Полосковые линии передачи. Устройства СВЧ на основе полосковых линий передачи. Практикум
.pdf
плечах направленного ответвителя рассмотрим фазовые соотношения между сигналами в его плечах.
Рисунок 3.3 – Топология кольцевого направленного ответвителя
Во второе плечо, сигнал приходит непосредственно из первого плеча, проходя путь /4 и приобретая фазовый сдвиг /2. С другой стороны, сигнал поступает во второе плечо по пути: 1–3–4–2, длина которого /4+ /4+3 /4, то есть равна 5 /4. На данном пути сигнал приобретает фазовый сдвиг, равный 5 /2, что эквивалентно /2 (так как 5 /2 можно представить как 2 + /2, а в силу периодичности гармонического сигнала sin(2 + /2)=sin( /2)), следовательно, во втором плече сигналы складываются в фазе, усиливая друг друга, и на его выходе формируется результирующий сигнал отличный от нуля.
Втретье плечо сигнал с одной стороны поступает вдоль направления 1–3, проходя путь /4 и приобретая фазовый сдвиг /2. С другой стороны, в это же плечо сигнал поступает по пути 1–2–4–3, длина которого равна 5 /4, приобретая фазовый сдвиг 5 /2, что эквивалентно /2, то есть в третьем плече сигналы также складываются в фазе, и на его выходе формируется результирующий сигнал отличный от нуля.
Вчетвертое плечо сигнал стороны поступает по пути 1–2–4, длина
которого равна /4+3 /4, то есть просто равна . Следовательно, сигнал приобретает фазовый сдвиг 2 , который в силу периодичности гармонической функции можно рассматривать как нуль. С другой стороны в данное плечо сигнал поступает по направлению 1–3–4, длина которого равна /4+ /4, то есть равна /2, таким образом, сигнал приобретает фазовый сдвиг . В данном плече
41
сигналы складываются в противофазе, ослабляя друг друга, следовательно, на его выходе формируется мощность, стремящаяся к нулю.
Таким образом, первое, второе и третье плечи являются связанными, а первое и четвертое плечи – развязанными. Так как фазы сигналов в выходных плечах одинаковы (равны /2), то данный направленный ответвитель является синфазно-противофазным.
Для получения идеального согласования плеч кольцевого направленного ответвителя с подводящими линиями должны выполняться следующие условия:
Z1 = Z
Z |
2 |
= Z |
|
|
в
в
1 + m
|
1 + m |
|
m |
||
|
;
,
(3.4)
(3.5)
где Z1, Z2 – волновые сопротивления отрезков линий передачи, образующих кольцевой направленный ответвитель;
Zв – волновое сопротивление подводящих линий передачи; m – коэффициент деления по мощности.
Достоинствами кольцевого направленного ответвителя являются:
–простота конструкции;
–возможность создания сильносвязанных направленных ответвителей. Недостатками кольцевого направленного ответвителя являются:
–большая площадь, занимая на поверхности подложки, при проектировании устройств дециметрового поддиапазона и длинноволновой части сантиметрового поддиапазона (для частот данных диапазонов характерна
относительно большая длина волны );
– относительно не широкая полоса рабочих частот, так как геометрические размеры отрезков линий передачи данного направленного ответвителя жёстко привязана к рабочей длине волны .
Для уменьшения габаритов кольцевого направленного ответвителя отрезки линии передачи между плечами выполняют в виде меандров, и топология направленного ответвителя принимает вид, приведённый на рисунке 3.4. Изгиб линии передачи в данной топологии приводит к появлению неоднородностей, а, следовательно, и отражённых волн, но поскольку длина волны колебаний в этом случае велика, то напряженности поля отраженных волн незначительны и их можно не учитывать.
42
Рисунок 3.4 – Топология кольцевого направленного ответвителя с отрезками линий передачи в виде меандров
Для направленных ответвителей коротковолновой части сантиметрового поддиапазона и миллиметрового поддиапазона изгиб отрезков линии передачи являются нежелательным, так как в этом случае напряженности поля отражённых волн могут достигать значительных величин (чем выше рабочая частота f, то есть чем меньше рабочая длина волны , тем более критичным к неоднородностям становится СВЧ сигнал). Однако на данных частотах длины отрезков линии передачи, соединяющих плечи направленного ответвителя, малы и их изгиб в виде меандров является нецелесообразным, и топология направленного ответвителя сохраняет вид кольца и соответствует рисунку 3.3.
3.3 Шлейфный направленный ответвитель
Шлейфный направленный ответвитель также относится к направленным ответвителям со связью шлейфного типа, то есть между всеми плечами данного направленного ответвителя тоже существует гальваническая связь. Топология данного направленного ответвителя состоит из двух параллельных отрезков линии передачи, соединенных между собой несколькими шлейфами. Минимальное число шлейфов равно двум, расстояние между шлейфами равно/4, длина шлейфов составляет /4. Топология двухшлейфного направленного ответвителя приведена на рисунке 3.5.
Рассмотрим его работу. Пусть сигнал поступает в первое плечо, по отрезку линии передачи он беспрепятственно попадает в третье плечо, при помощи шлейфов часть энергии данного сигнала переходит во вторичную линию. Причём во второе плечо сигнал может непосредственно поступать по пути 1–2, длина которого /4, приобретая фазовый сдвиг /2. С другой стороны, сигнал во второе плечо может поступить по пути 1–3–4–2, длина которого /4+ /4+ /4=3 /4, при этом он приобретает фазовый сдвиг равный
43
3 /2, то есть во втором плече сигналы оказываются в противофазе и должны ослаблять друг друга, следовательно, мощность, поступающая на выход данного плеча должна стремится к нулю. Но плечо 2 является вторым плечом первичной линии и логично предположить, что мощность на его выходе должна быть. Это достигается за счёт большего волнового сопротивления шлейфов Z1, на топологии они изображены в виде меньших по ширине отрезков линий передачи. Поэтому по шлейфам распространяется меньшая по величине мощность, которая не может компенсировать мощность, пришедшую в плечо 2 по отрезку первичной линии передачи с меньшим волновым сопротивлением Z2. Кроме того в местах соединения отрезков линий передачи с разными волновыми сопротивлениями возникают отражения электромагнитных волн, не способствующие прохождению сигнала во второе плечо по пути 1–3–4–2.
Рисунок 3.5 – Топология шлейфного направленного ответвителя
В третье плечо сигнал может непосредственно поступать по пути 1–3, длина которого /4, приобретая фазовый сдвиг /2. С другой стороны, сигнал в третье плечо сигнал может прийти по пути 1–2–4–3, длина которого/4+ /4+ /4=3 /4, при этом он приобретает фазовый сдвиг 3 /2, то есть в третьем плече сигналы оказываются в противофазе и ослабляют друг друга, следовательно, мощность, поступающая на выход данного плеча, стремится к нулю.
В четвертое плечо сигнал может поступить с одной стороны по пути 1–2–4, длина которого /4+ /4= /2, приобретая фазовый сдвиг , с другой стороны по пути 1–3–4, длина которого также /4+ /4= /2, то есть, также приобретая фазовый сдвиг , следовательно, в четвёртом плече сигналы складываются в фазе, усиливая друг друга. Таким образом, на его выходе формируется мощность отличная от нуля.
Таким образом, первое, второе и четвёртое плечи являются связанными, а первое и третье плечи – развязанными. Так как направление распространения энергии во вторичной линии шлейфного направленного ответвителя совпадает с направлением распространения энергии в первичной линии, то данный
44
направленный ответвитель является соноправленным. Поскольку фазы сигналов в связанных плечах различаются на /2, то шлейфный направленный ответвитель является квадратурным.
Для получения идеального согласования плеч шлейфного направленного ответвителя с подводящими линиями должны выполняться следующие условия
|
Z |
|
|
|
1 |
Z |
2 |
= |
|
|
|
= Z |
||
|
|
в |
Z |
в |
|
|
|
|
|
m |
; |
|
m |
|
|
1 + m |
|
,
(3.6)
(3.7)
где Z1, Z2 – волновые сопротивления отрезков линий передачи, образующих шлейфный направленный ответвитель;
Zв – волновые сопротивления подводящих линий передачи; m – коэффициент деления по мощности.
Достоинствами шлейфного направленного ответвителя являются:
–простота конструкции;
–возможность создания сильносвязанных направленных ответвителей. Недостатками шлейфного направленного ответвителя являются:
–большая площадь, занимая на поверхности подложки, при проектировании устройств дециметрового поддиапазона и длинноволновой части сантиметрового поддиапазона (для частот данных диапазонов характерна
относительно большая длина волны );
– относительно не широкая полоса рабочих частот, так как геометрические размеры отрезков линий передачи данного направленного ответвителя жёстко привязана к рабочей длине волны .
Для уменьшения площади занимаемой шлейфным направленным ответвителем на поверхности подложки, четвертьволновые отрезки линий выполняют в виде меандров, и топология направленного ответвителя принимает вид, приведённый на рисунке 3.6.
При проектировании шлейфных направленных ответвителей для коротковолновой части сантиметрового поддиапазона и миллиметрового поддиапазона неоднородности, создаваемые шлейфами, приводят к появлению значительных отраженных волн. Поэтому в данном случае целесообразно реализовать топологию направленного ответвителя в виде кольца, что соответствует рисунку 3.7.
При возрастании числа шлейфов расширяется полоса рабочих частот, но при этом при числе шлейфов более трёх, волновые сопротивления крайних шлейфов становятся большими, что затрудняет процесс их реализации.
45
Рисунок 3.6 – Топология шлейфного направленного ответвителя с отрезками линий передачи в виде меандров
Рисунок 3.7 – Топология шлейфного направленного ответвителя в виде кольца
3.4 Направленный ответвитель на связанных полосковых линиях передачи
Направленный ответвитель на связанных линиях передачи относится к группе направленных ответвителей с распределенной электромагнитной связью, то есть между первичной и вторичной линией не существует гальванической связи. В основе его конструкции лежит отрезок связанных полосковых линий передачи.
46
По типу применяемой связанной линии передачи данные направленные ответвители разделяют на направленные ответвители с боковой связью и направленные ответвители с лицевой связью, топологии таких направленных ответвителей приведены на рисунке 3.8а и рисунке 3.9а соответственно (область взаимного перекрытия двух проводников направленного ответвителя с лицевой связью заштрихована двойными линиями и не закрашена).
а
б
Рисунок 3.8 – Топология направленного ответвителя с боковой связью
Для исключения паразитных электромагнитных связей между подводящими линиями они отгибаются на 90 градусов от связанных полосковых линий передачи, в данном случае длина участка связи определяется только длиной отрезка связанных полосковых линий передачи, так как подводящие линии отдаляются друг от друга и электромагнитной связью за счёт них можно пренебречь. В ряде случаев допускается изгиб подводящих линий только одной из связанных полосковых линий передачи. Топологии направленных ответвителей в этом случае приведены на рисунке 3.8б и рисунке
3.9б.
Электромагнитная энергия, распространяясь по первичной линии, частично переходит во вторичную линию и начинает своё распространение в ней в противоположном направлении. Таким образом, направленный ответвитель на связанных линиях передачи является противонаправленным.
47
Первое, второе и третье плечи являются связанными, а первое и четвёртое плечи – развязанными.
а
б
Рисунок 3.9 – Топология направленного ответвителя с лицевой связью
Идеальное согласование отрезка линиями обеспечиваются при выполнении
Zв = |
Zвe Zвo |
связанных линий с подводящими условия
. |
(3.8) |
где Zв – волновые сопротивления подводящих линий передачи;
Zвe – значение волнового сопротивления связанной полосковой линии передачи при чётном виде возбуждения;
Zвo – значение волнового сопротивления связанной полосковой линии передачи при нечётном виде возбуждения.
Мощность, переходящая во формуле
P = P |
|
k |
2 |
|
||
|
|
|||||
|
св |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
3 |
1 |
|
1 − k |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
св |
|
вторичную линию может быть оценена по
sin |
2 |
(2 N ) |
|
|
||
|
, |
(3.9) |
||||
cos |
2 |
(2 N ) |
||||
|
|
|
||||
где P3 – значение мощности в плече вторичной линии, связанном со входным плечом первичной линии;
48
P1 – |
значение мощность на входе первичной линии направленного |
|
|
|
ответвителя; |
kсв |
– |
коэффициент связи; |
|
– электрическая длина участка связи, определяемая соотношением |
|
N
=
L
,
(3.10)
где L – геометрическая длина участка связи;
– рабочая длина волны в связанной линии передачи.
Величина коэффициента связи kсв определяется по формуле
kсв = |
Zвe − Zвo |
. |
(3.11) |
|
Zвe + Zвo |
||||
|
|
|
где kсв – коэффициент связи;
Zвe – значение волнового сопротивления связанной полосковой линии передачи при чётном виде возбуждения;
Zвo – значение волнового сопротивления связанной полосковой линии передачи при нечётном виде возбуждения.
Представим выражение (3.9) в виде
|
|
P |
|
sin |
2 |
(2 |
N ) |
|
|
|
|||
|
|
= |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
, |
(3.12) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
k |
|
2 |
P |
|
1 − k |
2 |
|
|
2 |
(2 |
N ) |
||
св |
|
|
св |
cos |
|
|
|||||||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
подставим в него выражение (3.10)
|
|
P |
= |
|
k |
|
|
3 |
|
|
|
|
||
|
2 |
P |
1 − |
|
|
|
|
||
|
св |
|
1 |
|
|
|
|
||
и построим график зависимости
sin |
2 |
2 |
L |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
2 |
|
2 |
L |
kсв |
cos |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P |
|
|
|
|
3 |
=F(L). |
k |
2 |
P |
|
св |
|
||
|
1 |
|
|
,
(3.13)
49
Рисунок 3.10 – График зависимости |
|
P3 |
=F(L) |
|
|
||
kсв |
2 P1 |
Анализируя рисунок (3.10), можно определить, что оптимальная длина участка связи составляет /4, так как при данной длине участка связи максимальная мощность переходит в третье плечо, что наблюдается также и при длине участка связи составляет 3 /4, 5 /4 и так далее, но при этом площадь, занимаемая направленным ответвителем на поверхности подложки, является минимальной (так как его длина в данном случае наименьшая).
Таким образом, фазы сигналов в связных плечах отличаются на /2, следовательно, данный направленный ответвитель является квадратурным.
Достоинства направленного ответвителя на связанных линиях передачи:
–малая занимая на поверхности подложки площадь;
–возможность простой реализации слабосвязанных направленных ответвителей.
Недостатки направленного ответвителя на связанных линиях передачи:
–сложность реализации сильносвязанных направленных ответвителей;
–относительно не широкий диапазон рабочих частот, так как длина участка связи данного направленного ответвителя жёстко привязана к рабочей
длине волны ;
– различие постоянных распространения электромагнитных волн при чётном и нечётном виде возбуждения связанных линий передачи.
Последний недостаток характерен только для связанных несимметричных полосковых линий передачи, так как в связанных симметричных полосковых линиях передачи полосковые проводники со всех сторон окружёны диэлектриком.
Электромагнитная волна при чётном виде возбуждения распространяется в основном в толще подложки, а при нечётном виде возбуждения в значительной степени вытесняется в воздух. Следовательно, различаются эффективные диэлектрические проницаемости для чётного эффe и нечётного эффo видов возбуждения, а, следовательно, и соответствующие им фазовые скорости, определяемые по формуле
50