, для обеспечения КСВН меньше 1,05 диэлектрическая плата выполнена на подложке толщиной 2 мм, а ширина горизонтальной части П-образного проводника выполнена в пределах 1,6…1,9 мм, ширина вертикальных частей - 0,6…0,8 мм, а ширина микрополосковой линии - 1,5…1,7 мм.
Однако данная нагрузка обладает значительными продольными габаритами и является узкополосной.
Известна микрополосковая нагрузка (см. заявку RU на ИЗ №92013230, МПК P01P 1/26). Между П-образными проводниками, подключенными к резистивным элементам, и следующими П-образными проводниками введены компенсирующие индуктивности в виде отрезков проводников, длина которых определена из условия компенсации емкостной составляющей импеданса части согласованной нагрузки от данного сечения до заземляющего проводника, а сопротивление резистивных слоев выбрано увеличивающимся по экспоненциальному закону в направлении от входного проводника к заземляющему проводнику.
Однако данная нагрузка обладает значительными продольными габаритами и достаточно сложна для реализации на высоких частотах.
Наиболее близкой по сущности к предлагаемой является микрополосковая нагрузка (см. патент RU №2049367, МПК H01P 1/26), которая содержит входную линию передачи, к которой через отдельные резисторы подключены разомкнутые шлейфы, электпомагнитно связанные между собой. Общее количество разомкнутых шлейфов не менее двух. Величина сопротивления каждого резистора больше величины волнового сопротивления входной линии передачи. Разомкнутые шлейфы выполнены с одинаковой или различной резонансной частотой.
Однако данная нагрузка обладает значительными продольными габаритами и малой допустимой рассеиваемой мощностью.
Задача настоящего изобретения заключается в создании широкополосной микрополосковой согласованной нагрузки СВЧ-излучения, отличающейся широкополностью, технологической простотой изготовления, малыми продольными габаритами.
Технический результат заключается в расширении рабочей полосы частот, уменьшении продольных размеров согласованной нагрузки.
Поставленная задача достигается тем, что микрополосковая согласованная нагрузка, состоящая из последовательно соединенных отрезков микрополосковой линий передачи, содержит не менее семи чередующихся отрезков микрополосковой линии передачи с различным поверхностным сопротивлением, крайними из которых являются отрезки с малым поверхностным сопротивлением, и не менее двух пар разомкнутых шлейфов, расположенных симметрично по разные стороны от микрополосковой линии, каждый из которых выполнен в виде двух последовательно соединенных отрезков микрополосковой линии передачи с большим и малым поверхностным сопротивлением и подключен к отрезкам микрополосковой линии передачи с малым поверхностным сопротивлением таким образом, что отрезок шлейфа с большим поверхностным сопротивлением соединяется с отрезком микрополосковой линии передачи с малым поверхностным сопротивлением, при этом длина первого отрезка микрополосковой линии передачи с большим поверхностным сопротивлением должна находиться в диапазоне длин λ24-λ/24 (где λ - длина волны, соответствующая середине рабочего диапазона длин волн), длина второго отрезка микрополосковой линии передачи с большим поверхностным сопротивлением должна составлять не менее λ/6, длина третьего отрезка микрополосковой линии передачи с большим поверхностным сопротивлением должна составлять не менее λ/12 длины отрезков шлейфов с большим и малым поверхностным сопротивлением и длины отрезков микрополосковой линии передачи с малым поверхностным сопротивлением должны находиться в диапазоне длин λ/10-λ/6.
Поглощающие свойства согласованной нагрузки определяются совокупностью как поглощающих свойств отрезков микрополосковой линии и шлейфов с большим поверхностным сопротивлением, так и топологией структуры. Оптимальное согласование микрополосковой нагрузки с 50-омной линией передачи в широком диапазоне частот достигается топологией и электрофизическими характеристиками отрезков с большим и малым поверхностным сопротивлением. Количество отрезков полосковых линий, их топологию и электрические параметры выбирают таким образом, чтобы в выбранном частотном диапазоне величины коэффициентов стоячей волны и прохождения были меньше заданных значений.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами.
Фиг.1. Общий вид микрополосковой согласованной нагрузки.
Фиг.2. Расчетная зависимость коэффициента стоячей волны от частоты в восьмимиллиметровом диапазоне длин волн.
Фиг.3. Расчетная зависимость коэффициента прохождения от частоты в восьмимиллиметровом диапазоне длин волн.
Фиг.4. Экспериментальная зависимость коэффициента стоячей волны от частоты в восьмимиллиметровом диапазоне длин волн.
Фиг.5. Экспериментальная зависимость коэффициента прохождения от частоты в восьмимиллиметровом диапазоне длин волн.
Фиг.6. Топология микрополосковой согласованной нагрузки при увеличенной длине отрезков с большим поверхностным сопротивлением первой пары шлейфов.
Фиг.7. Расчетная зависимость коэффициента стоячей волны от частоты электромагнитного излучения для топологии микрополосковой согласованной нагрузки при увеличенной длине отрезков с большим поверхностным сопротивлением первой пары шлейфов.
Фиг.8. Топология микрополосковой согласованной нагрузки при увеличенной длине отрезков с большим поверхностным сопротивлением второй пары шлейфов.
Фиг.9. Расчетная зависимость коэффициента стоячей волны от частоты электромагнитного излучения для топологии микрополосковой согласованной нагрузки при увеличенной длине отрезков с большим поверхностным сопротивлением второй пары шлейфов.
Фиг.10. Топология микрополосковой согласованной нагрузки при отсутствии в шлейфах отрезков с малым поверхностным сопротивлением.
Фиг.11. Расчетная зависимость коэффициента стоячей волны от частоты электромагнитного излучения для топологии микрополосковой согласованной нагрузки при отсутствии в шлейфах отрезков с малым поверхностным сопротивлением.
Фиг.12. Топология микрополосковой согласованной нагрузки при уменьшенной длине первого отрезка микрополосковой линии с большим поверхностным сопротивлением.
Фиг.13. Расчетная зависимость коэффициента стоячей волны от частоты электромагнитного излучения для топологии микрополосковой согласованной нагрузки при уменьшенной длине первого отрезка микрополосковой линии с большим поверхностным сопротивлением.
Фиг.14. Топология микрополосковой согласованной нагрузки при увеличенной длине первого отрезка микрополосковой линии с большим поверхностным сопротивлением.
Фиг.15. Расчетная зависимость коэффициента стоячей волны от частоты электромагнитного излучения для топологии микрополосковой согласованной нагрузки при увеличенной длине первого отрезка микрополосковой линии с большим поверхностным сопротивлением.
Фиг.16. Топология микрополосковой согласованной нагрузки при уменьшенной длине второго отрезка микрополосковой линии с большим поверхностным сопротивлением.
Фиг.17. Расчетная зависимость коэффициента стоячей волны от частоты электромагнитного излучения для топологии микрополосковой согласованной нагрузки при уменьшенной длине второго отрезка микрополосковой линии с большим поверхностным сопротивлением.
Фиг.18. Топология микрополосковой согласованной нагрузки при увеличенной длине второго отрезка микрополосковой линии с большим поверхностным сопротивлением.
Фиг.19. Расчетная зависимость коэффициента стоячей волны от частоты электромагнитного излучения для топологии микрополосковой согласованной нагрузки при увеличенной длине второго отрезка микрополосковой линии с большим поверхностным сопротивлением.
Пример практической реализации устройства.
Согласованная волноводная нагрузка в восьмимиллиметровом диапазоне длин волн имеет следующие параметры:
Рабочий диапазон, ГГц
33-37
Коэффициент стоячей волны, не более
1,1
Коэффициент прохождения, дБ, не более
-40
Для расчета коэффициентов стоячей волны и прохождения электромагнитной волны через микрополосковую структуру, состоящую из отрезков микрополосковой линии передачи с различным поверхностным сопротивлением, представленную на фиг.1, производилось компьютерное моделирование в среде САПР HFSS Ansoft.
Для вычисления значений параметров микрополосковой структуры решалась следующая задача оптимизации:
стU
- К<1.1;
п
- К (коэффициент прохождения) < -40 дБ;
- количество чередующихся отрезков в микрополосковой линии - 7;
- количество чередующихся шлейфов в шлефах - 8;
- количество шлейфов - 4;
- материалы слоев:
1. золото;
2. хром;
- поверхностное сопротивление высокоомного слоя - 50 Ом/квадрат;
- диапазон частот - от 33 ГГц до 37 ГГц.
Расчетные значения частотной зависимости коэффициентов отражения и прохождения представлены на фиг.2 и фиг.3, соответственно.
По данным компьютерного моделирования была изготовлена микрополосковая согласованная нагрузка. Металлические слои (хром и золото) напылялись на подложки из поликора с диэлектрической проницаемостью 9,6. Отрезки микрополосковой структуры с большим поверхностным сопротивлением были непосредственно соединены с отрезками с малым поверхностным сопротивлением и периодически чередовались, образуя структуру микрополоскового неупорядоченного фотонного кристалла. Разомкнутые шлейфы, расположенные симметрично по разные стороны от микрополосковой линии, каждый из которых выполнен в виде двух последовательно соединенных отрезков микрополосковой линии передачи с большим и малым поверхностным сопротивлением и подключен к отрезкам микрополосковой линии передачи с малым поверхностным сопротивлением таким образом, что отрезок шлейфа с большим поверхностным сопротивлением соединяется с отрезком микрополосковой линии передачи с малым поверхностным сопротивлением, образуют периодические микрополосковые структуры в направлении, перпендикулярном направлению распространения электромагнитной волны, что обеспечивает увеличение эффективности поглощения электромагнитных волн в широком диапазоне частот.
Измеренные частотные зависимости коэффициентов стоячей волны и прохождения электромагнитной волны представлены на фиг.4 и фиг.5, соответственно.
Изменением топологии микрополосковой согласованной нагрузки путем варьирования длин отрезков с большим поверхностным сопротивлением первой и второй пары шлейфов можно добиться наилучшего согласования в выбранной области частотного диапазона.
На фиг.6 и 7 приведены топология микрополосковой согласованной нагрузки при увеличенной длине отрезков с большим поверхностным сопротивлением первой пары шлейфов, равной λ/6, и уменьшенной длине второй пары шлейфов, равной λ/11, и соответствующая расчетная зависимость коэффициента стоячей волны от частоты электромагнитного излучения.
На фиг.8 и 9 приведены топология микрополосковой согласованной нагрузки при уменьшенной длине отрезков с большим поверхностным сопротивлением первой пары шлейфов, равной λ/11, и увеличенной длине второй пары шлейфов, равной λ/6, и соответствующая расчетная зависимость коэффициента стоячей волны от частоты электромагнитного излучения.
Исследование топологии микрополосковой согласованной нагрузки при отсутствии и наличии в шлейфах отрезков с малым поверхностным сопротивлением позволяет сделать вывод о значительном снижении величины коэффициента стоячей волны при наличии в шлейфах отрезков с малым поверхностным сопротивлением.
Топология микрополосковой согласованной нагрузки при отсутствии в шлейфах отрезков с малым поверхностным сопротивлением и соответствующая этому случаю расчетная зависимость коэффициента стоячей волны от частоты электромагнитного излучения представлены на фиг.10 и фиг.11 соответственно.
С целью выяснения влияния изменения топологии микрополосковой согласованной нагрузки путем варьирования длин отрезков микрополосковой линии с большим поверхностным сопротивлением на частотную зависимость коэффициента стоячей волны в выбранной области частотного диапазона было проведено компьютерное моделирование в среде САПР HFSS Ansoft.
Топологии микрополосковых согласованных нагрузок при уменьшенной и увеличенной длине отрезков микрополосковой линии с большим поверхностным сопротивлением и соответствующие им зависимости коэффициента стоячей волны от частоты электромагнитного излучения приведены на фиг.12-19.
На фиг.12 и 13 приведены топология микрополосковой согласованной нагрузки при длине первого отрезка микрополосковой линии с большим поверхностным сопротивлением, равной λ/25, и соответствующая расчетная зависимость коэффициента стоячей волны от частоты электромагнитного излучения.
На фиг.14 и 15 приведены топология микрополосковой согласованной нагрузки при длине первого отрезка микрополосковой линии с большим поверхностным сопротивлением, равной λ/20, и соответствующая расчетная зависимость коэффициента стоячей волны от частоты электромагнитного излучения.
Как следует из результатов, представленных на фиг.12-15, как увеличение, так и уменьшение длины первого отрезка микрополосковой линии с большим поверхностным сопротивлением относительно оптимального значения, равного λ/22, приводит к увеличению коэффициента стоячей волны в выбранном частотном диапазоне.
На фиг.16 и 17 приведены топология микрополосковой согласованной нагрузки при длине второго отрезка микрополосковой линии с большим поверхностным сопротивлением, равной λ/11, и соответствующая расчетная зависимость коэффициента стоячей волны от частоты электромагнитного излучения.
На фиг.18 и 19 приведены топология микрополосковой согласованной нагрузки при длине второго отрезка микрополосковой линии с большим поверхностным сопротивлением, равной 2·λ/5, и соответствующая расчетная зависимость коэффициента стоячей волны от частоты электромагнитного излучения.
Как следует из результатов, представленных на фиг.16-19, уменьшение длины второго отрезка микрополосковой линии с большим поверхностным сопротивлением относительно оптимального значения, равного λ/6, приводит к увеличению коэффициента стоячей волны в выбранном частотном диапазоне, а увеличение длины второго отрезка микрополосковой линии с большим поверхностным сопротивлением приводит увеличению габаритов микрополосковой согласованной нагрузки.
Длина третьего отрезка микрополосковой линии передачи с большим поверхностным сопротивлением минимизирует величину СВЧ-мощности, отраженной от последнего отрезка микрополосковой линии передачи с большим поверхностным сопротивлением, и для всех рассматриваемых топологий составляла не менее λ/12.
Таким образом, использование микрополосковых структур, состоящих из чередующихся отрезков микрополосковой линии передачи с различным поверхностным сопротивлением, крайними из которых являются отрезки с малым поверхностным сопротивлением, и не менее двух пар разомкнутых шлейфов, расположенных симметрично по разные стороны от микрополосковой линии, каждый из которых выполнен в виде двух последовательно соединенных отрезков микрополосковой линии передачи с большим и малым поверхностным сопротивлением, позволяет создавать широкополосные малогабаритные микрополосковые согласованные нагрузки. При этом оптимизация параметров микрополосковой структуры позволяет выбрать диапазон частот, в котором необходимо реализовать требуемые значения коэффициента стоячей волны и прохождения.