Полосковые линии передачи. Устройства СВЧ на основе полосковых линий передачи. Практикум
.pdfМинистерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»
(СибГУТИ)
В. Н. Лиманский И. С. Шиплюк
Полосковые линии передачи. Устройства СВЧ на основе полосковых линий передачи
Практикум
Новосибирск
2023
УДК 621.37(076.5)
Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ
Рецензент: к.т.н., доцент Елистратова И. Б.
Лиманский, В. Н. Полосковые линии передачи. Устройства СВЧ на основе полосковых линий передачи : практикум / В. Н. Лиманский, И. С. Шиплюк ; Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики; кафедра цифрового телерадиовещания и систем радиосвязи. – Новосибирск, 2023. – 88 с.
Рассмотрены конструкции полосковых линий передачи СВЧ разных типов, конструкции и принципы действия согласующих устройств, направленных ответвителей и делителей мощности разных типов, выполненных на основе полосковых линий передачи. Приведены задания для расчёта устройств СВЧ на основе полосковых линий передачи.
Практикум предназначен для студентов специальностей: 11.03.01 (Радиотехника, профили аудиовизуальная техника; Радиотехнические средства формирования, передачи, приёма и обработки сигналов) очной и заочной форм обучения, 11.03.02 (Инфокоммуникационные технологии и системы связи, профили: Многоканальные телекоммуникационные системы; Системы радиосвязи, мобильной связи и радиодоступа; Цифровое телерадиовещание) очной и заочной форм обучения, 11.03.03 (Конструирование и технология электронных средств, профиль Конструирование интегральных электронных систем) очной формы обучения и 11.03.04 (Электроника и наноэлектроника, профиль Электроника и микроэлектроника) очной формы обучения.
©Лиманский В. Н., Шиплюк И. С., 2023
©Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2023
|
Оглавление |
|
1 Полосковые линии передачи ………………………………………………… |
5 |
|
1.1 |
Классификация линий передачи. Требования, предъявляемые к |
|
|
линиям передачи.................................................................................. |
5 |
1.2 Несимметричная полосковая линия передачи…………………….. |
5 |
|
1.3 |
Симметричная полосковая линия передачи……………………….. |
8 |
1.4 |
Высокодобротная полосковая линия передачи……………………. |
11 |
1.5 |
Симметричная щелевая полосковая линия передачи……………... |
12 |
1.6 Несимметричная щелевая полосковая линия передачи…………... |
14 |
|
1.7 |
Копланарная полосковая линия передачи……………..................... |
16 |
1.8 |
Экранированные полосковые линии передачи……………………. |
18 |
1.9 |
Связанные полосковые линии передачи…………………………… |
20 |
2 Согласующие устройства |
23 |
|
2.1Параметры, характеризующие качество согласования цепей……. 23
2.2Синхронные трансформаторы……………………………………… 25
2.3Несинхронные трансформаторы…………………………………… 30
2.4Практическое задание №1. Расчёт трансформаторов
сопротивления………………………………………………………. 31 3 Направленные ответвители…………………………………………………… 36
3.1Схемы реализации и основные параметры направленных ответвителей…………………………………………………………. 36
3.2Кольцевой направленный ответвитель…………………………….. 40
3.3Шлейфный направленный ответвитель……………………………. 43
3.4Направленный ответвитель на связанных полосковых линиях передачи……………………………………………………………… 46
3.5Практическое задание №2. Расчёт параметров направленных ответвителей………………………………………………………. 56
3.6Практическое задание №3. Расчёт кольцевого направленного ответвителя…..………………………………………………………. 59
3.7Практическое задание №4. Расчёт направленного ответвителя на
|
связанных полосковых линиях передачи…..……………………… |
61 |
4 Делители мощности…………………………………………………………… |
67 |
|
4.1 |
Делитель мощности на основе гладких переходов……………… |
67 |
4.2 |
Делитель мощности в виде многолучевой звезды………………. |
69 |
4.3 |
Кольцевой делитель мощности…………………………………… |
72 |
4.4 |
Практическое задание №5. Расчёт кольцевого делителя |
|
|
мощности…………………………………………………………….. |
76 |
|
3 |
|
Приложение А. Волновые матрицы…………………………………….……... 80
Список литературы……………………………………………………………… 87
4
1 Полосковые линии передачи
1.1 Классификация линий передачи. Требования, предъявляемые к линиям передачи
Линией передачи (ЛП) называется совокупность направляющих элементов и среды распространения, обеспечивающая предачу электромагнитной энергии от источника сигнала в нагрузку.
По области распространения электромагнитной волны все линии передачи можно разделить на:
–линии передачи закрытого типа – в которых вся энергия электромагнитной волны сосредоточена в пространстве, экранированном от внешней среды металлической оболочкой той или иной формы;
–линии передачи открытого типа – в которых электромагнитное поле распределено во всём пространстве, окружающем линию передачи. Однако в большинстве случаев линий передачи проектируют таким образом, что подавляющая часть энергии электромагнитного поля сосредоточена в непосредственной близости от линии передачи.
По конструктивным особенностям линий передач могут быть разделены
на:
–регулярные;
–нерегулярные.
Линия передачи называется регулярной, если в продольном направлении линии передачи остаются неизменными поперечное сечение линии передачи и электромагниные свойства, заполняющих линию передачи сред, в противном случае линия передачи называется нерегулярной.
Полосковые ЛП, как правило, относятся к ЛП открытого типа, хотя в некоторых полосковых ЛП удаётся минимизировать потери на излучение электромагнитной энергии. Также все полосковые ЛП относятся к регулярным ЛП.
Независимо от конструкции любая ЛП должна:
–быть проста в изготовлении;
–быть пригодна для работы в широком диапазоне частот;
–обладать достаточной электрической прочностью;
–иметь минимальные габаритные размеры и массу;
–обладать устойчивостью к механическим и климатическим воздействиям;
–не приводить к недопустимым потерям и искажениям сигналов.
1.2 Несимметричная полосковая линия передачи
Несимметричная полосковая ЛП представляется в виде диэлектрической подложки, покрытой слоем металла бесконечной ширины с одной стороны, и проводника конечной ширины с другой стороны. Сечение данной полосковой
5
ЛП с обозначением геометрических размеров и структура поля приведены на рисунке 1.1 и рисунке 1.2 соответственно. На рисунке 1.1 использованы следующие обозначения:
a |
– |
ширина подложки; |
h |
– |
толщина подложки; |
W – |
ширина проводника; |
|
t |
– |
толщина проводника. |
Рисунок 1.1 – Поперечное сечение несимметричной полосковой ЛП
Рисунок 1.2 – Структура поля в несимметричной полосковой ЛП
Для исключения возникновения высших типов волн, уменьшения потерь на излучение электромагнитной энергии и взаимных влияний между несимметричными полосковыми ЛП обычно на геометрические размеры этих ЛП накладываются следующие ограничения:
W |
|
, |
|
2 |
|||
|
|||
|
|
a 3 W ,
h 4 ,
t (3...5) ,
6
(1.1а)
(1.1б)
(1.1в)
(1.1г)
где |
– |
рабочая длина волны в ЛП; |
|
– |
глубина проникновения поля в проводник, определяемая выражением |
= |
|
|
|
|
|
f |
|
|
0 |
||
|
|
|
,
(1.2)
где
0 f
–глубина проникновения поля в проводник;
–удельное электрическое сопротивление проводникового материала;
–относительная магнитная проницаемость проводникового материала;
–магнитная постоянная, равная 4 10–7 Гн/м;
–рабочая частота.
(
W h
Волновое сопротивление указанной ЛП для широких проводников
1) определяется по формуле
Z |
в |
= |
|
|
W |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
эфф |
|
||
|
|
|
|
|
h |
120
+ + W 1,393 0,667 ln h
+ 1,444
,
(1.3)
для узких проводников ( |
W |
<1) определяется по формуле |
||||||||||
h |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Zв = |
60 |
|
|
|
, |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
8 h |
|
W |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
эфф ln |
|
+ |
|
|
||||
|
|
|
|
W |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
4 h |
||||
где Zв |
– |
волновое сопротивление ЛП; |
|
|
|
|
||||||
W – |
ширина проводника; |
|
|
|
|
|
||||||
h |
– |
толщина подложки; |
|
|
|
|
|
|||||
эфф – |
эффективная относительная |
|
диэлектрическая |
|||||||||
|
|
определяемая по формуле |
|
|
|
|
|
|||||
эфф = 2+1 + 2 −R1 ,
(1.4)
проницаемость,
(1.5)
где – |
относительная диэлектрическая проницаемость материала подложки; |
R – |
коэффициент, определяемый как |
7
R = |
1 + |
12 h |
|
W |
|||
|
|
и
R = |
|
|
1 |
||||
1 |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
+ 0,04 |
||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 + |
12 h |
|
|||||
|
W |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
, при ( |
W |
|
h |
||
|
1 − |
W |
2 |
|
||
|
|
|
|
d |
|
1),
, при (
W h
<1).
(1.6)
(1.7)
Основным преимуществом несимметричной полосковой ЛП является простота конструкции, что обеспечивает высокую технологичность и удобство для массового производства методами интегральной технологии, что в свою очередь позволяет реализовать на диэлектрической подложке, металлизированной с одной стороны, целые узлы и функциональные модули в микрополосковом исполнении.
Вместе с тем данная линия передачи обладает рядом недостатков:
–имеет повышенные значения потерь электромагнитной энергии, преобладающими из которых являются потери на излучение;
–характеризуется возникновением нежелательных электромагнитных связей, вызванных открытой конструкцией ЛП.
1.3 Симметричная полосковая линия передачи
Симметричная полосковая ЛП является исторически первым типом полосковых ЛП и представляет тонкую металлическую полоску конечной ширины в диэлектрике, покрытом с противоположных сторон слоями металла бесконечной ширины. Сечение данной полосковой ЛП с обозначением геометрических размеров и структура поля приведены на рисунке 1.3 и рисунке 1.4 соответственно. На рисунке 1.3 приняты следующие обозначения:
a– ширина подложки;
b– толщина подложки;
W – |
ширина проводника; |
t – |
толщина проводника. |
8
Рисунок 1.3 – Поперечное сечение симметричной полосковой ЛП
Рисунок 1.4 – Структура поля в симметричной полосковой ЛП
Для исключения возникновения высших типов волн, уменьшения потерь на излучение электромагнитной энергии и взаимных влияний между симметричными полосковыми ЛП обычно на геометрические размеры этих ЛП накладываются следующие ограничения:
W |
|
, |
|
2 |
|
||
|
|
||
|
|
|
|
a 3 W |
, |
||
a 5 b , |
|||
b |
|
, |
|
2 |
|
||
|
|
||
|
|
|
|
t (3...5) ,
где – рабочая длина волны в ЛП;
(1.8а)
(1.8б)
(1.8в)
(1.8г)
(1.8д)
– глубина проникновения поля в проводник, определяемая выражением Волновое сопротивление указанной ЛП определяется по формуле
9
|
|
|
|
|
|
1 − |
t |
|
|
|
|
|
|
|
30 |
|
h |
|
|
||||
|
|
Zв = |
|
|
|
, |
(1.9) |
||||
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
W |
|
|
C |
||||
|
|
|
|
|
+ |
|
|
||||
|
|
|
|
|
эфф |
|
f |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
h |
|
|
|
|
|
где Zв |
– |
волновое сопротивление ЛП; |
|
|
|
|
|
||||
t |
– |
толщина проводника; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
h |
– |
толщина подложки; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
W эфф – |
эффективная ширина проводника; |
|
|
||||||||
h |
– |
толщина подложки; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Cf |
– |
краевая ёмкость, не зависящая от ширины полоски, определяемая по |
|||||||||
|
|
формуле |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Wэфф
h
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
t |
C |
|
= 2 ln |
|
|
|
− |
||
|
|
|
|
|||||
f |
|
|
t |
+1 |
h |
|||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
− |
|
||||
|
|
|
1 |
h |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– выражение, определяемое при
t h
ln
|
1 |
|
|
|
|
t |
2 |
− |
|
||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
h |
|
0,25 как
,
(1.10)
Wэфф
h
и
=W h
|
|
|
|
W |
|
2 |
|
|
|
0,35 − |
|
|
|
||||
|
|
h |
|
|
|
W |
||
− |
|
|
|
|
, при 0,05 |
|
||
|
|
|
|
|||||
|
|
12 t |
|
h − t |
||||
|
|
1 + |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
h |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||
W |
|
W |
|
W |
|
эфф |
|
, при |
|
0,35. |
|
h |
= |
h |
h − t |
||
|
|
|
|||
<0,35,
(1.11)
(1.12)
По сравнению с несимметричной полосковой ЛП данная ЛП характеризуется меньшим уровнем потерь электромагнитной энергии на излучение, так как область распространения экранирована от внешнего пространства металлическими поверхностями сверху и снизу, а излучением с боковых сторон можно пренебречь, если выполняются условия (1.8б) и (1.8в).
Существенным недостатком симметричной полосковой ЛП являются значительные потери электромагнитной энергии в диэлектрике, так как он полностью заполняет пространство распространения электромагнитной волны.
10