Проектирование конструкций мостовых устройств на отрезках МПЛ

В настоящее время конструкции устройств СВЧ для мощностей до десятка ватт базируются исключительно на микрополосковых ЛП или на сосредоточенных реактивных элементах. Для больших мощностей используются коаксиальные линии или волноводы, в зависимости от диапазона частот. В результате расчета конструкции МУ должна быть получена его топология, включающая в себя все размеры микрополосковых проводников, их взаимное расположение, размеры и материал диэлектрической подложки. В качестве примера рассмотрим порядок расчета самого простого МУ ─ моста Уилкинсона. Для расчета размеров МП необходимо знать эффективную относительную диэлектрическую проницаемость МП-структуры, так как ее значение определяет фазовую скорость волны, распространяющейся вдоль МП и, следовательно, геометрические длины отрезков МП. Значение определяется относительной диэлектрической проницаемостью подложки, ее толщиной и шириной МП . Выбрав материал подложки, ее толщину, материал и толщину слоя металла, с помощью калькулятора Txline, входящего в состав Microwave Office, можно определить размеры отрезка МПЛ, задав параметры материала, электрическую длину отрезка и его волновое сопротивление. В качестве подложки могут быть использованы такие материалы, как поликор (alumina), тефлон, армированный стекловолокном (ФАФ-4), полистирол наполненный диоксидом титана (ПТ-3‒ПТ-16), полифениленоксид, наполненный диоксидом титана (ФЛАН-2.8‒ФЛАН-16), стеклотекстолит (СФ1-35) (см. таблицу на с. 9).

Стандартные толщины подложек ─ 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 6 мм. Обычно подложки выпускаются с наклеенными по обе стороны слоями фольги. Толщина слоя фольги лежит в пределах мкм. Минимально необходимая толщина равна примерно 2…5 толщинам скин­-слоя. Значение толщины скин-слоя для меди (в микрометрах) может быть оценено как ( в гигагерцах). Проводимость меди равна См.

2.5.1. Проектирование моста Уилкинсона

Исходными данными задания являются: центральная частота диапазона, в котором должно работать МУ, и волновые сопротивления портов. С точки зрения компактности устройства желательно выбирать подложку с максимальным значением диэлектрической проницаемости. Однако (при ее минимальной толщине) ширина МП может получиться настолько малой, что ее будет трудно проконтролировать в процессе изготовления. Поэтому проницаемость и толщина подложки выбираются (из приведенного ранее ряда толщин) так, чтобы ширина МП была бы порядка 1…3 мм. Процесс выбора реализуется с помощью калькулятора ЛП TXline. Задаются размеры H, W, T и . Так как на центральной частоте отрезки МП должны иметь электрическую длину, равную , то фазовый сдвиг задается равным 90˚ и задается соответствующее волновое сопротивление трансформирующих отрезков, после чего калькулятор рассчитывает геометрические размеры МП. Длина подводящей МПЛ (отрезокTL1 на рис. 2.1) выбирается произвольной, так как она просто соединяет порт 1 с остальной частью схемы всего устройства. Теперь на основе полученных размеров необходимо выбрать топологию МУ. Из рис. 2.1 видно, что концы МП TL2 и TL3 нагружены на порты 2 и 3 (и балластное сопротивление). Так как размеры его невелики, концы отрезков TL2 и TL3 должны быть расположены близко друг от друга. Для получения компактной структуры отрезки изгибаются в виде буквы П (рис. 2.5).

МПЛ у порта 1 имеет 50 Ом. Тогда МПЛ, ведущие к портам 2 и 3, имеют по 70.7 Ом. Между портами 2 и 3 необходимо включить балластное сопротивление 100 Ом и далее с помощью калькулятора TxLine определить размеры МП. Выберем в качестве подложки материал ФЛАН-5 толщиной 2 мм с , в качестве фольги на обеих сторонах подложки ̶ медь толщиной 15 мкм, центральную частоту диапазона примем равной 900 МГц. В результате получаем следующие размеры: для МП 70.7 Ом мм (ширина), мм (полная длина); для МП 50 Ом ─ мм, длина выбирается из конструктивных соображений. Далее необходимо перейти к программе Microwave Office 2004 V.6.1 (MWO). Созданные файлы проектов будут храниться (по умолчанию) в Documents and Settings/My Documents/AWR Projects. Запустив программу, откроем окно программы.

В правой части находится пространство, в котором будет выстраиваться топология МУ и на которое будут выводиться графики результатов моделирования; в левой (узкой) части расположено дерево возможных групп и модулей, которые могут быть использованы при проектировании. Перейдем к построению топологии. Прежде всего необходимо выбрать размеры проводящего корпуса (коробки из металла с бесконечной проводимостью, в которую будет помещено МУ) и слоев структуры. Откроем Project/Add EM Structure/New EM Structure и в открывшемся малом окошке Create New EM Structure назовем создаваемую структуру Wilkinson Bridge, после чего откроется окошко с этим именем и видом на структуру сверху. Далее переходим к определению параметров корпуса и слоев внутри него. Щелкнем на значке Enclosure и в открывшемся окне на вкладке Enclosure установим размеры X = 40 мм и Y = 30 мм и выберем размер ячейки сетки по обеим координатам по 0.25 мм (значение, приблизительно кратное ширинам МП). Для обеспечения такого шага в окошке X─Divisions надо выставить 160, а в окошке Y─Divisions ─ 120. Далее на вкладке Dielectric Layers выставим высоту воздушного слоя 1 (отделяющего верхнюю поверхность подложки от верхней крышки корпуса) равной 5 мм, , , и . В качестве слоя 2 выступает подложка толщиной 2 мм, , , и (это означает, что на изображении структуры масштаб подложки по высоте будет в 2 раза больше, чем масштаб воздушного слоя). Боковые стенки корпуса всегда считаются бесконечно проводящими, для верхней и нижней стенок на вкладке Boundaries также устанавливаются значения Perfect conductor. Следующим этапом работы над проектом является вычерчивание МП-структуры моста на поверхности слоя 2 (верхняя сторона подложки). Прежде чем начать чертить в программе MWO, необходимо нарисовать предполагаемый вид структуры на миллиметровой бумаге в масштабе порядка 4:1 и проставить координаты всех внутренних и внешних углов структуры в миллиметрах (координата Y отсчитывается сверху вниз от верхнего края чертежа слоя 2, координата Х ─ от левого края по горизонтали). Затем выберем из меню Draw/Add Rect Conductor, нажимаем на клавишу Tab и вводим координаты двух точек проводника через их значения x и y, далее снова нажимаемTab и вводим значения двух других точек через приращения координат dx и dy (можно и прямо рисовать проводники без предварительного чертежа, так как при рисовании сразу определяется текущая длина и ширина проводника). В конце этого процесса на рабочем поле появится изображение полной структуры моста. Проводники должны быть удалены от боковых стенок коробки, чтобы не искажать поля МПЛ. Теперь необходимо установить порты. Выделим щелчком мыши МП, на внешнем краю которого должен быть установлен порт, затем в меню Draw/Add Edge Port (или взять порт из линейки сверху) поместить курсор на внешнем краю левого МП в его центре и нажать левую клавишу мыши. На этом месте появится маленький квадратик с цифрой 1, определяющий порт № 1. Затем необходимо проделать то же на правом верхнем МП, установив порт № 2, и далее на правом нижнем МП, установив порт № 3. Чтобы исследовать структуру непосредственно самого МУ, необходимо исключить подводящие линии. Для этого служит операция «разгерметизации». Установив курсор на внутреннюю грань кубика порта следует нажать левую клавишу, протянуть появившуюся толстую черную линию со стрелкой до внешней границы МП с Ом и отпустить клавишу. Такую операцию необходимо проделать на всех подводящих МП (рис. 2.5). Теперь можно переходить к анализу частотных характеристик МУ. Щелкнув по значку группы Project Options, откроем вкладку Global Units и, отметив окошко Metrics Units, установим единицу частоты в GHz. Затем откроем вкладку Frequencies и установим пределы изменения частоты при анализе порядка от центральной частоты ─ пусть в данном случае начальной частотой (Start(MHz)) будет 0.6 GHz, конечной ̶ (Stop(GHz)) 1.2 GHz, шаг изменения частоты выберем 0.2 GHz. Затем поставим точку в круглом окошке Add и нажмем кнопки Apply, ОК. В прямоугольном окне слева будет выведен список частот для анализа. Далее определимся, какие зависимости необходимо получить. Очевидно, что это для всех портов, ( между портами 2 и 3) и углы между портами ( )). Пусть на первом графике будут представлены кривые . Выберем опцию Project/Add Graph и в открывшемся окошке запишем и выберем Rectangular (график будет в прямоугольных координатах). Далее выделим Snn, выберем опцию Project/Add Measurements, после чего откроется окно, показанное на рис. 2.6. В правой верхней строке вводится название проекта как источника входных данных, в крайнем левом окне выделяется строка Port Parameters, в следующем окне выделяется , в правых второй и третьей строках устанавливается по 1, в нижнем правом углу dB, в левом ─ Mag, после чего нажимается кнопка Apply (при этом будет вычисляться значение элемента матрицы рассеяния ), затем ОК. Далее повторяется эта процедура для измерения (изменяя соответственно цифры во второй и третьей строках). Третий график назовем и на нем отразим значения . Для задания между 1-м и 2-м портами в строке To Port Index устанавливается 2 и т. д. Затем запускаем расчет, нажав на кнопку с желтой молнией. После окончания расчета на экран выводятся графики, показанные на рис. 2.7. С помощью опции Graph/Marker/Add Marker выводится маркер в виде креста, щелкнув которым по кривой графика выводятся измеренные значения. Из графика видно, что равны ‒3 дБ во всем диапазоне исследования, а минимальное значение около ‒25 дБ на частоте немного больше 1 ГГц. Это означает, что структура МУ должна быть изменена (МП с = 70.7 Ом должны быть удлинены примерно на 10 %). Однако сначала исследуем величину , чтобы оценить связь между портами 2 и 3. Ранее (2.2) была получена МР для этого МУ:

. Очевидно, что такая связь существенна.

График (рис. 2.7) также свидетельствует об этом. Это объясняется тем, что между этими портами отсутствует навесное балластное сопротивление 100 Ом. К сожалению, в программе MWO EMSight отсутствует возможность введения такого дополнительного элемента. Для проверки функционирования порта рассмотрим графики коэффициентов . Совершенно очевидно, что плечо порта 3 имеет такие же параметры, что и плечо 2. Для определения необходимого изменения структуры рассмотрим график фазы . Полный фазовый сдвиг 90˚ наблюдается на частоте 1027.1 МГц, поэтому длина трансформирующих МП должна быть увеличена на 14.12 %. Измерим длину трансформирующего отрезка с помощью кнопки Measure (левее кнопки Enclosure). Она составляет порядка 44 мм, а для новой структуры длина должна быть около 50 мм. Реализуем новую структуру под названием Wilkinson Bridge1. Для этого дважды щелкнем по горизонтальному проводнику, захватим синюю точку посредине правого края проводника и потянем ее вправо, удлинив проводник на 6 мм. То же самое сделаем с нижним проводником и поместим на место правые вертикальные проводники и линии, подводящие к портам. Теперь закажем те же характеристики, что и в первом проекте. Для того чтобы получить их в виде «гладких» кривых, отметим квадратик в нижнем левом углу окна Add Measurement to Wilkinson Bridge1. Эти характеристики приведены на рис. 2.8. На графике для отметим точки со значениями ‒20 дБ.

При таком значении от порта 1 отражается 1 % падающей мощности. Будем считать, что это границы полосы пропускания моста. Определим центральную частоту как ; в данном случае она равна 923.6 МГц. Таким образом, можно считать, что вариант ЕМ структуры Wilkinson Bridge1 удовлетворяет заданию.

2.5.2. Проектирование квадратурного моста

Квадратурный мост является четырехпортовой структурой, составленной из четырех отрезков ЛП длиной . Так как ЛП на основе МПЛ имеют конечную ширину, то около портов наблюдается перекрытие двух МПЛ, присоединяемых к данному порту. Электромагнитное поле в области перекрытия отличается от такового в неперекрывающихся отрезках МПЛ, что не учитывалось при теоретическом анализе этого МУ, так как поле в отрезках принимается однородным по всей их длине. Чтобы уменьшить влияние данного несоответствия, надо минимизировать размеры области перекрытия.

Для этого длина отрезка МПЛ должна быть значительно больше, чем его ширина. Это условие можно выполнить, если использовать подложку с малой толщиной, так как эффективная диэлектрическая проницаемость слабо зависит от ее толщины и поэтому длина отрезка МПЛ тоже будет мало зависеть от толщины. В качестве примера рассчитаем шлейфный мост на частоту 4 ГГц с 50-омными портами. Выберем подложку из материала ФЛАН-5 толщиной в 1 мм. Разработку конструкции начнем с моделирования половины МУ (см. 2.3). Половина будет трехпортовым устройством, состоящим из двух взаимно-перпендикулярных отрезков МПЛ: горизонтального с Ом и длиной (90º) и вертикального с Ом и длиной . Воспользовавшись калькулятором TXLine, получаем следующие размеры: МПЛ с Ом ‒ мм, мм, МПЛ с Ом ‒ мм, мм. Далее открываем проект под названием HalfShleif, выбираем в меню Project/Add EM Structure/New EM Structure, которую также назовем HalfShlleif. После этого в окне Enclosure (щелкнув по этой строке в левом окне управления проектом) устанавливаем высоту воздушного промежутка ( ) равной 5 мм, толщину подложки 1 мм, и значение тангенса угла потерь 0.0015, размер подложки 20×20 мм и шаг сетки 0.1 мм. Далее рисуем (см. 2.5.1) структуру, изображенную на рис. 2.9. Затем в меню Options/Project Options в закладке Frequencies устанавливаем начальную частоту 3.6 ГГц, конечную – 4.4 ГГц, шаг изменения частоты – 0.2 ГГц. Далее заказываем необходимые измерения, которые надо произвести в процессе моделирования. Для этого в меню Project/Add Graph перечисляем последовательно 3 графика, называя их и . Для графика заказываем измерения (подробно эта процедура описана в 2.5.1), для графика ‒ , для графика ‒ . Далее запускаем программу расчета, нажав на кнопку с желтой молнией. После окончания расчета получаем графики,

изображенные на рис. 2.10. Из графика видно, что длины обоих отрезков мало отличаются от (90º). Из графика видно, что значения существенно отличаются от необходимых (они должны быть равны ‒3 дБ). Значение близко к ‒2 дБ, следовательно, сопротивление порта 3, трансформируемое вертикальной МПЛ, менее 50 Ом. Чтобы его увеличить, необходимо увеличить волновое сопротивление этой МПЛ. Для этого двойным щелчком по ней добиваемся появления синих точек по ее периметру и, зацепив мышью за среднюю левую точку, тянем ее вправо, уменьшая ширину линии на 0.2 мм. После этого снова запускаем расчет иоцениваем результаты,каждый раз проверяя значения углов по графику и значения , при необходимости корректируя длину и ширину обоих отрезков. В результате получаем структуру, обеспечивающую необходимые значения и . Теперь надо пристроить вторую половину МУ так, как показано на рис. 2.11. Моделирование новой структуры продолжим в рамках того же проекта, добавив к соответствующим графикам измерения . Корректируя ширины и длины отрезков с целью получения значений порядка ‒3 дБ и углов порядка ‒90º получим окончательную структуру моста с характеристиками, приведенными на рис. 2.11.

2.5.3. Проектирование синфазно-противофазного моста

Рассчитаем кольцевой мост на частоту 4 ГГц с 50-омными портами. Волновое сопротивление МПЛ, образующей кольцо, должно быть равно 70.7 Ом. Выберем подложку ФЛАН-5 толщиной 1 мм, размерами 30×10 мм, зададим шаг сетки 0.1 мм. Внесем эти данные в окно Enclosure, установив высоту воздушной области ( = 1) равную 5 мм. Обратимся к калькулятору TXLine и получим следующие размеры для МПЛ: l=9.964 ≈10 мм, w=0.879 ≈ 0.9 мм. Ширина МПЛ с Ом равна 1.7 мм. Далее на поле подложки выполняем рисунок структуры, показанный на рис. 2.12.

В меню Project Options в закладке Frequencies устанавливаем начальную частоту 3.6 ГГц, конечную – 4.4 ГГц, шаг изменения частоты – 0.2 ГГц. Заказываем такие же графики и измерения, как и в 2.5.2, и запускаем программу счета. Настройка ведется только с помощью изменения длин отрезков МПЛ кольца, без изменения волнового сопротивления. При каждом изменении необходимо сохранять симметрию структуры. Целью настройки являются: (с отклонением не более 2…3 %), 90º (c отклонением не более 2…3 %), 90º (на самом деле 270º, но программа отбрасывает значения кратные 180º). Вид экрана после окончательной настройки приведен на рис. 2.13.