Отчеты / АФУ в MWO_лаб_9
.pdf
Лабораторная работа №9
Моделирование фазовращателей и коммутаторов на p-i-n - диодах
Цель работы: Освоить применение pin-диодов в технике СВЧ, изучить устройства на pin-диодах. Получить навыки моделирования фазовращателей и коммутаторов на p-i-n-диодах в пакете программ AWR Microwave Office.
Продолжительность работы: 2 ч.
Используемое программное обеспечение: AWR Microwave Office, Microsoft Word.
Теоретические сведения.
Устройства, предназначенные для изменения фазы, амплитуды и направления СВЧ сигнала, принято называть управляющими. Необходимой составляющей частью таких устройств является полупроводниковый диод, сопротивление которого меняется от величины управляющего сигнала.
Устройства предназначенные для изменения фазы СВЧ сигнала называют фазовращателями. Рассмотрим фазовращатель, изображенный на рис.1. Он представляет собой МПЛ, в которую на определенном расстоянии (в точках А и Б) параллельно включены два одинаковых четвертьволновых шлейфа, нагруженных на разомкнутые отрезки линий и pin-диоды.
Рис.1. Фазовращетель с парой подключаемых реактивностей и его эквивалентная схема.
Принцип действия фазовращателя легко объясняется из эквивалентной схемы. Она представляет собой отрезок длинной линии,
1
обеспечивающий набег фазы
|
|
|
|
||
1 |
|
2 |
|
|
, где
- требуемая величина
фазового сдвига фазовращателя. Теория цепей показывает, что если в точках А и Б включить одинаковые проводимости (реактивные)
Y
2 jy |
|
|
tg |
|
|
0 |
|
2 |
|
||
, то набег фазы волны между точками А и Б изменится и
будет определяться как
|
|
|
|
|
2 |
2 |
|||
|
|
|||
|
|
|
. В результате разность фаз в двух
состояниях будет равна требуемой величине: .
Подключение указанных проводимостей обеспечивается с помощью шлейфов y1 . В случае включения диодов D1 и D2 (а они включаются
одновременно) |
каждый |
|
шлейф |
может |
рассматриваться |
как |
|||
короткозамкнутый |
отрезок |
длиной |
c / 4 |
с |
нулевой |
входной |
|||
проводимостью Y = 0 , |
т.е. |
они не влияют на проводимость основной |
|||||||
линии. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При обесточенных диодах проводимость Y определяется входной |
|||||||||
проводимостью |
короткого |
участка |
линии |
yвх |
jBш , |
емкостной |
|||
проводимостью диода jBc |
и волновой проводимостью |
y1 |
четвертьволнового |
||||||
шлейфа (согласно формуле четвертьволнового трансформатора): |
|
|
|||||||
Y
Таким образом, величины
|
|
jB |
c |
|
|
y1 , |
|
y |
2 |
|
|
|
|
1 |
|
|
jB |
ш |
|
|
|
|
|
B |
|
|
c |
|
и Bш связаны между собой
соотношением
|
y |
2 |
|
|
|
|
1 |
|
B B |
||
c |
|
ш |
2 y |
|
|
tg |
|
|
0 |
|
2 |
|
||
по
условию требуемого фазового сдвига.
Однако в этом соотношении, полученном для идеального диода, имеются два
неизвестных: |
y1 |
и |
Bш . |
Для их определения введем реальные |
проводимости |
диода |
в |
открытом и закрытом состояниях: G и g |
|
соответственно. Тогда при открытом диоде
(
G
1/ r
), имеем Yоткр y12 , а
G
при обесточенном диоде ( g
Yзакр g
1/ R ) |
|
|
|
|
|
y |
2 |
|
gy 2 |
j |
y 2 |
1 |
1 |
1 |
|||
j(B B )2 |
(B B )2 |
(B B )2 |
|||
c |
ш |
|
c ш |
|
c ш |
2
Для оптимизированного фазовращателя (условие равенства потерь в обоих состояниях) необходимо обеспечить равенство его активных составляющих:
y |
2 |
|
|
gy |
2 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
G |
|
(B B |
) |
2 |
|||||||
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
c |
|
|
ш |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Bш |
|
gG Bc |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
y1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||||||
|
2 y0tg |
|
|
|
|
|
Gg |
||||
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|||
В |
оптимизированном |
|
фазовращателе |
потери определяются по |
||||||||||
формуле |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P |
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|||
|
L 10lg |
|
|
|
|
10lg |
1 |
|
tg |
|
|
|
[дБ], |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
вх |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P |
|
|
|
|
K |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
вых |
|
|
|
|
||||||||
где K – качество pin-диода, |
K R / r . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Из |
формулы видно, что |
при |
|
потери |
в |
фазовращетеле |
L . |
|||||||
Обычно такой тип фазовращателей применяется для получения фазового
сдвига
2
.
Устройства для изменения направления СВЧ сигнала называются переключателями или коммутаторами. Рассмотрим принцип действия двухканального коммутатора с параллельным подключением pin-диодов, изображенного на рис.2.
3
Проанализируем состояние, когда диод D1 открыт, а D2 закрыт. В этом случае входная проводимость канала 1, пересчитанная к месту разветвления(точка А), оказывается равной
|
|
|
|
y |
2 |
|
|
y |
|
2 |
|
Y |
|
|
0 |
y G |
|
0 |
|
0 |
|||
|
|
|
G |
||||||||
вх1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Yвх2 |
y0 |
2 |
y0 |
g jBC |
y0 jBC |
||||||
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||
Для компенсации реактивной составляющей проводимости |
Yвх2 , |
||||||
численно равной проводимости |
BC |
диода, |
к точке |
разветвления |
|||
подключается |
параллельный |
шлейф |
(разомкнутый |
на |
конце), |
||
обеспечивающий емкостную проводимость, равную |
BC . |
|
|
|
|||
Для определения геометрических параметров шлейфа воспользуемся известным выражением для входного сопротивления разомкнутой линии:
Z |
|
|
2 |
l |
|
|
|
вх |
j ctg |
|
ш |
|
|||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|||
Или для проводимости:
Y |
jy |
2 |
l |
|
|
jB |
|
tg |
|
ш |
|
||||
ш |
0 |
|
|
|
|
C |
|
|
|
|
|
|
|||
отсюда
|
|
B |
|
|
lш |
|
arctg |
C |
|
|
|
|||
|
2 |
|
y0 |
|
|
|
|
||
4
Лабораторное задание.
1.Моделирование фазовращателя.
1.1.Рассчитать необходимые реактивности и длину линии для реализации фазового сдвига, частоты и параметров pin-диода, указанных по варианту.
1.2.Перевести реактивности в геометрические параметры микрополосковых линий.
1.3.Собрать схему фазовращателя в MWO. Добиться требуемого фазового сдвига, определить потери в обоих состояниях.
2.Моделирование коммутатора.
2.1.Рассчитать параметры линий и необходимое сопротивление шлейфа для частоты и параметров pin-диода, заданных по варианту.
2.2.Ввести схему в MWO. Измерить коэффициенты передачи на открытый и закрытый каналы. Добиться наилучших возможных характеристик.
Параметры подложки одинаковы для всех вариантов: h = 1 мм (высота подложки)
e = 9.8 (диэлектрическая проницаемость материала подложки) t = 0.018 мм (толщина проводника)
Варианты заданий:
Номер |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
варианта |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Частота, ГГц |
5 |
3 |
10 |
7 |
8 |
4 |
9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Фазовый |
45 |
22.5 |
45 |
22.5 |
45 |
22.5 |
45 |
|
сдвиг,˚ |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Емкость pin- |
0.5 |
1.2 |
0.2 |
0.1 |
0.3 |
1 |
0.4 |
|
диода, пФ |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
5
Методика выполнения работы.
1.С помощью инструмента TXLine
обеспечивающей фазовый набег 1
определить длину линии,
|
для заданных по варианту |
|
2 |
||
|
частоте и параметров подложки.
2. Рассчитать требуемые подключаемые реактивности по формуле
Y
2 jy |
|
|
tg |
|
|
0 |
|
2 |
|
||
.
3.Определить длину четвертьволнового отрезка линии для данных по варианту параметров подложки и частоты.
4.Создать в MWO новый Schematic. Ввести в схему разомкнутый шлейф, емкость pin-диода, четвертьволновый отрезок линии, подложку и порт.
5.С помощью инструмента Tune добиться равенства входной проводимости схемы (Y11) рассчитанной в п.2.
6
6.С помощью инструмента TXLine определить длину линии, имеющую фазовый сдвиг, рассчитанный в п.1.
7.Собрать схему фазовращателя без подводящих от портов линий и pinдиодов.
8.Подключить к земле концы отрезков четвертьволновых линий.
9.Измерить фазовый сдвиг. Изменяя длину центральной линии добиться рассчитанного в п.1. фазового сдвига. Объяснить, почему длина линии не совпадает с полученной в п.7.
10. Отключить заземление. Изменяя параметры подключаемых линий и четвертьволновых отрезков добить разности фаз, требуемой по варианту (подключаемые линии должны быть одинаковыми, поэтому их параметры удобно обозначить через переменные).
7
11. Добавить подводящие линии и pin-диод. Настроить параметры pinдиода согласно варианту.
12.Добавить схемы смещения и блокирующие емкости.
13.Измерить переходное ослабление и фазовый сдвиг при двух состояниях диодов, вычислить разность фаз для двух состояний.
14.Собрать схему коммутатора.
15.Добавить измерение переходных ослаблений с первого порта на второй и с первого порта на третий.
16.С помощью источников постоянного напряжения установить одно из рабочих состояний коммутатора.
17.Изменяя параметры линий и шлейфа добиться правильности работы коммутатора на заданной по варианту частоте.
Задание для самостоятельной подготовки к лабораторной работе.
Для подготовки к лабораторной работе студентам необходимо досконально изучить теоретические сведения, ознакомиться с
8
рекомендуемой литературой, подготовить ответы на контрольные вопросы. Также необходимо ознакомится с методикой выполнения лабораторной работы и лабораторным заданием. По возможности провести теоретические расчёты всех экспериментов изучаемых в работе, аналогичные тем, которые рассматривались в семинарских занятиях и лабораторных работах по курсу «Антенно-фидерные устройства»
Требование к отчету
Отчет составляется в электронном виде в редакторе Microsoft Word и должен содержать:
1)название и цель лабораторной работы
2)все исследуемые схемы с указанием параметров линий.
3)все конечные и полученные в результате моделирования графики
4)выводы по результатам проделанной работы.
Контрольные вопросы
1.Что такое фазовращатель?
2.Что такое коммутатор?
3.Какое свойство pin-диода позволяет использовать его при проектировании исследуемых устройств?
4.Принцип работы фазовращателя с подключаемыми реактивностями.
5.Принцип работы коммутатора.
Рекомендуемая литература
1.Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ: Учеб. для радиотехнич. спец.
вузов. – М.:Высш. шк., 1988. – 432с.: ил.
9
2.Balanis, Constantine A., Advanced engineering electromagnetic.
3.www.radioforall.ru
10