Полосковые линии передачи. Устройства СВЧ на основе полосковых линий передачи. Практикум

Если данное согласующее устройство предназначено для работы в некотором диапазоне частот от нижней до верхней частоты fн…fв, то при расчётах его длины используется среднее значение частоты fср.

По сравнению с синхронными трансформаторами сопротивлений несинхронный трансформатор в большинстве случаев обладает меньшей длиной, а, следовательно, и меньшей площадью, занимаемой на поверхности подложки. Также он не требует изготовления отрезков линий передачи с волновыми сопротивлениями, отличающимися от волновых сопротивлений согласуемых отрезков линий передачи Z1, Z2.

2.4 Практическое задание №1. Расчёт трансформаторов сопротивления

2.4.1 Цель работы

Рассчитать синхронные и несинхронный трансформаторы, предназначенные для согласования СВЧ цепей в заданном диапазоне частот и составить топологии рассчитанных трансформаторов.

2.4.2 Подготовка к работе

2.4.2.1 Изучить по рекомендуемой литературе следующие вопросы

курса:

–Параметры, характеризующие согласование цепей.

–Конструкции и принципы действия синхронных трансформаторов сопротивления.

–Достоинства и недостатки синхронных трансформаторов сопротивления.

–Конструкция и принцип действия несинхронного трансформатора сопротивления.

–Достоинства и недостатки несинхронного трансформатора сопротивления.

–Области применения трансформаторов сопротивления.

2.4.2.2 Ответить на следующие контрольные вопросы:

–Что такое коэффициент отражения? В каком интервале могут находиться принимаемые им значения?

–Что такое коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН)? В каком интервале могут находиться принимаемые им значения?

–Что такое коэффициент бегущей волны по напряжению (КБВН)? В каком интервале могут находиться принимаемые им значения?

–Приведите конструкцию и поясните принцип действия ступенчатого трансформатора сопротивления.

31

–Перечислите достоинства и недостатки ступенчатого трансформатора сопротивления.

–Приведите конструкцию и поясните принцип действия многоступенчатого трансформатора сопротивления.

–Перечислите достоинства и недостатки многоступенчатого трансформатора сопротивления.

–Приведите конструкцию и поясните принцип действия экспоненциального трансформатора сопротивления.

–Перечислите достоинства и недостатки экспоненциального трансформатора сопротивления.

–Приведите конструкцию и поясните принцип действия несинхронного трансформатора сопротивления.

–Перечислите достоинства и недостатки несинхронного трансформатора сопротивления.

–Перечислите области применения трансформаторов сопротивления.

2.4.2.3 Рекомендуемая литература

1.Фальковский О. И. Техническая электродинамика. Учебник. 2-е изд., стер. – СПб.: Издательство «Лань», 2009. – 432 с.

2. Пименов Ю. В, Вольман В. И, Муравцов А. Д. Техническая электродинамика. Учебное пособие для вузов. Под ред. Пименова Ю. В. – М.: Радио и связь, 2000. – 536 с.

3. Твёрдотельные устройства СВЧ в технике связи. / Гассанов Л. Г., Липатов А. А., Марков В. В., Могильченко Н. А. – М.: Радио и связь, 1988. – 288 с.

4. Микроэлектронные устройства СВЧ. Учебное пособие для вузов / Веселов Г. И., Егоров Е. Н., Алёхин Ю. Н., и др. Под ред. Веселова Г. И. – М.: Высшая школа, 1988. – 280 с.

5. Малорацкий Л. Г., Явич Л. Р. Проектирование и расчёт СВЧ элементов на полосковых линиях. – М.: Советское радио. 1972. – 232 с.

2.4.3 Задание

2.4.3.1 Для заданных волновых сопротивлений входной линии Z1, выходной линии Z2, минимальной рабочей частоты fмин, максимальной рабочей частоты fмакс, материала подложки, значения КСВН и типа полосковой линии передачи определить:

–волновое сопротивление Zт и длину Lст_т ступенчатого трансформатора сопротивления;

–волновые сопротивления Zт1 и Zт2 и длины Lст_т1 и Lст_т2 секций двухступенчатого трансформатора сопротивления;

–длину экспоненциального трансформатора сопротивления Lэксп_т;

–длины секций несинхронного трансформатора сопротивления Lнесинхр_т.

32

Исходные данные приведены в таблице 2.1, результаты расчёта занести в таблицу 2.2, таблицу 2.3, таблицу 2.4 и таблицу 2.5.

Таблица 2.1 – Варианты исходных данных для практического задания №1

Таблица 2.2 – Результаты расчёта ступенчатого трансформатора сопротивления

33

2.4.3.2 По полученным значениям определить ширину отрезков линий передачи и профиль экспоненциального трансформатора. Результаты расчёта занести в таблицу 2.2, в таблицу 2.3, в таблицу 2.5. Результаты расчёта профиля экспоненциального трансформатора представить в виде таблицы 2.6.

Таблица 2.6 – Результаты расчёта профиля экспоненциального трансформатора

34

3 Направленные ответвители

3.1 Схемы реализации и основные параметры направленных ответвителей

Направленным ответвителем (НО) называется четырёхплечное (восьмиполюсное) устройство, обладающее следующим свойством: при подаче мощности в одно из плеч, называемое входным, она не поступает в одно из выходных плеч и делится в заданном соотношении между двумя другим плечами. В общем случае данное устройство может быть представлено в виде схемы, приведённой на рисунке 3.1. В направленном ответвителе выделяют первичную (основную) линию, заключенную между зажимами 1–1’ и 2–2’ и вторичную (вспомогательную), заключенную между зажимами 3–3’ и 4–4’. Входное плечо и выходное плечо, в которое не поступает мощность являются взаимно развязанными, оставшиеся два выходных плеча являются связанными с входным.

Рисунок 3.1 – Общая схема четырёхплечного устройства

Гибридным соединением (трёхдецибельным направленным ответвителем) называется направленный ответвитель, осуществляющий равное деление мощности между связанными плечами.

Мостовым устройством (мостом) называется гибридное соединение напряжённости поля в выходных плечах которого имеют постоянный фазовый сдвиг в диапазоне рабочих частот.

В соответствии с взаимным расположением входного, развязанного и связанных с ним плеч можно выделить следующие схемы реализации направленных ответвителей, приведенные на рисунке 3.2:

–сонаправленная (рисунок 3.2а);

–противонаправленная (рисунок 3.2б);

–с переходом энергии во вспомогательный канал (рисунок 3.2в):

–сонаправленная (P3<P4);

–противонаправленная (P3>P4).

Наибольшее распространение получили сонаправленная и противонаправленная схемы.

36

в

Рисунок 3.2 – Схемы направленных ответвителей

Независимо от схемы направленный ответвитель может характеризоваться следующим набором параметров:

1)рабочее затухание, определяемое как отношение мощностей на входе

ивыходе первичной линии;

2)переходное ослабление, определяемое как отношение мощностей на входе первичной линии и на связанном с ним выходе вторичной линии;

3)развязка, определяемая как отношение мощностей на входе первичной линии и на развязанном с ним выходе вторичной линии;

4)направленность, определяемая как отношение мощностей на выходе вторичной линии связанном со входом первичной линии и на развязанном с ним выходе вторичной линии;

5)неравномерность деления, представляющая разность между переходным ослаблением и рабочим затуханием, определяемая как отношение мощностей на выходе первичной линии и на выходе вторичной линии связанном с входом первичной линии;

6)коэффициент деления по напряжению, определяемый как отношение напряжённостей электрического поля на выходе вторичной линии связанном с входом первичной линии и на выходе первичной линии;

7)коэффициент деления по мощности, определяемый как отношение мощностей на выходе вторичной линии связанном с входом первичной линии и на выходе первичной линии;

8)коэффициент стоячей волны в i-ом плече, определяемый как отношение максимального значения амплитуды напряжённости электрического поля в i-ом плече к минимальному значению амплитуды напряжённости электрического поля в i-ом плече;

9)фазовые соотношения направленного ответвителя, характеризующие абсолютные значения фаз напряжений в плечах, или относительную разность фаз напряжений в выходных плечах.

37

Перечисленные выше параметры для соноправленного и противонаправленного направленного ответвителя приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Параметры сонаправленного и противонаправленного направленного ответвителя

По величине переходного ослабления направленные ответвители разделяются на:

–слабосвязанные (переходное ослабление больше 10 дБ);

–сильносвязанные (переходное ослабление меньше 10 дБ).

По соотношению фаз в выходных плечах направленные ответвители разделяются на:

–синфазно-противофазные (фазы сигналов в выходных плечах или совпадают, или различаются на );

–квадратурные (фазы сигналов в выходных плечах различаются на ). Параметры направленного ответвителя могут быть определены через

элементы волновой матрицы рассеяния. В приложение А рассмотрены волновые матрицы на примере четырёхполюсного устройства.

Падающие и отраженные волны в плечах устройства, приведённого на рисунке 3.1, связаны системой уравнений представленной в виде:

38

Таблица 3.2 – Параметры сонаправленного и противонаправленного

3.2 Кольцевой направленный ответвитель

Кольцевой направленный ответвитель относится к группе направленных ответвителей со связью шлейфного типа, то есть между всеми плечами данного направленного ответвителя существует гальваническая связь. Топология кольцевого направленного ответвителя приведена на рисунке 3.3. На данном рисунке длины отрезков линий передачи, образующие направленный ответвитель, «1 – 2», «1 – 3», «3 – 4» составляют /4, а длина линии «2 – 4», составляет 3 /4.

Рассмотрим его работу. Пусть СВЧ сигнал поступает в первое плечо. Данный сигнал разделяется на две составляющих, одна из которых распространяется в направлении 1–2–4–3, а вторая в направлении 1–3–4–2. Так как кольцо является замкнутым, то обе составляющих достигают каждого из плеч направленного ответвителя. Для определения величины мощности в

40