НАПРАВЛЕННЫЙ ОТВЕТВИТЕЛЬ НА ПОЛОСКОВЫХ ЛИНИЯХ
DIRECTIONAL COUPLER ON STRIP LINES

Изобретение относится к радиотехнике сверхвысоких частот и может использоваться в радиосхемах с применением направленных ответвителей с сильной связью в полосковом исполнении.
Известен направленный ответвитель на полосковой линии (Микроэлектронные устройства СВЧ под редакцией Г.И.Веселова. Учебное пособие для радиотехнических специальностей вузов. Г.И.Веселов, Е.Н.Егоров, Ю.Н.Алехин и др. М.: Высшая школа, 1988, 280 с.). Такой направленный ответвитель (НО) содержит (фиг.1) две области связи 1.1, 1.2, каждая из которых ограничена двумя переходными областями 2.1а, 2.1б и 2.2а, 2.2б соответственно, подводящие полосковые линии (ПЛ) 3.1-3.6, полосковые линии 3.2 и 3.5 имеют одинаковую длину, две перемычки 4.1 и 4.2 в переходных областях 2.1а и 2.2а соответственно, при этом каждая область связи состоит из двух связанных полосковых линий 5.1, 5.2 и 5.3, 5.4 соответственно и зазоров между ними 6.1 и 6.2.
Выход подводящей полосковой линии 3.1 является входом прямого канала и входом НО.
Выход подводящей полосковой лини 3.1 соединен в переходной области 2.1а с входом связанной полосковой линии 5.1. Выход связанной полосковой линии 5.1 соединен в переходной области 2.1б с входом подводящей полосковой линии 3.2. Выход подводящей полосковой линии 3.2 соединен в переходной области 2.2а через перемычку 4.2 с входом связанной полосковой линии 5.3.
Выход связанной полосковой линии 5.3 соединен в переходной области 2.2б с входом подводящей полосковой линии 3.3. Выход подводящей микрополосковой линии 3.3 является выходом прямого канала НО.
Вход подводящей полосковой линии 3.4 является развязанным выходом связанного канала НО.
Выход подводящей полосковой линии 3.4 соединен в переходной области 2.1б с входом связанной полосковой линии 5.2.
Выход связанной канала полосковой линии 5.2 соединен в переходной области 2.1а через перемычку 4.1 с входом подводящей полосковой линии 3.5.
Выход подводящей полосковой линии 3.5 соединен в переходной области 2.1б с входом связанной полосковой линии 5.4.
Выход связанной полосковой линии 5.4 соединен в переходной области 2.2а с входом подводящей полосковой линии 3,6.
Выход подводящей полосковой линии 3.6. является выходом связанного канала НО.
Концы перемычек прикрепляются к концам полосковых линий с помощью пайки. Такая схема соединения двух областей связанных линий называется тандемной схемой НО.
При подаче на вход НО СВЧ сигнала часть мощности этого сигнала (минус 7-8 дБ) в области связи 1.1 ответвляется и попадает на выход связанной линии 5.2. Эта мощность через подводящую линию 3.5 попадает во вторую область связи 2.1 на вход связанной линии 5.4. Остальная часть мощности из первой области связи 1.1 с выхода линии 5.1 через подводящую линию 3.2 попадает во вторую область связи 1.2 через перемычку 4.2 на вход связанной линии 5.3. Во второй области связи 1.2 две части мощности движутся навстречу друг другу, и благодаря фазовым соотношениям на выходах подводящих линий 3.3 и 3.6 выделяется примерно по половине мощности входного сигнала.
Результаты расчета мощности на выходах прямого и связанного каналов в зависимости от частоты сигнала для тандемной схемы НО с сильной связью представлены на фиг.2.
На фиг.2 приведены графики амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) прямого и связанного каналов для идеальной и реальной модели НО со связью 3 дБ, выполненного по тандемной схеме, при центральной частоте связи Fо=5,5 ГГц для идеальной схемы.
На оси абсцисс фиг.2 отложена частота сигнала в ГГц, а по оси ординат значения амплитуды этого сигнала в дБ.
На фиг.2 введены обозначения:
Прямой канал в идеальной модели НО.
Связанный канал в идеальной модели НО.
Прямой канал в реальной модели НО.
Связанный канал в реальной модели НО.
Отличие реальной модели от идеальной состоит в том, что длины подводящих полосковых линий 3.2 и 3.5 в реальной модели не равны нулю.
В случае реальной модели тандемной схемы, представленной на фиг.1, при длине областей связи, соответствующей центральной частоте Fo=5,5 ГГц для идеальной схемы, центральная частота АЧХ сместилась в сторону низких частот и составляет Fo=5 ГГц, а рабочая полоса частот НО сузилась.
На фиг.3 представлены АЧХ прямого и связанного каналов для идеальной и реальной модели НО со связью минус 3 дБ, выполненной по тандемной схеме при длине областей связи, соответствующей центральной частоте Fo=10 ГГц для идеальной схемы. На фиг.3 обозначения такие же, как и на фиг.2.
Из графиков фиг.3 видно, что для реальной модели центральная частота АЧХ уменьшилась до Fo=8,5 ГГц, при этом в первом случае (фиг.2) рабочая полоса частот сузилась, а во втором (фиг.3) существенно изменился характер графиков.
Таким образом, использование тандемной схемы для получения НО со связью минус 3 дБ на частотах более 8 ГГц связано с трудностями, которые обусловлены конечной длиной подводящих линий 3.2 и 3.5, что ограничивает применение тандемной схемы на МПЛ на частотах более 8 ГГц.
Известен направленный ответвитель Ланге на полосковых линиях (В.Фуско. «СВЧ цепи», с.280. Перевод с английского А.А.Вольман, А.Д.Муравцова под редакцией В.И. Вольмана. М., Радио и связь) принятый за прототип (§5.10, стр.273).
На фиг.4 представлен эскиз НО Ланге со связью минус 3 дБ. Этот НО содержит область связи 1, которая ограничена двумя одинаковыми переходными областями 2.1 и 2.2, подводящие полосковые линии 3.1-3.4, две перемычки 4.1. и 4.2, закрепленные в переходных областях связи 2.1 и 2.2, и две перемычки 4.3 и 4.4, закрепленные в центре области связи 1.
Область связи состоит из четырех связанных полосковых линий 5.1-5.4 одинаковой ширины. Полосковые линии 5.1, 5.3 и 5.4 состоят из двух половинок а и б, соседние линии в области связи разделены одинаковыми зазорами 6.
Проводящие перемычки в конструкции НО Ланге (фиг.4) располагаются вдоль полосок в области связи. Концы перемычек прикрепляются к концам полосковых линий с помощью пайки или сварки. Неидеальная установка перемычек связана со смещением точек крепления концов перемычек вдоль полосок линий, а идеальная соответствует установке конца перемычек точно на конец отрезка полосковой линии (ПЛ).
Для моделирования НО Ланге была выбрана модель, в которой центральные перемычки располагаются вдоль полосок (фиг.4), что позволяет уменьшить ошибку установки перемычек, ограничив ее только продольным смещением точек закрепления.
Вход подводящей линии 3.1 является входом прямого канала и входом НО.
Выход подводящей линии 3.1 соединен в переходной области 2.1 с входом связанных линий 5.1 и 5.3, половинки этих линий 5.1а, 5.1б и 5.3а, 5.3б соединены в центре области связи перемычками 4.3. и 4.4 соответственно. Выходы связанных линий 5.1 и 5.3 соединены в переходной области 2.2 с входом подводящей линии 3.2, выход которой является выходом прямого канала НО.
Вход подводящей линии 3.3 является выходом связанного канала.
Выход подводящей линии 3.3 соединен в переходной области 2.1 с входом связанной линии 5.4 и через перемычку 4.1 с входом связанной линии 5.2. В центре области связи половина связанной линии 5.4 отрезка 5.4а соединена поперечной полоской с центром связанной линии 5.2 и со второй своей половиной 5.4б. Выход связанной линии 5.4 в переходной области 2.1 соединен с входом подводящей линии 3.4. Выход связанной линии 5.2 в переходной области 2.2 через перемычку 4.2 соединен с входом подводящей линии 3.4. Выход подводящей линии 3.4 является выходом развязанного канала НО.
Прототип работает следующим образом. При подаче сигнала на вход НО часть его мощности (минус 3 дБ) в области связи ответвляется и попадает на выход подводящей линии 3.3, другая часть мощности проходит на выход прямого канала подводящей линии 3.2.
Малая часть мощности, порядка минус 10 дБ в зависимости от диэлектрика платы и частоты проходит на выход развязанного канала подводящей линии 3.4.
На фиг.5 представлены графики АЧХ прямого и связанного каналов для идеальной и реальной модели НО Ланге со связью минус 3 дБ. При центральной частоте связи Fo=5 ГГц для идеальной модели. Под идеальной моделью в данном случае подразумеваем НО Ланге с идеально установленными перемычками. Под реальной моделью подразумеваем НО Ланге с перемычками, которые установлены с определенной погрешностью относительно точек концов перемычек с концами отрезков связанных линий. Моделирование выполнено при максимальной погрешности установки перемычек 0,2 мм. На фиг.5 и 6 по оси абсцисс отложена частота сигнала в ГГц, а по оси ординат - значения амплитуды сигналов в дБ. Обозначения на графиках те же, что и на фиг.2.
На графике фиг.5 центральная частота сигнала для реальной модели осталась прежней Fо=5 ГГц. Однако кривая графика связанного канала сместилась по амплитуде ниже. Кривые графиков АЧХ прямого и связанного каналов не пересекаются. Это приводит к сужению рабочей полосы частот.
На фиг.6 представлены графики АЧХ прямого и связанного каналов для идеальной и реальной модели НО Ланге со связью минус 3 дБ при центральной частоте связи Fo=12 ГГц для идеального варианта. Даже для идеальной модели НО графики АЧХ фиг.6 отличаются своим видом от аналогичных графиков АЧХ фиг.5. Различие в длине области связи для НО АЧХ, которые представлен на фиг.5 и 6, составляет kl=2,4 раза, такое же, как в случае тандемной схемы. Однако взаимное расположение кривых графиков АЧХ для идеального варианта изменились, кривые графиков перестали пересекаться. Следовательно, даже в идеальном варианте установки перемычек для НО Ланге происходит сужение рабочей полосы частот НО.
Графики АЧХ прямого канала для частоты Fo=12 ГГц для идеального и неидеального вариантов установки перемычек для НО Ланге практически совпадают (фиг.6). Кривые графиков АЧХ связанного канала для неидеального варианта расположены гораздо ниже идеальных, особенно это заметно для НО с Fo=12 ГГц. При этом частота Fo для связанного канала переместилась в область 11 ГГц. АЧХ связанного и прямого каналов прототипа для неидеального варианта не удовлетворяет требованиям АЧХ НО, работающего на частотах выше 10 ГГц.
Даже для идеальной установки перемычек происходит изменения вида АЧХ НО: уменьшение величины связи и смещение АЧХ связанного канала относительно АЧХ прямого канала в сторону низких частот, обусловленное большой неоднородностью перехода от подводящей линии к связанным линиям. На этой неоднородности происходит дополнительная электромагнитная связь между подводящих линий, которая из-за фазовых соотношений их сигналов снижает основную связь. Для НО, выполненного на поликоровой подложке толщиной 0,5 мм, ПЛ с входным сопротивлением 50 Ом, этот переход имеет ширину полоскового проводника 0,48 мм, а ширина полоскового проводника связанной линии порядка 0,05 мм. Снижение величины связи становится заметным при частотах порядка 12 Гц.
К недостаткам прототипа относятся: во-первых, большая неоднородность в области перехода от подводящей отрезков МПЛ к связанным отрезкам МПЛ, что приводит к дополнительной паразитной связи между каналами НО; во-вторых, расположение связанных отрезков линий для каждого канала НО не позволяет иметь одинаковые скорости распространения для разных типов волн, распространяющихся вдоль разных отрезков связанных каналов.
Техническим результатом изобретения является расширение рабочего диапазона частот НО со связью минус 3 дБ в область частот выше 10 ГГц.
Изобретение поясняется чертежами
На фиг.7 представлен вид в плане направленного ответвителя, выполненного на подвешенной полосковой линии (ППЛ) со связью минус 3 дБ между прямым и связанным каналами.
На фиг.8 показан вид направленного ответвителя по стрелке А (вид сбоку).
На фиг.9 представлены графики АЧХ прямого и связанного каналов для идеальной и реальной моделей НО на ППЛ со связью минус 3 дБ, выполненной по схеме фиг.7 для рабочей частоты сигнала Fo=5,3 ГГц. Обозначения на графиках такие же, как и на фиг.2.
На фиг.10 представлены графики АЧХ прямого и связанного каналов для идеальной и реальной модели НО на ППЛ со связью минус 3 дБ, выполненной по схеме фиг.7 для центральной частоты связи Fo=12 ГГц (при смещении от идеального положения точек закрепления перемычек на 0,2 мм только по координате y).
На фиг.11 представлены АЧХ прямого и связанного каналов для идеальной и реальной модели НО на ППЛ со связью минус 3 дБ, выполненной по схеме фиг.7 для Fo=12 ГГц (при смещении от идеального положения точек закрепления перемычек на 0,2 мм по обеим координатам х и у).
На фиг.12 представлены экспериментальные графики АЧХ прямого, связанного и развязанного каналов для примера реализации НО на ППЛ со связью минус 3 дБ, на которой введены обозначения:  Прямой канал;  Связанный канал;  Развязанный канал.
На фиг.7 и 8 введены обозначения:
1 - металлический экран; 2 - диэлектрическая плата; 3 - прямоугольная рамка прямого канала (ПК); 4 - входной вывод прямого канала; 5 - выходной вывод прямого канала; 6 - окно рамки прямого канала; 7 - металлическая полоска связанного канала; 8 и 9 - металлические перемычки связанного канала; 10 - не развязанный вывод связанного канала; 11 - развязанный вывод связанного канала; 12 - металлические вставки между диэлектрической платой и экраном; Lo - длина рамки 3 и ее окна 6; Hp - ширина рамки 3; Но - ширина окна рамки 3; h - ширина большей стороны рамки 3; Нв - ширина и длина выводов 4, 5, 10 и 11; Ln - длина полоски 7; Нп - ширина полоски 7; Z - зазоры, между торцевыми сторонами рамки 3 и торцевыми сторонами полоски 7; z - зазор между боковыми сторонами рамки 3 и боковыми сторонами полоски 7; d - ширина перемычек 8 и 9; V - воздушный зазор между диэлектрической платой и экраном.
Описание конструкции НО
Технический результат изобретения достигается благодаря тому, что направленный ответвитель (НО) содержит металлический экран 1, диэлектрическую плату 2, прямой (ПК) и связанный (СК) каналы (фиг.7, 8).
На тыльной стороне диэлектрической платы 2 закреплен металлический экран 1 с воздушным зазором V, ширина которого находится в пределах 0,08÷0,12 мм и обеспечивается металлическими вставками 12, выполненными, например, в виде шайб 12 из металлической фольги (фиг.8). При таком расположении экрана 1 на диэлектрической плате 2 полосковые линии (ПЛ), выполненные на лицевой стороне платы, становятся подвешенными полосковыми линиями (ППЛ).
ППЛ между печатной схемой НО и металлическим экраном имеет меньше емкость, чем емкость печатная схема НО - металлический экран полосковой линии (ПЛ), у которой экран закреплен на плате без воздушного зазора. Поэтому ППЛ имеет более широкий частотный диапазон работы, чем ПЛ.
Диэлектрическая плата 2 выполнена из диэлектрика, относительная диэлектрическая проницаемость которого находится в пределах 8÷10, а толщина платы - 0,4÷0,6 мм. На лицевой стороне платы выполнена печатная схема подвешенных полосковых линий (ППЛ) прямого (ПК) и связанного (СК) каналов направленного ответвителя (НО).
Прямой канал НО выполнен в виде металлической прямоугольной рамки 3 с прямоугольным окном 6, с входным выводом 4 на ее одном конце и выходным выводом 5 на другом (фиг.7). Длина прямоугольной рамки 3 равна длине окна Lо и больше ее ширины в 5÷8 раз. Ширина h больших сторон рамки 3 составляет 0,1÷0,2 от ширины рамки.
Длина Lo окна 6 рамки 3 равна длине рамки. Входной вывод 4 прямого канала является входом НО, а его выходной вывод 5 является первым выходом НО, куда поступает половина мощности сигнала (минус 3 дБ), поданной на вход НО. Ширина и длина выводов 4 и 5 равны между собой и равны Нв. Размеры выводов 4 и 5 прямого канала Нв больше ширины рамки Hp в 1,2÷1,4 раза.
Связанный канал (СК) состоит из прямоугольной металлической полоски 7, двух металлических перемычек 8 и 9 и двух выводов. Вывод, который ближе к входу НО, не развязанный 10, а другой - развязанный 11 (фиг.7).
Металлическая полоска 7 расположена внутри окна 6 с одинаковыми зазорами z между ее боковыми сторонами и боковыми сторонами окна 6 и большими одинаковыми зазорами Z между торцами полоски 7 и торцами окна 6.
Ширина d перемычек 8 и 9 составляет 0,3÷0,5 ширины Нп полоски 7, а их длина больше их ширины в 4÷5 раз. Перемычки 8 и 9 выполнены в виде металлических скоб, например в форме скобы оконного шпингалета с плоскими концами. Такая форма перемычек 8 и 9 и их длина обеспечивают их изоляцию от рамки 3, и в то же время обеспечивает электрическое соединение полоски 7 и выводов 10 и 11 связанного канала НО. К одному концу полоски 7, расположенному ближе к входу НО, припаян один плоский конец перемычки 8 перпендикулярно продольной оси полоски. К другому плоскому концу этой перемычки, также перпендикулярно продольной оси полоски 7 припаян не развязанный вывод 10 связного канала, на расстоянии от рамки 6, равном ширине h±10% ее большей стороны.
К другому концу полоски 7, и с ее противоположной стороны перпендикулярно ее продольной оси припаян один плоский конец перемычки 9. К другому плоскому концу этой перемычки, также перпендикулярно продольной оси полоски 7 припаян развязанный вывод 11 связанного канала на расстоянии от рамки 6, равном ширине h±10% ее большей стороны.
Не развязанный вывод 10 СК является вторым выходом НО, куда поступает вторая половина мощности сигнала (минус 3 дБ), поданной на вход НО.
Выводы 10 и 11 связанного канала выполнены так же, как и выводы 2 и 3 прямого канала НО.
Работа направленного ответвителя
При подаче СВЧ сигнала на вход НО половина мощности проходит на выход 5 прямого канала НО, вторая половина мощности ответвляется в связанный канал НО и поступает на его не развязанный вывод 10. Незначительная часть мощности, равная направленности НО (минус 7÷12 дБ), которую не учитываем, проходит на развязанный вывод 11 связанного канала.
На фиг.9 представлены графики АЧХ прямого и связанного каналов для идеальной и реальной модели НО на ППЛ со связью минус 3 дБ для центральной рабочей частоты Fo=5,36 ГГц для идеально установленных перемычек 8 и 9 и перемычек, установленных с погрешностью 0,2 мм, результаты моделирования которых практически совпадают. Это свидетельствует об улучшении АЧХ по изобретению по сравнению с прототипом.
На фиг.10 представлены графики АЧХ прямого и связанного каналов для идеальной и реальной модели НО на ППЛ со связью минус 3 дБ для центральной рабочей частоты Fo=11,85 ГГц для идеально схемы. В этом случае в реальной модели рассчитывается смещение перемычек на 0,2 мм только по координате Y. Различие в длине области связи по сравнению с фиг.9 составляет kl=2,45 раза, такое же, как для прототипа. По диапазону центральная частота области связи Fo сместилась приблизительно в 2,2 раза. Вид кривых графиков АЧХ в рабочей области частот НО для высокой частоты близок к виду на низкой частоте, в отличие от прототипа, в случае которых говорить о нормальной работе НО на частотах выше 10 ГГц нельзя.
Графики АЧХ идеальной и реальной моделей НО на ППЛ со связью минус 3 дБ мало отличаются друг от друга.
На фиг.11 представлены графики АЧХ, рассчитанные прямого и связанного каналов для идеальной и реальной модели НО на ППЛ со связью минус 3 дБ при той же длине области связи, что и на фиг.10, но в реальной модели рассматривается смещение перемычек 8 и 9 на 0, 2 мм по обеим координатам х и у к центру от области связи.
Из кривых графиков АЧХ фиг.11 видно, что в рабочей области НО для идеальной и реальной моделей НО на ППЛ со связью минус 3 дБ практически одинаковые. Из этого следует, что АЧХ реальной модели НО на ППЛ со связью минус 3 дБ удовлетворяют требованиям назначения в области частот выше 10 ГГц, следовательно, технический результат достигнут (фиг.12).
Реализация изобретения
Топологический рисунок ППЛ экспериментального образца направленного ответвителя (НО) был выполнен по тонкопленочной технологии.
Части прямого и связанного каналов НО экспериментального образца имели следующие геометрические размеры:
- ширина зазора V между экраном 1 и диэлектрической платой 2 равна 0,1 мм;
- металлические вставки 12 выполнены в форме шайб из алюминиевой фольги диаметром 0,5 мм и толщиной 0,1 мм;
- диэлектрическая плата 2 выполнена из поликора с относительной диэлектрической проницаемостью 9,8, толщиной 0,5 мм.
- металлическая прямоугольная рамка 3 прямого канала НО имеет следующие размеры: длина Lp=4,2 мм, ширина Hp=0,34 мм, ширина больших сторон рамки h=0,08;
- металлическая полоска 7 ППЛ связанного канала имеет следующие размеры: ширина равна 0,34 мм, длина Ln=3,2 мм;
- зазор между ее боковыми сторонами и боковыми сторонами окна 6 z=0,08 мм;
- зазорами между торцами полоски 7 и торцами окна 6Z=0,5 мм;
- перемычки 8 и 9 выполнены в виде скоб из латунной фольги их ширина d=0,3 мм, длина 3,5 мм;
- ширина зазоров между полоской 7 и боковыми сторонами рамки 3 h=0,03 мм.
- ширина и длина выводов прямого и связанного каналов Нв=0,96 мм.
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) экспериментального образца направленного ответвителя приведена на фиг.12. Из этой АЧХ видно, что заявляемый направленный ответвитель работает на частотах выше 10 ГГц, следовательно, технический результатом изобретения достигнут.
Отличительные признаки изобретения
Полосковые линии прямого и связанного канала выполнены подвешенными, причем прямой канал выполнен в виде металлической прямоугольной рамки с прямоугольным окном, с входным выводом на одном конце рамки и выходным выводом на ее другом конце. Длина прямоугольной рамки равна длине окна и в 5÷8 раз больше ширины рамки, причем ширина больших сторон рамки в 5÷10 раз меньше ширины рамки. Связанный канал состоит из прямоугольной металлической полоски, двух одинаковых металлических перемычек и двух выводов, вывод, который находится ближе к входу прямого канала, неразвязанный, а другой развязанный, причем металлическая полоска расположена внутри окна рамки с одинаковыми зазорами между ее боковыми сторонами и боковыми сторонами окна и большими одинаковыми зазорами между торцами полоски и торцами окна. Первые зазоры в 5÷10 раз меньше больших зазоров, кроме того, ширина перемычек составляет 0,3÷0,5 ширины полоски, а их длина больше их ширины в 4÷5 раз, причем к одному концу полоски, который находится ближе к входному выводу прямого канала, присоединен один конец одной перемычки перпендикулярно продольной оси полоски, а к другому концу этой перемычки, также перпендикулярно продольной оси полоски, присоединен не развязанный вывод связанного канала, а к другому концу полоски с ее противоположной стороны присоединен перпендикулярно ее продольной оси один конец другой перемычки, к другому концу которой, также перпендикулярно продольной оси полоски присоединен развязанный вывод связанного канала, кроме того, выводы каналов имеют форму квадрата, сторона которого в 1,2÷1,4 раза больше ширины рамки.