CC BY
47
Сверхоктавный полосковый направленный ответвитель для работы на высоком уровне мощности
М.Г. Пищенко , Д.Г. Пищенко , М.Б. Мануилов
1АО НПП "Фаза", Ростов-на-Дону 2Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону
1
1
2
2
Аннотация: Предложена новая компактная технологичная конструкция 20-децибельного направленного ответвителя диапазона 4-12 ГГц для работы на повышенном уровне мощности. Использована трехступенчатая структура на симметричных полосковых линиях с боковой связью. Для широкополосной компенсации возникающей на неоднородностях разности фазовых скоростей четной и нечетной мод в конструкцию ответвителя введены периодические структуры на внешних краях полосковых проводников. Изготовленный 20 дБ направленный ответвитель в диапазоне 4-12 ГГц имеет неравномерность переходного ослабления 0.5 дБ, изоляцию 35 дБ, направленность 15 дБ, КСВ<1.35, максимальную допустимую мощность 100 Вт. Размеры корпуса ответвителя 39x35x26 мм.
Ключевые слова: направленный ответвитель, связанные полосковые линии, четные и нечетные моды, периодические структуры, фазовая скорость мод, линии с боковой связью.
Направленные ответвители (НО) с различным переходным ослаблением широко применяются в составе распределительных цепей антенных решеток, а также для контроля мощности радиосигнала, распространяющегося в линии передачи, в измерителях мощности, системах автоматической регулировки усиления, радиоприемных устройствах и др. [1-5]. В этой связи актуальна задача разработки широкополосных НО с высокими электрическими характеристиками и максимально простой и технологичной конструкцией. Ключевыми требованиями к НО являются заданный уровень переходного ослабления в рабочей полосе частот и его малая неравномерность, высокая направленность и высокое согласование.
Для достижения заданной направленности НО необходимо строго выдерживать равенство электрических длин линии для синфазной и противофазной волн, прошедших через всю область связи, включая неоднородные участки. Однако в сантиметровом диапазоне сказывается
Введение
влияние неоднородностей в местах изменения связи между линиями, что приводит к ухудшению направленности.
Целью данной работы является создание компактной широкополосной конструкции 20-децибельного направленного ответвителя сантиметрового диапазона для работы на высоких уровнях мощности
Конструкция направленного ответвителя
В работе предложена, теоретически и экспериментально исследована конструкция 20-децибельного направленного ответвителя на симметричных связанных полосковых линиях для диапазона 4-12 ГГц (рис.1). С учетом заданных диапазонных свойств был исследован трехступенчатый несимметричный направленный ответвитель на полосковых линиях с боковой связью (рис.1,б,в). Предложенная четырехслойная конструкция НО (рис.1,г) содержит два толстых внешних диэлектрических слоя (е=2.5, толщина 1.5 мм) и два внутренних тонких слоя (е=2.2, толщина 0.45 мм).
На одном из внутренних слоев расположены полосковые проводники, что обеспечивает симметричное положение полосковых линий относительно верхнего и нижнего экранов. В качестве рабочих выходов НО использованы коаксиальные разъемы К-типа, предназначенные для работы на высоком уровне мощности. Нумерация портов ответвителя приведена на рис. 1,в. Вариант конструкции на рис. 1,а содержит 50-омный разъем на выходе 4 для проведения тестовых измерений НО. В рабочем варианте ответвителя порт 4 нагружен согласованной нагрузкой. Анализ и оптимизация НО выполнены с использованием аппарата теории цепей [6] и электродинамических моделей на основе метода конечного интегрирования [7].
При прохождении волн через неоднородности в связанных полосковых линиях возникает разность фаз синфазной и противофазной волн, которая приводит к возникновению ненаправленного сигнала [8-10]. Такие неоднородности возникают в местах изменения связи полосковых линий.
(а) (б)
2 4
(в) (г)
Рис. 1. - Направленный 20-децибельный ответвитель на связанных полосковых линиях: конструкция ответвителя (а), диэлектрические платы ответвителя (б), топология полосковых проводников (в), поперечное сечение (г). Для подавления этого сигнала и увеличения направленности необходимо выровнять фазы синфазной и противофазной волн. С этой целью в конструкции НО (рис.1, в) были использованы периодические неоднородности на внешних сторонах связанных полосковых линий, которые обеспечивают широкополосную компенсацию разницы фазовых скоростей
четной и нечетной мод. На основе экспериментальных и теоретических исследований установлено, что периодические структуры на внешних сторонах связанных полосковых линий уменьшают фазовую скорость четной и нечетной мод, но замедление четной моды будет больше.
Экспериментальные и теоретические результаты
Трехмерная электродинамическая модель направленного ответвителя и распределение электрического тока на связанных полосковых линиях при возбуждении порта 1 приведены на рис. 2. Из приведенного распределения токов хорошо видна слабая (-20 дБ) связь между первичным и вторичным каналами НО, а также высокая изоляция порта 4 при возбудении порта 1.
Теоретические и экспериментальные характеристики разработанной конструкции НО приведены на рис. 3-6, где показано хорошее совпадение теории и эксперимента (при расчете не учитывались разъемы). Неравномерность переходного ослабления (20 дБ) в рабочем диапазоне частот 4-12 ГГц составляет 0.5 дБ, коэффициент отражения по всем входам не превышает -17 дБ (КСВ < 1.35), изоляция 35 дБ, направленность 15 дБ, уровень рабочей мощности может достигать 100 Вт. Вносимые потери в рабочей полосе составляют около 0.7 дБ. Предложенная конструкция весьма
компактна - размеры корпуса без разъемов составляют 39x35x26 мм.
(а) (б)
Рис. 2. - Трехмерная модель НО (а) и распределение тока (б)
Б21. дБ ____________
! — эксперимент
-- теооия
............ ____________ ----- --------____..... -
- -----"""
-16 -18 -20 -22 -24
2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 ГГц Рис. 3. - Экспериментальная частотная характеристика переходного
ослабления
2
1.75 1.5
1.25 -
КСВ
— эксперимент -- теория
1
2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 I ГГц Рис. 4. -Сравнение экспериментальной и теоретической характеристики
КСВ порта 1
-20 -30 -40 -50 -60
Эи, дБ -Б41
/ ^ \ Г \ ✓ / / --- ч. Г
у ^г''
.............ч'........
т 4
т
6
т
8
10
12
I ГГц
Рис. 5. -Экспериментальная частотная характеристика изоляции (341).
J
Рис. 6. -Экспериментальные частотные характеристики коэффициента
отражения для портов 1, 2, 3, 4
Имеющееся на рис. 4 расхождение между измеренным и расчетным КСВ связано с тем, что приведенные расчетные данные получены без учета влияния коаксиальных разъемов, т.е. без учета коаксиально-полосковых переходов. В модели также не учитывались омические потери в полосковых проводниках и диэлектрике, которые приводят к увеличению измеренных вносимых потерь по сравнению с расчетными (рис. 3).
Для теоретической оценки предельной допустимой мощности использовано соотношение
P = P
1 max 11
E,
breakdown
vpeak j
где Pmax - максимальная допустимая мощность, p = 1 Вт - мощность, поданная на вход НО, Ebreakdown - напряженность поля пробоя для диэлектрика, Epeak - пиковое значение напряженности поля в структуре, которое вычисляется в процессе электродинамического моделирования НО.
2
Согласно проведенным расчетам Pmax существенно выше требуемого уровня 100 Вт.
Заключение
В работе предложена, теоретически и экспериментально исследована новая компактная конструкция 20-децибельного НО на связанных полосковых линиях, обеспечивающая перекрытие полосы частот 3:1 и работу на уровне мощности до 100 Вт. Ключевой особенностью предложенной конструкции являются периодические ступенчатые неоднородности на внешних краях полосковых линий, что позволило за счет широкополосной компенсации фазовых скоростей четной и нечетной мод обеспечить высокую направленность, изоляцию и согласование НО. Изготовленный 20 дБ направленный ответвитель в диапазоне 4-12 ГГц имеет неравномерность переходного ослабления 0.5 дБ, изоляцию 35 дБ, направленность 15 дБ, КСВ<1.35. Размеры корпуса ответвителя 39x35x26 мм. (без учета коаксиальных разъемов).
Литература
1. Сверхширокополосные микроволновые устройства / Под ред. Креницкого А.П. и Мещанова В.П. - М.: Радио и связь, 2001, 560 с.
2. Gruszczynski S., Wincza K. Broadband multisection asymmetric 8.34-dB directional coupler with improved directivity // Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference 2007, pp.1-4.
3. Gruszczynski S., Wincza K., Sachse K. Design of broadband low-loss coupled-line multisection symmetrical 3-dB directional coupler in suspended stripline technology // Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference 2010, pp.14.
4. Андрианов А.В., Губарев Д.Е., Зикий А.Н., Сленчковский В.Г. Делитель мощности на основе 4-х шлейфного квадратурного моста //
Инженерный
вестник
Дона, 2018, №3. URL:
ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2018/5105.
5. Воропай М.Н., Иванов С.В. Синтез структуры и реализация радиоприемного устройства в диапазоне частот 0,02... 18,00 ГГц для комплексов радиомониторинга // Инженерный вестник Дона, 2010, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2010/194.
6. Справочник по элементам полосковой техники / Под. ред. Фельдштейна А.Л.-М.: Связь, 1979, 336 с.
7. Weiland T. Time Domain Electromagnetic Field Computation with Finite Difference Methods // Int. Journal of Numerical Modeling. - 1996. - V. 9. - pp.
8. Следков В.А., Рейзенкинд Я.А., Рязанов В.Д. Расчет эквивалентных параметров неоднородностей в линиях передачи по измеренным частотам резонаторов, содержащих неоднородности // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ, 1987, N. 8, С. 33-35.
9. Следков В.А., Рязанов В.Д., Ржевская Л.А., Рейзенкинд Я.А., Нойкин Ю.М. Экспериментальное исследование неоднородностей в связанных полосковых линиях // Электрон. техника. Сер. Электроника СВЧ. 1988, N. 8.
10. Shekhovtsov V.V., Sledkov V.A., Pischenko G.P., Pischenko M.G., Manuilov M.B. Design of Broadband Strip-Line Directional Couplers with Improved Directivity // Proc. of 24 Int. Crimean Conference "Microwave & Telecommunication Technology" (CriMiCo'2014), 2014, Sevastopol, pp. 1-2
1. Sverchshirokopolosnye mikrovolnovye ustroistva [Ultrawideband microwave devices]. Pod redakciej Krenitskogo A.P. and Meschanova V.P. Moscow, Radio i svyaz, 2001, 560 p.
295- 319.
С. 7-12.
References
2. Gruszczynski S., Wincza K. Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference 2007, pp.1-4.
3. Gruszczynski S., Wincza K., Sachse K. Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference 2010, pp.1-4.
4. Andriyanov A.V., Gubarev D.E., Zikii A.N., Slenchkovscky V.G. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2018, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2018/5105.
5. Voropai M.N., Ivanov S.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2010, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2010/194.
6. Spravochnik po elementam poloskovoi techniki [Handbook for elements of strip-line technology]. Pod redakciej Feldshteina A.L., Moscow, Svyaz, 1979, 336 p.
7. Weiland T. Int. Journal of Numerical Modeling. 1996. V. 9. pp. 295- 319.
8. Sledkov V.A., Reizenkind Ya.A., Riazanov V.D. Electronnaya technika. Ser. Electronika SVCH, 1987, N8, pp.33-35.
9. Sledkov V.A., Riazanov V.D., Rzevskaya L.A., Reizenkind Ya.A., Noikin Yu. M. Electronnaya technika. Ser. Electronika SVCH, 1988, N8, pp.7-12. 10.Shekhovtsov V.V., Sledkov V.A., Pischenko G.P., Pischenko M.G., Manuilov M.B. Proc. of 24 Int. Crimean Conference "Microwave & Telecommunication Technology" (CriMiCo'2014), 2014, Sevastopol, pp. 1-2.
