ТРАНСНАПРАВЛЕННЫЙ ОТВЕТВИТЕЛЬ НА СВЯЗАННЫХ ЛИНИЯХ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПЛАТОЙ
TRANS-DIRECTED SPLITTER ON COUPLED LINES WITH VERTICAL BOARD

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и может быть использовано в качестве делителя или сумматора мощности при разработке балансных усилителей, фазовращателей, квадратурных модуляторов в приемопередающих трактах радиоэлектронных систем, а также в диаграммообразующих устройствах фазированных антенных решеток.
Транснаправленный ответвитель на связанных линиях или другими словами ответвитель третьего типа направленности [1] представляет собой четырехплечее устройство, у которого все плечи согласованы, и при возбуждении одного плеча, условно располагаемого на ближнем конце основной линии и называемого входным, вся энергия передается в два выходных плеча, называемых ближним связанным и дальним выходным плечами, находящимися на противоположных концах связанной линии, при этом в оставшееся плечо, находящееся на дальнем конце основной линии и называемое развязанным, не доходит никакой энергии (фиг. 1). Транснаправленный ответвитель на связанных линиях имеет главное преимущество - полную гальваническую развязку входного плеча и обоих выходных плеч.
Известна конструкция направленного ответвителя на связанных линиях передачи с лицевой связью, которая изготавливается путем установки вертикальной печатной платы на основную горизонтальную плату [2], при этом ответвитель работает в противонаправленном режиме и не имеет гальванической развязки входного и выходных плеч. Еще известна подобная конструкция ответвителя на связанных линиях, содержащая основную монтажную плату и смонтированную перпендикулярно ей монтажную плату ответвителя [3]. Этот ответвитель тоже работает в противонаправленном режиме, без гальванической развязки. Основные усилия в совершенствовании указанных конструкций направлены на выравнивание скоростей нормальных (синфазной и противофазной) волн, их применение в качестве транснаправленных ответвителей не представляется возможным и ранее не предлагалось.
Тем не менее ответвитель на связанных микрополосковых линиях, изначально функционирующий как транснаправленный, описан, например, в [4]. Он использует периодически включенные между линиями сосредоточенные элементы - конденсаторы. Кроме того, дополнительно введены искусственные дефекты в заземленном основании и подводящие экранированные несимметричные копланарные линии для повышения направленности и улучшения согласования. При этом конструкция весьма сложна. В [5] предложен транснаправленный ответвитель с параллельными конденсаторами и дополнительно введенными продольными индуктивностями с целью миниатюризации, но эта конструкция критична к точности изготовления. В [6] описана еще одна конструкция транснаправленного ответвителя с развязкой по постоянному току, которая отличается интегральным формированием конструктивных конденсаторов. Однако многослойная конструкция обусловливает сложную технологию изготовления. Как видим, все представленные аналоги транснаправленного ответвителя на связанных линиях отличаются сложностью конструкции и требуют межлинейных конденсаторов.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа в связи со схожестью выполняемой функции, является транснаправленный ответвитель, описанный в [7], который содержит четыре подводящие микрополосковые линии, подключенные к отрезку связанных микрополосковых линий, периодически шунтированных тремя или более межлинейными конденсаторами. Последние поддерживают как фазовую, так и импедансную связь, позволяющую обеспечить транснаправленный режим работы.
Основной недостаток этого ответвителя состоит в том, что используемые промышленно выпускаемые конденсаторы имеют неконтролируемое (стандартное) и несовпадающее с расчетным (теоретическим) номинальное значение емкости, а также нежелательный разброс емкостей. Все это ведет к уходу рабочей частоты до 10 и более процентов, и компенсация этих погрешностей - весьма проблематична.
Технической задачей, решаемой данным изобретением, является упрощение схемы и конструкции и построение транснаправленного ответвителя на полностью распределенной структуре без сосредоточенных шунтирующих межлинейных конденсаторов, улучшение повторяемости частотных характеристик.
Поставленная задача решается с использованием того же, что и в прототипе базового компонента горизонтальной диэлектрической подложки с четырьмя подводящими микрополосковыми линиями. Однако в отличие от прототипа в предлагаемом транснаправленном ответвителе, связанные линии с сильной емкостной связью реализуются на одной вертикальной плате, установленной на горизонтальной диэлектрической подложке с окном. При этом избавляемся от трех или более навесных межлинейных конденсаторов.
Достигаемый технический результат: 1) упрощается схема и конструкция, т.к. не требуется монтажа поверхностно монтируемых межлинейных конденсаторов; 2) улучшается повторяемость частотных характеристик.
Указанный технический результат достигается тем, что заявляемый транснаправленный ответвитель содержит горизонтальную диэлектрическую подложку с четырьмя подводящими микрополосковыми линиями, на которую устанавливается вертикальная диэлектрическая плата с нанесенной с двух противоположных сторон металлизацией, образующей связанные линии с лицевой связью, подключенные к подводящим линиям. В горизонтальной диэлектрической подложке выполняется несквозное окно, проникающее до заземленного основания, при этом геометрические размеры окна и вертикальной платы задаются такими, чтобы обеспечить необходимую электромагнитную связь между связанными линиями, а также согласование с подводящими линиями. Кроме того, величина диэлектрической проницаемости материала вертикальной платы выбирается достаточно большой с тем, чтобы достичь отношения эффективных диэлектрических проницаемостей связанных линий при противофазном и синфазном возбуждениях, равного 9:1.
Повторяемость характеристик обеспечивается отсутствием межлинейных конденсаторов с неконтролируемой номинальной емкостью, а также малой погрешностью изготовления конструкции и высокой стабильностью диэлектрической проницаемости вертикальной платы.
Заявляемое устройство поясняется следующими чертежами.
Фиг. 1 - структурно-функциональная схема транснаправленного ответвителя.
Фиг. 2 - общий вид конструкции транснаправленного ответвителя по настоящему изобретению.
Фиг. 3 - поперечное сечение (а) и вид сбоку (б) конструкции транснаправленного ответвителя.
Фиг. 4 - распределение электромагнитного поля в поперечном сечении полуструктур транснаправленного ответвителя в режимах синфазного (а) и противофазного (б) возбуждений.
Фиг. 5 - распределение напряжения синфазной и противофазной волн вдоль основной линии транснаправленного ответвителя.
Фиг. 6 - экспериментально измеренные зависимости S-параметров транснаправленного ответвителя от частоты.
Фиг. 7 - измеренная разность фаз между сигналами ближнего связанного и дальнего выходного плеч транснаправленного ответвителя.
Структурно-функциональная схема транснаправленного ответвителя на связанных линиях с наименованиями линий и плеч изображена на фиг. 1.
r
ro
re
Общий вид конструкции ответвителя согласно настоящему изобретению показан на фиг. 2. Ответвитель включает в себя горизонтальную диэлектрическую подложку 1 с четырьмя подводящими микрополосковыми линиями 2, на которую устанавливается вертикальная диэлектрическая плата 3 с нанесенной с двух противоположных сторон металлизацией, образующей связанные линии 4 с лицевой связью, подключенные к подводящим линиям 2. В горизонтальной диэлектрической подложке 1 выполняется несквозное окно 5, проникающее до заземленного основания 6. При этом геометрические размеры окна 5 и вертикальной платы 3, включая ее толщину, ширину и расстояние до заземленного основания, задаются такими, чтобы обеспечить необходимую электромагнитную связь между связанными линиями, а также согласование с подводящими линиями. Кроме того, величина диэлектрической проницаемости ε материала вертикальной платы 3 выбирается достаточно большой с тем, чтобы достичь отношения эффективных диэлектрических проницаемостей связанных линий при противофазном и синфазном возбуждениях ε/ε, равного 9:1.
r
На фиг. 3 показано поперечное сечение (а) и вид сбоку (б) конструкции транснаправленного ответвителя, где обозначены его основные геометрические размеры: h - толщина вертикальной платы; w - ширина вертикальной платы, совпадающая с шириной полосковых линий с лицевой связью; s - расстояние (зазор) между вертикальной платой и заземленным основанием; ℓ - длина вертикальной платы. Вертикальная плата имеет весьма высокую (более девяти) диэлектрическую проницаемость ε, а окружающий ее воздух - низкую, равную примерно единице.
Конструкция ответвителя имеет межлинейную продольно-вертикальную плоскость симметрии, что позволяет применить к ней метод синфазно-противофазного возбуждения при анализе функционирования.
Принцип работы транснаправленного ответвителя на связанных линиях с вертикальной платой основан на использовании значительной разности скоростей нормальных волн при синфазном (четном, even) и противофазном (нечетном, odd) возбуждениях.
Фиг. 4 объясняет разность скоростей нормальных волн - синфазной и противофазной. Здесь показано распределение электромагнитного поля в поперечном сечении полуструктур ответвителя в режимах: а) синфазного возбуждения, когда в плоскости симметрии устанавливается магнитная (непроницаемая) стенка, и поле концентрируется прежде всего в воздухе с малой диэлектрической проницаемостью; б) противофазного возбуждения, когда в плоскости симметрии устанавливается электрическая (проводящая) стенка, и поле концентрируется прежде всего в диэлектрике вертикальной платы с высокой диэлектрической проницаемостью, образующем замедляющую среду.
0
L
L
12
0o
0e
Также заметим, что для обеспечения согласования связанных линий с подводящими линиями необходимо обеспечить равенство характеристического импеданса связанных линий Z и импеданса подводящих линий Z (как правило Z=50 Ом). Далее, задав коэффициент связи k=1/√2=0,707 (C=3 дБ), по известным формулам находим импедансы связанных линий в режимах противофазного Z и синфазного Z возбуждений соответственно
Соблюдение соотношений (1) обеспечивает также равенство амплитуд нормальных волн. Кроме того, для функционирования ответвителя в транснаправленном режиме необходимо на центральной частоте полосы рабочих частот обеспечить между напряжениями противофазной и синфазной волн на дальнем плече основной линии (см. фиг. 1) фазовый сдвиг, равный π (180 град.)
o
е
r
где θ, θ - электрические длины линий для противофазной и синфазной волн соответственно. Далее, принимая во внимание известные пропорции между электрической длиной θ, скоростью электромагнитной волны в среде ν и относительной диэлектрической проницаемостью e
r
θ~1/ν~√ε,
формулируем варианты условия транснаправленности связанных линий
e
o
ro
re
где ν, ν - скорости синфазной и противофазной волн соответственно; e, e - эффективные диэлектрические проницаемости связанных линий при противофазном и синфазном возбуждениях соответственно. Выполнение условия (3) необходимо для работы ответвителя в транснаправленном режиме.
е
o
Фиг. 5 иллюстрирует мгновенное распределение напряжений синфазной и противофазной волн вдоль основной линии транснаправленного ответвителя в зависимости от электрической длины синфазной волны на центральной частоте полосы рабочих частот. График показывает, что когда синфазная волна, распространяющаяся прежде всего в воздухе и являющаяся «быстрой», обретает фазовый сдвиг θ=π/2=1,57 рад. (90 град.), противофазная волна, распространяющаяся прежде всего в диэлектрике вертикальной платы и являющаяся троекратно замедленной, набирает фазовый сдвиг θ=3π/2 (270 град.). Отсюда следует, что разность фаз между напряжениями противофазной («медленной») и синфазной («быстрой») и волн на выходе основной линии на центральной частоте полосы достигает π (180 град.), и полное напряжение становится равным нулю. Следовательно, дальнее плечо основной линии можно определить как развязанное плечо (см. фиг. 1).
r
0
12
re
ro
re
3
2
Для экспериментальной проверки работоспособности предлагаемого ответвителя был изготовлен макет со следующими параметрами конструкции (см. фиг. 2 и 3): относительная диэлектрическая проницаемость вертикальной платы ε=16; толщина вертикальной платы h=1 мм; ее ширина, совпадающая с шириной полосковых линий с лицевой связью w=2 мм; расстояние (зазор) между вертикальной платой и заземленным основанием s=0,5 мм; длина вертикальной платы ℓ=28 мм. Габариты горизонтальной подложки - 24×44×1 мм, размеры несквозного окна в горизонтальной подложке - 11×24 мм, ширина подводящих линий - 1,75 мм. Материал вертикальной платы - ФЛАН-16 производства ЗАО «Завод «Молдавизолит»» (г. Тирасполь, Приднестровская Молдавская Республика), материал горизонтальной подложки - ФЛАН-5 от того же производителя. Моделирование описанной конструкции методом численных конформных преобразований [8] дало следующие результаты: Z=48,4 Ом; С=2,32 дБ; ε=1,10; ε/ε=8,25.
Экспериментально измеренные зависимости S-параметров ответвителя от частоты показаны на фиг. 6. Из графиков видно, что центральная рабочая частота близка к 2,8 ГГц. При амплитудном балансе между выходными плечами 2 и 4 (3,4±0,7) дБ полоса рабочих частот составляет 2,272-3,182 ГГц (33%). Важно заметить, что характеристики возвратных потерь  и развязки  практически совпадают, и их уровни имеют величину не хуже 20 дБ в полосе частот 2,666-2,996 ГГц (12%), а также не хуже 15 дБ в полосе частот 2,37-3,15 ГГц (28%).
На фиг. 7 показано, что измеренная разность фаз между сигналами ближнего связанного 2 и дальнего выходного плеч 4 ответвителя (см. фиг. 1) составляет (90±1) град в полосе частот 2,31-2,91 ГГц (23%), т.е. транснаправленный ответвитель является также и квадратурным.
Таким образом, эксперимент подтвердил, что предлагаемый транснаправленный ответвитель на связанных линиях с вертикальной платой реализуем, работоспособен и весьма эффективен.
Несомненно, что другие альтернативные варианты могут быть созданы специалистами в данной области техники. Однако должно быть понятно, что изобретение не огранивается описанным вариантом осуществления и охватывает модификации, очевидные специалистам в данной области техники, которые находятся в пределах сущности и объема заявляемой формулы изобретения.
Список использованных источников
1. Сазонов Д.М., Гридин А.Н., Мишустин Б.А. Устройства СВЧ: Учеб. пособие / Под ред. Д.М. Сазонова. - М.: Высш. школа, 1981. - 295 с.
2. Konishi Y.K. et al. A directional coupler of a vertically installed planar circuit structure // IEEE Trans., 1988, Vol. MTT - 36. - No. 6. - P. 1057-1063.
3. Пат. 2265260 РФ. Направленный ответвитель для поверхностного монтажа / Д. Бородулин, Т. Диттмер, Дж. Кабрера; Патентообладатель Харрис Корпорейшн (US). - 2004107656/09; заявл. 12.08.2002; опубл. 27.11.2005. Бюл. №33. - 18 с.
4. Wang Ζ., Liu H., Wang Q. A novel 3-dB trans-directional coupler with DGS and conductor-backed asymmetric coplanar waveguides // Frequenz, 2013, Vo. 67, Issue 3-4, P. 67-72.
5. Liu H., Fang S., Wang Z., Zhou Y. Miniaturization of trans-directional coupled line couplers using series inductors // Progress in Electromagnetics Research C, 2014, Vol. 46, P. 171-177.
6. Turalchuk P., Munina I., Vendik I., Ni J., Hong J. DC isolated directional coupler // European Microwave Week 2014 - Proc. of the 44th Eur. Microwave Conf., 6-9 Oct. 2014, Rome, Italy. - P. 93-95.
7. Shie C.-I., Cheng J.-C, Chou S.-C. et. al. Transdirectional coupled-line couplers implemented by periodical shunt capacitors // IEEE Trans., 2009, Vol. MTT-57. - No. 12. - P. 2981-2988.
8. Сычев A.H., Долгушин Μ.Ε. Анализ линий с лицевой связью на вертикальной подложке с использованием численных конформных преобразований // 20-я Международ. Крымская конф. «СВЧ-техника и телекоммуникац. технологии» (Крымико′ 2010): материалы конф. (Севастополь, 13-17 сент. 2010 г.). Севастополь: Вебер, 2010. - С. 636-638.