1.11 Расчёт блока суммирования

При построении двоично-этажной схемы разводки используются гибридные делители (сумматоры) мощности. Простейшим из таких устройств является тройниковое разветвление линий передачи, относящееся к классу реактивных шестиполюсников. Существенным недостатком тройника является отсутствие развязки между входами. Кроме того, как показывает теория, невозможно одновременное согласование реактивного шестиполюсника по всем трём входам с помощью реактивных согласующих устройств. Поэтому в схему разветвителя необходимо ввести поглощающие элементы. На практике широко используется кольцевой развязанный делитель (сумматор), изображённый на рис. 1.12.

r_о

r₁

R

r_о

L / 4

r_о

Рис. 1.12 Кольцевой развязанный сумматор мощности

Расчёт величин R и r₁ производится по известным значениям коэффициентов матрицы рассеяния данного шестиполюсника. Из требований к согласованию и развязке входов вытекают соотношения сопротивлений в схеме:

Ø

R = 2*r_о; r₁ = r_о*Ö2 ;

Для стандартной 50-омной линии (r_о =50W) получим:

R = 100W; r₁ = 71W;

Параметры МПЛ с данным волновым сопротивлением r (ширина проводника W, эффективная диэлектрическая проницаемость e_эф, длина волны в линии L) зависят от диэлектрической проницаемости материала подложки e и от её толщины h. Основным материалом подложек СВЧ-схем является поликор (e=9.8). Производятся стандартные подложки с h=0.25; 0.5; 1 мм. Выбор h зависит от значения рабочей частоты, поскольку существуют частотные пределы применимости МПЛ:

·эффект появления продольной поверхностной волны в диэлектрике;

·эффект возникновения резонанса поперечных колебаний между полоском и подложкой.

Критические частоты рассчитываются по формулам:

75 107.5

f_кр^пов = ————— ; f_кр^попер = ——— ;

¾¾Ø Ø

h*Ö e – 1 h*Öe

Расчётные значения f_кр для поликоровых подложек разной толщины приведены в таблице 1.7.

Таблица 1.7

h, мм	fкрпов, ГГц	fкрпопер, ГГц
1	25.3	34.3
0.5	50.6	68.6
0.25	101	137.2

Чем толще подложка, тем ниже критическая частота, но зато меньше и потери в МПЛ. Поэтому в диапазоне 7.25 ¸ 7.75 ГГц нужно применять подложки с h =1 мм.

Параметры МПЛ (для W / h < 1) рассчитываются по формулам:

2h exp(h’) exp(–h’)

—— = ———— – ————— ;

W 4 2

¾¾¾¾Ø

r*Ö (e + 1) / 2 e – 1 0.12

h’ = —————— + ——— * 0.226 + ——— ;

60 e + 1 e

e + 1 e – 1 ln(p / 2) + [ln(4 / p)] / e

e_эф = ——— * 1 + ——— * ——————————— ;

2 e + 1 ln(8*h / W)

l

L = ——— ;

¾Ø

Öe_эф

Результаты расчёта для двух номиналов волновых сопротивлений, используемых в схеме сумматора, приведены в таблице 1.8.

Таблица 1.8

r, W	W, мм	eэф	L, см
50	0.98	6.4	1.58
71	0.42	6.1	1.62

Резистор R в схеме сумматора выполняется по тонкоплёночной технологии. Его топология показана на рис. 1.13. Сопротивление плёночного резистора зависит от его геометрических размеров:

R = r_s * К_ф; К_ф = l_р / w_р;

r_s — поверхностное сопротивление резистивной плёнки;

К_ф — коэффициент формы;

l_р — длина рабочей части резистора;

w_р — ширина резистора.

На геометрические размеры плёночных элементов накладываются определённые ограничения:

·технологические (при напылении через маску l_{р min}=300 мкм, w_{р min}=200 мкм; при фотолитографии l_{р min}=w_{р min}=50 мкм);

·частотные (для сосредоточенных элементов).

Сосредоточенными принято считать элементы, линейные размеры которых не превышают (0.01¸0.03)L. При столь малых размерах можно пренебречь эффектами, обусловленными волновым характером электромагнитного поля (в частности, сдвигом фаз между входом и выходом элемента).

Исходя из приведённых ограничений, выберем длину резистора в схеме сумматора l_р=0.5 мм. Для длин волн 1.58 см и 1.62 см ( таблица 1.8) это составит соответственно 3.16% и 3.09%, что вполне допустимо. Ширину примем равной 0.25 мм, тогда К_ф=2; r_s=50 W/ .

Для стабилизации переходного контактного сопротивления размер области перекрытия резистивной плёнки с проводниками МПЛ должен составлять 0.4¸0.5 мм (для R=50¸200 W). При этом полная длина резистора l_п = l_р + 2*s, где s — величина перекрытия. Пусть s=0.5 мм, тогда l_п =1.5 мм.

Рис. 1.13 Плёночный резистор в схеме сумматора

При разработке топологии блока суммирования учитывались, помимо вышеизложенных, следующие обстоятельства:

·длины линий, соединяющих кольцевые сумматоры в блоке, должны быть равны нечётному числу полуволн (для компенсации отражений, возникающих из-за неидеальности согласования);

·расстояние между входными линиями на верхнем этаже схемы должно быть достаточным для монтажа разъёмов (коаксиально-полосковых переходов);

·схема блока должна быть размещена на подложках стандартных размеров (для поликоровых подложек размеры выбираются из ряда: 60´48 мм; 60´24 мм; 48´30 мм; 30´24 мм; 24´15 мм; 15´12 мм).