Главная  Микроэлектронные устройства сверхвысоких частот 

1 2 3 [ 4 ] 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

у него должна быть больше, чем половина рабочей длины волны. Структура поля основной волны ТЕц, открытого микроволновода показана на рис. 1.8, а. Электрическое поле является асимметричным по отношению к продольной оси волновода, а магнитное поле- симметричным [1271. Основное поле сосредоточено в области, лежащей под полосковым проводником. Квази Т-волна также может распространяться в этой системе и для ее подавления применяют специальные конструкции, например, в виде поперечных щелей в полоске (рис. 1.8, б). Коэффициент укорочения волны в открытом микроволноводе на частоте 6 ГГц равен 2,57, а ненагруженная добротность 605. Для MB на диэлектрике с относительной диэлектрической проницаемостью в =10, толщиной 1,59 мм, с шириной полоскового проводника w = 12,7 мм частота отсечки равна 5,085 ГГц, при этом длина резонаторов 38,1 мм. Вследствие больших габаритных размеров полосковых проводников MB не применяют в СВЧ диапазоне, а только в миллиметровом. На рис. 1.8, в показаны два вида переходов с микрополоски на MB, основанных на ортогональности волн ТЕц, и Т.

Главв 2 УСТРОЙСТВА ДЕЛЕНИЯ (СУММИРОВАНИЯ] МОЩНОСТИ СВЧ

t. ПРИМЕНЕНИЕ ДЕЛИТЕЛЕЙ

(СУММАТОРОВ) мощноаи

Делители (сумматоры) мощности СВЧ широко применяют в микроэлектронных устройствах: электроуправляемых аттенюаторах, дискретных фазовращателях, усилителях мощности, частотно-разделительных устройствах и др.[4, 20, 41, 42]. Делителем мощности называют устройство, предназначенное для разделения (распределения) мощности между двумя или несколькими каналами; сумматором- устройство, сводящее в один канал мощность двух или нескольких источников СВЧ. Поскольку сумматор выполняет функцию, обратную делителю, то делителем и сумматором в большинстве случаев является одно и то же устройство. Простейшим является делитель мощности на два канала. Многоканальные делители, или системы распределения мощности (СРМ), состоят из простейших двухканальных элементов деления. СРМ бывают параллельного (рис. 2.1, а), последовательного (рис. 2.1, б) и смешанного (рис. 2.1, в) типов.

Основные параметры, с помощью которых можно) оценивать и сравнивать делители:


Рис. 2.1. Структурные схемы СРМ параллельного (а), смешанного (б) и последовательного (в) типов

коэффициент стоячей волны (КСВ)

S{i\

где Sk - коэффициент отражения t-ro плеча делителя;

амплитуда коэффициента передачи из плеча / в плечо i, в децибелах: Lij = 20 Ig I Sij ~, где Sij - коэффициент передачи из леча / в плечо i. Если индексы i, j относятся к выходным плечам делителя, то Lij называют развязкой между плечами г, /;

аргумент коэффициента передачи (фаза коэффициента передачи)

T.7 = arg Sf/ = arctg

Так как длина канала делителя может быть значительной, то для оценки фазочастотной характеристики (ФЧХ) делителя можно пользоваться параметром, определенным как разность между аргументом коэффициента передачи канала делителя и аргументом коэффициента передачи линии, длина которой равна длине канала делителя [56], Дф = - флинии;.

неравномерность амплитуды коэффициента передачи в полосе частот

ДL = 201g-iMs.,

I ii 1макс

где ISj/Imhh. 5,7(макс - минимальное и максимальное значения амплитуды коэффициента передачи в диапазоне частот; коэффициент деления по напряжению

коэффициент деления по мощности Кцр = К1и\

распределение мощности между каналами многоканальной СРМ;

линейность ФЧХ коэффициента передачи канала делителя. Для количественной оценки линейности ФЧХ используют параметр АЧ? , показывающий абсолютное отклонение ФЧХ от линейной.

При проектировании микроэлектронного устройства к делителю предъявляют следующие требования: функциональное назначение (в качестве балансного моста, ответвление части мощности или деление в требуемом отношении, суммирование, распределение мощности между излучателями антенной решетки); полоса частот, в которой сохраняются заданные количественные значения Kcrt, у. ф</, Аф, AL, АЧ? ; амплитудно- и фазочастотные характеристики (постоянство разности фаз между выходными каналами, ограничения на разбросы амплитуд и фаз между выходными каналами, допустимые изменения амплитудно- и фазочастотных характеристик коэффициентов передачи каналов при механических и климатических воздействиях); мощность, передаваемая по делителю; конструктивные характеристики (расположение входов и выходов, минимальные габаритные размеры и т. д.); количество выходных каналов; распределение мощности между выходными каналами; специальные требования.

Параметры двухканальных элементов деления приведены в табл. 2.



Таблица 2

Параметры в полосе частот 40 %

Устройство

Литера -

стЗ

Разветвление трех оди-

[2. 38.

наковых линий передач

Двухканальный синфаз-

1,25

1.03

1,03

0,05

[2, 37,

ный направленный дели-

57. 95]

тель мощности

Двухканальный дели-

1.42

1,26

1,26

0,13

[37, 89]

тель с резистором, вклю-

ченным через полуволно-

вые отрезки линий пе-

редач

Ответвитель на связан-

[32. 86.

ных линиях

113. 114]

Двухкаскадный ответви-

тель из звеньев на свя-

занных линиях

Кольцевой мост

1.85

1,85

[36. 67]

Двухшлейфный ответви-

[36]

Мост из сочлененных

2,05

1,35

1,35

[45]

квадрэтов

Модифицированный

[95]

кольцевой мост

2. ЭЛЕМЕНТЫ МНОГОКАНАЛЬНЫХ ДЕЛИТЕЛЕЙ

Параллельное разветвление линий передач. Простейшим двух-канальным делителем является разветвление МПЛ (рис. 2.2). Разветвление содержит три линии. Коэффициенты матрицы рассеяния разветвления, полученные методом свертывания [38].

1 = 1 < = 1

(2.1)

где п - количество линий передач в разветвлении; Zi-волновое сопротивление 1-й линии; /( - геометрическая длина i-й линии; Ус - постоянная распространения i-й линии..

Из соотношений (2.1) для двухканального разветвления (рис. 2.2) запишем коэффициенты деления

(2.2).

условие идеального согласования S = 0 = 2-2,

(2.3)

Из формулы (2.3) вытекают следующие свойства двухканального разветвления линий: идеального согласования можно достигнуть только с одного плеча; идеальная развязка между выходными каналами недостижима.


а

Рис. 2.2. Разветвление МПЛ: а - эквивалентная схема; б - топология

Пример 1. Рассчитать двухканаль-ное разветвление с отношением мощностей в выходных каналах 2:1. Волновое сопротивление на входе разветвления Сплечо /) должно быть 25 Ом. со стороны плеча / разветвление должно быть идеально согласовано.

Из формул (2.1) и С2.3) получим

25 , 25 2 4

2 = - ; 1= :: + ::.

Решив систему уравнений (2Л), определим: Zj = 25 Ом; 22=37,5 Ом; = 75 Ом. С помощью формул (2Л) вычислим коэффициенты матрицы рассеяния:

Sii = 0; S22 = - 0.33; S33 = -0,66; = Sji = 0,816; S13 = S31 = 0,577;

S.23 = 32 = 0.471. (2.5)

Используя равенства (2.5), рассчитаем Kti ст2 ~ 2; /( 3 = 5; = = 1,77 дБ; Li3 = 4,78 дБ; L23= 6,54flB. По номиналам волновых сопротивлений определяем геометрические размеры разветвления (рис. 2.2, б).

l\zo


г„Ао/4


Рис. 2.3. Двухканальный синфазный направленный делитель мощности:

а - эквивалентная схема; 6. в - топологии

Двухканальный синфазный направленный делитель мощности

состоит из двух линий передач длиной / = Kji и развязывающего сопротивления 2 , соединенных по схеме рис. 2.3, а. Вследствие малых габаритных размеров этот делитель широко применяют в разнообразных устройствах СВЧ. Определим коэффициенты матрицы рассеяния делителя [2]. При этом будем учитывать распределенную длину резистора в соответствии с моделью замещения резистора каскадным соединением -четырехполюсников [551. Коэффициенты матрицы рассеяния делителя



1 + Zo Re г/22 + 2o Re г/23 - / {-J- ctg 6 - Zo Im y -

12 -

-zJmy )]B--l;

S23 = 2

sin e 2

-(irFinre-oRe г/23-2 1тг/2з if ctge + + / (2Zo Re г/23 f - ctg 6 - Zo Im г/23) (АВу^;

22= 2

l-/2-ctge l + ZoReyi2-/4ctge-

-о1шг/22)] + (У-1(ЛВГ-1;

1 + Zo Re г/22 - Zo Re г/28 - / ctgO - Zo Im г/22 + + Zi Im г/23);

1 + Zo Re г/22 + zi Re г/23 + 2 (--) + 2 ctgO x

X (zi Im г/22 + Zi Im г/23) - / [if ctg 6 (3 + 2Zo Re y+ + 2zo Re г/23) - Zo Im г/22 - Zo Im г/23]; = Г„ (cos2ф + / 2sin 2ф) (C)-i = Re г/22 + / Im y ;

= (C)-i = -

(2.6)

(5r Ф + / sin 2ф) (cos 2ф +

= Re У23 + / Im У23.

где Tn, (/ i -полиномы Чебышева 1-го и 2-го рода соответствен-но; ф = д* ; /рез - геометрическая длина резистора; п - число

разбиений резистора*; 2ф - электрическая длина п-и части резистора; р^ -волновое сопротивление линии передачи с внутренним проводником такого сечения, геометрические размеры которого совпадают с размерами поперечного сечения резистора; в =

= -(1+6) - электрическая длина четвертьволнового трансформатора; б = А /о - относительная частотная расстройка.

Выражения (2.6) позволяют вычислить коэффициенты матрицы рассеяния делителя с конечной длиной развязывающего резистора. Исходными данными для расчета являются волновые сопротивления Zo, Zj, сопротивление развязывающего резистора z , число звеньев, на которые разбивается резистор п, длина резистора /рез, диапазон изменения частотной расстройки б. Для расчетов по формулам (2.6) Zj и z целесообразно принимать такими же, как

* Обычно принимается равным н ббльшнм 10.

и в делителе с точечным резистором [37]: Zj = V2Zo; Zh = 2Zo. Сопротивление p определяется геометрией резистора. Длину резистора целесообразно выражать в долях длины (М) четвертьволнового отрезка /рез = Л1А/4.


А

-0,8 -0,4

0,4 0,8 tf

Рис. 2.4. Частотные характеристики двухканального синфазного направленного делителя мощности:

----для точечного резистора;

--при откоснтельиой длине резистора М = 0,25

Частотные характеристики двухканального синфазного делителя с учетом длины развязывающего резистора изображены на рис. 2.4. Учет длины резистора приводит к смещению минимума КСВ входа

О

у

. 0,2 LpnUAol

а

0,4 0,2 О

-0,2

0,2 iflesfi

,14}


0,31ре,М

Рнс. 2.5. Срафики для выбора оптимальных размеров делителя в зависимости от длины резистора:

а - смещение максимума развязки / и минимума КСВ входа 2; б - положение уровня развязки 20 дБ на оси относительных расстроек; в - максимальный КСВ входа / и выхода 2

при развязке 20 дБ

И максиму^ма развязки между выходными каналами, к увеличению потерь за счет рассеяния части мощности в резисторе, к увеличению КСВ входа и выходов в высокочастотной части диапазона. На рис. 2.5 построены графики, позволяющие в зависимости от относительной длины резистора определять смещение максимума раз-



1 2 3 [ 4 ] 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31