МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ МИКРОПОЛОСКОВЫХ НАПРАВЛЕННЫХ ОТВЕТВИТЕЛЕЙ НА ВСТРЕЧНО-ШТЫРЕВЫХ СТРУКТУРАХ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

DOI 10.25987/VSTU.2020.16.4.009 УДК 621.396.67

МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ МИКРОПОЛОСКОВЫХ НАПРАВЛЕННЫХ ОТВЕТВИТЕЛЕЙ НА ВСТРЕЧНО-ШТЫРЕВЫХ СТРУКТУРАХ

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: представлена авторская методика проектирования двухшлейфного направленного ответвителя на планарных многосекционных встречно-штыревых структурах. Использование встречно-штыревых структур позволяет значительно уменьшить габариты топологии, что особенно актуально для диапазона УВЧ. Начальный этап методики предполагает получение эквивалентной схемы ответвителя на Т- или П-образных секциях с сосредоточенными индуктивными и ёмкостными элементами, включая расчёт их номинальных значений. На этапе перехода от электрической схемы с сосредоточенными элементами к планарной топологии используется оригинальное аналитическое соотношение для определения числа секций встречно-штыревой структуры по величине сосредоточенной ёмкости. Приведена методика получения аналогичных по содержанию аналитических соотношений для любых других, отличных от использованных, геометрических и диэлектрических параметров секции. На заключительной стадии предполагается локальное использование аппарата оптимизации САПР. Сочетание параметрической оптимизации и готовых топологических решений позволяет значительно сократить время на проектирование микрополосковых миниатюрных ответвите-лей. Методика апробирована применительно к проектированию направленного ответвителя с рабочей частотой 0,9 ГГц. При этом площадь синтезированной топологии двухшлейфного ответвителя составила 30 % от площади традиционной топологии при несущественном ухудшении основных показателей

Ключевые слова: направленный ответвитель, встречно-штыревая структура, схема замещения, планарная топология, методика проектирования

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

Введение

Использование в микрополосковых устройствах планарных встречно-штыревых структур позволяет существенно уменьшить габаритные размеры, например, направленных ответвителей, делителей-сумматоров мощности, кроссоверов, фильтров и т. д. Как правило, подобные микроволновые устройства классически формируются с помощью шлейфов строго определённой электрической длины, что приводит к значительным размерным характеристикам, особенно в диапазоне УВЧ [1].

Один из методов синтеза двухшлейфного направленного ответвителя предполагает переход от предварительно составленной электрической схемы замещения на сосредоточенных элементах к планарной топологии, эквивалентной по электрическим характеристикам.

В работе [2] предложена эквивалентная электрическая схема замещения двухшлейфно-го направленного ответвителя, в которой четвертьволновые отрезки микрополосковых линий реализованы в виде Т- и П-образных струк-

тур с сосредоточенными индуктивными и ёмкостными элементами.

Целью работы является создание методики проектирования микрополосковых двухшлейф-ных ответвителей на встречно-штыревых структурах, основанной на переходе от схемы замещения на сосредоточенных элементах к планарной топологии.

Методы и результаты

На рис. 1 показан описанный в [2] симметричный реактивный направленный восьмиполюсник на основе Т-образных секций с индуктивными и ёмкостными элементами, представляющий собой эквивалентную электрическую схему замещения двухшлейфного направленного ответвителя.

Для обеспечения равного деления входной мощности относительно каждого порта необходимо чтобы секции, содержащие элементы Ll, С и L2, С2, обладали бы на рабочей частоте эквивалентными сопротивлениями 35 Ом и 50 Ом соответственно и электрической длиной, равной 0 = 90°.

© Останков А.В., Щетинин Н.Н., Дашян С.Ю., 2020

4 и 3 направленного ответвителя, составляет «минус» 90°.

Рис. 1. Схема замещения двухшлейфного направленного ответвителя на основе Т-образных секций

Для достижения указанных характеристических импедансов 20 и электрической длины 0 необходимо наличие в Т-образном шлейфе двух индуктивностей величиной [3] го-18(е/2)

L =

где f - рабочая частота, и ёмкости -

sin(е)

С =

2п-£-20

(1)

(2)

В таблице ниже приведены номинальные значения сосредоточенных реактивных элементов в составе Т-образных секций ответвителя со схемой замещения на рис. 1, рассчитанные на основе приведённых формул применительно к рабочей частоте 0,9 ГГц.

Номинальные значения сосредоточенных элементов Т-образных секций для f = 0,9 ГГц

L1, нГн Сь пФ и нГн С2, пФ

6,192 5,055 8,846 3,539

Частотные характеристики двухшлейфного ответвителя, реализованного по схеме с сосредоточенными элементами на рис. 1, получены методом синфазно-противофазного возбуждения [4-6] и представлены на рис. 2. При расчёте частотных характеристик в качестве входа использован первый порт.

Из рис. 2, в частности, следует, что на частоте 0,9 ГГц направленный ответвитель со схемой на рис. 1 характеризуется расчётными значениями коэффициента отражения Sll и развязки S2l, равными «минус» 39 дБ. Величина переходного ослабления S41 ответвителя и его рабочее затухание S31 отличаются не более чем на 0,1 дБ от требуемого уровня ослабления, характерного для трехдецибельного ответвителя. Разность фаз сигналов, наблюдаемых на портах

-85 -86 -87 -88 -89 -90 -91

л н о о

я

«

См

0,8 0,85 0,9 0,95 1 Частота, ГГц

Рис. 2. Частотные характеристики направленного ответвителя со схемой на рис. 1 и элементами из приведённой таблицы

Важнейшим этапом предлагаемой методики является переход от уже найденных номинальных значений сосредоточенных L- и С-эле-ментов к их эквивалентным микрополосковым структурам.

Будем полагать, что для реализации распределенной ёмкости используется микропо-лосковая встречно-штыревая структура, элементарная секция которой, состоящая из пары штырей, связанных по полю, показана на рис. 3.

Рис. 3. Элементарная секция многосекционного встречно-штыревого конденсатора

Пусть толщина h и относительная диэлектрическая проницаемость в материала подложки встречно-штыревого конденсатора заданы и соответственно равны: в = 3,38, h = 0,508 мм. Длина штырей структуры и величина зазора между штырями также известны и составляют: L = 5 мм, W = 0,2 мм, G = 0,2 мм. Заметим, что выбор значений указанных размеров обусловлен прогнозируемыми оценками габаритных размеров направленного ответвителя для частоты 0,9 ГГц.

Необходимая ёмкость встречно-штыревого конденсатора может быть реализована путём многократного наращивания числа элементарных секций в его составе.

В работе [7] для приведённых выше геометро-электрических параметров элементарной секции конденсатора получено относительно

простое аналитическое выражение, позволяющее рассчитать количество секций встречно-штыревой структуры, необходимое для реализации требуемой ёмкости С (в пФ):

_ ^- 1,1-f- 59,6 + 103-С

П _ 4,2 - ^ - 2,1-f+208 , (3)

где f - рабочая частота (в ГГц). Аналогичная по содержанию формула может быть получена для любых других геометрических и диэлектрических параметров секции. Для этого достаточно заполнить на основе результатов электромагнитного моделирования планарного элемента в доступной САПР двухмерный массив реализуемых величин ёмкости при разных значениях числа секций и частоты и интерполировать полученную зависимость С(п) линейной функцией.

Согласно (3), для реализации сосредоточенных ёмкостей в 3,539 и 5,055 пФ следует у встречно-штыревых структур иметь количество секций, равное 17 и 24 соответственно. Топологии таких структур показаны на рис. 4.

ния в 5,055 пФ. Заметим, что наличие погрешности связано с определенными ограничениями формулы (3), описанными в [7]. В свою очередь, величина ёмкости 17-секционной топологии при f = 0,9 ГГц равна 3,431 пФ, что меньше заявленного значения 3,539 пФ на 3,1 %.

«

о я я о

и о

X

4

(N

W

4,798

4,796

4,794

© 4,792

4,79

рт 4,788

и 4,786

О 4,784

4,782

4,78

4,778

-24 секции —♦— 17 секций

—

__

—

3,41

3,408 « о я я

3,406 о я я ^ © с

3,404 о

3,402 ? ^ и

3,4 е о о и £ о

3,398 ^

3,396

0,8 0,85 0,9 0,95 1 Частота, ГГц

Рис. 5. Частотные зависимости ёмкости планарных встречно-штыревых структур на рис. 4

ä

13,4 мм

а

1

^ |

I I И И И И И И И И И И II

_19 мм_

б

Рис. 4. Микрополосковые встречно-штыревые структуры с распределенной ёмкостью 3,539 (а) и 5,055 пФ (б)

На рис. 5 представлены частотные зависимости встречно-штыревых структур с топологиями на рис. 4, полученные с помощью строгого электромагнитного моделирования методом моментов в САПР ADS [8]. Подложка смоделированной топологии реализована на основе фольгированного диэлектрического материала серии Rogers 4003C толщиной 0,508 мм с указанной выше диэлектрической проницаемостью и tg5 = 0,0027 [9].

Из рис. 5 следует, что на рабочей частоте 0,9 ГГц величина распределенной ёмкости 24-секционной топологии составляет 4,788 пФ, то есть на 5,3 % меньше предполагаемого значе-

Для рационального использования площади диэлектрической подложки разумно выполнить реконфигурацию топологий синтезированных встречно-штыревых структур, которая заключается в усечении (в плоскости порта) секционной группы пополам с одновременным увеличением длины штырей. Топология преобразованных структур показана на рис. 6.

i

т 11111

а

Рис. 6. Реконфигурированные встречно-штыревые структуры с распределенной емкостью 3,431 (а) и 4,788 пФ (б)

Заметим, что предлагаемое преобразование сопровождается незначительным снижением ёмкости, что следует из рис. 7, где показаны результаты электромагнитного моделирования структур, изображенных на рис. 6. Очевидно, что выявленное уменьшение ёмкости может

9.4 мм

б

быть эффективно скорректировано за счёт увеличения длины штырей секций.

4,57

4,56

8 4,55 с

й 4,54 л

£ 4,53

л

& 4,52 4,51 4,5

1 1 ♦ 12 секций

- 9 секций

3,46 3,45 3,44 3,43 3,42 3,41 3,4

е

0,8 0,85 0,9 0,95 Частота, ГГц

Рис. 7. Частотные зависимости ёмкости планарных встречно-штыревых структур на рис. 6

После того как определены конечные конфигурации встречно-штыревых структур, следует рассчитать оптимальные геометрические параметры высокоомных шлейфов, которые соединяют плечи ответвителя. Наиболее целесообразно осуществить это с использованием возможностей параметрической оптимизации в САПР. На рис. 8 показаны конечные топологии шлейфов направленного ответвителя.

0,27 мм

Порт I

25 мм

Порт 1

Порт 2

б

У Порт г а

Рис. 8. Топологии шлейфов с характеристическим импедансом 50 (а) и 35 Ом (б)

В качестве целевых функций при оптимизации на рабочей частоте (Г = 0,9 ГГц) разумно использовать: минимум величины коэффициента отражения (например, «минус» 40 дБ), минимум отклонения разности фаз между рабочим и вспомогательным выходами от «минус»

90°, наибольшее соответствие эквивалентного сопротивления структур величинам 50 и 35 Ом.

На рис. 9 показана микрополосковая топология разработанного трехдецибельного малогабаритного направленного ответвителя.

Рис. 9. Топология направленного ответвителя на встречно-штыревых структурах

Топология ответвителя реализована на основе ёмкостных встречно-штыревых структур и является результатом сдвоенного совмещения планарных топологий, показанных на рис. 8. Габаритные размеры синтезированной топологии двухшлейфного направленного ответвителя составляют 30*25 мм2, что на 70 % меньше площади традиционной топологии.

Результаты электромагнитного моделирования методом моментов разработанного направленного ответвителя на встречно-штыревых структурах представлены на рис. 10.

-85 -86 -87

со М

<3 о

Л щ

& I

о я

§ °

-90

0,8 0,85 0,9 0,95 1

Частота, ГГц

Рис. 10. Характеристики спроектированного направленного ответвителя на встречно-штыревых структурах, полученные на основе моделирования

Незначительное отклонение от центральной частоты 0,9 ГГц минимума коэффициента

1

отражения S11 и развязки S21 обусловлено взаимным влиянием близко расположенных встречно-штыревых структур шлейфов с характеристическим импедансом 50 и 35 Ом и является следствием миниатюризации. На центральной частоте 0,9 ГГц параметры S11 и S21 составляют около «минус» 30 дБ. В частотной полосе 0,85-0,95 ГГц величина переходного S41 и рабочего S31 ослаблений отличается не более чем на 0,6 дБ от уровня 3 дБ. Разность фаз выходных сигналов, наблюдаемых на 4-м и 3-м портах в полосе частот 0,85-0,95 ГГц, отличается от «минус» 90° менее чем на 1,8°.

Заключение

Разработана оригинальная методика проектирования микрополоскового двухшлейфного направленного ответвителя на встречно-штыревых структурах. Методика основана на переходе от электрической схемы замещения ответ-вителя с сосредоточенными элементами к пла-нарным топологиям. Переход предполагает использование аналитических соотношений, связывающих размерные характеристики топологий с электрическими параметрами, а также локальное применение аппарата параметрической оптимизации САПР на конечной стадии проектирования. Такой подход позволяет существенно сократить машинно-временные затраты на разработку миниатюрных эффективных ответ-вителей, так как не требует значительного ко-

личества итераций при оптимизации встречно-штыревых структур.

Литература

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

2. Bahl I.J. Lumped Element for RF and Microwave Circuits. Artech House, 2003. 488 с.

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

4. Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М.: Связь, 1971. 388 с.

5. Щетинин Н.Н., Останков А.В., Воробьева Е.И. Математическая модель для проектирования микрополос-кового направленного ответвителя на квазисосредоточенных элементах // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2014. Т. 10. № 3.1. С. 66-70.

6. Калинин Ю.Е., Останков А.В., Щетинин Н.Н. Микрополосковый двухшлейфный направленный ответ-витель со специальными характеристиками // Радиотехника. 2016. № 6. С. 44-49.

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

8. ADS 2011 Product Release [Electronic resource]. Available at: URL: http://www.keysight.com/ru/pd-1835794/ads2011 (Accessed 10 January 2020).

9. Investigation of electrical parameters of corundum-based material in X-band / D.S. Klygach, M.G. Vakhitov, D.A. Zherebtsov, O.A. Kudryavtsev, N.S. Knyazev, A.I. Mal-kin // Journal of materials science: Materials in electronics. 2017. Vol. 28. No 18. P. 13621-13625.

Поступила 06.05.2020; принята к публикации 19.08.2020 Информация об авторах

Останков Александр Витальевич — д-р техн. наук, доцент, профессор кафедры радиотехники, Воронежский государственный технический университет (394026, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: avostankov@mail.ru Щетинин Никита Николаевич — 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, Корпус M2, Научный городок, 59655 Вильнёв-д'Аск, Франция), е-mail: serguei.dachian@univ-lille1.fr

METHODOLOGY OF DESIGNING MICRO-STRIP DIRECTIONAL COUPLERS ON INTERDIGITATED STRUCTURES

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

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

Abstract: the article presents the author's methodology for designing a two-loop directional coupler on planar multisection interdigital structures. The use of interdigitated structures allows significantly reducing the dimensions of the topology, which is especially important for the UHF range. The initial stage of the methodology involves obtaining an equivalent coupler circuit in T- or U-shaped sections with concentrated inductive and capacitive elements, including the calculation of their nominal values. At the stage of transition from an electric circuit with lumped elements to a planar topology, the original analytical relation is used to determine the number of sections of the interdigital structure by the value of the lumped capacity. There is a

technique for obtaining analytical relations of a similar content for any other, different from the used, geometric and dielectric parameters of the section. At the final stage, local use of the CAD optimization apparatus is assumed. The combination of parametric optimization and ready-made topological solutions can significantly reduce the time for designing microstrip miniature couplers. The technique was tested in relation to the design of a directional coupler with an operating frequency of 0.9 GHz. Whereas the area of the synthesized topology of the double-loop coupler is 30% of the area of the traditional topology with a slight deterioration of the main indicators

Key words: directional coupler, interdigital structure, equivalent circuit, planar topology, designing methodology

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

References

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

2. Bahl I.J. "Lumped element for RF and microwave circuits", Artech House, 2003, 488 p.

3. Pozar D.M. "Microwave engineering", New Jersey, Wiley, 2004, 720 p.

4. Feldshtejn A.L., Yavich L.R. "Synthesis of four-pole and eight-pole microwave devices" ("Sintez chetyrekhpolyusnikov i vosmipolyusnikov na SVCH"), Moscow, Svyaz, 1971, 388 p.

5. Shchetinin N.N., Ostankov A.V., Vorobjeva E.I. "Mathematical model for the microstrip directional coupler on a quasi-lumped element", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo uni-versiteta), 2014, vol. 10, no. 3-1, pp. 66-70.

6. Kalinin Yu.E, Ostankov A.V., Shchetinin N.N. "Microstrip two-loop directional coupler with special characteristics", Radio engineering (Radiotekhnika), 2016, no. 6, pp. 44-49.

7. Shchetinin N.N., Ostankov A.V., Mel'nik V.A. "Planar element implementation of a microstrip topology on spacified capacity in the equivalent circuit", Radiolocation, Navigation, Communications (RLNC*2019), 25th International Scientific and Technical Conference (Radiolokatsiya, navigatsiya, svyaz': sb. trXXV Mezhdunar.nauch.-tekhn. konf.),2019, pp. 50-55.

8. ADS 2011 Product Release, available at: http://www.keysight.com/ru/pd-1835794/ads2011 (date of access: 10 January 2020).

9. Klygach D.S., Vakhitov M.G., Zherebtsov D.A., Kudryavtsev O.A., Knyazev N.S., Malkin A.I. "Investigation of electrical parameters of corundum-based material in X-band", Journal of materials science: Materials in electronics, 2017, vol. 28, no. 18, pp. 13621-13625.

Submitted 06.05.2020; revised 19.08.2020 Information about the authors

Aleksandr V. Ostankov, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: avostankov@mail.ru

Nikita N. Shchetinin, Lecturer, 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