Диссертация (Диаграммообразующая система оптического типа для многолучевых АФАР), страница 14

По требованиям ТЗ, КСВ и развязка должны быть 25 дБ вполосе частот 3.9...4.2 ГГц. В результате оптимизации было полученозначение КСВ и развязки более 40 дБ в диапазоне частот 3.8...4.2 ГГц(рис. 6.6), что позволяет учесть погрешности при производстве.Рис.6.6Частотныехарактеристикипримоделированииквадратурного трехшлейфного моста в процессе параметрическойоптимизации геометрических параметров в AWR Design Environment(1, 2 – деление, 3, 4 – КСВ и развязка).178Полученные с помощью численного электродинамическогомоделирования,результатысоответствуюттребованиямТЗвтребуемой полосе частот, также видно, что КСВ получился хороший,а развязку можно улучшить изменяя геометрические размеры.Спомощьюфункцииэкспортированиятопологиитрехшлейфного квадратурного моста в файл *.dxf, в программе 3Dэлектродинамического моделирования Ansoft HFSS (см.получаемтопологиюпомощьютрехшлейфногоквадратурногомоста.Сфункции расчета электромагнитных полей получаем максимальныезначения токов, проходящих через микрополосковую линию.

На рис.6.7. видно, что полученная ширина микрополосковой линии w1 = 0,08мм, не позволяет пропускать требуемый уровень мощность Р ср = 300Вт, также, она является неустойчивой к отклонению.:Рис. 6.7. Распределение электрического тока на проводникахмикрополоскового трехшлейфного квадратурного моста.179Такимобразом,трехшлейфныйквадратичныймоствмикрополосковом исполнении для p-i-n диодного фазовращателя длябольшого уровня мощности нецелесообразен.Следовательно, несмотря на то, что двухшлейфный мостявляется более узкополосным устройством построим ФВ на основе 2х шлейфного моста.Задача сводится к построению двухшлейфного ответвителя намикрополосковой линии. Диэлектрическая подложка изготавливаетсяиз материала «Поликор», для которого εr = 9.6. Ответвительизготавливается печатным способом (t/h ≈ 0).

Заданное волновоесопротивление подводящих линий ρ0 = 50 Ом. Полоса частот f =3.9…4.2 ГГц. Толщина диэлектрической подложки h = 2мм. (см. рис.6.8)Рис. 6.8 Двухшлейфный квадратурный мост.Для расчёта геометрических параметров (l0, w1, l1, w2) проводимвычисления в программе TX Line 2003, для микрополосковой линии.(см. рис 6.5.)180Входными данными для программы являются::- Диэлектрическая постоянная ε = 9.6- Тангенс угла диэлектрических потерь tg δ = 0.0001;- Сопротивление ρ0 = 50 Ом;- Диапазон частот 3.9...4.2 ГГц;- Частота ƒ = 4.05 ГГц;Соответственно получаем: L0 = λ/4 =7,06 мм; W0 = 2,0 мм;Далее проводим аналогичные расчёты для ρ1 = 50 Ом и ρ2 = 35Ом, в результате которых получаем:L1=7,0 мм; W1=2 мм;ПолученныеL2=6,7 мм; W2=3,97 мм;геометрическиеразмерадвухшлейфногоквадратурного моста, заносим в программу AWR Design Environment,с помощью которой была построена схема трехшлейфногоранее. (см. рис 6.9.)181мостаРис.6.9Частотныехарактеристикипримоделированииквадратурного двухшлейфного моста в процессе параметрическойоптимизации геометрических параметров в AWR Design Environment(1, 2 – деление, 3, 4 – КСВ и развязка)Результаты, полученные с помощью программы AWR DesignEnvironment соответствуют требованиям ТЗ в требуемой полосечастот.

После экспортирования топологии в программу AnsoftDesigner, производится расчет распределения электромагнитныхполей для двухшлейфного моста. (рис. 6.10.)182Рис. 6.10. Распределение электрического тока на проводникахмикрополоскового двухшлейфного квадратурного моста.На рис. 6.10.

видно, что полученное распределение токов подвухшлейфному мосту не является значительным, из чего следует, чтопри протекании токов такой мощности по двухшлейфному мосту неразрушится конструкция моста. Поэтому для построения секцийпятиразрядного дискретного фазовращателя на p-i-n диодах, выберемдвухшлейфный квадратурный мост в микрополосковом исполнении.6.2Проектированиеактивнойчастидискретногофазовращателя.В качестве p-i-n диода для дискретного фазовращателя выбранполупроводниковый СВЧ диод отечественного производства КА528А1834, предназначенный для работы в коммутационных устройствах вдиапазоне длин волн 7 см.

аппаратуры специального назначения.Выбранный диод имеет максимальные характеристики по мощностирассеивания (максимально допустимая непрерывная и импульснаямощности рассеивания не более 50 и 1500 В соответственно). У p-i-nдиода КА528А-4 следующие характеристики:C = 1.8...2.4 пФ;fкр = 200 ГГц;r+ = 0.5 Ом;Qнак = 900 нКл;I0 = 100 мА;Uобр = 100В;Uпроб = 1000В;Ррас.

макс = 50Вт.масса диода не более 0.5 г.P-i-n диод к двухшлейфному мосту будет подключаться так, какпоказано на рис. 6.11:184Рис. 6.11 Подключение p-i-n диода к двухшлейфному мосту.(1 - микрополосковая линия двухшлейфного моста, 2 - земля, 3 кристалл p-i-n диода, 4 - металлические контакты p-i-n диода)Изрис.6.11видно,чтодиодподключаетсямеждумикрополосковой линии двухшлейфного моста (1) и "землей" (2).Диод будет работать в двух режимах. (в открытом и закрытом) Вслучае, когда диод открыт, он будет замещаться сопротивлением (R =0.5 Ом), эквивалентная схема звена фазовращателя для этогосостояния имеет вид, как показано на рис 6.12.

В случае, когда диодзакрыт, он будет замещаться последовательно включенной емкостью(С = 1.8...2.4 пФ) и сопротивлением (R = 0.5 Ом), эквивалентная схема185звена фазовращателя для этого состояния имеет вид, как показано нарис4.6.Рис. 6.11 Эквивалентная схема звена фазовращателя привключении диода в режиме короткого замыкания.Рис. 6.13 Эквивалентная схема звена фазовращателя привключении диода в режиме холостого хода.Дляподачипитаниянаp-i-nдиодподключаетсядополнительный шлейф с контактной площадкой на конце полоска.186Также, для того чтобы развязать цепь питания по высокой частоте всхему звена фазовращателя к цепи питания вносим дроссель. (см.

рис.6.14 для холостого хода и рис. 6.15 для короткого замыкания)Рис. 6.14 Эквивалентная схема звена фазовращателя с выводамидля элемента питания в режиме холостого хода.187Рис. 6.15 Эквивалентная схема звена фазовращателя с выводамидля элемента питания в режиме короткого замыкания.Исходяизрезультатовмоделирования,получаемгеометрические размеры топологии секции фазовращателя на 180о,которые заносятся в программу Ansoft HFSS v 11.1.1. В этойпрограмме задается: материал микрополосковой линии - медь,диэлектрическаяподложка-"Поликор",188портыдля3Dэлектродинамического моделирования секции.

На рис. 6.16 показанатопология секции фазовращателя, где 1 - порт 1, 2 - порт 2, 3 дроссель питания, 4 -медный микрополосок , 5 - диэлектрическаяподложка "Поликор", 6 - подводящая линия питания для p-i-n диодов,7 - место расположения p-i-n диодов.Рис. 6.16 Топология секции фазовращателя. (1 - порт 1, 2 - порт2, 3 - дроссель питания, 4 -медный микрополосок , 5-диэлектрическая подложка "Поликор", 6 - подводящая линия питаниядля p-i-n диодов, 7 - место расположения p-i-n диодов.)189Врезультатемоделированияхарактеристики КСВ и затухания (полученыL  10 lg 1 / S122частотные) с первого на второйпорт. (см. рис 6.17 и 6.18). По рис.

6.17 и 6.18 видно, что значенияКСВ и затухания удовлетворяют заданию.Рис.6.17Частотнаяхарактеристикафазовращателя.190КСВсекцииРис.6.18Частотнаяхарактеристиказатуханиясекциифазовращателя с порта 1 на порт 2.Дискретныйпятиразрядныйфазовращательдолженобеспечивать возможность изменения фазы проходящего сигнала вдиапазоне от 00 до 3600 с дискретом 11.250. Данная функция можетбытьвыполнена,еслифазовращательимеетпятьсекций,осуществляющих изменение фазы сигнала на 1800, 900, 450, 22.50 и11.250.Дляэтого,насхемотехническомуровнетребуетсяпоследовательно подключить 5 двухшлейфных квадратных мостов,отличающихся шлейфами после p-i-n диодов, у которых разнаяэлектрическая длина ΔL.(см.

рис 6.19) С помощью разнойэлектрической длины достигается разность фаз на 1800, 900, 450, 22.50и 11.250 соответственно. Сигнал, пройдя через весь фазовращатель,191получает необходимый фазовый сдвиг. Для получения необходимыхгеометрическихпараметровкаждойсекциифазовращателясмоделируем фазовый сдвиг с помощью программы AWR DesignEnvironment. Для этого, на один график зададим две кривые фаз: однакривая получается в результате моделирования схемы двухшлейфногомоста с p-i-n диодом в режиме холостого хода, другая криваяпоказывает результат моделирования схемы двухшлейфного моста сp-i-n диодом в режиме короткого замыкания .

На рабочей частоте f0 =4.05 ГГц, разность фаз должна быть 1800, 900, 450, 22.50 и 11.250 вкаждой из пяти секций соответственно.Рис. 6.19. Геометрия секции фазовращателя с электрическойдлиной ΔL, определяющей изменение разности фаз.192Для достижения разности фаз в 180о, необходимая длинашлейфа 4.2 мм. Проставив длину шлейфа 4.2 мм в программе AWRDesign Environment видно, что достигнута разность фаз в 180о. (см.рис. 6.20)Рис. 6.20.Частотная характеристика фазы прошедшего черезсекцию фазовращателя сигнала для открытого (1) и закрытого (2)состояния диодов.Для достижения разности фаз в 90о, необходимая длина шлейфа3.6 мм.

Проставив длину шлейфа 3.6 мм в программе AWR DesignEnvironment видно, что достигнута разность фаз в 90о. (см. рис. 6.21)193Рис. 6.21. Частотная характеристика фазы прошедшего черезсекцию фазовращателя сигнала для открытого (1) и закрытого (2)состояния диодов.Для достижения разности фаз в 45о, необходимая длина шлейфа3.0 мм. Проставив длину шлейфа 3.0 мм в программе AWR DesignEnvironment видно, что достигнута разность фаз в 45о. (см. рис.

6.22)194Рис. 6.22. Частотная характеристика фазы прошедшего черезсекцию фазовращателя сигнала для открытого (1) и закрытого (2)состояния диодов.Для достижения разности фаз в 22.5о, необходимая длинашлейфа 2.6 мм. Проставив длину шлейфа 2.6 мм в программе AWRDesign Environment видно, что достигнута разность фаз в 22.5о. (см.рис.