МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра ТОР

Курсовая РАБОТА

по дисциплине «Техническая электродинамика»

Тема: «Расчёт полосковых направленных ответвителей»

Студент гр. 3102		Косинцев П. А.
Преподаватель		Грачёв С. В.

Санкт-Петербург

2025

ЗАДАНИЕ на курсовую работу

Студент Косинцев П.А.
Группа 3102
Тема курсовой работы: расчёт полосковых направленных ответвителей.
Задание на курсовую работу: Тип направленного ответвителя ­– ШНО; S = 12 дБ; F0 = 4 ГГц; Z0 = 60 Ом; Центральная частота ; Частотный диапазон от 2 до 6 ГГц.
Дата выдачи задания: 30.09.2025
Дата защиты отчета: __________
Студент		Косинцев П.А.
Преподаватель		Грачёв С. В.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1. РАСЧЁТ ВОЛНОВЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ОТРЕЗКОВ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ, ВХОДЯЩИХ В НАПРАВЛЕННЫЙ ОТВЕТВИТЕЛЬ 5

2. РАСЧЁТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ И ДЛИНЫ ОТРЕЗКОВ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ 7

3. КОНСТРУИРОВАНИЕ ШЛЕЙФНОГО НАПРАВЛЕННОГО ОТВЕТВИТЕЛЯ И ПОСТРОЕНИЕ ГРАФИКОВ МОДУЛЕЙ И ФАЗ КОМПЛЕКСНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ S. 10

4. ПОСТРОЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ УСТРОЙСТВА И ЭСКИЗА ТОПОЛОГИИ 12

ВЫВОД 13

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 14

ВВЕДЕНИЕ

Полосковые направленные ответвители представляют собой класс пассивных устройств СВЧ, эффективность применения которых в значительной степени определяет характеристики более сложных радиоэлектронных систем. В связи с этим углублённое изучение принципов действия, свойств и методов расчёта данных компонентов является важной частью подготовки инженеров в области электродинамики и СВЧ-техники.

Целью данной курсовой работы является проведение комплексного исследования полосковых направленных ответвителей. Для достижения поставленной цели предусматривается решение ряда задач, включающих: анализ различных типов ответвителей и их основных параметров; освоение методик инженерного расчёта; изучение нормативной базы, регламентирующей проектирование полосковых плат. Итогом работы станет обоснованный выбор оптимальной конструкции ответвителя по заданным требованиям и его полный расчёт с элементами конструкторского проектирования.

SUMMARY

Strip-line directional couplers are a class of microwave passive devices whose performance critically influences the characteristics of more complex electronic systems. Therefore, a profound study of their operating principles, properties, and design methods is an essential part of training engineers in electrodynamics and microwave technology.

The aim of this course project is to conduct a comprehensive study of strip-line directional couplers. To achieve this goal, a set of tasks is defined, including: the analysis of various coupler types and their key parameters; mastering engineering calculation techniques; and reviewing the standards governing the design of strip-line boards. The final outcome will be a justified selection of an optimal coupler design based on specified requirements and its complete calculation, accompanied by elements of engineering design.

1. РАСЧЁТ ВОЛНОВЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ОТРЕЗКОВ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ, ВХОДЯЩИХ В НАПРАВЛЕННЫЙ ОТВЕТВИТЕЛЬ

Найдём значение комплексного коэффициента S₁₃ и волновых сопротивлений ρ₁ и ρ₂, по известным значениям переходного ослабления S = 12 дБ и волновыми сопротивлениями ρ₀ = 60 Ом:

Обозначим . Тогда выражение примет вид:

Тогда:

Отсюда мы можем получить значение волнового сопротивления Z₂:

Определим волновое сопротивление Z₁ из следующего выражения:

, так как в идеальном симметричном направленном ответвителе, выполненном на четвертьволновых связанных линиях, при согласовании на всех портах:

 — потому что вход полностью согласован, отражения нет.

— потому что в идеальном ответвителе мощность не передаётся в развязанный порт (из порта 1 в порт 4 при подаче сигнала в порт 1).

Это следует из свойств матрицы рассеяния симметричного направленного ответвителя.

2. РАСЧЁТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ И ДЛИНЫ ОТРЕЗКОВ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ

Выберем удобный материал для подложки из приведённой ниже таблицы 1.

Материал	εr	tgδ∙10-4	Частота, ГГц
Поликор	9,8	1	10
ФАФ-4	2,6	10	1
ПТ-3	2,75	11	10
ПТ-5	5	11	10
ПТ-7	7	15	10
ПТ-10	10	20	10
ПТ-16	16	30	10
RT/Duroid 5880	2,2	9	10
ФЛАН-2.8	2,8	15	10
ФЛАН-3.8	3,8	12	10
ФЛАН-5	5	15	10
ФЛАН-7.2	7,2	15	10
ФЛАН-10	10	15	10
ФЛАН-16	16	15	10
СФ1-35	6	250	1

Таблица 1 — Основные характеристики диэлектриков.

В качестве материала диэлектрической подложки выбран RT/Duroid 5880 с относительной диэлектрической проницаемостью ε_r = 2,2 и тангенсом угла диэлектрических потерь tg(δ) = 9∙10⁻⁴, а также диапазоном рабочих температур от -55 °C до +250°C. Толщина подложки принята равной h = 2 мм. Материал проводников — Серебро марки Ср 999,9 по ГОСТ 6836-72.

Данные параметры выбраны как технологичный компромисс: материал RT/Duroid 5880 со средней диэлектрической проницаемостью (εᵣ = 2,2) обеспечивает умеренные геометрические размеры платы, а его низкие потери (tg(δ) = 9∙10⁻⁴) гарантируют высокую добротность ответвителя. Толщина подложки 5 мм из стандартного ряда позволяет получить реализуемые при изготовлении ширину проводников и зазоры, а применение серебра в качестве проводника минимизирует омические потери в полосках.

Рис. 1. Расчёт значения толщины полоска (W) при волновом сопротивлении ρ₀ = 60 Ом.

Рис. 2. Расчёт значений толщины полоска (W) и длины (L) при волновом сопротивлении ρ₁ = 58,072 Ом.

Рис. 3. Расчёт значения толщины полоска (W) и длины (L) при волновом сопротивлении ρ₂ = 231,213 Ом.

3. КОНСТРУИРОВАНИЕ ШЛЕЙФНОГО НАПРАВЛЕННОГО ОТВЕТВИТЕЛЯ И ПОСТРОЕНИЕ ГРАФИКОВ МОДУЛЕЙ И ФАЗ КОМПЛЕКСНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ S.

Рис. 4. Общий вид схемы шлейфного направленного ответвителя.

Рис. 5. Графики зависимости модулей комплексных коэффициентов S₁₁, S₁₂, S₁₃ и S₁₄ от частоты.

Рис. 6. Графики зависимости фаз комплексных коэффициентов S₁₁, S₁₂, S₁₃ и S₁₄ от частоты.

Рис. 7. Графики зависимости фаз комплексных коэффициентов S₁₁, S₁₂, S₁₃ и S₁₄ от частоты (с увеличенным частотным диапазоном).

4. ПОСТРОЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ УСТРОЙСТВА И ЭСКИЗА ТОПОЛОГИИ

Рис. 8. Эскиз топологии шлейфного направленного ответвителя.

ВЫВОД

В ходе выполнения курсовой работы был проведён комплексный расчёт и проектирование шлейфного направленного ответвителя с заданными параметрами: переходное ослабление 12 дБ, центральная частота 4 ГГц и волновое сопротивление 60 Ом. В результате теоретического расчёта были определены волновые сопротивления отрезков линий передачи, составляющих ответвитель: Z₁ = 58,072 Ом и Z₂ = 231,213 Ом.

С целью изготовления ответвителя в полосковой конструкции была выбрана подложка RT/Duroid 5880 толщиной 2 мм. Данный материал обеспечивает оптимальный баланс между технологичностью изготовления, габаритными размерами и высокими электрическими характеристиками. На основании рассчитанных волновых сопротивлений определены все геометрические параметры четвертьволновых отрезков линии.

Результаты моделирования, представленные в виде графиков S-параметров, подтвердили правильность проектирования. На целевой частоте 4 ГГц достигнуто заданное переходное ослабление, зафиксирован низкий уровень отражённого сигнала (S₁₁) и высокая изоляция между несвязанными портами (S₁₄). Эти характеристики соответствуют поведению сбалансированного направленного ответвителя.

Таким образом, поставленная задача была успешно решена: разработан и полностью рассчитан шлейфный направленный ответвитель, удовлетворяющий всем техническим требованиям, и подготовлены необходимые данные для его конструкторской реализации в виде полосковой топологии.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Методические указания по курсовой работе на тему «Расчёт полосковых направленных ответвителей». Составитель ­– Ю. С. Дмитриев. Ленинград, 1982 г.

2. Учебное пособие «Компьютерное проектирование устройств СВЧ». Б. Е. Лавренко, Ю. Е. Лавренко, В. Н. Малышев. СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Санкт-Петербург, 2010 г.