СПИРАЛЬНЫЙ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЙ МИКРОПОЛОСКОВЫЙ КВАДРАТУРНЫЙ НАПРАВЛЕННЫЙ ОТВЕТВИТЕЛЬ
SPIRAL ULTRA-WIDEBAND MICROSTRIP QUADRATURE DIRECTIONAL COUPLER

Изобретение относится к технике СВЧ, а именно к устройствам связи типа волноводов, состоящих из двух связанных линий, и может быть использовано в радиотехнических устройствах различного назначения в качестве элементной базы тонкопленочных интегральных высокочастотных узлов, таких как: разделительно-суммирующие устройства, усилители СВЧ мощности, ответвители, радиочастотные мультиплексоры, фазовращатели, фильтры и другие.
Актуальность данного технического решения обусловлена возрастающими требованиями к высокочастотным узлам систем связи и радиолокации в отношении их широкополосности, миниатюризации и технологичности. Для обеспечения предъявляемых в настоящее время требований необходимо реализовать планарные направленные ответвители и делители/сумматоры СВЧ мощности с относительной полосой пропускания более 0,60 (больше октавы) при высоком проценте выхода годных изделий.
Направленные ответвители широко используются в технике СВЧ. Основное назначение направленных ответвителей - направленное ответвление некоторой части высокочастотной энергии из основного тракта во вспомогательный. Особенность этого устройства заключается в том, что оно ответвляет волну только одного направления, то есть распространяющуюся только в прямом или только в обратном направлении в основном тракте. Его работа основана на возбуждении во вспомогательном тракте нескольких волн, смещенных по фазе так, что амплитуды волн, распространяющихся в желаемом направлении, интерферируя, суммируются, а в нежелательном - взаимно компенсируются. Другими словами, направленным ответвителем (НО) является четырехплечное устройство, состоящее из двух отрезкой линии передачи, в котором часть энергии электромагнитной волны, распространяющейся в основной линии передачи (основном канале), посредством элементов связи ответвляется во вспомогательную линию передачи (вспомогательный канал) и передается в ней в определенном направлении. По степени связи между основным и вспомогательным каналом направленные ответвители делятся на два типа: а) с сильной связью (связь меньше 10 дБ); б) со слабой связью (связь больше 10 дБ). В 3-х дБ при подаче СВЧ-сигнала на один из его входов его мощность распределяется поровну между определенной парой выходов а в четвертое плечо, называемое «изолированным» или «развязанным», мощность не поступает (предполагается, что все выходы нагружены на согласованные нагрузки). Следует заметить, что пара выходов 3-х дБ НО, между которыми распределяется мощность, также обладает взаимной развязкой.
С целью снижения габаритных размеров направленных ответвителей и повышения технологичности их изготовлении конструктивно они выполняются на микрополосковых линиях - несимметричных полосковых линиях передачи для передачи электромагнитных волн в воздушной или, как правило, в диэлектрической среде (подложке), вдоль двух или нескольких проводников, имеющих форму тонких полосок и пластин. Линии получили название микрополосковые, т.к. в результате высокой диэлектрической проницаемости подложки ее толщина и поперечные размеры полосы много меньше длины волны в свободном пространстве. В микрополосковой линии распространяется волна квази-ТЕМ и силовые линии электрического поля проходят не только в диэлектрике, но и вне его. К достоинствам микрополосковой линии и различных устройств на ее основе следует отнести также возможность автоматизации производства с применением технологий изготовления печатных плат, гибридных и пленочных интегральных микросхем.
r
о
Известен представленный на фиг. 1 микрополосковый направленный ответвитель (Малорацкий Л.Г. Явич Л.Р. «Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях», М. Сов.радио, 1972, рис. 2.14,б). Ответвитель содержит две электромагнитно связанные линии, которые формируются параллельно друг другу на диэлектрической подложке. В рассматриваемом ответвителе сдвиг по фазе между векторами напряженности электрического поля на выходах 3 и 2 плеч составляет 90°, в связи с чем подобные ответвители называют квадратурными. Ответвитель может быть изготовлен методом тонкопленочной технологии на подложках типа "Поликор", "22ХС" и т.п. Широкополосность указанного ответвителя определяется достижимым коэффициентом связи, величина которого зависит от зазора между электромагнитно связанными микрополосковыми линиями, сформированными на одной из сторон диэлектрической подложки. Для керамики типа "Поликор" с относительной диэлектрической проницаемостью ε=10 при волновом сопротивлении тракта ρ=50 Ом его величина не превышает значения 0,5, что соответствует в логарифмическом масштабе уровню 6 дБ. В результате широкополосность описанного ответвителя характеризуется величиной полосы 22-25%, что приемлемо лишь для узкополосных устройств.
Известен также представленный на фиг. 2 тандемный микрополосковый направленный ответвитель (Малорацкий Л.Г. «Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ». М. Сов. радио, 1976, рис. 2.16). Этот ответвитель по существу представляет собой функциональный узел, состоящий из двух идентичных вышеописанных микрополосковьгх ответвителей. 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, что увеличивает габариты "тандемного" ответвителя в целом и ограничивает область его использования в технике СВЧ.
Наиболее близким к сущности заявленного изобретения является представленный на фиг. 3 тандемный направленный ответвитель (Лехциер А.Я., Федосов А.Н. «Тандемные направленные ответвители и узлы на их основе», журнал «Радиопромышленность», Москва, 2004 г., стр. 148-154, рис. 6). Этот ответвитель по существу представляет собой тандемный ответвитель, описанный выше (см. фиг. 2), однако боковые линии связи (БЛС) этого ответвителя имеют нулевую длину. При этом микрополосковые линии передачи сформированы в виде плоской двухзаходной спирали с одним витком. Для вывода сигналов из центра спирали наружу, используются перемычки. В местах ввода и вывода такого ответвителя могут устанавливаться небольшие емкости для уменьшения потерь на краях рабочего диапазона. За счет этих решений достигается расширение рабочей полосы по сравнению с тандемных ответвителями, описанными выше.
Тем не менее, общим недостатком известных конструкций тандемных ответвителей является то, что рабочая полоса обычно ограничена 1,5 октавами, а увеличение связи между связанными линиями за счет уменьшения зазоров, приводит к ухудшению коэффициента стоячем волны (КСВ) выходных плеч, а также к существенной разнице амплитуд сигналов в выходных плечах на центральной частоте.
Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в повышении эффективности использования полезной площади диэлектрической подложки и уменьшении габаритных размеров устройства, в расширении полосы рабочих частот.
Технический результат достигается тем, что спиральный сверхширокополосный микрополосковый квадратурный направленный ответвитель содержит две электромагнитно связанные микрополосковые линии передачи, выполненные в виде плоской двухзаходной спирали, расположенные на диэлектрической подложке, обратная сторона которой частично или полностью металлизирована, или подвешена над металлической поверхностью. Ответвитель отличается тем, что число витков двухзаходной спирали более одного, при этом одна спираль повернута относительно другой вокруг их общего центра, при этом зазоры между связанными линиями передачи ответвителя, сформированных в виде двухзаходной спирали, в которой одна спираль повернута относительно другой вокруг их общего центра, а также их поперечные размеры изменяются от участка к участку связанных линий.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 представлен микрополосковый направленный ответвитель, известный из: Малорацкий Л.Г. Явич Л.Р. "Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях", с поперечным размером W микрополосковых линий и с зазором g между ними. Выводы (плечи) ответвителя здесь и далее обозначены в следующей последовательности: 1 - вход, 2 - ответвленный выход, 3 - прямой выход, 4 - развязанный выход.
На фиг. 2 представлен тандемный микрополосковый направленный ответвитель, известный из: Малорацкий Л.Г. «Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ», с поперечным размером W микрополосковых линий и с зазором g между ними. Для соединения отрезков микрополосковых линий используются перемычки 5.
На фиг. 3 представлен тандемный направленный ответвитель, известный из: Лехциер А.Я., Федосов А.Н. «Тандемные направленные ответвители и узлы на их основе», в котором микрополосковые линии передачи сформированы в виде плоской двухзаходной спирали с одним витком. Перемычки 5 используются для вывода сигналов из центра спирали.
На фиг. 4 представлен вид сверху ответвителя с линиями передачи, сформированными в виде двухзаходной спирали с переменными поперечными размерами W1, W2, W3 связанных линий и зазорами g1, g2, g3 между ними на различных участках двухзаходной спирали, с углами поворотов планарных линий 90 градусов. Для вывода сигналов из центра спирали используются перемычки 5.
На фиг. 5 показаны восемь основных областей связи ответвителя, представленного на фиг. 4. Области K5 и K6 имеют три связанных линии, области K7 и K8, имеют две сильносвязанные линии, а области К9, К10, Kl1 и К12 имеют по две слабосвязанных линий.
Представленным на фиг. 4 вариантом формирования связанных линий в виде двухзаходной спирали не исчерпываются все возможные варианты. Так, например, двухзаходная спираль может быть сформирована из планарных линий, скругленных по всей длине.
На фиг. 6 представлены графики зависимости расчетных коэффициентов передачи от частоты тандемного и спиральных ответвителей с постоянными и изменяющимися поперечными размерами связанных линий передачи и зазоров между ними (с регулярной и нерегулярной структурой, соответственно), нагруженных на 50 Ом, при делении/суммировании.
На фиг. 7 представлена схема деления/суммирования 3-дБ ответвителей 6, нагруженных на согласованную нагрузку.
В основе конструкции направленного ответвителя лежит использование двух электромагнитно связанных микрополосковых линий передачи, сформированных в виде плоской двухзаходной спирали с числом витков более одного, при этом одна спираль повернута относительно другой вокруг их общего центра. Для вывода сигналов из центра спирали можно использовать, как показано на фиг. 4 перемычки 5 (проволочные, фольговые, гибридно выращенные или другого вида).
По своей сути такой ответвитель представляет из себя тандемное соединение многих отрезков связанных линий, что является одним из известных способов расширения рабочей полосы частот тандемных направленных ответвителей (тандемное включение связанных линий описано в работе: В.П. Мещанов, А.Л. Фельдштейн «Автоматизированное проектирование направленных ответвителей СВЧ», «Связь», Москва, 1980, стр. 96-97). Так, например, на фиг. 4 и фиг. 5 показан вариант топологии заявленного ответвителя с неравномерными зазорами между линиями связи gl, g2, g3 и неравномерной их шириной (поперечным сечением) Wl, W2, W3. По своей сути спиральный ответвитель с такой структурой, также, как и спиральный ответвитель с регулярной структурой, представляет из себя тандемное соединение многих отрезков связанных линий, которое является одним из способов расширения рабочей полосы тандемных направленных ответвителей. На фиг. 5 показаны восемь основных областей связи такого ответвителя. Области K5 и K6 имеют три связанных линии, K7 и K8, имеют две сильносвязанные линии и области К9, К10, K11 и К12, имеют по две слабосвязанные линии. Кроме того, из-за в изменения поперечных размеров линий передачи и зазоров между ними изменяются в зависимости от угловой координаты, происходит выравнивание фазовой скорости распространяющихся волн на разных частотах. Каскадное соединение восьми областей с различным уровнем связи в ответвителе с такой нерегулярной структурой позволяет более существенно по сравнению с вариантом, рассмотренным выше, расширить полосу его рабочих частот (до 3,5 октав).
На фиг. 6 представлены графики расчетных потерь на деление/суммирование трех видов 3 дБ-ответвителей диапазона 1-6 ГГц, одно плечо которых нагружено на согласованную нагрузку. Схема измерения деления/суммирования представлена на фиг. 7.
За счет сворачивания в спираль электромагнитно связанных линий габаритные размеры ответвителя, по сравнению с прототипом, уменьшаются не менее чем в два - три раза (обратно пропорционально количеству витков в двухзаходной спирали), вследствие чего существенно повышается эффективность использования полезной площади подложки.
Таким образом, существенные признаки данного технического решения позволяют существенным образом расширить диапазон рабочих частот ответвителя, снизить его габаритные размеры и повысить эффективность использования полезной площади подложки, что обеспечивает достижение заявленного технического результата.