Компактный направленный ответвитель
COMPACT DIRECTIONAL COUPLER

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть использовано в радиолокации, радионавигации, связи, антенных системах и радиоизмерениях как самостоятельное устройство, а также в качестве функционального узла для построения фазовращателей, смесителей, модуляторов, дискриминаторов и диаграммообразующих элементов.
На данный момент широко известна конструкция квадратурного направленного ответвителя, который содержит диэлектрическую подложку, одна поверхность которой металлизирована, а на другой две микрополосковые линии соединены на расстоянии четверти длины волны двумя четвертьволновыми шлейфами. (Вольман В.И., Пименов Ю.В. Техническая электродинамика - «Связь», 1971. - 487 с.). Устройство обеспечивает деление входного сигнала между двумя его выходами с разностью фаз 90°. Недостатками указанного микрополоскового направленного ответвителя являются: большие габаритные размеры, особенно на низких частотах, а также паразитные полосы частот на соседних более высоких частотах.
Известно множество схемно-конструктивных решений, позволяющих уменьшить размеры шлейфных квадратурных ответвителей, за счет использования распределенных и/или сосредоточенных элементов, как в одном, так и в нескольких слоях диэлектрика. Чтобы оценить современное состояние вопроса в этой области, рассмотрим некоторые подходы к миниатюризации ответвителей.
LC
В [Jian-An Hou and Yeong-Her Wang. Design of Compact 90 and 180 Couplers With Harmonic Suppression Using Lumped-Element Bandstop Resonators // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2010. Vol. 58, No. 11. Pp. 2932-2939] исследован миниатюрный мост, размеры которого уменьшены за счет использования Т-образных звеньев на сосредоточенных  элементах. Благодаря плотному расположению элементов между собой, удалось занять всё свободное пространство внутри устройства. Натурный эксперимент показал, что прототип работает на центральной частоте 2,45 ГГц с относительной полосой 11,5 % (оцениваемая по уровняю развязки 20 дБ). Миниатюрный мост на 95% меньше полноразмерной конструкции. Недостатком использования сосредоточенных элементов связано с тем, что  требуемые номиналы элементов могут не соответствовать номиналам, предоставленным в специальных номинальных рядах. Кроме того, такие элементы подвержены влияниям вибрационных нагрузок, которые могут привести к отказу устройства.
Индуктивность и емкость на печатной плате можно реализовать с помощью отрезков микрополосковых линий, в том числе нестандартной формы.
В [Xu He-xiu, Wang Guang-ming and Zhang Chen-xin. Compact Design of Branch-line Coupler Based on CRLH TL Combined With Fractal Shaped Geometry // 2010 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology. Chengdu, China. 2010] описана конструкция моста с центральной частотой 0,88 ГГц полученная путем изгиба линий передачи и вырезов в экране (реализация емкостей). Такой подход позволил уменьшить габариты моста на 75,8% по сравнению с габаритами традиционного устройства. Относительная полоса частот по уровню развязки 20 дБ составляет 11,4%.
В [Chi-Hsing Wu and Chao-Hsiung Tseng. A Compact Branch-Line Coupler Using π-Equivalent Shunt-Stub Based Artificial Transmission Lines // Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference 2010. Yokohama, Japan. 2010] предложен мост, полученный за счет использования изогнутых шлейфов холостого хода. За счет того, что шлейфы занимают почти всё свободное пространство моста, позволило уменьшить его площадь до 92%. Относительная полоса частот по уровню развязки 20 дБ составляет 3%. Недостатком такого подхода являются высокие требования к точности изготовления топологии устройства.
Использование многослойной технологии позволяет повысить степень миниатюризации направленных ответвителей. Под степенью миниатюризации понимается уменьшение площади ответвителя по сравнению с традиционной конструкцией без учета подводящих линий.
LC
В [Greg Brzezina and Langis Roy. A Miniature Lumped Element LTCC Quadrature Hybrid Coupler for GPS Applications // 2008 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. San Diego, CA, USA. 2008] представлен ответвитель полученный заменой четвертьволновых отрезков на -элементы, расположенные в нескольких слоях подложки. Предложенная конструкция на 95% меньше традиционной конструкции. При центральной частоте 1,55 ГГц, относительная полоса частот составляет 5,5 %.
В целом можно выделить наиболее распространённые подходы к миниатюризации ответвителей, которые встречаются в литературе. Это изгиб четвертьволновых отрезков, увеличение диэлектрической проницаемости, замена четвертьволновых отрезков на инверторы; фильтры частот; двойные линии; неоднородные линии; фрактальные структуры; вырезы в экране (лишь в металлизированном слое). Однако уменьшение габаритов ответвителей за счет увеличения диэлектрической проницаемости подложки, изгиба четвертьволновых отрезков, использования параллельных шлейфов и неоднородных линий передачи не позволяет достичь высокой степени миниатюризации направленных ответвителей из-за неэффективного использования площади внутри устройства. Использование инверторов вместо четвертьволновых отрезков направленных ответвителей осложняется тем, что требуется использование отрицательных емкостей и индуктивностей, которые трудно реализовать на практике. Введение фрактальных структур в состав направленных ответвителей позволяет достичь высоких показателей в миниатюризации устройств при незначительном ухудшении их частотных характеристик. Однако степень миниатюризации таких ответвителей будет зависеть от максимального реализуемого на практике порядка фрактальной структуры.
LCL
CLC
Для миниатюризации направленных ответвителей лучше использовать фильтры нижних частот, выполненные по Т- (индуктивность, емкость, индуктивность – ) и/или П- (емкость, индуктивность, емкость –) образной схеме, так как в этом случае емкости и индуктивности на печатной плате могут быть реализованы в нестандартной форме с требуемой технологической реализуемостью. Недостатком использования фильтров частот для миниатюризации ответвителей в случае трехслойных подложек (металлизация, подложка, металлизация) является ограничение площади внутри ответвителя. Поскольку окончательное уменьшение размеров ответвителя будет достигнуто, когда емкостные элементы звеньев займут всё свободное пространство внутри устройства, и дальнейшее увеличение степени миниатюризации возможно, например, за счет уменьшения габаритов используемых конденсаторов. Однако этот подход не освящен в литературе и можно считать, что он неочевиден для специалистов.
Известен компактный направленный ответвитель, который содержит диэлектрическую подложку, одна поверхность которой металлизирована, а на другой, первый вход первого фильтра нижних частот соединен с первым входом устройства и вторым входом четвертого фильтра нижних частот, второй вход первого фильтра нижних частот соединен со вторым входом устройства и первым входом второго фильтра нижних частот, второй вход второго фильтра нижних частот соединен с третьим входом устройства и первым входом третьего фильтра нижних частот, второй вход третьего фильтра нижних частот соединен с четвертым входом устройства и первым входом четвертого фильтра нижних частот (патент РФ №177305, класс МПК Н01P 5/18).
Недостатком такого подхода к миниатюризации ответвителей является ограничение свободного пространства внутри устройства, которое активно используется при уменьшении его габаритов. В связи с этим дальнейшая миниатюризация ответвителя не может быть осуществлена, если свободное пространство внутри него используется полностью.
Технической проблемой изобретения является расширение арсенала миниатюрных диаграммо-образующих схем, а также в уменьшении размеров, направленных ответвителей и расширении возможностей миниатюризации таких устройств без использования многослойной технологии печатных плат.
отличающийся тем, что
Технический решение достигается тем, что компактный направленный ответвитель, включающий диэлектрическую подложку, одна поверхность которой металлизирована, а на другой, первый вход первого фильтра нижних частот соединен с первым входом устройства и вторым входом четвертого фильтра нижних частот, второй вход первого фильтра нижних частот соединен со вторым входом устройства и первым входом второго фильтра нижних частот, второй вход второго фильтра нижних частот соединен с третьим входом устройства и первым входом третьего фильтра нижних частот, второй вход третьего фильтра нижних частот соединен с четвертым входом устройства и первым входом четвертого фильтра нижних частот,  со стороны металлизированной поверхности под емкостными элементами фильтров, выполнены полости, с глубиной не превышающей толщину подложки, при этом стенки полостей имеют металлизированный слой.
Полости под емкостными элементами выполнены следующим образом: после получения компактного направленного ответвителя (в котором четвертьволновые отрезки заменены фильтрами нижних частот), например, с помощью фотолитографии. В местах установки емкостных элементов со стороны металлизированной поверхности (экрана) снимается металлизированный слой и толщина подложки определённой величины в зависимости от решаемой задачи. Это позволяет уменьшить толщину подложки под емкостными элементами и тем самым увеличить номинал емкости для той же площади элемента на печатной плате. В результате это позволяет дополнительно увеличить степень миниатюризации (уменьшение площади ответвителя относительно площади его традиционной конструкции) ответвителя, когда его элементы реализованы в одном проводящем слое. Такой подход позволяет в некоторых случаях избежать использования многослойных печатных плат, что упрощает конструкцию устройства.
После уменьшения толщины подложки выполняется операция по нанесению металлизации (металлизирующего слоя) для восстановления электрического контакта с общим экраном. Металлизацией покрывается вся внутренняя площадь полости, что позволяет восстановить сплошную металлизацию под топологией устройства.
Такой подход позволяет расширить возможности миниатюризации квадратурных направленных ответвителей, в которых свободное пространство внутри устройства используется в полной мере за счет уменьшения размеров емкостных элементов.
Таким образом, предлагаемый квадратурный направленный ответвитель с полостями в экране обеспечивает достижение технического результата, выражающегося в расширении арсенала миниатюрных диаграммо-образующих схем и расширении возможностей миниатюризации направленных ответвителей без использования многослойной технологии печатных плат.
На прилагаемых чертежах представлен компактный направленный ответвитель, где:
на фиг. 1 – диэлектрическая подложка, вид сверху (топология ответвителя);
на фиг. 2 – диэлектрическая подложка, вид снизу (металлизированная поверхность с полостями А1, А2, А3 и А4);
на фиг. 3 – диэлектрическая подложка, вид сбоку;
на фиг. 4 – частотные характеристики компактного ответвителя полученные в программе Ansys HFSS – график разности фаз между выходными сигналами от частоты.
S
на фиг. 5 – частотные характеристики компактного ответвителя полученные в программе Ansys HFSS - график -параметров от частоты.
На диэлектрической подложке, с одной стороны (фиг.1) расположена топология компактного ответвителя состоящая из четырех подводящих линий и четырех фильтров нижних частот, а с другой стороны металлизированная поверхность (фиг.2), где под емкостными элементами выполнены полости с глубиной, не превышающей толщину подложки, при этом стенки полостей имеют металлизированный слой. Специальные полости в экране под емкостными элементами фильтров позволяют уменьшить габариты последних за счет уменьшения расстояния между обкладками. Рассмотренна реализация компактного ответвителя (фиг.1-3) у которого расстояния между плоскопараллельными конденсаторами уменьшены с 1 мм до 0,8 мм за счет полостей А1, А2, А3 и А4, стенки которых имеют металлизированный слой для восстановления контакта с металлизированной поверхностью. Предлагаемая конструкция направленного ответвителя на 81% меньше традиционной конструкции. Относительная полоса частот по уровню развязки 20 дБ составляет 7% (фиг.4). Разность фаз между выходными сигналами составляет 90 градусов (фиг. 5).
На практике конструкцию ответвителя, представленная на фиг. 1, может быть получена путем фрезерования подложки под конденсаторами в слое экрана и последующей металлизации для восстановления электрического контакта с экраном.
Другим вариантом реализации является использование двух СВЧ подложек, одна из которых имеет сквозные отверстия в форме конденсаторов (емкостных элементов). Эти подложки объединяются, после чего наносится дополнительный слой металлизации для восстановления экрана с нижней стороны. Недостатком такого подхода является необходимость в формировании полостей и металлизации их стенок. Однако при нынешнем уровне технологического развития этот недостаток не является существенным.