ПОЛОСКОВЫЙ ШЛЕЙФ

Предлагаемый полосковый шлейф относится к технике СВЧ, к устройствам на основе полосковой линии передачи в частности, и может быть использован в качестве элемента цепей широкополосного согласования резонансных нагрузок или цепи, корректирующей фазочастотные характеристики передачи, в радиотехнике, радиосвязи, радиолокации.
Известны реактивные шлейфы, параллельно включенные в линию передачи, длина которых кратна половине длины волны в линии передачи, разомкнутые на конце, или шлейфы, длина которых кратна нечетному числу четвертей длины волны в линии передачи, короткозамкнутые на конце [1а].
0
Такие шлейфы используются в качестве элементов цепей широкополосного согласования резонансных нагрузок [1б]. Их свойства характеризуются резонансной частотой ƒ, предельной рабочей полосой частот Δƒ, внешней добротностью Q. Для примера рассмотрим разомкнутые на конце шлейфы, так как короткозамкнутый шлейф эквивалентен разомкнутому шлейфу, имеющему длину на четверть волны больше или меньше, чем у короткозамкнутого шлейфа.
По теории длинных линий резонансные частоты такого разомкнутого шлейфа, имеющего на конце нагрузку холостого хода, определяются по формуле:
где с - скорость света в пустоте, L - длина шлейфа, ε - (эффективная) диэлектрическая проницаемость линии передачи, m=1, 2, … - номер рабочего резонанса.
Предельная рабочая полоса частот шлейфа ограничивается разностью резонансных частот:
где k - константа, зависящая от заданного уровня характеристик.
0
Внешняя добротность шлейфа, параллельно включенного в линию передачи, определяется характеристическими сопротивлениями этой линии передачи W и шлейфа W:
где φ - фаза коэффициента передачи отрезка линии передачи (нулевой длины) с включенным в нее шлейфом.
Наиболее близким к предлагаемому полосковому шлейфу по технической сущности, схемному решению является полосковый разомкнутый на конце шлейф [2], представляющий собой отрезок полосковой линии, один конец которого подключен к полосковому проводнику линии передачи, а второй конец свободен. Фактически второй конец шлейфа нагружен на реактивность разомкнутого конца полосковой линии [3]. Длина отрезка полосковой линии шлейфа соответствует соотношению (1) с небольшой поправкой, компенсирующей влияние концевой реактивности.
Недостатком данного шлейфа, принятого за прототип, является малая внешняя добротность, не позволяющая компенсировать неравномерность фазо-частотных характеристик с большой крутизной и обеспечить согласование высокодобротных резонансных нагрузок, а также большие размеры. Из соотношения (3) следует, что для увеличения добротности необходимо уменьшать характеристическое сопротивление шлейфа и увеличивать номер рабочего резонанса m, т.е. увеличивать его длину. Для полосковой линии передачи уменьшение характеристического сопротивления шлейфа означает увеличение ширины полоскового проводника. Ширина полоскового проводника ограничивается определенной долей половины длины волны. Увеличение номера рабочего резонанса, как следует из формулы (2), приводит к уменьшению полосы рабочих частот. Кроме того, увеличение длины и ширины полоскового проводника шлейфа приводит к увеличению габаритов устройства.
Сущность предлагаемого полоскового шлейфа заключается в том, что он содержит проводящие экраны и отрезок полоскового проводника, один конец которого подключен к полосковому проводнику проходящей линии передачи. Отличается тем, что длина отрезка полоскового проводника составляет четверть длины волны в полосковой линии, а к его второму концу подключен второй отрезок полоскового проводника, ширина которого меньше, чем ширина первого отрезка полоскового проводника, при этом его конец нагружен на реактивную нагрузку холостого хода.
В предлагаемом техническом решении достигается увеличение добротности полоскового шлейфа и уменьшение его габаритов меньшей шириной второго отрезка полосковой линии по сравнению с шириной первого отрезка, причем чем больше различие ширин проводников, тем больше добротность шлейфа.
Увеличение внешней добротности позволяет использовать шлейф для согласования более узкополосных нагрузок, повысить КПД согласуемых устройств, уменьшить амплитудные и фазовые искажения коэффициента передачи устройств и трактов с включенным в них шлейфом.
Сущность предлагаемого полоскового шлейфа поясняется чертежом
2
1
Полосковый шлейф содержит плоские проводящие экраны 1 и 2, размещенные между ними диэлектрические слои 3 и расположенные между ними: первый отрезок полоскового проводника 4, включенный в проходящую полосковую линию передачи 5, и второй отрезок полоскового проводника 6. Ширина w второго отрезка полоскового проводника 6 меньше, чем ширина w первого отрезка полоскового проводника 4. Длина первого отрезка полоскового проводника 4 составляет четверть длины волны в полосковой линии.
Наличие второго проводящего экрана 2 не является обязательным - в этом случае получается несимметричная или микрополосковая линия передачи. В качестве диэлектрических слоев может также использоваться, например, воздух или вакуум. Форма второго отрезка полоскового проводника может быть прямолинейной, зигзагообразной с расстоянием между звеньями s, как на фиг.1, изогнутой и т.п.
1
2
1
2
Полосковый шлейф работает следующим образом: поскольку длина первого и второго отрезков полоскового проводника L≈L≈λ/4, где λ -длина волны в полосковой линии, а его ширина w больше, чем ширина второго отрезка полоскового проводника w, то образуется резонанс, приводящий к увеличению запасенной реактивной мощности в шлейфе по сравнению с шлейфом-прототипом, имеющим одинаковую ширину по всей длине, и его добротность возрастает.
1
2
1
2
Конкретные значения размеров b, wo, ε, w, w, s, L, L, выбираются исходя из требований, предъявляемых к применяемой полосковой линии передачи, к частоте настройки, к требуемой внешней добротности и т.д.
0
К примеру, для симметричной полосковой линии передачи с базой (расстоянием между экранными плоскостями) b=10 мм характеристическому сопротивлению 15 Ом соответствует ширина полоскового проводника 58 мм. При включении такого полуволнового (m=1) шлейфа-прототипа в линию передачи 50 Ом, в соответствии с формулой (3) добротность составит Q≈2,6. Габариты шлейфа при резонансной частоте ƒ=1,4 ГГц составят 58 мм × 103 мм.
1
2
1
2
0
Для предлагаемого шлейфа при размерах w=17 мм, w=1 мм, s=1 мм, L=56 мм, L=290 мм внешняя добротность шлейфа составила Q=6,7, резонансная частота ƒ=1,4 ГГц. Расчет добротности выполнен по первой части формулы (3) с использованием фазо-частотной характеристики коэффициента передачи устройства, рассчитанной с помощью программы электродинамического моделирования СВЧ устройств CST Microwave Studio. Габариты шлейфа составляют 17×89 мм. Таким образом, предлагаемый шлейф имеет примерно в 2,5 раза большую добротность при в 4 раза меньших габаритах.
Способ реализации нагрузки холостого хода шлейфа не влияет на работу устройства. Она может быть выполнена в виде отрезка полосковой линии соответствующей длины, нагруженного произвольной реактивной нагрузкой, в частности в виде не нагруженного на конце отрезка полосковой линии или в виде замкнутого (на экран) на конце отрезка длиной четверть длины волны в полосковой линии.
Предложенный полосковый шлейф использован в изделии 1РЛ123-Е.
Источники информации, используемые при оформлении заявки
1. Сазонов Д.М. и др., Устройства СВЧ, М.: "Высшая школа", 1981, а) стр.28, стр.169-172; б) стр.190-196.
2. Нефедов Е.И., Фиалковский Ф.Т., Полосковые линии передачи, М.: «Наука», 1980, стр.42-43.
3. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств, Бахарев С.И. и др., под ред. Вольмана В.И., М., «Радио и связь», 1982, стр.107, стр.122-125.