Топология кольцевого развязанного 3дБ делителя мощности.

Рис. 2

Недостатком параллельных схем делителей мощности является увеличение сопротивлений четвертьволновых отрезков с ростом числа каналов, что затрудняет их техническую реализацию. Кроме того при числе каналов большем двух топология схем не может быть представлена в виде плоской структуры, неизбежны пересечения проводников, что также представляет неудобства при реализации полосковых распределителей.

4. Наиболее часто используется схема “Елочка” на основе кольцевых развязанных бинарных делителей мощности (см рис. 2). Эта схема обеспечивает равноамплитудное деление на 2ⁿ каналов. При использовании делителей с коэффициентом деления, отличным от 1, можно построить системы с заданным законом распределения мощности для произвольного числа каналов.

2.5 Расчет и описание топологии делителя мощности на 8 каналов.

Итак, наиболее подходящей для нас является схема “Ёлочка”, причем делитель на 8 может быть построен в 3 этажа из бинарных кольцевых развязанных делителей мощности (см рис. 3).

Электрическая схема равноамлитудного делителя на 8 каналов на основе бинарных кольцевых развязанных делителей мощности.

вых.1

вых.2

вых.3

вых.4

вход

вых. 5

вых.6

вых.7

вых.8

Рис.3

Несимметричная микрополосковая линия передачи.

W, r

t

e h

Рис. 4

Рассчитаем параметры бинарного кольцевого развязанного делителя мощности (см. рис. 4).

Волновое сопротивление r₀ = 50W. Рассчитаем параметры МПЛ (см.рис.4).

В несимметричных линиях передач основной волной является квази ТЕМ-волна.

Для СВЧ ГИС используются чаще всего поликоровые подложки, так как тангенс угла потерь поликора меньше, чем у других материалов, используемых для подложек.

Поликор: tg d @ 1·10 ^-4;

Стеклотекстолит: tg d @ 5·10 ^-3;

Фторопласт: tg d @ (5¸10)·10 ^-4;

Диэлектрическая проницаемость поликора e @ 9,8.

При частотах £ 25ГГц используют h @ 1мм. Толщина подложки зависит от диапазона рабочих частот. Это связано со следующими ограничениями:

1. Появление продольной поверхностной волны, когда её фазовая скорость совпадает с фазовой скоростью ТЕМ-волны, при этом происходит перекачка энергии в поверхностную волну, а затем излучение ее в виде тепла. Фазовая скорость возрастает с ростом частоты. Т.о. работа возможна только на частотах, меньших критической:

f’_кр. = 75/(h· e - 1) [ГГц]

2. Возникновение и резонанс поперечных колебаний. Это происходит на частотах, выше критической:

f^попер._кр. = 107,5/(h e )

Очевидно, что вторая критическая частота всегда выше первой, поэтому реально диапазон рабочих частот при данной толщине пленки ограничен возникновением продольной поверхностной волны. Для h = 1мм, f’_кр. @ 25,3 ГГц.

С другой стороны, уменьшение толщины подложки увеличивает потери при прохождении волны в МПЛ. Добротность МПЛ определяется следующим образом:

Q = (Q_с · Q_d )/ (Q_с + Q_d)

Q_с = e_эф Wr f[ГГц] · s /6

Q_d = e_эф /q e tg d

где Q_с - часть добротности, связанная с потерями в проводнике,

Q_с - часть добротности, связанная с потерями в диэлектрике.

Потери на излучение в МПЛ практически отсутствуют.

Эффективная диэлектрическая проницаемость:

_{e + 1 e - 1 ln(p/2) + [ln(4/p)]/e}

^{eэф =} 2 ^{1 +} e + 1 ln(8h/W) ^{, W/h ³ 1}

2h/W=e^h’/4 — e^-h’, w/h<1, где h’= (e+1)/2 r/60 +[(e-1)/(e+1)(0.226+0.121e)]

При этом длина волны в МПЛ равна:

L = l/ e_эф

Итак, выбираем h = 1мм. Тогда ширина полоска, имеющего волновое сопротивление r = 50W, равна:

377p 377p e - 1 377p 0,517

^{W= h·2/p ·} 2 e r ^{- 1 - ln} e r ^{- 1 +} 2e ^ln 2 e r ^{- 1 +0,293 -} e

W @ 0,98 мм

Эффективная диэлектрическая проницаемость:

e_эф @ 6,4

Длина волны в МПЛ 50W равна:

L @ 3,7/2,53 @ 1,46 см

Ширина полоска, имеющего волновое сопротивление 1,41·50 @ 70,7 W:

W @ 0,42 мм

Эффективная диэлектрическая проводимость 6.11;

Длина волны в такой линии L @ 1.497 см

Тогда длина L/2 @ 0.7485 см (по средней линии полоска). Так как размеры резистора почти точечные (это определяется необходимостью создания именно сосредоточенного резистора), то считаем длину окружности @ L/2.

Тогда радиус окружности @ 0,119 см @ 1,19 мм.

В ГИС СВЧ используют как сосредоточенные, так и распределенные элементы. В данном случае, для реализации развязывающего сопротивления R (см. рис. 2), могут быть использованы следующие варианты пленочных резисторов:

l

^w

N

Область C

Область А

0,2 мкм ^l

8 мкм

Обл B

Рис. 5

Область A: высокоомный металл;

Область B: чистая медь;

Область C: золотое напыление для защиты от внешних воздействий, в моделях и т.п. как правило отсутствует.

Высокорезистивный вариант:

Рис. 6

Высокоомное напыление поверх пленки МПЛ (для толстопленочной технологии)

l W

N

Рис. 7 Высокоомная пленка

При этом получается сопротивление

R = (R_s l)/W

где R_s - поверхностное сопротивление пленки (Ом/квадрат)

Эквивалентная схема пленочного сопротивления:

DR₁ DR₂ DR₃ DR₄ DR_n L

. . .

^C1

^{. . .} C₂

C_n

^CP

В СВЧ резисторе существует распределенная шунтирующая емкость Ср, на высоких частотах возникает последовательная индуктивность. В общем случае наличие паразитной емкости приводит к уменьшению сопротивления R₁ на высоких частотах по сравнению с R на постоянном токе:

R₁ /R

1,0

f

Итак, требуется получить:

R @ 2·50 @ 100 W (см. рис. 1)

Примем

l/w = 2

Согласно [8] минимальная ширина пленочного резистора @ 200 нм, а длина 300мкм (при напылении через маску). на частотах более 2 ГГц и до 18ГГц используются пленочные резисторы со стороной £1мм.

Для исключения взаимного влияния полосков в МПЛ необходимо располагать их на расстоянии не меньшем, чем две ширины полоска. В настоящем случае для полосков волновым сопротивлением 50W (0,97 мм шириной) минимальное расстояние @ 2мм. Поэтому возьмем резистор максимальной допустимой на данной частоте длины @ 1мм. Тогда при поверхностном сопротивлении резистивной пленки @ 50W/Š размеры резистора равны: