CC BY
29
РАДЮЕЛЕКТРОН1КА ТА ТЕЛЕКОМУН1КАЦЛ
УДК 621.396.67
О.Ю. Фарафонов, С.О. Самокв1т, О.Ю. Воропай
ПРОЕКТУВАННЯ М1КР0СМУЖК0ВИХ НАПРАВЛЕНИХ В1ДГАЛУЖУВАЧ1В 3 ОПТИМАЛЬНИМИ ДОПУСКАМИ
Проведено дослгдження впливу допускгв елементгв кон-струкцИ на параметри направлених в1дгалужувач1в: на зв'язаних лгнгях, шлейфного та Ланге. Використовуються гнтервальнг моделг. Визначенг найбгльш критичнг за точ-тстю конструктивш елементи. Це дозволило надати реко-мендацИ по вибору мгкросмужкових направлених вгдга-лужувачгв.
теристику - коеф!ц!ент зв'язку з урахуванням нел!н!й-них властивостей вих!дних функц!й НВ. При синтез! забезпечуеться максимальний об'ем простору допуск!в.
ОБЧИСЛЕННЯ НАПРАВЛЕНИХ В1ДГАЛУЖУВАЧ1В
ВСТУП
Широке поширення у надвисокочастотному д!апазон! набули направлен! в!дгалужувач! (НВ), як! використовуються для побудови смужкових под!льник!в потуж-ност!, зм!шувач!в, модулятор!в, дискрим!натор!в, сума-тор!в потужност! та !нших пристро'1'в. Характеристики таких пристро'в у значн!й м!р! обумовлюються параметрами НВ. Основними характеристиками НВ е: пере-х!дне послаблення, напрямлен!сть, узгодження плеч в!д-галужувача з п!дведеними л!н!ями, фазов! сп!вв!дно-шення для хвиль напруг в вих!дних плечах, робоче загасання в перв!сно! л!н!1. Кр!м цих параметр!в, в техн!чному завданн! на НВ зазвичай вказуються: нер!в-ном!рн!сть характеристики перех!дного послаблення ! широкосмугов!сть.
В залежност! в!д чисельного значення перех!дного по-слаблення в!дгалужувач! под!ляються на пристро! з силь-ним зв'язком (С < 10 дБ) та слабким (С > 10 дБ) [1-3]. Кр!м того, НВ також класиф!куються в залежност! в!д ширини робочо! смуги частот [3, 4]. При проектуванн! НВ необх!дно проводити виб!р конструкц!!' НВ в!дпо-в!дно до вимог по конструктивному виконанню, тобто враховуючи габаритн! розм!ри, складн!сть конструкц!' та точн!сть виготовлення окремих елемент!в. Це при-зводить до необх!дност! визначення найб!льш критичних до допуск!в конструктивних елемент!в. Однак !снуюч! рекомендац!' вибору НВ не враховують вимоги до за-безпечення точност!.
Метою роботи е надання рекомендац!й по вибору найб!льш оптимально! конструкц!!' м!кросмужкових НВ при заданих вих!дних характеристиках за допомогою пор!вняння допуск!в на конструкторсько-технолог!чн! параметри. При обчисленн! необх!дно використовувати сучасн! досягнення допускового анал!зу. Зокрема обчис-лення допуск!в можуть проводитись за допомогою про-грамного комплексу ШТОЬ [5], який в алгоритм! синтезу допуск!в використовуе !нтервальн! модел!. Це до-зволяе визначити вплив ном!нальних в!дхилень пара-метр!в елемент!в конструкц!' на його основну харак-
Найб!льше поширення на практиц! отримали НВ на зв'язаних л!н!ях, шлейфний та Ланге. При проектуванн! м!кросмужкових НВ з! слабким зв'язком часто використовуються НВ на зв'язаних л!н!ях [1, 3]. Найб!льш зру-чними для технолог!чно! реал!зац!1' е м!кросмужков! НВ на зв'язаних л!н!ях з боковим зв'язком. Складн!сть реа-л!зац!1 НВ з сильним зв'язком обумовлюеться труд-нощами утворення малих зазор!в м!ж м!кросмужковими пров!дниками на д!електричн!й п!дкладц! та в!дкритим характером л!н!1. Фазов! швидкост! парно''' та непарно''' мод в!др!зняються, що призводить до звуження робочо' смуги в!дгалужувача [2]. Конструкц!я НВ на зв'язаних л!н!ях являе собою дв! паралельно розташован! мета-л!чн! смужки (рис. 1). Максимум зв'язку таких в!дга-лужувач!в досягаеться при довжин! област! зв'язку, яка дор!внюе чверт! довжини хвил! в л!н!1 [1-3].
Рисунок 1 — Топологгя направленого вгдгалужувача на зв'язаних лгнгях
Шлейфн! НВ використовуються, як правило, для отримання сильного зв'язку, оск!льки забезпечення слаб-кого зв'язку пов'язано з конструктивними та техно-лог!чними труднощами утворення досить малого поперечного перер!зу шлейф!в (рис. 2). Довжина шлейф!в та в!дстань м!ж ними дор!внюють чверт! довжини хвил! в л!н!1. Направлен!сть та д!апазонн! характеристики по-кращуються !з зростанням к!лькост! шлейф!в, але при велик!й к!лькост! шлейф!в (п >3) зростають хвильов! опори зовн!шн!х шлейф!в [1 ].
44
1607-3274 иРад1оелектрон1ка. 1нформатика. Управл1ння" № 2, 2004
О.Ю. ÔapaôoHoe, C.O. СамаквШ, О.Ю. Boponaé: OTOEK^BAH^ MIKPOCMУЖKOBИX HAПPABЛEHИX BIДГAЛУЖУBAЧIB З OПTИMAЛЬHИMИ ДOПУCKAMИ
¿bo — ¿
в
l - Co l + Cn
(3)
Ржутк 2 — Tonoлoгiя мiкpocмyжкoвux npoвiднuкiв шлейфнйгй нanpaвлeнoгo вiдгaлyжyвaчa
Heдoлiки пpитaмaннi HB m зв'язaниx лiнiяx чacткoвo ycyrnm в вiдгaлyжyвaчax Лaнгe (pиc. 3). Фaзoвi швид-кocтi пapнo'í тa нeпapнo'í мoд в зв'язaниx лiнiяx виpiв-нюютьcя зaвдяки cимeтpiï cxeми, щр i дoзвoляe дocягти пpиблизнo oктaвнoï poбoчoï cмyги в тaкoмy вщгалу-жyвaчi [2]. B нaпpaвлeнoмy вiдгaлyжyвaчi Лaнгe виго-pиcтoвyeтьcя crpyrcrypa нa зycтpiчниx cтpижняx з rope-мичкaми. Heoбxiднo пpaгнyти дo мiнiмaльнoï дoвжини пepeмичoк, aлe cлiдкyвaти, щрб ввeдeння пepeмичoк нe пpизвeлo дo yтвopeння гaльвaнiчнoгo зв'язку мiж cyc№ нiми пpoвiдникaми. Шиpинa вcix пpoвiдникiв в CTpyê-тypi oднaкoвa, як i зaзopи мiж ними.
дe ¿в - xвильoвий omp, Oм.
Зaвepшyeтьcя пpoцeдypa cинтeзy визнaчeнням гeoмeт-pичниx poзмipiв тa дoвжини зв'язку.
Aнaлoгiчнo poзpaxoвyютьcя пapaмeтpи кoнcтpyктив-ниx eлeмeнтiв вiдгaлyжyвaчa Лaнгe. Biдмiннicть пoлягae лишe y визнaчeнi oпopiв пapнoгo тa нeпapнoгo типiв ko-ливaнь
lbe,o ■
2¿b( - l)RR(l - C2) 2¿b (l m C )+(n - 2)RiR2 (l - C2 ),
(4)
дe n - кiлькicть лiнiй в бaгaтoпpoвiднoï cтpyктypi, Rl, R2 - oпopи нaвaнтaжeння.
Пpи poзpaxyнкax гeoмeтpичниx poзмipiв шлeйфнoгo HB пepш зa вce визнaчaютьcя пpoвiднocтi кoжнoгo шлeйфy, викopиcтoвyючи eквiвaлeнтнy cxeмy шлeйфнo-ш HB [2]. Дaлi oтpимaнi пpoвiднocтi пepepaxoвyютьcя в xвильoвi oпopи для ^жгого шлeйфy. Гeoмeтpичнi poз-мipи вiдpiзкiв лiнiй, ùo вiдпoвiдaють oтpимaним вeличи-нaм xвильoвиx oпopiв, визнaчaютьcя зa дoпoмoгoю ^в-вiднoшeнь для poзpaxyнкy oдинoчнoï мiкpocмyжкoвoï лiнiï пepeдaчi [б]. Пoxибкa тaкиx poзpaxyнкiв cтaнoвить нe бiльшe 2% [б].
Pucyнoк 3 — Tonoлoгiя cмyжкoвux npoвiднuкiв cuмempuчнoгo вiдгaлyжyвaчa Ëame
Пpoeктyвaння HB нa зв'язaниx лiнiяx тa Лaнгe вpa-xoвye piзницю фaзoвиx швидкocтeй пapнoï тa нeпapнoï мoд. Для poзpaxyнкy пapaмeтpiв зв'язaниx лiнiй виго-pиcтoвyютьcя мeтoдикa [б], тoчнicть якoï дocлiджy-вaлacь в [7]. ^и cинтeзi HB нa зв'язaниx лiнiяx cпo-чaткy визнaчaeтьcя кoeфiцieнт зв'язку
ДOCЛtДЖEHHЯ TO4HOCTt MtKPOCMУЖKOBИX HAПPABЛEHИX BtДГAЛУЖУBAЧtB HA ЗB'ЯЗAHИX ЛtHtЯX TA ЛAHГE
Для мiкpocмyжкoвиx лшш точний тeopeтичний aнaлiз пapaмeтpiв пpoвecти дyжe вaжкo, ocкiльки в лiнiï цьoгo типу oкpiм ocнoвнoï TEM-xвилi пpиcyтнi пapaзитнi пo-вepxнeвi xвилi [8]. Öe пpизвoдe дo нeoбxiднocтi cпpo-щ^нь мaтeмaтичнoï мoдeлi пpиcтpoю i, як m^^oê, дo змeншeння ïï тoчнocтi. B peзyльтaтi тoчнicть визнaчeння пapaмeтpiв eлeмeнтiв кoнcтpyкцiï oбyмoвлюeтьcя тoчнi-стю мaтeмaтичнoï мoдeлi. Cepeд icнyючиx мeтoдiв oбчиc-лeння пpиcтpoïв нa зв'язaниx лiнiяx нaйбiльшy тoчнicть зaбeзпeчye нacтyпнa мeтoдикa [б]. B цiй мeтoдицi зaлeж-нicть кoeфiцieнтy зв'язку m зв'язaниx лiнiяx вiд пapa-мeтpiв eлeмeнтiв визнaчaeтьcя cпiввiднoшeнням
г — ¿be ¿bo
¿be + ¿b
(5)
Co — lo 2o,
(1)
^и oбчиcлeннi кoeфiцieнтy зв'язку для HB Лaнгe вpaxoвyeтьcя кiлькicть пpoвiдникiв
дe C - кoeфiцieнт зв'язку го нaпpyзi, дБ.
Дaлi oбчиcлюютьcя oп op и ¿be , ¿bo для п ap н oï т a нeпapнoï мoд вщ^вщ^
l + Co l - Co
(2)
дe
Co —
(be - ¿bo )(n - l)
(be + ¿bo)-1)-¿be¿bo(n-1),
((be + ¿bo )
(б)
с
o
¿ be — ¿b
o
РАДЮЕЛЕКТРОН1КА ТА ТЕЛЕКОМУН1КАЦ11
де ZBE та ZBO - опори парного та непарного титв коли-вань вщповщно
ZBE = 2ZQ пРи {wеф1 H)BE ; ZbO = 2Zq пРи {{еф/h)bo •
(7)
(8)
Хвильовий отр Zq при (еф/h)BE та (wЕФ/h)BO розра-ховуеться i3 сшввщношення
42,4
ln
1 + -
4h
^ 8 \ 14 + — _е
11
4h
8 \ 14 + — е
11
Л1 Л 2 1 + —
4h \ е 2 + ——п2
(9)
= ^arch[H - g +1)) +1)],
h )be h
w™ 1 = —arch
h /BO h
2H - g -1
де g = ch
п ( s - Aw
~2 V h
g-1
H = ch
arch
1 +
2(w + Aw)
h
w + Aw п (s - Aw) п--
h
2
поправка за рахунок товщини смужки, мм;
Aw
h
nh
- ln -
10, 873
(10)
, (11)
; Aw
(12)
1/п
w/1 + 1, 1
Таблиця 1 - Результаты розрахунку donycKie для аналгзуемих НВ
Тип НВ Параметри Номшальне значення Нижня межа Верхня межа Нижня межа, % Верхня межа, %
s 1.S £ 9,600 9,3510 9,8490 2,59 2,59
h, мм 1,000 0,9850 1,0146 1,50 1,46
t, мм 0,010 0,0095 0,0106 5,20 5,50
w, мм 0,610 0,5820 0,6390 4,65 4,91
s, мм 0,072 0,0660 0,0760 8,00 6,00
НВ Ланге £ 9,600 9,3950 9,8540 2,66 2,65
h, мм 1,000 0,9810 0,0197 1,90 1,97
t, мм 0,010 0,0093 0,0107 6,70 6,80
w, мм 0,099 0,0940 0,1040 4,20 4,20
s, мм 0,292 0,2790 0,3060 4,40 4,80
де е - дiелектрична прониклившть тдкладки.
Ефективна ширина смужки, яка вщповщае парному та непарному типам коливань визначаеться виразами:
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ТОЧНОСТ1 М1КРОСМУЖКОВИХ ШЛЕЙФНИХ НАПРАВЛЕНИХ В1ДГАЛУЖУВАЧ1В
При обчисленш шлейфних направлених вiдгалужу-вачiв складаеться з наступних етапiв• Коефiцieнт зв'язку по напрузi розраховуеться за сшввщношенням:
Cq = 10
(13)
де Y та Y2 - провiдностi шлейфiв, Yi = ZB/Zi.
Хвильовi опори шлейфiв ZB та Zi обчислюються за спiввiдношенням:
42,4 ■\Je +1
■ ln
1 + -
4 ■ h
(™ЕФ )1,2
( 8\
14 + 8 _е
11
4 ■ h
(™ЕФ )1,2
(n 8 \
14 + — е
2
11
V /
( 4 ■ h \ 1 + -
({,еф )1:
(14)
h - товщина пiдкладки, мм; w - ширина смужки, мм; s - зазор, мм; t - товщина смужки, мм.
Порiвняння вимог до точносп елементiв конструкцi'i проводились для НВ з коефщентом зв'язку по напрузi C = -6 дБ; хвильовому опору мжросмужково'' лiнii' пе-редачi ZB = 50 Ом; опору навантаження (вщгалужувач Ланге) Rx = R2 = 50 Ом; дiелектричноi' проникнiстi мате-рiалу пiдкладки е = 9,6; товщина тдкладки h = 1 мм; товщит смужки t = 0,01 мм; кiлькостi провiдникiв (вiд-галужувач Ланге) n = 4.
Вщхилення параметрiв матерiалу i геометричних роз-мiрiв елеменпв конструкцii' обчислювались при задано-му вщхиленш коефiцieнту зв'язку - 5%. Результати роз-рахункiв для НВ надаються в табл. 1.
Як витжае з табл. 1, найбтьший вплив на коефщент зв'язку НВ на зв'язаних лШях мае зазор мiж провiд-никами, а в НВ Ланге - ширина провщника. Товщина тдкладки суттево впливае на коефщент зв'язку в обох конструкщях. Однак НВ Ланге бтьш критичнi до до-пускiв на товщину тдкладки.
Вщносна ефективна ширина шлейфа обчислювалась за виразом:
= | w \ + ( Aw
h /1.2 Vh /1,2 V h /1,2
(15)
де Aw розраховуеться за формулою (12).
Результати розрахунку допусков на конструкторсько-технолопчш параметри шлейфного НВ наведенi в табл. 2.
Таблиця 2 - Результати розрахунку donycKie шлейфоеого НВ
Параметри Номшальне значення Нижня межа Верхня межа Нижня межа, % Верхня межа, %
£ 9,600 9,2500 9,9300 3,60 3,40
h, мм 1,000 0,9720 1,0300 2,80 3,00
t, мм 0,010 0,0093 0,01 07 6,80 7,10
w 1, мм 0,203 0,1970 0,2090 3,00 2, 80
wi, мм 1,279 1,2040 1,3440 5,90 5,10
Zq =
+
w
w
2
+
2
w
+
п
h
2
w
еф
46
ISSN 1607-3274 "Радюелектрошка. 1нформатика. Управл1ння" № 2, 2004
В.Д. Флора: ОСОБЛИВОСТ1 ЖИВЛЕННЯ ДВИГУНА ПОСТ1ЙНОГО СТРУМУ ЧЕРЕЗ 1МПУЛЬСНИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ
Як витжае з табл. 2, у шлейфних НВ найб1льш кри-тичним до допусюв виявляться ширина зовшшшх шлей-ф1в. Пор1вняння вщхилень у конструкщях НВ показуе, що в шлейфному НВ допуски на елементи конструкци менш жорстю, але габаритш розм1ри найбтьшь
висновки
Дослщження точност на конструктивш параметри мжросмужкових НВ дае можлив1сть пор1вняти НВ не пльки за габаритними розм1рами, складшстю конструк-цН, але i за жорстюстю допусюв на конструктивш елементи НВ. При однакових вихщних даних шлейфний НВ мае найбiльшi габарити. Номiнальнi розмiри конструкци та ix допуски вище шж в НВ на зв'язаних лШях та Ланге. Габаритнi розмiри НВ Ланге ненабагато перевищують габаритш розмiри НВ на зв'язаних лШях. При цьому номiнальнi значення розмiрiв елементiв кон-струкцii' в НВ Ланге бтьше нiж в НВ на зв'язаних лШях. Kрiм цього робоча смуга пропускання частот при використанш НВ Ланге розширюеться.
Проведене дослщження показуе, що НВ на зв'язаних лШях доцiльно обирати, якщо необхщно забезпечити мiнiмальнi габаритнi розмiри, простоту конструкцii' та вiдсутнiсть жорстких допусюв на елементи конструкцii'. Направлений вщгалужувач Ланге доцiльно обирати, якщо основними вимогами е мiнiмiзацiя габаритних роз-мiрiв та розширення смуги пропускання. Шлейфний НВ доцшьно обирати, якщо мають м^це вимоги зменшення точностi меxанiчного виконання, стабiлiзацiя вихщно'' характеристики та вiдсутнiсть умови мШмальних габаритних розмiрiв.
Запропонованi математичш моделi та приведенi реко-мендаци по вибору мiкросмужковиx НВ можна рекомен-дувати для виконання проектних роби на виробництвi
та в навчальному процеи. Розглянутi математичнi мо-делi синтезу допускiв створюють передумови для утво-рення програмних комплекав дослiдження пристро'в НВЧ за точшстю.
ПЕРЕЛ1К ПОСИЛАНЬ
1. Конструирование и расчет полосковых устройств. Учебное пособие для вузов. Под редакцией чл.-корр. Академии наук БССР проф. И.С. Ковалева, М., "Сов. радио", 1974.
2. Фуско В. СВЧ цепи: Анализ и автоматизированное проектирование: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1990. -288 с.: ил.
3. Малорацкий Л.Г., Явич Л.Р. Проектирование и рассчет СВЧ елементов на полоскових линиях. - М.: "Сов. радио" 1972 - 232 с.
4. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств / С.И. Бахарев, В.И. Вольман, Ю.Н. Либ и др. / Под ред. В. И. Вольмана. - М.: Радио и связь, 1982. - 328 с., ил.
5. Шило Г. М., Воропай О. Ю., Гапоненко М. П. ¡нтервальш методи призначення експлуатацшних допусюв // Радю-електрошка. ¡нформатика. Управлшня. - 2003.- №1.
6. Проектирование интегральных СВЧ устройств. Справочник / Ю. Г. Ефремов, В. В. Конин, Солганик и др. - К.: Техника, 1990. - 159 с.
7. Vladimir Krischuk, Alexey Farafonov, Sergey Romanenko "Analysis of projection methods of microstrip coupled lines filters".
8. Воробьев E.A. Расчет производственных допусков устройств СВЧ. Л. "Судостроение" 1980. - 147 с.
Надшшла 08.04.2004 Шсля доробки 25.10.2004
Проведено исследование влияния допусков элементов конструкции на параметры направленных ответвителей: на связанных линиях, шлейфного и Ланге. Используются интервальные модели. Определены наиболее критические по точности конструктивные элементы. Это позволило предоставить рекомендации по выбору микрополосковых направленных ответвителей.
Research of influence of tolerances of elements a design on parameters directional couplers carried out: on the coupled lines, branch and Lange. Interval models are used. The most critical on accuracy constructive elements are determined. It has allowed to give recommendations at the choice of microstrip directional couplers.
УДК 621.335.2.024:621.314.1
В.Д. Флора
0С0БЛИВ0СТ1 ЖИВЛЕННЯ ДВИГУНА П0СТ1ЙН0Г0 СТРУМУ ЧЕРЕЗ 1МПУЛЬСНИЙ ПЕРЕТВ0РЮВАЧ
Для гмпульсного перетворювача, який знижуе напругу нере-гульованого джерела посттного струму, одержат аналгтичт вирази загальних вольт-амперних, вх1дних та зовшштх характеристик перетворювача при живленш в1д р1зних джерел.
При побудовi теори силових натвпровщникових iм-пульсних перетворювачiв постшного струму необхщно розглядати особливосп ''х живлення вщ рiзниx джерел без фiльтрiв та з фшьтрами, в широкому дiапазонi змши струмiв навантаження.
Найчастше при iмпульсному регулюванш елект-рично'' енергп застосовуються схеми перетворювачiв для зниження напруги нерегульованого джерела постшного
струму [1]. У робот [2] для випадку живлення двигуна постшного струму через iмпульсний перетворювач без фтьтру для середньо'' напруги на виxодi при безперер-вному струмi навантаження одержане стввщношення:
U -1 н
U Ср =-
а 2ЯДЖ н (1 + ■
1 - а Lдж + Ьн 1 +----
(1)
Ьн
де U - напруга холостого ходу джерела; 1нср - неперер-вний середнш струм навантаження, який в усталеному
а
н
а
