Устройства на полосковых линиях передачи
Лекция 10. Устройства на полосковых линиях передачи
1. Использование отрезков ЛП СВЧ в качестве реактивных элементов
Поскольку конструирование полосковых фильтров построено на использовании коротких и резонансных отрезков полосковых линий передачи, то вначале необходимо кратко рассмотреть теоретические основы использования отрезков ЛП как реактивных элементов СВЧ тракта.
Как уже упоминалось ранее, СВЧ ЛП характеризуются величиной погонной емкости и индуктивности (С0, L0). Величины этих (реактивностей) зависят от соотношения размеров ЛП. На их использовании построена возможность создания реактивных элементов СВЧ в виде отрезков ЛП. Отрезок линии передачи может быть представлен Т- или П-образным звеном с последовательными и параллельными плечами в виде постоянных индуктивностей и емкостей, равных погонной индуктивности и емкости линии (рис. 2.2).
Если принять во внимание, что в линии передачи отсутствует рассеяние энергии или оно очень мало (сопротивление линии и активная составляющая проводимости малы), то короткий отрезок линии передачи с высоким волновым сопротивлением (в случае полосковой линии – короткий полосок малой ширины) можно представить последовательной индуктивностью, так как шунтирующие емкости малы и ими можно пренебречь при расчете последовательной индуктивности. Короткий же отрезок линии передачи с малым волновым сопротивлением (в случае полосковой линии – короткий полосок большой ширины) является, по существу, емкостью, так как индуктивность его мала и ею можно пренебречь.
В качестве реактивных элементов можно использовать также длинные отрезки линии передачи.
При характерном для свч условии, что в линии передачи отсутствует рассеяние энергии или оно очень мало (первичные параметры R и G равны или близки к нулю), волновые параметры такой линии передачи будут иметь вид:
Рекомендуемые материалы
Таким образом мы получаем, что:
1) короткий отрезок ЛП с большим волновым сопротивлением эквивалентен индуктивности;
2) короткий отрезок ЛП с малым волновым сопротивлением эквивалентен емкости;
3) короткозамкнутый отрезок ЛП длиной λ/4 или разомкнутый длиной λ/2 эквивалентны параллельному колебательному контуру;
4) короткозамкнутый отрезок ЛП длиной λ/2 или разомкнутый длиной λ/4 эквивалентны последовательному колебательному контуру. 5) короткозамкнутый отрезок ЛП длиной λ/4 < l < λ/2 эквивалентен емкости;
6) разомкнутый отрезок ЛП длиной λ/4 < l < λ/2 эквивалентен индуктивности. Последние два вида коротких отрезков называются четверть- или полуволновыми объемными резонаторами. Ниже представлена схема эквивалентов коротких отрезков СВЧ ЛП и сосредоточенных реактивных элементов (контуров)
2. Полосковые фильтры (ФНЧ, ФВЧ, ППФ, ПЗФ)
При построении фильтров на основе полосковых ЛП могут использоваться как рассмотренные в предыдущем параграфе короткие отрезки ЛП, так и другие конструктивные элементы, реализация которых возможна благодаря конструктивным возможностям полосковых ЛП. Наиболее распространенные конструкции реактивных элементов полосковых линий, используемых при конструировании фильтров СВЧ, и их эквивалентные схемы, показаны на рис. 4.1
Последовательная емкость образуется обычно за счет разрыва полоскового волновода. Когда требуемая величина емкости велика, то размеры зазора получаются очень малыми. Это неудобно для практического выполнения схемы. В этом случае емкость может быть выполнена в виде «ласточкина хвоста»
Большие значения емкости могут быть также получены путем включения в разрыв полоска конденсатора, образованного двумя короткими перекрывающимися отрезками полоска, разделенными слоем диэлектрика.
Согласно выводам, полученным в предыдущем параграфе, в качестве емкостей и индуктивностей, а также контуров LC могут быть использованы резонансные отрезки линии передачи, кратные λ/4 или λ/2. Их реализация на полосковых линиях показана на рис. 4.1 б, в, г. При этом на рис. 4.1. б и в показаны также варианты реализации параллельного конденсатора и последовательной емкости в виде коротких отрезков полоскового проводника большой ширины (малое волновое сопротивление –емкость) и малой ширины (большое волновое сопротивление – катушка)
Далее перейдем к рассмотрению конструкций фильтров, построенных на коротких отрезках полосковых ЛП или полосковых объемных резонаторах.
Пример построения ФНЧ (типовая схема показана на рис. 4.2 а) на С и L в виде щироких и узких коротких отрезков полоскового волновода показан на рис. 4.2 б.
Примеры конструкций полоскового ФВЧ фильтра (типовая эл. схема – рис. 4.3 а) показан на рис. 4.3 б, в. В ней последовательные емкости выполнены разрывами полоски, но также могут быть выполнены любым из способов, показанных на рис. 4.1 а. Параллельные индуктивности могут быть выполнены в виде короткозамкнутого или разомкнутого отрезка ЛП (согласно рис. 4.1 г).
Из теории обработки сигналов известно, что расчет частотной характеристики ППФ осуществляется посредством замены частотной переменной в частотной характеристике ФНЧ. При этом, после замены частотной переменной любая индуктивность L в прототипе ФНЧ с единичной граничной частотой превращается в последовательный колебательный контур с элементами L′ = L/2Δω и C′ = 2Δω/ω2L. Одновременно любая емкость в прототипе ФНЧ превращается в параллельный колебательный контур с элементами C′′ = С/2Δω и L′′ = 2Δω/ω2С/ Данное преобразование показано на рис. 4.4 а, б.
Следует отметить, что подобная структура полосового фильтра позволяет использовать его и в качестве ППФ, и в качестве ПЗФ, добиваясь необходимой частотной характеристики путем подбора величин С′, L′, C′′, L′′. Это обусловлено тем, что представленная на рис. 4.4 б структура объединяет в себе простейший ППФ (последовательный колебательный контур) (рис. 4.4 в) и простейший ПЗФ (параллельный колебательный контур) (рис. 4.4 г).
Рис. 4.4 а – типовая схема ФНЧ; б – прототип ППФ (ПЗФ), полученный преобразованием прототипа ФНЧ; в – схема простейшего ППФ; г – схема простейшего ПЗФ.
Однако в полученном лестничном прототипе ППФ с чередованием последовательных и параллельных резонансных контуров все резонансные контуры должны вплотную примыкать один к другому, что создает неудобства при реализации фильтра на СВЧ ЛП. Этот недостаток можно преодолеть с переходом к новому прототипу с четвертьволновыми связями, в котором резонансные контуры включаются в линию на расстоянии λ/4 один от другого. Справедливость этого перехода доказывается в технической электродинамике путем обоснования эквивалентности четырехполюсников, соответствующих исходному и конечному вариантам связей.
При построении ППФ с четвертьволновыми связями все последовательные LC-контуры прототипа (рис. 4.5 а) заменяют полуволновыми отрезками линии передачи, шунтированными в серединах параллельными LC-контурами (рис. 4.5. б). Полная эквивалентность имеет место лишь на fср, когда длины отрезков линий связи точно равны λ/4. Степень эквивалентности остается приемлемой в неширокой полосе частот: 2Δω/ω≤(5…7%). Для фильтров с более широкой полосой частот необходимо вводить коррекцию.
Для уменьшения размеров ППФ (ПЗФ) на 25-40% при 2Δω/ω=1…10% четвертьволновые связи заменяют непосредственными. Справедливость данной замены также доказывается в технической электродинамики. При этом для настройки фильтров в каждый резонатор вводится регулировочная емкость (рис. 4.5 в).
Рис. 4.5 а – прототипный ППФ, б – ППФ с четвертьволновыми связями, в – ППФ с непосредственными связями
Варианты конструкций ППФ с четвертьволновыми связями на полосковых линиях представлены на рис. 4.6 а, б.
Рис. 4.6. Полосковые шлейфовые ППФ с четвертьволновыми связями: а – с полуволновыми резонаторами, б – с четвертьволновыми резонаторами.
Примером простейшего ППФ с непосредственностью связью на полосковых линиях является ППФ на полуволновых резонаторах, которые имеют непосредственную связь емкостного характера, осуществляемую через торцевые емкости (рис. 4.7 а). Ввиду технологических ограничений на величину торцевых зазоров диапазон реализуемых полос пропускания таких фильтров 2Δω/ω0 < 20%. В более компактной конструкции ППФ с непосредственными связями для связи используется не торец, а вся боковая поверхность. Такие ППФ называются фильтрами на параллельно связанных резонаторах (рис. 4.7 б). В СПЛ 2Δω/ω0 = 3…30%, в МПЛ 2Δω/ω0 = 5…20%.
Дальнейшее улучшение конструкции ППФ с непосредственными связями приводит к так называемому фильтру на встречных стержнях (рис. 4.7 в). Он содержит четвертьволновые резонаторы, в которых чередуются плоскости короткого замыкания.
Рис. 4.7 Полосковые шлейфовые ППФ с непосредственными связями: а – на полуволновых резонаторах с торцевой емкостной связью, б – на параллельно связанных полуволновых резонаторах, в – на встречных стержнях (четвертьволновых короткозамкнутых резонаторах)
3. Полосковые направленные ответвители (НО) (с электромагнитной связью, шлейфный, с емкостной связью)
Классификация полосковых направленных ответвителей
1. По виду связи между основным и дополнительным каналом: а) с распределенной электромагнитной связью; б) со связью шлейфного тина; в) с емкостной связью.
2. По степени связи: а) с сильной связью (связь меньше 10 дБ); б) со слабой связью (связь больше 10 дБ).
3. По типу используемых полосковых линий: симметричные и несимметричные.
4. По виду диэлектрика, используемого в полосковой линии, различают направленные ответвители с воздушным и твердым заполнителем, а также микрополосковые направленные ответвители, изготовленные методами СВЧ печати на подложке с большим значением ε.
Описание основных параметров работы направленных ответвителей проведем на примере двухшлейфного ответвителя (рис. 1). Предположим, что на вход 1 основного полоскового волновода подается электромагнитная волна мощностью P1. Тогда на выход 2 основного волновода придет мощность Р2, на выход 3 – мощность Р3, складывающаяся из мощностей частей э.-м. волны, прошедших через первый и второй шлейфы и пришедших на выход 3 синфазно; на выход 4 – мощность Р4, складывающаяся из мощностей частей э.-м. волны, прошедших через первый и второй шлейфы и пришедших на выход 4 противофазно. Отношения мощностей на входе и выходах ответвителя определяют следующие его параметры:
Lпер = 10lg(P1/P3) [дБ] – переходное ослабление или коэффициент связи;
Lнапр = 10lg(P3/P4) [дБ] – коэффициент направленности.
Полосковые направленные ответвители с распределенной электромагнитной связью (рис. 1) представляют собой параллельно расположенные и электромагнитно связанные полосковые волноводы с волной типа ТЕМ. Ответвленная в дополнительный полосковый волновод мощность распространяется в направлении, обратном направлению распространения ее в основном волноводе. Такие ответвители носят название “противонаправленных”. В зависимости от электрической длины участка связи направленные ответвители могут быть однозвенными (одноступенчатыми) (рис. 2,а) и многозвенными (многоступенчатыми) (рис. 2,б).
Рисунок 2. Направленные ответвители с электромагнитной связью: а – однозвенный, б – многозвенный.
Многозвенные ответвители позволяют увеличить коэффициент связи и широкополосность системы.
Частотная характеристика переходного ослабления однозвенного ответвителя имеет форму косинусоиды, в то время как характеристика многозвенных ответвителей может быть сделана максимально плоской или чебышевской (с равным отклонением от среднего значения). С ростом переходного ослабления при фиксированных значениях его погрешности (ΔLпер) рабочая полоса ответвителя сужается.
Величина направленности теоретически идеальна (бесконечна) в неограниченной полосе частот. Напряжения в выходных плечах 2 и 4 направленного ответвителя не зависят от частоты и имеют постоянный фазовый сдвиг, равный л/2.
Наибольшее распространение среди направленных ответвителей со слабой электромагнитной связью получили ответвители с боковой связью (рис. 3,а), выполняемые СВЧ методами печати на СПЛ и НПЛ. Среди разновидностей направленных ответвителей со слабой связью также следует отметить ответвители с диафрагмой между параллельно расположенными полосковыми волноводами (рис. 3.б, в). При этом связь между волноводами может быть лицевой (по широким сторонам) (рис. 3 б) или боковой (рис. 3 в). Величина связи такой конфигурации может регулироваться путем изменения величины зазора в диафрагме.
Рисунок 3 Поперечное сечение полосковых направленных ответвителей со слабой электромагнитной связью: а - с боковой связью на СПЛ; б - со связью через диафрагму на СПЛ; в - со связью через диафрагму на НПЛ с твердым диэлектриком.
К направленным ответвителям с сильной связью (малым переходным ослаблением) относятся ответвители с лицевой связью без диафрагмы. При этом связанные полосковые волноводы располагаются либо параллельно, либо перпендикулярно заземленным пластинам. Поскольку каждый полосковый волновод расположен несимметрично относительно внешних заземленных пластин, то в подобных направленных ответвителях возможно возникновение различных видов колебаний. Однако путем полной экранировки ответвителя либо введением дополнительной уравновешивающей полоски паразитные виды колебаний можно исключить практически полностью.
Следует заметить, что направленные ответвители с сильной связью можно создать также с использованием боковой связи при малом зазоре и увеличенной толщине полосковых волноводов (рис. 3,а). При этом толщина полосков должна быть выбрана такой, чтобы зазор между ними при заданной величине связи был технологически выполнимым.
Ответвители шлейфного типа состоят из двух параллельных передающих полосковых волноводов, связанных рядом параллельных шлейфов (рис. 4). Шлейфы – это отрезки каких-либо ЛП (волноводных, коаксиальных или полосковых).
Рисунок 4. Схема n-шлейфного направленного ответвителя
Длина шлейфов и расстояние между ними должны быть равны равны λ/4; 3λ/4; 5λ/4…, где λ – длина волны в полосковом волноводе на средней частоте. Ответвленная в дополнительный канал мощность распространяется в нем в том же направлении, что и в основном полосковом волноводе. При этом фазовый сдвиг напряжений в выходных плечах 2 и 3 ответвителя составляет 90°.
Наименьшее число шлейфов, при котором происходит направленное ответвление мощности, равно двум. В зависимости от числа шлейфов этот тип направленных ответвителей подразделяется на двух-, трех- и, в общем случае, n-шлейфные ответвители. С ростом числа шлейфов их частотные характеристики улучшаются. Однако при числе шлейфов более трёх их волновые сопротивления становятся настолько большими, что практически не могут быть реализованы в печатном исполнении. В связи с этим в ИС СВЧ наибольшее распространение получили двух- и трёхшлейфные НО.
Шлейфные направленные ответвители применяются, как правило, для получения сильной связи при использовании НПЛ и СПЛ, поскольку обеспечение слабой связи с помощью шлейфов сопряжено с конструктивными и технологическими трудностями выполнения весьма малого поперечного сечения шлейфов.
Направленные ответвители с емкостной связью выполняются на основе СПЛ на частотах ниже 4 ГГц (рис. 6 а). В них связанные полосковые волноводы расположены в разных горизонтальных плоскостях, то есть их разделяет слой диэлектрика определнной толщины, за счет чего и возникает емкостность связи. Нежелательная индуктивная связь выводов отрезков полосковых волноводов ослабляется из-за перпендикулярного расположения полосковых волноводов в местах их связи (скрещивания). Расстояние в горизонтальной плоскости между точками связи равно четверти длины волны в полосковом волноводе. С увеличением числа последовательно включенных ответвителей (рис. 6 б) направленность возрастает. Связь в таких направленных ответвителях выбирается достаточно сильной, поскольку ограничивающим фактором выбора более слабой связи является пропорциональное уменьшение направленности.
Рисунок 6. Схемы односекционного (а)
и двухсекционного (б) ответвителей с емкостной связью.
4. Прогрессивный делитель
5. Гибридное кольцо
Лекция "9 - Степи и пустыни" также может быть Вам полезна.
6. Кольцевой делитель
