УПРАВЛЯЕМЫЙ ПОЛОСКОВЫЙ ТРАНСФОРМАТОР ИМПЕДАНСОВ
CONTROLLED STRIP IMPEDANCE TRANSFORMER

Изобретение относится к области СВЧ-техники и может быть использовано при проектировании и создании полупроводниковых усилителей, антенно-фидерных систем и других устройствах для согласования цепей с отношением входного сопротивления к выходному сопротивлению до 25:1 в широкой полосе частот при повышенной передаваемой мощности.
Уровень техники
Известен многоступенчатый трансформатор (Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М.: Связь, 1971. С. 108), выполненный в виде каскадно включенных четвертьволновых отрезков линий передачи.
Известен ступенчатый трансформатор СВЧ (Патент РФ №2582052, Н01Р 1/203), состоящий из каскадно включенных ступеней с параллельно включенными четвертьволновыми отрезками связанных полосковых линий с различными волновыми сопротивлениями, отличающийся тем, что электромагнитная связь между вышеуказанными ступенями осуществляется вышеуказанными четвертьволновыми отрезками, посредством того, что их электрическое соединение производится каскадно параллельным соединением вышеуказанных линий с помощью перемычек, в результате чего линия, представляющая первую высокоомную ступень, имеет электромагнитную связь с двумя линиями, включенными с ней параллельно с помощью первой и второй параллельных перемычек, причем эти две линии представляют собой вторую ступень и имеют электромагнитную связь с двумя другими линиями, также включенными параллельно с помощью первой и третьей параллельных перемычек, причем эти две другие линии представляют собой третью низкоомную ступень.
21
11
22
вх
вых
вх
вых
вых
Недостатком известных технических решений является невозможность подстройки трансформатора под уровень согласуемых импедансов как со стороны входа, так и со стороны выхода, что приводит к искажению частотных зависимостей коэффициента передачи S(ƒ), возвратных потерь S(ƒ) и S(ƒ) вследствие отклонения входного Z и выходного Z импедансов от расчетных значений. Особенно остро эта проблема стоит перед разработчиками устройств, в которых требуется согласование СВЧ-тракта с волновым сопротивлением 50 Ом и нагрузок с низким значением входного сопротивления, составляющим величину 1,5÷5 Ом. Это характерно для усилителей мощности на транзисторах, имеющих низкие входное и выходное сопротивления. Поскольку волновые сопротивления линий передачи в ступенчатых трансформаторах рассчитываются исходя из заданного перепада Z/Z, отклонение Z от заданного значения приводит к рассогласованию входной цепи усилителя, потере коэффициента усиления и возможной перегрузке, вплоть до выхода транзистора из строя.
вх
вых
вх
вых
вх
вых
вх
вых
Основная техническая задача, решаемая предложенным решением, направлена на управление перепадом отношения согласуемых входного Z и выходного Z импеданса в пределах примерно ±20% от номинального значения, которое может составлять до Z/Z≤25. Это позволяет уменьшить вносимые потери и потери на отражение в рабочей полосе частот при отклонении Z, или Z, или одновременно Z и Z от расчетных значений.
i
2
1
3
2
n
n-1
2
3
n
2
3
n
2
3
n
n
1
n
Поставленная техническая задача достигается тем, что в полосковом трансформаторе импедансов, содержащем подложку из диэлектрика, на нижней поверхности которой расположено металлическое заземляемое основание, на верхней поверхности расположены боковые экраны, соединенные с металлическим основанием металлизированными отверстиями, между боковыми экранами расположено n отрезков каскадно включенных ступенчато неоднородных полосковых линий, имеющих увеличивающуюся ширину w (i=1, 2, …, n) от входа трансформатора импедансов к его выходу, так что w>w, w>w, …, w>w, и длину  отрезки полосковых линий второй и последующих ступеней расщеплены на две части с одинаковой шириной w/2, w/2, …, w/2 продольной прорезью, длина которой меньше суммарной длины отрезков с номерами 2, 3, ..., n, над отрезками линий с шириной w, w, …, w установлены дополнительные диэлектрические подложки, перекрывающие эти отрезки, на внешние стороны дополнительных подложек нанесены управляющие металлические полоски шириной w, w, …, w, длиной  разделенные друг от друга поперечными зазорами, между боковыми сторонами управляющих полосок и боковыми экранами установлены регулирующие элементы, в качестве которых служат конденсаторы или варикапы, концы частей отрезка с шириной w, являющиеся выходом трансформатора импедансов, соединены перемычкой, высокоомным входом трансформатора служит входной конец отрезка шириной w, а низкоомным выходом концы отрезка шириной w.
Краткое содержание чертежей
Изобретение поясняется рисунками рис. 1 - рис. 7:
на рис. 1 изображена конструкция устройства;
на рис. 2 показано поперечное сечение полосковых проводников;
на рис. 3 показаны погонные емкости полосковых проводников и емкость регулирующего элемента;
на рис. 4 показаны поперечные размеры полосковой структуры;
на рис. 5 показана зависимость погонных емкостей полосковой структуры от емкости регулирующих элементов;
на рис. 6 показана зависимость характеристического сопротивления отрезка полосковой линии 2 от емкости регулирующих элементов;
на рис. 7 показаны частотные зависимости возвратных и вносимых потерь при разных комбинация емкостей регулирующих элементов 8, 11 и 9, 12, включенных в управляющие полоски 6 и 7 отрезков линий 2 и 3.
Осуществление изобретения
1
2
3
3
2
2
1
3
Устройство содержит (см. рис. 1): отрезки полосковых линий передачи 1, 2, 3 с шириной соответственно w, w, w и длиной  расположенных на диэлектрической подложке 10. Отрезки 2 и 3 разделены на две равные части продольной прорезью, длина которой меньше  Ширина отрезка полосковой линии 3 w больше ширины w полосковой линии 2, a w больше w, ширины отрезка полосковой линии 1. Над отрезком полосковой линии 2 расположена дополнительная подложка 4, над отрезком полосковой 3 размещена дополнительная подложка 5. На верхней стороне дополнительных подложек 4 и 5 расположены металлические полоски 6 и 7, перекрывающие отрезки полосковых линий 2 и 3. Боковые стороны металлических полосок 6 и 7 соединены с выводом регулирующих элементов 8, 9, 11 и 12, которые другими выводами соединены с боковыми экранами 13 и 14. Боковые экраны 13 и 14 через металлизированные отверстия 15 соединены с металлическим заземляемым основанием 16. Концы частей отрезка полосковой с шириной w соединены перемычкой 17. Высокоомным входом устройства является входной конец отрезка полосковой линии 1, низкоомным выходом служат концы частей отрезка 3, соединенные перемычкой 17.
1
1
1
1
20
12
23
r1
r1
r1
2
Работа заявляемого управляемого полоскового трансформатора импедансов осуществляется следующим образом. На вход отрезка полосковой линии 1 с характеристическим сопротивлением поступает СВЧ сигнал, частота которого лежит в рабочей полосе частот устройства. Поперечное сечение отрезка полосковой линии 1 показано на рис. 2, сечение А-А. Характеристическое сопротивление Z этого отрезка определяется поперечными размерами линии 1 и свойствами диэлектрической подложки 10. Электрическая длина θ отрезка 1 на средней частоте равна примерно 90 град. Z и θ фиксированы. Этот отрезок нагружен на входное сопротивление отрезка полосковой линии 2, разделенной продольной прорезью на две части. Поперечное сечение отрезка показано на рис. 2, сечение Б-Б. Части полоски 2 связаны с металлической полоской 6, которая шунтируется проводимостями регулирующих элементов 8, 11 на заземляемое основание 16 через боковые экраны 8, 14. Полосковые проводники в сечении Б-Б имеют погонные емкости, показанные на рис. 3. На схеме С - погонная емкость части полоскового проводника 2 на заземляемое основание; С - погонная емкость между частями полоскового проводника 2; С - погонная емкость между частью проводника 2 и металлической пластиной; C - сосредоточенная емкость регулирующего элемента. Изменение емкости C приводит к изменению погонной емкости каждой из частей отрезка полосковой линии 2. Механизм управления параметрами отрезка полосковой линии 2 основывается на эффекте распределенного влияния регулировки емкости C при ограниченной электрической длине металлической пластины 6, связанной с полосковой линией 2. Матрица емкостей полосковой структуры с поперечным сечением Б-Б (рис. 2) С записывается следующим образом:
r1
где  - продольный размер металлической полоски 6, связанной с проводником 2. При емкости C=0 из (1) имеем:
r1
а при C→∞ получаем
r1
Из сопоставления (2) и (3) видно, что при заземлении металлической полоски 6, т.е. при C→∞ происходит увеличение емкости части полосковой линии 2 на заземляемое основание на величину
2
3
1
2
1
20
23
r1
r1
r1
2
2
2
2
2
В экспериментальном макете управляемого трансформатора импедансов были взяты следующие размеры полосок и параметры подложек (см. рис. 4): w/2=3,1 мм, w=7,2 мм, s=1,0 мм, h=0,635 мм, h=0,25 мм, относительная диэлектрическая проницаемость подложек 4 и 10 ε=10,2, длина полосок  Были получены следующие значения емкостей, входящих в матрицу емкостей (1): С=481,3 пФ, С=1119,0 пФ. При изменении сосредоточенной суммарной емкости регулирующих элементов происходит изменение погонной емкости полосковой линии 2 в силу распределенного характера полосковой структуры, состоящей из частей полосковой линии 2 и металлической пластины 6. Поэтому влияние емкости C регулирующих элементов в формуле (1) приведено с коэффициентом  На рис. 5 показана зависимость элементов матрицы емкостей (1) при изменении C от 0 до 900 пФ. Видим, что емкость, определяемая по формуле увеличивается при вариации C от 0 до 900 пФ с 1041 пФ/м до 1588 пФ/м, напротив, емкость взаимная, определяемая как  уменьшается с 559,5 пФ/м до 12,2 пФ/м. Части полосковой линии 2 возбуждаются синфазно, поэтому характеристическое сопротивление Z линии 2 является сопротивлением синфазной волны, распространяющейся в линии 2. Матрица погонных индуктивностей L, необходимая для определения Z, находится из известной связи между L и матрицей С(1), определяемой формулой (1) при воздушном заполнении полосковой структуры:
2
2
r1
2
r1
2
1,1
2
1,2
2
1,1
2
1,2
2
Коэффициенты матрицы L, так же как и матрицы С зависят от емкости регулирующих элементов C, поскольку элементы С(1) определяются по формуле (1) при воздушном заполнении среды. На графике рис. 6 показана зависимость характеристического сопротивления  от емкости регулирующих элементов C, где (L), (L) - элементы матрицы индуктивностей, (С), (С) - элементы матрицы емкостей. Диапазон изменения Z составляет от 22,13 Ом до 6,94 Ом.
Расщепление полосковой линии на две равные части позволяет уменьшить неравномерность распределения плотности тока от середины сплошного проводника к его краям. Это особенно важно при понижении волнового сопротивления, т.к. с его уменьшением возрастает ток и, следовательно, увеличиваются потери в полосковых проводниках.
2
r1
3
r2
3
2
Аналогично описанному механизму регулирования Z путем изменения емкости C регулирующих элементов 8, 11 в предлагаемой конструкции происходит подстройка характеристического сопротивления Z полоскового проводника 3 при изменении емкости C регулирующих элементов 9, 12, но средний уровень Z ниже Z.
r1
r2
r1
r2
r1
r2
r1
r2
вх
вых
На рис. 7 показаны частотные характеристики управляемого трансформатора импедансов в виде зависимостей коэффициента передачи и возвратных потерь в зависимости от сочетания регулирующих емкостей Cи C: графики под номером 18 - C=10 пФ, C=8 пФ; графики 19 - C=4 пФ, C=6 пФ; графики 20 - C=12 пФ, C=10 пФ. Согласуемые импедансы Z=50 Ом, Z=2,55 Ом. Из графиков рис. 7 видно, что трансформатор подстраивается под уровень возвратных потерь - 20 дБ и при этом коэффициент передачи находится на уровне не хуже - 0,5 дБ в полосе частот 0,40 - 0,57 ГГц.
r1
r2
1
2
2
3
Определялись характеристические сопротивления отрезков линии передачи 2 и 3 путем их раздельного испытания. На входе и выходе отдельно взятой секции устанавливались и варьировались одинаковые сопротивления. Полосковая линия 2 при C=10 пФ настраивалась по уровню - 50 дБ при нагрузке 7 Ом, а отрезок линии 3 при C=8 пФ был согласован при нагрузке 4,37 Ом. Таким образом, в устройстве с тремя ступенями отношение характеристических сопротивлений составили Z/Z=26,4/7,0=3,77; Z/Z=7,0/4,37=1,60. Соотношение длин отрезков
Предлагаемый управляемый полосковый трансформатор импедансов полностью работоспособен и обеспечивает расширенный диапазон согласуемых импедансов с возможностью компенсации отклонения согласуемых импедансов от заданных значений путем управления характеристическими сопротивлениями ступеней.