ПРОЕКТИРОВАНИЕ НАПРАВЛЕННОГО ОТВЕТВИТЕЛЯ НА СВЯЗАННЫХ ЛИНИЯХ ПЕРЕДАЧИ

В измерительных и контрольных устройствах СВЧ часто используются направленные ответвители (НО) – четырехпортовые устройства (восьмиполюсники), позволяющие получить на портах вторичной линии передачи (ЛП) образцы падающей и отраженной волн, которые распространяются по основной ЛП. Обычно мощность образцов существенно меньше мощностей сигналов в основной линии. Если НО представляет собой отдельное устройство, то он выполняется на основе симметричной полосковой линии (СМПЛ), если же он является узлом какого-либо устройства, структура которого выполнена на основе несимметричной полосковой линии передачи (НПЛП), обычно называемой микрополосковой ЛП (МПЛ), то тоже выполняется на основе МПЛ. В данном издании НО проектируется как отдельное устройство, выполняемое на основе СМПЛ. Возможны 2 варианта реализации связанных линий на этой основе – линии с боковой связью (рис. 1.1: сверху изображено электрическое поле синфазных волн, снизу ‒ противофазных волн) и линии с лицевой связью, когда полоски расположены друг над другом. Первая конструкция более технологична, поэтому остановимся на ней. На рис. 1.2 изображен подобный НО с удаленной верхней половиной СМПЛ. Рис. 1.2

Очевидно, что устройство имеет две плоскости симметрии: горизонтальную и вертикальную. Так как рассматривается восьмиполюсник, то его матрица рассеяния (МР) должна состоять из 16 элементов. Воспользовавшись свойством симметрии, можно записать следующие равенства для элементов МР: , , , . Потребуем, чтобы все порты были согласованы и порты 1 и 3, 2 и 4 были бы развязаны (имея в виду, что НО на связанных линиях является противонаправленным – ответвляемый сигнал движется во вторичной линии навстречу прямому сигналу в первичной линии: если возбуждается порт 1, то прямая волна выходит из порта 2, ответвленная – из порта 4, а порт 3 развязан). Тогда . Пусть , . МР примет следующий вид: . Решая систему уравнений, полученную при использовании свойства унитарности МР, получим условие для фаз компонент и : . В простейшем случае фаза в противоположном порту сдвинута относительно возбуждаемого порта на 90°. Из анализа электромагнитных полей в структуре НО значения элементов МР будут равны: и . Здесь ‒ электрическая длина области связи; , l ‒ геометрическая длина области связи; , ‒ длина волны в воздухе на частоте центра полосы пропускания НО; ‒ относительная диэлектрическая проницаемость подложки СМПЛ. Обычно значение выбирают равным 90°, тогда , а . Коэффициент связи , где ‒ волновое сопротивление для нечетных (противофазных – odd mode) волн в связанных СМПЛ; ‒ волновое сопротивление для четных (синфазных – even mode) волн. Эти волновые сопротивления связаны с волновым сопротивлением присоединяемых к портам линий соотношением . Воспользовавшись выражением для коэффициента связи можно получить выражения для волновых сопротивлений: . Таким образом, зная коэффициент связи, можно определить волновые сопротивления, а по ним ‒ размеры полосков. НО характеризуется четырьмя параметрами, обычно выражаемыми в децибелах: переходное затухание , которое на центральной частоте ( ) будет иметь вид , откуда ; направленность – отношение уровня ответвленного сигнала к уровню сигнала, который выходит из противоположного порта (который теоретически развязан): если возбуждается порт 1, а ответвленный сигнал исходит из порта 4, то направленность определяется как ; значение КСВ на портах (можно оценить по модулю коэффициентов МР ): КСВ .

1.1.1. Предварительный расчет

В качестве исходных данных для проектирования НО задаются: волновое сопротивление ЛП, подсоединенных к портам, переходное затухание (обычно в децибелах), центральная частота полосы пропускания НО, направленность (также в децибелах). Целью предварительного расчета является получение размеров структуры НО с боковой связью, выполненного на основе СМПЛ, необходимых для моделирования НО в программе «Microwave Office» (MWO). Прежде всего переведем значение , заданное в децибелах, в разы: , затем найдем значение коэффициента связи . Далее найдем волновые сопротивления для связанных линий: . Эти волновые сопротивления однозначно определяют размеры (ширину w полосков и расстояние между ними s) при заданных значениях расстояния В между проводящими слоями, ограничивающими СМПЛ сверху и снизу, и относительной диэлектрической проницаемости вещества, заполняющего область СМПЛ между проводящими слоями. Параметры различных диэлектриков, которые могут быть использованы для СМПЛ, приведены в таблице.

Материал			Частота, ГГц
Поликор	9.8
ФАФ-4	2.6
ПТ-3	2.75
ПТ-5
ПТ-7
ПТ-10
ПТ-16
ФЛАН-2.8	2.8
ФЛАН-3.8	3.8
ФЛАН-5
ФЛАН-7.2	7.2
ФЛАН-10
ФЛАН-16
СФ1-35

Стандартные толщины подложек, мм: 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 6.

Упомянутые ранее размеры w и s определяются из приближенных выражений: .

Видно, что оба размера существенно зависят от относительной диэлектрической проницаемостью и размера B. Чем больше проницаемость и чем меньше B, тем меньше размеры w и s. Поэтому для получения легко реализуемых размеров имеет смысл выбирать небольшие значения и не очень малые значения B. Длина области связи определится из выражения . Далее необходимо создать виртуальную модель НО и исследовать ее с помощью программы МWО.

Моделирование НО

1.2.1.Пример расчета НО

Задание: переходное ослабление ‒15 дБ, 3ГГц, = 50 Ом, направленность 20 дБ. Определим значение переходного затухания в разах:

, далее найдем волновые сопротивления: Ом, Ом. Теперь необходимо выбрать диэлектрик для СМПЛ и его толщину. Выберем ФАФ-4 с и B = 2 мм. Определим длину области связи мм. Перейдем теперь к вычислению значений s и w:

Необходимо заметить, что выражения для s и w приближенные, и эти значения подлежат уточнению с помощью калькулятора TxLine из меню Tools в программе МWО. В окне калькулятора (рис. 1.3) в окне Dielectric Constant записываем , в окне Loss Tangent – 0.001, выбираем закладку

Рис. 1.3

Coupled Stripline, в окне Physical Characteristic записываем рассчитанные размеры, толщину металла (Thickness) выбираем равной 30 мкм. После этого выбираем четный тип (синфазный) волны (Even Mode) и нажимаем кнопку со стрелкой, направленной налево.

В окне Impedance появляется значение 41.04, что меньше расчетного значения. Далее, уменьшая значение w и немного увеличивая s, добиваемся расчетных значений с точностью не хуже 1%. В результате при w = 1.29 мм и

s = 0.37 мм получаем Ом, а длина области связи в градусах равна 90.0371. Теперь, опять с помощью TXLine, определим поперечные размеры подводящих линий с 50 Ом, для этого откроем закладку Stripline, введем в окно Impedance значение 50 и и нажмем нижнюю кнопку со стрелкой направо. В результате получаем значение w = 1.375 мм. Теперь необходимо построить виртуальную модель НО с помощью программы Microwave Office 2004 V.6.1 (MWO). Созданные файлы проектов будут храниться (по умолчанию) в Documents and Settings/My Documents/AWR Projects.