ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОДИФИЦИРОВАННЫХ МИКРОПОЛОСКОВЫХ ШЛЕЙФОВ, ЭКВИВАЛЕНТНЫХ ЧЕТВЕРТЬВОЛНОВЫМ ОТРЕЗКАМ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Радиотехника и связь

DOI 10.36622/^ТО.2022.18.3.006 УДК 621.396.67

ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОДИФИЦИРОВАННЫХ МИКРОПОЛОСКОВЫХ ШЛЕЙФОВ, ЭКВИВАЛЕНТНЫХ ЧЕТВЕРТЬВОЛНОВЫМ ОТРЕЗКАМ

А.В. Останков1, Н.Н. Щетинин2, С.Ю. Дашян3

воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2Воронежский институт ФСИН России, г. Воронеж, Россия ^Университет Лилля, Вильнёв-д'Аск, Франция

Аннотация: классические четвертьволновые отрезки микрополосковых линий передачи на УВЧ характеризуются значительными габаритными размерами. Для их снижения отрезки заменяют модифицированными шлейфами, реализуемыми на основе типовых топологий. Целью работы является сравнение частотных характеристик и их показателей ряда топологий, используемых в модифицированных шлейфах, с одинаковыми волновыми сопротивлениями и подложками при условии работы на одной и той же частоте. С использованием электродинамического моделирования оптимизированы и исследованы частотные свойства микрополосковых модифицированных шлейфов на основе Т- и П-образных секций. Оптимизация заключалась в обеспечении 50-омного волнового сопротивления и минимума коэффициента отражения на рабочей частоте. Указано на особенности формирования Т- и П-образных секций шлейфов с целостными и встречно-штыревыми реализациями вертикальных частей. Приведены размеры оптимизированных модифицированных шлейфов. Представлены и сопоставлены амплитудно- и фазочастотные характеристики сформированных шлейфов. Подтверждено, что требования широкополосности и наибольшей минимизации размеров являются противоречивыми. Установлено, что оптимизированные шлейфы могут обладать длиной, на 23-42 % меньшей по сравнению с четвертьволновым отрезком. При этом относительная полоса пропускания шлейфа сужается до 30-90 %. Полученные результаты свидетельствуют о возможности использования подобных шлейфов для минимизации габаритов ряда микроволновых устройств и позволяют выполнять обоснованный выбор конкретной топологии

Ключевые слова: микрополосковый шлейф, топология, модификация, Т-секция, П-секция, минимизация, полоса пропускания

Благодарности: исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и НЦНИ в рамках научного проекта № 20-51-15001

Введение

Микрополосковые устройства диапазона УВЧ, реализуемые на четвертьволновых отрезках, характеризуются значительными габаритными размерами [1-2]. Возникает необходимость модификации четвертьволновых отрезков в сторону уменьшения их габаритных параметров при сохранении их функциональности. На практике для этих целей используются разнообразные подходы, но весьма часто шлейфы реализуются на основе Т- и П-образных секций [3-4]. Благодаря использованию модифицированных шлейфных структур достигается существенное снижение площади, занимаемой мик-рополосковой топологией, однако полоса рабочих частот микрополоскового устройства при этом значительно уменьшается [1-2]. Сокращение полосы рабочих частот является своеобразной платой за уменьшение габаритных размеров топологии.

© Останков А.В., Щетинин Н.Н., Дашян С.Ю., 2022

В научной литературе крайне мало информации, касаемой сопоставления на одних и тех же частотах для одних и тех же волновых сопротивлений и материалов подложек показателей частотных характеристик микрополоско-вых устройств, шлейфы которых реализованы на основе Т- и П-образных секций.

Цель настоящей работы заключается в сравнительном анализе частотных характеристик типовых топологий шлейфных микропо-лосковых устройств на основе Т- и П-образных секций и их ключевых показателей.

Методы исследования, частота и реализация топологий четвертьволновых шлейфов

Для сравнительного анализа модифицированных микрополосковых шлейфов взята частота 1 ГГц, а в качестве экранированного диэлектрического основания выбрана подложка FR-4 толщиной 1 мм с заявленной диэлектрической проницаемостью 4.37 и тангенсом угла потерь 0.022 [5].

Для исследования отобраны три типовые микрополосковые топологии на основе Т-образных секций: с классической и симметричной секциями, на основе встречно-штыревых конденсаторов, а также П-образная несимметричная топология. Заметим, что применение шлейфов на основе Т- и П-образных секций, эквивалентных четвертьволновым отрезкам, наиболее оправдано в случае, если внутреннее пространство топологии устройства, сформированного шлейфами, не используется, как, например, в шлейфных направленных ответви-телях [4,6]. В связи с этим предполагается, что размер вертикальных частей секций также ограничен из соображений их использования в мостовых топологиях.

Электродинамическое моделирование и параметрическая оптимизация выполнены в ознакомительной версии системы автоматизированного проектирования Advanced Design System [7].

Геометрия каждого из выбранных топологий предварительно просчитывалась на основе известных аналитических и эмпирических соотношений, а затем дополнительно оптимизировалась. Ее размеры подбирались таким образом, чтобы при волновом сопротивлении 50 Ом шлейф характеризовался бы коэффициентом отражения на рабочей частоте не более «минус» 25 дБ.

Габаритные размеры оптимизированных модифицированных шлейфов сопоставлялись с классическим четвертьволновым отрезком, который на частоте 1 ГГц имеет длину 41.5 мм.

Результаты исследования и их обсуждение

На рис. 1 представлена оптимизированная топология шлейфа, эквивалентного четвертьволновому отрезку и реализованного на основе классической Т-образной секции с вертикальной частью в виде целостного отрезка микрополосковой линии.

29,49 мм

Порт 1 ■ Порт 2

5,86 мм

Рис. 1. Оптимизированная топология микрополоскового шлейфа на основе классической Т-образной секции

Результаты электродинамического моделирования свидетельствуют о том, что шлейф на

частоте 1 ГГц обладает волновым сопротивлением 50 Ом и набегом фазы сигнала между портами - «минус» 90° (рис. 2, а). Относительная полоса частот, определяемая по коэффициенту отражения и уровню «минус» 20 дБ, составляет 40 %. На рис. 2, б указанная полоса частот выделена в виде заштрихованного прямоугольника. На центральной частоте 1 ГГц полосы пропускания коэффициент отражения S11 микрополоскового шлейфа равен «минус» 36 дБ (рис. 2, б).

argS2i,°

40 -60 -80 -100 -120 -140 -160

IgSii,

lgS2i, дБ

0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 а f, ГГц

-10-

-20-

-30-

-40-

dB(S(i,i))-dB(S(2,1 ))-

dB(S(1,1))= dB(S(2,1))=

dB(S(1,1))= dB(S(2,1 ))=

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 б £ ГГц

Рис . 2. Частотные характеристики шлейфа на основе классической Т-образной секции: а - волновое сопротивление, фазовый сдвиг; б - коэффициенты отражения и передачи

Таким образом, замена четвертьволнового отрезка шлейфом на основе классической Т-образной секции позволяет уменьшить длину шлейфа на 29 %, полоса пропускания при этом сужается до 40 %.

Сходными характеристиками и показателями обладает шлейфная микрополосковая конфигурация Т-образной формы, симметричная не только в горизонтальной, но и в вертикальной плоскости. Методика расчета геометрии симметричной Т-секции представлена в работе [8], в соответствии с которой рассчитываются требуемые значений емкости и индук-тивностей на центральной частоте, что затем даёт возможность выполнить переход к планар-ному исполнению на основе формул преобразования [9]. Итоговая геометрия устройства корректируются посредством оптимизации в САПР, что позволяет учитывать вклад разного

типа паразитных емкостей, имеющихся в подобных структурах [10].

На рис. 3 показана оптимизированная топология такого шлейфа применительно к минимальному коэффициенту отражения на частоте 1 ГГц и волновому сопротивлению 50 Ом.

30,97 мм

Рис. 4, а демонстрирует полученное на основе моделирования изменение в полосе частот 0.5-1.5 ГГц волнового сопротивления и фазоча-стотной характеристики коэффициента передачи. На частоте 1 ГГц данные величины близки к идеальным значениям. Относительная полоса частот по уровню 20 дБ коэффициента отражения достигает 39 % (рис. 4, б), что сопоставимо с частотными показателями классической топологии на рис. 1. Коэффициент отражения S11 на частоте 1 ГГц также равен «минус» 36 дБ.

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 а Г, ГГц

20^11, 20^21, дБ

-10

-?П

-30

-40

с1В(3(1,1))— dBfSf2.1l)—

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 б Г, ГГц

Рис. 4. Частотные характеристики шлейфа в виде симметричной Т-образной секции

Использование симметричной Т-секции для реализации 50-омного шлейфа позволяет снизить габаритный размер микрополоскового четвертьволнового отрезка на 25 %. При этом полоса пропускания составляет 39 %.

Особенностью шлейфа на основе Т-образной секции с представленной на рис. 5 топологией является реализация вертикальной части с помощью встречно-штыревого конденсатора [11,12].

Рис. 5. Оптимизированная топология микрополоскового шлейфа на основе Т-секции с вертикальной частью в виде встречно-штыревого конденсатора

В [13] описывается методика проектирования встречно-штыревых структур на основе эмпирического выражения, предложенного в [14] и позволяющего рассчитать искомые размеры многосекционной штыревой топологии.

Изменение величины волнового сопротивления по частоте и фазовой характеристики коэффициента передачи оптимизированного шлейфа на основе Т-секции с вертикальной частью в виде встречно-штыревой структуры представлены на рис. 6, а. На рис. 6, б приведены амплитудно-частотные характеристики коэффициентов отражения S11 и передачи S21.

7 Ом

агвв,,,0,

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 а Г, ГГц

0-5 -10-15 -20 -25-30-35

20^11, 20 1е821, дБ

¿8(3(1,1»-dBiSf2.1l)

V/

1гт>2

Ггер=1.135СНг с1В(в{1 1 »=-20.157 е)ВГЭГ2 1 =-0 303

т1

ГгеЧ=838.5МНЬ с1В(8(1,1))=-20.154 с1^211)=-а204

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 б Г ГГц

Рис. 6. Частотные характеристики шлейфа на основе Т-секции с вертикальной частью в виде встречно-штыревой структуры

Полоса рабочих частот шлейфа на основе Т-секции с вертикальной частью в виде встреч-

но-штыревого конденсатора, оцениваемая по уровню коэффициента отражения, равному «минус» 20 дБ, составляет около 30 % (рис. 6, б). Коэффициент отражения Б11 на центральной частоте полосы пропускания 1 ГГц равен «минус» 31.5 дБ.

Оптимизированная Т-образная топология шлейфа с вертикальной частью в виде встречно-штыревой структуры, обладающая относительной полосой пропускания 30 %, обеспечивает меньший на 42 % габаритный размер по сравнению с четвертьволновым отрезком.

На рис. 7. изображена одна из разновидностей шлейфа на основе П-образной секции, оптимизированная для частоты 1 ГГц.

z Ом

aroS, °

Рис. 7. Оптимизированная топология микрополоскового шлейфа на основе П-образной секции с двумя высокоом-ными отрезками

Следует отметить незначительное увеличение габаритных размеров оптимизированного шлейфа по сравнению с топологиями, показанными на рис. 1, 3. Кроме того, в некоторых случаях подобная конфигурация шлейфа может оказаться неприемлемой, так как не позволит использовать внутреннюю площадь, заключенную между четвертьволновыми отрезками мик-рополоскового мостового устройства.

Оптимизированная топология микрополоскового шлейфа на основе П-образной секции с двумя высокоомными отрезками представлена на рис. 8. Заметное расширение полосы рабочих частот по отношению к уже рассмотренным вариантам модифицированных шлейфов обусловлено лучшим согласованием (рис. 8, а). Относительная полоса частот по уровню 20 дБ коэффициента отражения достигает величины 90 % (рис. 8, б). Коэффициент отражения S11 на центральной частоте полосы пропускания 1 ГГц равен «минус» 41.5 дБ.

Применение при реализации шлейфа оптимизированной П-образной топологии с двумя высокоомными отрезками позволяет уменьшить габаритные размеры эквивалентного четвертьволнового отрезка на 23 %, при этом относительная полоса рабочих частот составляет 90 %.

-—140

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 а f, ГГц

20lgSn, 20lgS2i, дБ

1

1

1

; / / / /

1 \ W / г UDV^I. 1 /J dB(S(2,1))- .......

-10-20 -30 -40-500.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 б £ ГГц

Рис. 8. Частотные характеристики шлейфа на основе П-образной секции с двумя высокоомными отрезками

Заключение

Выполнен сравнительный анализ частотных характеристик типовых топологий шлейф-ных микрополосковых устройств на основе Т- и П-образных секций и их ключевых показателей. Подтверждено, что оптимизированные по критерию минимума коэффициента отражения на рабочей частоте топологии на основе Т- и П-об-разных секций позволяют уменьшить длину шлейфов на 23-42 % по сравнению с четвертьволновым отрезком. При этом относительная полоса пропускания модифицированного шлейфа сужается до 30-90 %. Наибольшей полосой частот при сокращении габаритов на 23 % обладает шлейф на основе П-образной секции с двумя высокоомными отрезками. Показано, что подобная топология имеет конструктивные ограничения при реализации мостовых устройств. Наилучшими габаритами характеризуется Т-образная топология шлейфа с вертикальной частью в виде встречно-штыревой структуры (42 %) с относительной полосой пропускания в 30 %.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что рассмотренные шлейфные структуры могут быть использованы для минимизации ряда микроволновых устройств, реализуемых на базе четвертьволновых отрезков.

Литература

1. Методика структурного синтеза шлейфных мостов УВЧ диапазона с уменьшенными габаритными размерами: дис. ... канд. техн. наук: 05.12.07 / Летавин Д.А. Екатеринбург, 2021. 127 с.

2. Микрополосковые направленные ответвители с модифицированной топологией и диаграммообразующие схемы на их основе: диссертация ... канд. техн. наук: 05.12.07 / Щетинин Н.Н. Воронеж, 2019. 154 с.

3. Летавин Д.А. Миниатюрные конструкции микро-полосковых мостовых устройств // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2016. Т. 18. № 2. С. 917-921.

4. Останков А.В., Щетинин Н.Н. Микрополосковые направленные ответвители УВЧ и СВЧ диапазонов // Радиостроение. 2017. № 5. С. 1-37.

5. https://www.rezonit.ru/upload/fr4/base/DE104.pdf (дата обращения: 15.03.2022 г.).

6. Летавин Д.А. Миниатюризация квадратурных шлейфных направленных ответвителей // Журнал радиоэлектроники. 2021. № 2. С. 1-22.

7. ADS 2021 Product Release [Electronic resource] // https://www.keysight.com/ru/ru/products/software/pathwave-design-software/pathwave-advanced-design-system.html (Accessed 10 March 2022).

8. Pozar D.M. Microwave Engineering. New Jersey: Wiley, 2004. 720 с.

9. Фуско В. СВЧ цепи. Анализ и автоматическое проектирование. М.: Радио и связь, 1990. 288 с.

10. Электродинамические модели резонансных гребенчатых структур для анализа и синтеза высокоэффективных дифракционных антенн: диссертация ... д-ра техн. наук / Останков А.В. Воронеж, 2011. 421 с.

11. A new design of a miniature filter on microstrip resonators with an interdigital structure of conductors / B.A. Belyaev, A.M. Serzhantov, YF. Bal'va [et al.] // Technical Physics Letters. 2015. Vol. 41. № 5. P. 504-507.

12. Модификации направленных ответвителей с малоразмерными шлейфами нестандартной конфигурации / А.В. Останков, В.Н. Кострова, Н.Н. Щетинин, К.А. Разин-кин // Радиотехника. 2020. Т. 84. № 6(12). С. 49-57.

13. Останков А.В., Щетинин Н.Н., Дашян С.Ю. Методика проектирования микрополосковых направленных ответвителей на встречно-штыревых структурах // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2020. Т. 16. № 4. С. 70-75.

14. Щетинин Н.Н., Останков А.В., Мельник В.А. Реализация планарного элемента топологии микрополоско-вого устройства по заданной емкости в схеме замещения // Радиолокация, навигация, связь: сб. тр. XXV Междунар. науч.-техн. конф. Воронеж, 2019. С. 50-55.

Поступила 25.04.2022; принята к публикации 15.06.2022 Информация об авторах

Останков Александр Витальевич - д-р техн. наук, доцент, заведующий кафедрой радиотехники, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: avostankov@mail.ru Щетинин Никита Николаевич - канд. техн. наук, старший преподаватель кафедры основ радиотехники и электроники, Воронежский институт ФСИН России (394072, г. Воронеж, ул. Иркутская 1-а), е-mail: nikita.shetinin@mail.ru Дашян Сергей Юрьевич — д-р физ.-мат. наук, профессор, профессор лаборатории им. Поля Пенлеве, Университет Лилля (Bâtiment M2, Cité Scientifique, 59655 Villeneuve-d'Ascq, Франция), е-mail: serguei.dachian@univ-lille1.fr

FREQUENCY CHARACTERISTICS OF MODIFIED MICROSTRIP SUB LINES EQUIVALENT

TO QUARTER-WAVE SEGMENTS

A.V. Ostankov1, N.N. Shchetinin2, S.Yu. Dachian3

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia 2 Voronezh Institute of the Russian Federal Penitentiary Service, Voronezh, Russia 3University of Lille, Villeneuve-d'Ascq, France

Abstract: classical quarter-wave segments of UHF microstrip transmission lines are characterized by considerable overall dimensions. To reduce them, the segments are replaced with modified sub lines implemented on the basis of standard topologies. The aim of the work is to compare the frequency characteristics of a range of topologies used in modified sub lines with the same wave impedances and substrates, provided that they operate at the same frequency. Using electrodynamic modeling, we optimized and studied the frequency properties of modified microstrip stub lines based on T- and П-shaped sections. The optimization was to provide a 50-0hm impedance and a minimum reflection coefficient at the operating frequency. We pointed out the features of the formation of T- and П-shaped sections of sub lines with integral and interdigital realizations of vertical parts. We give the dimensions of the optimized modified sub lines. We present and compare the amplitude and phase-frequency characteristics of the formed sub lines. We confirmed that the requirements of broadband and the greatest minimization of dimensions are contradictory. We established that optimized sub lines can have a length that is 23-42 % less than a quarter-wave segment. In this case, the relative bandwidth of the sub line narrows to 30-90 %. The results obtained indicate the possibility of using these sub lines to minimize the dimensions of a number of microwave devices and allows making a reasonable choice of a specific topology

Key words: microstrip sub line, topology, modification, T-section, П-section, minimization, bandwidth

Acknowledgments: the reported study was funded by RFBR and CNRS, project number 20-51-15001

References

1. Letavin D.A. "Method of structural synthesis of UHF stub bridges with reduced overall dimensions" ("Metodika strukturnogo sinteza shleifnykh mostov UVCh diapazona s umen'shennymi gabaritnymi razmerami"), Cand. of Tech. Sci. diss., 05.12.07, Ekaterinburg, 2021, 127 p.

2. Shchetinin N.N. "Microstrip directional couplers with modified topology and beam-forming circuits based on them" ("Mikropoloskovye napravlennye otvetviteli s modifitsirovannoi topologiei i diagrammoobrazuyushchie skhemy na ikh osnove"): Cand. Tech. of Sci. diss., 05.12.07, Voronezh, 2019, 154 p.

3. Letavin D.A. "Miniature constructions of microstrip couplers", News of Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences (Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiiskoi akademii nauk), 2016, vol. 18, no. 2, pp. 917-921.

4. Ostankov A.V., Shchetinin N.N. "UHF and SHF micro-strip directional couplers", Radio Engineering (Radiostroenie), 2017, no. 5, pp. 1-37.

5. https://www.rezonit.ru/upload/fr4/base/DE104.pdf (data of access: 15.03.2022)

6. Letavin D.A. "Miniaturization of quadrature stub directional couplers", Journal of Radio Electronics (Zhurnal radio-elektroniki), 2021, no. 2, pp. 1-22.

7. "ADS 2021 Product Release", available at: https://www.keysight.com/ru/ru/products/software/pathwave-design-software/pathwave-advanced-design-system.html (date of access: 10.03.2022)

8. Pozar D.M. "Microwave Engineering", New Jersey: Wiley, 2004, 720 p.

9. Fusko V. "Microwave circuits. Analysis and automated design" ("SVCh tsepi. Analiz i avtomaticheskoe proektirovanie"), Moscow: Radio i svyaz', 1990, 288 p.

10. Ostankov A.V. "Electrodynamic models of resonant comb structures for the analysis and synthesis of high-performance dif-fractive antennas" ("Elektrodinamicheskie modeli rezonansnykh grebenchatykh struktur dlya analiza i sinteza vysokoeffektivnykh difraktsionnykh antenn"): Dr. of Tech. Sci. diss., 05.12.07, Voronezh, 2011, 421 p.

11. Belyaev B.A., Serzhantov A.M., Bal'va Y.F. et al. "A new design of a miniature filter on microstrip resonators with an interdigital structure of conductors", Technical Physics Letters, 2015, vol. 41, no 5, pp. 504-507.

12. Ostankov A.V., Kostrova V.N., Shchetinin N.N., Razinkin K.A. "Modifications of directional couplers with small-sized circuits of non-standard configuration", Radio Engineering (Radiotekhnika), 2020, vol. 84, no. 6(12), pp. 49-57.

13. Ostankov A.V., Shchetinin N.N., Dachian S.Yu. "Methodology of designing micro-strip directional couplers on interdigitated structures", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2020, vol. 16, no. 4, pp. 70-75.

14. Shchetinin N.N., Ostankov A.V., Mel'nik V.A. "Planar element implementation of a microstrip topology on spacified capacity in the equivalent circuit", Proc. of the XXV Int. Sci. and Tech. Conf.: Radio Location, Navigation, Communications (Radiolo-katsiya, Navigatsiya, Svyaz'), 2019, pp. 50-55.

Submitted 25.04.2022; revised 15.06.2022 Information about the authors

Aleksandr V. Ostankov, Dr. Sc. (Technical), Associate Professor, Head of the Department of Radio Engineering, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: avostankov@mail.ru

Nikita N. Shchetinin, Cand. Sc. (Technical), Assistant Professor, Voronezh Institute of the Russian Federal Penitentiary Service (1a Irkutskaya str., Voronezh 394072, Russia), e-mail: nikita.shetinin@mail.ru

Sergey Yu. Dachian, Dr. Sc. (Physics and Mathematics), Professor, Paul Painleve Laboratory, University of Lille (Bâtiment M2, Cité Scientifique, 59655 Villeneuve-d'Ascq, France), e-mail: serguei.dachian@univ-lille1.fr