ТАНДЕМНЫЙ ОТВЕТВИТЕЛЬ НА СВЯЗАННЫХ ЛИНИЯХ
TANDEM COUPLER ON COUPLED LINES

Изобретение относится к технике высоких (ВЧ) и сверхвысоких (СВЧ) частот и может быть использовано в радиотехнических устройствах различного назначения в радиолокации, радионавигации, связи, антенно-фидерных системах и радиоизмерительной технике, для направленного ответвления части мощности из ВЧ и СВЧ тракта. Основным применением разработанного ответвителя является разделение на синфазную и квадратурную составляющие выходных ВЧ и СВЧ сигналов.
Ответвители широко применяются в радиоизмерительной аппаратуре и в других радиотехнических системах для сложения, разветвления и смешивания сигналов, для измерения параметров передачи и отражения, для контроля и стабилизации уровня мощности и частоты сигнала и т.д.
Известны направленные ответвители шлейфного типа (Конструирование и расчет полосковых устройств. Под ред. И.С. Ковалева, М., Советское радио, 1974, стр. 148.), состоящие из двух параллельных передающих полосковых волноводов, связанных рядом параллельных шлейфов. Длина шлейфов и расстояние между ними равны четверти длины волны в полосковом волноводе на средней частоте. Ответвленная в дополнительный канал мощность распространяется в нем в том же направлении, как и в основном полосковом волноводе. Фазовый сдвиг напряжений на выходных плечах такого ответвителя составляет 90°. Недостатками этого технического решения являются сравнительно узкая рабочая полоса и относительно большие габаритные размеры.
н
н
Известен направленный ответвитель, выполненный на симметричных полосковых линиях передачи (Конструирование и расчет полосковых устройств. Под ред. И.С. Ковалева, М., Советское радио, 1974, стр. 162-165.) и представляющий собой полностью симметричное взаимное четырехплечное устройство (восьмиполюсник), осуществляющее направленный отбор некоторой части высокочастотного сигнала из одного (основного) в другой (дополнительный) канал. Он выполнен на трех диэлектрических платах симметричными полосковыми волноводами с фронтальной связью, расположенными параллельно заземленным пластинам. Длина области связи при этом составляет ~λ/4, где λ - длина волны в диэлектрике нижней границы частотного диапазона. При идеальном согласовании одно из плеч дополнительного канала развязано, и мощность в него не поступает. Входная мощность при этом распределяется в двух других (рабочих) плечах направленного ответвителя в соответствии с выбранной величиной связи между каналами, а напряжения в рабочих плечах имеют фазовый сдвиг, равный 90°. К недостаткам такого ответвителя можно отнести большой разброс коэффициента передачи на краях рабочего диапазона, а также недостаточную развязку.
Известны направленные ответвители типа Ланге, они отличаются малыми габаритами, широкополосностью по согласованию и развязке, а также возможностью объединения в цепочечную схему. Недостатком НО типа Ланге можно считать практическую невозможность реализовывать сильную связь между микрополосковыми линиями, превышающую -3 дБ, нетехнологичность конструкции из-за наличия воздушных проволочных перемычек для обеспечения гальванического контакта между проводниками, а также отсутствие развязки по постоянному току между входным и одним из выходных каналов.
Известен «тандемный» микрополосковый направленный ответвитель, выбранный в качестве прототипа, описанный в работе: Малорацкий Л.Г. Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ. М. Советское радио, 1976, рис. 2.16, стр. 151. Этот ответвитель, по существу, представляет собой функциональный узел из двух идентичных микрополосковых ответвителей, содержащих две электромагнитно связанные линии передачи, сформированные параллельно друг другу на диэлектрической подложке, реализованные методами тонкопленочной технологии на стандартных подложках. За счет определенного порядка соединения полюсов этих ответвителей удается реализовать «тандемный» микрополосковый ответвитель с полосой пропускания 60-65%. Однако, оба образующих ответвителя не должны иметь непосредственную электромагнитную связь между собой, что заставляет при практической реализации разносить их на подложке на заметные расстояния. Это увеличивает габариты тандемного ответвителя в целом и ограничивает область его использования в технике ВЧ и СВЧ.
Техническим результатом предложенного изобретения является уменьшение массы и габаритов готового изделия, повышение стабильности передаточных и фазовых характеристик, увеличение широкополосности, снижение влияния длины микрополосковой линии на амплитудно-частотные характеристики.
Для этого в устройстве для ответвления ВЧ и СВЧ части потока электромагнитного излучения с заданными параметрами для приемопередающей аппаратуры, выполненного из микрополосковых линий, расположенных на двух прямоугольных горизонтальных диэлектрических подложках, обратная сторона которых имеет сплошную металлизацию, металлизированные части подложки зеркально сложены между собой плоскостями, при этом происходит формирование в одном плече синфазной составляющей, а в другом - квадратурной составляющей сигнала, на каждой подложке микрополосковые линии нанесены методом фотолитографии, соединение двух микрополосковых линий с топологическим перекрестием в местах соединения выполнено в виде перемычек из фольги на торцах плат, при этом на одном из выходов предусмотрено присоединение резистора, компенсирующего отражения выходного сигнала, при этом резистор может быть пленочным, навесным, либо подсоединенным с помощью СВЧ разъема.
На выходе устройства ответвления получают заданные параметры: коэффициент передачи по прямому плечу, коэффициент передачи на ответвление, коэффициент отражения и разность фаз между выходными сигналами.
Направленным ответвителем (НО) принято называть восьмиполюсную систему, служащую для направленного ответвления энергии. Полоса пропускания направленного ответвителя на связанных линиях может быть расширена за счет увеличения числа каскадно включенных звеньев равной электрической длины. Микрополосковый трехдецибельный ответвитель на связанных линиях трудно реализовать из-за очень жестких технологических допусков, сложности конструкции и т.д. Значительно упрощает техническую реализацию трехдецибельного ответвителя тандемное соединение двух ответвителей на связанных линиях. Тандемный направленный ответвитель является менее чувствительным к геометрическим отклонениям по сравнению с обычным направленным ответвителем на связанных линиях и обеспечивает большую широкополосность.
Предложенный направленный ответвитель имеет широкую полосу рабочих частот, малые габариты, реализуемые величины коэффициентов связи, в том числе для трехдецибельного ответвителя.
Для теоретического построения тандемного ответвителя на связанных линиях с помощью специализированного программного пакета схемотехнического и электродинамического моделирования, исходя из выбранного частотного диапазона, требуемого переходного ослабления и развязки, сначала строят схемотехническую, а затем топологическую модель.
Для проверки работоспособности описанной компоновки направленных ответвителей были заданы следующие технические требования:
- входное сопротивление R=50 Ом;
- рабочий частотный диапазон Δf=60…90 МГц;
- коэффициент передачи по прямому плечу S21 ≥ -3.5 дБ;
- коэффициент передачи на ответвление S41 ≥ -4 дБ;
- коэффициент отражения от входа S11 ≤ -18 дБ;
- разность фаз между выходными сигналами ϕ=90°;
- диэлектрическая проницаемость подложки толщиной 1 мм ε=9,8.
В качестве одной из частей разрабатываемого устройства был выбран направленный ответвитель, коэффициент передачи которого -8,68 дБ.
Конечное устройство состоит из двух ответвителей, расчет параметров которых произведен в программной среде моделирования.
Для предварительного задания размеров проводящих шлейфов рассчитывается их длина по формуле:
L - длина шлейфов;
λ=4 м - длина волны на центральной частоте диапазона;
ε=9,8 - диэлектрическая проницаемость подложки.
Далее, с помощью математического аппарата среды моделирования, проведен расчет длины шлейфов, их ширины и зазора между ними для обеспечения требуемых характеристик устройства. Общая длина линий L=400 мм;
L
- зазор между шлейфами S=0,15 мм;
- ширина шлейфа W=0,785 мм.
На Фиг. 1 показана схематическая модель тандемного соединения на связанных линиях, построенная с помощью программы для моделирования.
Здесь W1=W2 - ширина шлейфа, мм; Z - волновое сопротивление линии, Ом.
К любому из портов (1, 2, 3, 4) может быть подключен разъем для подачи сигналов и согласованных нагрузок (при необходимости).
L
На Фиг. 2 и 3 приведены характеристики построенной модели, полученные при параметрах проводящих линий L=400 мм; S=0,15 мм; W=0,785 мм.
На Фиг. 2
1,1
- S, коэффициент стоячей волны
2,1
- S, коэффициент передачи
3,1
- S, коэффициент передачи
4,1
- S, коэффициент стоячей волны
Из графика на Фиг. 3 видно, что разность фаз между четвертым и вторым выходами равна 90°.
- фаза четвертого выхода (4,1,0,0)
- фаза второго выхода (2,1,0,0)
По полученным в схематическом расчете параметрам выполнено построение электромагнитной модели (Фиг. 4).
Устройство для ответвления (Фиг. 5) ВЧ и СВЧ части потока электромагнитного излучения с заданными параметрами для приемопередающей аппаратуры (тандемный ответвитель на связанных линиях) содержит первую микрополосковую линию 5, выполненную на диэлектрической подложке 6 методом фотолитографии, обратная сторона 7 которой металлизирована, и вторую микрополосковую линию 8, также выполненную на диэлектрической подложке с металлизированной обратной стороной. Металлизированные части подложки зеркально сложены между собой. Микрополосковые линии соединены перемычками 9 из золотой фольги на торцах плат. На одном из выходов предусмотрено присоединение пленочного резистора 10, компенсирующего отражения выходного сигнала (присоединение выполнено методом фотолитографии, либо пайки, либо с помощью разъемного соединения).
1,1
2,1
3,1
4,1
На Фиг. 6 и 7 приведены результаты расчета характеристик электромагнитной модели, проведенного с помощью программной среды. Указанные на графиках величины S, S, S, S - расчетные параметры матрицы рассеяния.
На Фиг. 6
1,1
- S = -26,689271 дБ
2,1
- S = -2,8256132 дБ
3,1
- S = -25,677583 дБ
4,1
- S = -3,2474553 дБ
Из графиков видно, что коэффициент передачи по прямому плечу составляет -2,83 дБ; коэффициент передачи по плечу ответвления составляет -3,25 дБ; относительные фазы прямого плеча и плеча ответвления составляют 90°.
Изготовление платы макетного образца производилось методом литографии. В качестве подложки может быть выбран любой материал с диэлектрической проницаемостью равной 9,8 и толщиной 1 мм. Маска печаталась на подложке, покрытой адгезивным слоем и, далее, с помощью ламинатора переносилась на поверхность заготовки подложки. Далее проводились операции травления, отмывки, изготовления коаксиальных разъемов.
Корпус макета изготовлен из металла и собирается методом пайки. По той же технологии изготавливается зеркально симметричная плата.
Изготовленные платы припаиваются друг к другу экранами. Проводящие линии соединяются перемычками, расположенными на торцах скрепленных плат таким образом, чтобы исключить замыкания на землю, в соответствии с построенной моделью устройства. На Фиг. 8 показан внешний вид изготовленного экспериментального образца устройства с разъемами.
Для измерения характеристик изготовленного образца делителя использовался векторный анализатор цепей.
1,4
На Фиг. 9 показана схема измерения параметра S. Источником сигнала является порт 1а, приемным портом выступает порт 2а. На один вход ответвителя подается сигнал, остальные выходы поочередно подключаются к приемному порту векторного анализатора.
H
При измерениях к анализатору цепей присоединялись один вход и выход ответвителя мощности, к остальным выходам подключались нагрузки R=50 Ом для минимизации влияния отражения. На Фиг. 10 резистор 10 показан в виде навесного элемента (для толстых и тонких пленок).
Таким образом получены различные расчетные S-параметры матрицы рассеяния.
На Фиг. 11 показаны токопроводящие перемычки 9 на торцах плат.
В ходе проектирования ответвителя были рассчитаны оптимальные габаритные размеры ответвителя: длина платы - 45 мм; ширина платы - 32 мм; длина проводящей линии - 800 мм; ширина проводящей линии - 0,785 мм; расстояние между шлейфами - 0,15 мм.
При сравнении полученных результатов и заданных параметров, понятно, что характеристики модели с разработанной компоновкой совпадают с характеристиками модели тандемного соединения; результаты характеристик, полученных теоретическим путем, заметно коррелируют с характеристиками реального устройства.
В предлагаемой конструкции ответвителя повышается стабильность параметров, уменьшаются габаритные размеры относительно стандартной конструкции тандемного направленного ответвителя, повышается коэффициент передачи по сравнению с одиночным ответвителем при одинаковых габаритных размерах.
Применение изобретения возможно в радиотехнических системах, в которых необходимо формирование синфазной и квадратурной составляющей в широком диапазоне частот.