МИКРОПОЛОСКОВЫЙ ТАНДЕМНЫЙ НАПРАВЛЕННЫЙ ОТВЕТВИТЕЛЬ
MICROSTRIP TANDEM DIRECTIONAL COUPLER

Изобретение относится к технике СВЧ, а именно, к устройствам, предназначенным для разделения (ответвления) сигнала СВЧ по нескольким каналам.
Изобретение может быть использовано в радиотехнических устройствах различного назначения в качестве элементной базы тонкопленочных интегральных высокочастотных узлов, таких как: делительно-суммирующие устройства, усилители СВЧ мощности, ответвители, радиочастотные мультиплексоры, фазовращатели, фильтры и другие.
Актуальность данного изобретения обусловлена возрастающими требованиями к высокочастотным узлам систем связи и радиолокации в отношении их широкополосности, миниатюризации и технологичности. Для обеспечения предъявляемых требований необходимо реализовать планарные направленные ответвители и делители-сумматоры СВЧ мощности с относительной полосой пропускания более октавы при высоком проценте выхода годных изделий.
Известен микрополосковый направленный ответвитель, содержащий две электромагнитно связанные микрополосковые линии передачи, расположенные параллельно друг другу (фиг. 1). В этом ответвителе сдвиг по фазе между векторами напряженности ответвленного электрического поля на выходах плеч составляет 90°. Ответвитель изготавливается методом тонкопленочной технологии на диэлектрической подложке типа «поликор» и других. Широкополосность ответвителя определяется разностью фазовых скоростей четной и нечетной типов волн в электромагнитно связанных микрополосковых линиях, которая определяется ширинами W связанных линий и величиной зазора между ними g (Малорацкий Л.Г., Явич Л.Р.
Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях, М.: Сов. радио. 1972. Рис. 2.14б).
Основным недостатком ответвителя является узкая полоса рабочих частот, составляющая не более 22-25%, что приемлемо лишь для узкополосных устройств.
Известен тандемный микрополосковый направленный ответвитель, с поперечным размером W микрополосковых линий и с зазором g между ними. Для соединения отрезков микрополосковых линий используются перемычки 1. Этот ответвитель представляет собой функциональный узел, состоящий из двух идентичных микрополосковых ответвителей, описанных в первом аналоге (фиг. 2). За счет определенного порядка соединения полюсов этих ответвителей удается реализовать микрополосковый ответвитель с полосой пропускания до 50% (Малорацкий Л.Г. Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ. М.: Сов. радио. 1976. Рис. 2.16).
Поскольку оба идентичных микрополосковых ответвителя не должны иметь непосредственную электромагнитную связь между собой, то необходимо разносить их на подложке на заметное расстояние, что увеличивает габариты ответвителя в целом и тем самым ограничивает область его использования.
Известен микрополосковый тандемный направленный ответвитель, содержащий микрополосковые линии передачи, расположенные на диэлектрической подложке, обратная сторона которой частично или полностью металлизирована или подвешена над металлической поверхностью, выполненные в виде четырех одинаковых 50-омных плечевых микрополосковых линий передачи 2, двух мостов Ланге четвертьволновой длины каждый 3, входные и выходные концы которых соединены попарно между собой с помощью двух одинаковых четвертьволновых отрезков микрополосковых линий передачи 4 и с соответствующими плечевыми микрополосковыми линиями передачи (фиг. 3) - прототип (Sener Uysal. Nonuniform line microstrip directional couplers and filters. 1993. стр. 23. Рис. 2).
Преимуществом тандемных направленных ответвителей является увеличение рабочей полосы частот примерно до 1,5 октав.
Общим недостатком описанных конструкций ответвителей является то, что их рабочая полоса частот ограничена 1,5 октавами, а уменьшение расстояния (зазора) между связанными линиями передачи, хотя и увеличивает рабочую полосу частот ответвителя, но приводит к увеличению коэффициента стоячей волны напряжения (КСВН) на входных и выходных плечах ответвителя.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение полосы рабочих частот до двух октав при сохранении величины КСВН и габаритных размеров ответвителя.
Указанный технический результат достигается заявленным микрополосковым тандемным направленным ответвителем, расположенным на диэлектрической подложке, обратная сторона которой частично или полностью металлизирована или подвешена над металлической поверхностью, выполненным в виде четырех одинаковых 50-омных плечевых микрополосковых линий передачи 2, двух микрополосковых мостов Ланге четвертьволновой длины 3, двух четвертьволновых отрезков микрополосковой линии передачи 4, расположенных перпендикулярно мостам Ланге. В ответвитель дополнительно введены два отрезка двухсвязанной микрополосковой линии передачи четвертьволновой длины каждый 5, два четвертьволновых отрезка микрополосковой линии передачи 6, два полуволновых отрезка микрополосковой линии передачи 7, при этом ответвитель выполнен в виде двух одинаковых частей, зеркально симметричных относительно вертикальной оси, проходящей по середине ответвителя. В каждой части две плечевые линии передачи соединены с одними концами отрезка двухсвязанной линии передачи 5, другие концы которой соединены с концами двух мостов Ланге 3 через четвертьволновые отрезки линий передачи 4, расположенные перпендикулярно мостам Ланге, электромагнитно связанные с полуволновой линией передачи 7, соединенной своими концами с теми же концами двух мостов Ланге 3.
Согласно другому аспекту заявленного изобретения, в ответвитель дополнительно введены секции из двух отрезков высокоомных микрополосковых линий передачи 8, расположенные одна посередине направленного ответвителя параллельно мостам Ланге и гальванически связанная своими концами с серединами полуволновых линий передачи 7, а две другие - рядом с мостами Ланге 3, с шириной проводников, равной ширине проводников моста Ланге и длиной каждого отрезка, обеспечивающей емкостную связь между их концами, определяемыми экспериментально, либо в результате электромагнитного моделирования. Внутренняя поверхность проводника каждого из двух отрезков связанной микрополосковой линии передачи 5 четвертьволновой длины выполнена с двумя или более одинаковыми выборками 9. Каждый из двух отрезков связанной микрополосковой линии передачи четвертьволновой длины 5 имеет также не менее двух окон с полным удалением из них металла микрополосковой линии 10. Выборки и окна 9 и 10 предназначены для выравнивания фазовых скоростей распространения четных и нечетных типов волн в линиях передачи 5 и расширяют их полосу рабочих частот. Их размеры определяются экспериментально, либо в результате электромагнитного моделирования.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 изображен микрополосковый направленный ответвитель, содержащий две электромагнитно связанные микрополосковые линии передачи, расположенные параллельно друг другу.
На фиг. 2 показан тандемный микрополосковый направленный ответвитель, представляющий собой функциональный узел, состоящий из двух идентичных микрополосковых ответвителей.
На фиг. 3 показан микрополосковый тандемный направленный ответвитель.
На фиг. 4 изображен заявляемый ответвитель без вырезов, где цифрой 2 обозначена одна из четырех имеющихся в ответвителе одинаковых 50-омных плечевых микрополосковых линий передачи; цифрой 3 микрополосковый мост Ланге четвертьволновой длины; цифрой 4 - четвертьволновый отрезок микрополосковой линии передачи; цифрой 5 - один из двух дополнительно введенных отрезков двухсвязанной микрополосковой линии передачи четвертьволновой длины; цифрой 6 - один из двух дополнительно введенных четвертьволновых отрезков микрополосковой линии передачи; цифрой 7 - один из двух дополнительно введенных полуволновых отрезков микрополосковой линии передачи.
На фиг. 5 изображен заявленный ответвитель с вырезами, где цифрой 5 обозначен один из двух дополнительно введенных отрезков двухсвязанной микрополосковой линии передачи четвертьволновой длины; цифрой 8 - три дополнительно введеные секции из двух отрезков высокоомной связанной микрополосковой линий передачи; цифрой 9 - одна из выборок на внутренней поверхности проводника каждого из двух отрезков связанной микрополосковой линии передачи; цифрой 10 - одно из окон на каждом из двух отрезков связанной микрополосковой линии передачи четвертьволновой длины.
На фиг. 6 дана зависимость от частоты модулей коэффициентов передачи предлагаемого ответвителя и ближайшего аналога.
На фиг. 7 дана зависимость от частоты КСВН выходных плеч заявленного ответвителя с вырезами по сравнению с ответвителем без вырезов.
Заявленный ответвитель, его существенные признаки, а именно введение двух отрезков связанной микрополосковой линии передачи четвертьволновой длины каждый, двух четвертьволновых отрезков микрополосковой линии передачи, двух полуволновых отрезков микрополосковой линии передачи, в их совокупности, а так же в совокупности с известными признаками и с предложенным выполнением ответвителя в виде двух одинаковых частей, зеркально симметричных относительно вертикальной оси, проходящей по середине ответвителя, где в каждой части две плечевые линии передачи соединены с одними концами отрезка двухсвязанной линии передачи, другие концы которой соединены с концами двух мостов Ланге через четвертьволновые отрезки линий передачи, расположенные перпендикулярно мостам Ланге, электромагнитно связанные с полуволновой линией передачи, соединенной своими концами с теми же концами двух мостов Ланге, позволяет достичь указанного технического результата, выраженного расширением полосы рабочих частот при сохранении величины КСВН и габаритных размеров ответвителя.
Это достигается за счет:
во-первых, наличия в каждой части четвертьволнового отрезка связанных линий 5, расположенного на входе (выходе) ответвителя, что обеспечивает дополнительную электромагнитную связь между каналами ответвителя, существенно влияющую на рабочую полосу частот, но практически не влияющую на уровень сигнала, и как следствие - увеличение рабочей полосы частот без увеличения КСВН на входе (выходе) ответвителя,
во-вторых, соединения концов связанной линии передачи с концами мостов Ланге через четвертьволновые отрезки линий передачи 4, связанных электромагнитно с полуволновой линией передачи 7, соединенной своими концами с теми же мостами Ланге, что обеспечивает сильную связь между дополнительно введенными элементами ответвителя и мостами Ланге, влияющую как в случае многозвенных полосовых фильтров на связанных линиях на увеличение полосы пропускания за счет выравнивания фазовых скоростей распространения четных и нечетных типов волн, и как следствие на увеличение рабочей полосы частот,
в-третьих, расположения дополнительно введенных элементов ответвителя вдоль двух взаимоперпендикулярных осей делает конструкцию ответвителя компактной и, как следствие - с сохранением габаритных размеров ответвителя.
На фиг. 5 показан вариант заявленного ответвителя, в который дополнительно введены три секции из двух отрезков высокоомной связанной микрополосковой линий передачи 8, расположенные одна посередине направленного ответвителя параллельно мостам Ланге и гальванически связанная своими концами с серединами полуволновых линий передачи 7, а две другие - рядом с мостами Ланге 3, с шириной проводников, равной ширине проводников моста Ланге и длиной каждого отрезка, обеспечивающей емкостную связь между их концами, определяемыми экспериментально, либо в результате электромагнитного моделирования. Внутренняя поверхность проводника каждого из двух отрезков связанной микрополосковой линии передачи 5 четвертьволновой длины выполнена с двумя или более одинаковыми выборками 9. Каждый из двух отрезков связанной микрополосковой линии передачи четвертьволновой длины имеет также не менее двух окон с полным удалением из них металла микрополосковой линии 10. Выборки и окна 9 и 10 предназначены для выравнивания фазовых скоростей распространения четных и нечетных типов волн в линиях передачи 5 и расширяют их полосу рабочих частот. Их размеры определяются экспериментально, либо в результате электромагнитного моделирования.
Такое конструктивное решение, а именно введение трех секций из двух отрезков высокоомной связанной микрополосковой линий передачи 8, с шириной проводников, равной ширине проводников моста Ланге и длиной каждого отрезка, обеспечивающей емкостную связь между их концами, определяемыми экспериментально, либо в результате электромагнитного моделирования, расположенные одна посередине направленного ответвителя параллельно мостам Ланге и гальванически связанная своими концами с серединами полуволновых линий передачи 7, а две другие - рядом с мостами Ланге 3 позволяет снизить КСВН при тех же габаритах и в той же рабочей полосе частот.
График зависимости КСВН от рабочей полосы частот для ответвителя с вырезами и без приведен на фиг. 7
Пример конкретного выполнения заявленного ответвителя.
Ответвитель выполнен в интегральном исполнении на подложке из поликора (относительная диэлектрическая проницаемость 9,6) толщиной равной 0,5 мм с использованием классической тонкопленочной технологии.
Плечевые линии передачи выполнены с волновым сопротивлением, равным 50 Ом, что соответствует ширине микрополоскового проводника 0,48 мм.
Заявленный ответвитель работает следующим образом.
Направленный ответвитель - взаимное устройство с четырьмя плечами (каналами), у которого развязаны какие - либо два плеча, то есть СВЧ - сигнал от одного входного плеча (канала) практически не проходит во вспомогательное плечо (канал), а делится в заданном отношении мощностей между третьим и четвертым плечами (каналами), которые называются рабочими. В направленном ответвителе из-за специально подобранной связи между отрезками линий передачи лишь незначительная часть мощности электромагнитной волны, распространяющейся в основном канале, ответвляется во вспомогательный канал, а большая часть ответвляется в два рабочих канала и делится между ними в заданном отношении.
С целью снижения габаритных размеров направленных ответвителей и повышения технологичности их изготовлении конструктивно они выполняются на микрополосковых линиях - несимметричных полосковых линиях передачи, выполненных из одного или нескольких проводников, имеющих форму тонких металлических полосок, расположенных на диэлектрической подложке. Микрополосковые линии передачи выполняются на диэлектрической подложке с высокой величиной относительной диэлектрической проницаемости, поэтому толщина подложки много меньше длины волны в свободном пространстве. Достоинством микрополосковой линии передачи и устройств на ее основе является возможность автоматизации производства устройств с применением технологий изготовления печатных плат и гибридных интегральных схем.
На образцах заявленного ответвителя была измерена зависимость от частоты модулей коэффициентов передачи в рабочем канале. Эта зависимость приведена на фиг. 6.
На графике приведены результаты расчета тандемного ответвителя в сравнении с заявленным (тандемный ответвитель с дополнительными областями связи). Рабочая полоса частот составляет от 1,8 до 5,5 ГГц для обычного тандемного ответвителя, а для заявленного составляет от 1 до 6,5 ГГц, что примерно в 1,5 раза больше, чем у прототипа.
Таким образом, предлагаемая конструкция ответвителя по сравнению с прототипом позволит:
- во-первых, получить в 1,5 раза шире рабочую полосу частот,
- во-вторых, получить КСВН менее 1,3 во всей рабочей полосе частот,
- в-третьих, реализовать конструкцию как в гибридном интегральном, так и в монолитном интегральном исполнении.