CC BY
69
УДК 621.372
А.Н. Сычев, С.М. Стручков, Н.Ю. Рудый
Трёхкаскадный транснаправленный ответвитель Х-диапазона
Исследуется каскадное соединение разнородных типов ответвителей. В моделируемом трех-каскадном ответвителе центральная секция с сильной связью (1 дБ) является транснаправленной, две крайние секции со слабой связью (12 дБ) - противонаправленные. Результирующий ответвитель становится транснаправленным с 3 дБ связью. В транснаправленной секции использовались линии, выполненные на вертикальной вставке из керамики с высокой диэлектрической проницаемостью. Был изготовлен прототип, предназначенный для работы в Х-диапазоне (8-12 ГГц), показавший приемлемые характеристики.
Ключевые слова: связанные линии, транснаправленный ответвитель, вертикальная вставка.
В последнее время некоторые исследователи обратили своё внимание на малоизученный тип направленных ответвителей - транснаправленный, реализованный с использованием межлинейных шунтирующих конденсаторов [1]. И в этом году впервые была предложена новая конструкция транснаправленного ответвителя (ТРНО) на сильносвязанных линиях с вертикальной вставкой [2, 3] (рис. 1), несмотря на то, что противонаправленные ответвители с вертикальными элементами известны достаточно давно [4]. Уникальной особенностью ТРНО является то, что в полосе рабочих частот входной сигнал в нём почти не достигает дальнего конца основной линии, а поступает на ближний и дальний концы связанной линии. И как следствие, главное достоинство ТРНО - полная гальваническая развязка входного плеча 1 от двух выходных плеч 2 и 4 (см. рис. 1), что позволяет упростить схему и конструкцию ответвителя и избежать нежелательных перемычек в большинстве устройств, построенных на его основе.
Технология монтажа вертикальной вставки является достаточно отлаженной и относится к варианту технологии монтажа поверхностномонтируемых компонентов (ПМК, SMD).
Однако по ширине полосы рабочих частот ТРНО уступает обычным противонаправленным ответвителям (ПРНО) на связанных линиях с уравновешенной связью. Также известно, что каскадирование ПРНО ведёт к расширению их полосы частот. При этом использование такого же подхода к ТРНО (т.е. каскадного соединения) ранее не рассматривалось. По-видимому, главной причиной этого является невозможность создания ТРНО со слабой связью, требуемой для крайних секций секционированного ответвителя.
2___4
Рис. 1. Конструкция ТРНО на свя- 15» 0
занных линиях с вертикальной 0_| -J f^r |—о
вставкой: 1 - горизонтальная плата; 1 3
2 - вертикальная вставка Рис. 2. Схема трёхкаскадного транснаправленного ответвителя
Исходя из этих соображений, в данной работе предлагается многокаскадная схема, содержащая как сильносвязанный ТРНО в центре, так и слабосвязанные ПРНО по краям (рис. 2). При этом не совсем очевидно, какие физические явления будут происходить при таком каскадировании ТРНО и ПРНО. Также возникает важный практический вопрос - насколько расширится полоса рабочих частот? И ещё, применима ли технология ПМК при создании ТРНО в довольно высокочастотном Х-диапазоне (8-12 ГГц)?
Схемная модель ответвителя. Результаты численного моделирования. На предварительном этапе исследования достаточно продуктивный подход состоит в построении электрической схемы ТРНО и её анализе в частотной области. Схемное моделирование реализуется в коммерчески доступной системе AWR Microwave Office.
Взятые за базу для сравнения схемные проектные параметры одиночного ТРНО были следующими: длина отрезка связанных линий - 4 мм; характеристический импеданс - 41 Ом; электромагнитная связь - 2,8 дБ; диэлектрические проницаемости при чётном и нечётном возбуждениях - 3,5 и 31,5 соответственно. Рассчитанные амплитудно- и фазочастотные характеристики одиночного ТРНО при выбранных проектных параметрах дали следующие параметры частотного отклика: полоса рабочих частот 8,8-11,2 ГГц (24%), амплитудный баланс между выходными плечами 2 и 4 2,83,4 дБ, фазовый баланс между плечами 2 и 4 ±1,2 град, уровень развязки и возвратных потерь - не хуже 20 дБ.
Проектные схемные параметры трёхкаскадного ТРНО были взяты следующими (рис. 3). Параметры центральной секции: длина отрезка линии - 4 мм; характеристический импеданс - 60 Ом; электромагнитная связь - 1 дБ; диэлектрические проницаемости при чётном и нечётном возбуждениях - 3,5 и 31,5 соответственно. Параметры крайних секций: длина отрезка линий - 4 мм; характеристический импеданс - 60 Ом; электромагнитная связь - 12 дБ; диэлектрические проницаемости одинаковые для чётного и нечётного возбуждений - 3,5.
PORT Р=1
1=50 Ohm
PORT Р=2
1=50 Ohm
CLINP ID=TL3 ZE=ZE2 Ohm 10=102 Ohm L=L2 mm KE=KE2 K0=K02 AE=0 A0=0
L1=4
Z1=60 kdb1=1
k1=pow(10,-kdb1/20)
ZE1=Z1 *sqrt((1 +k1)/(1-k1))
Z01=Z1*sqrt((1-k1)/(1 +k1))
KE1=3.5
K01=9*KE1
CLINP ID=TL1
ZE=ZE1 Ohm
Z0=Z01 Ohm
L=L1 mm
KE=KE1
K0=K01
AE=0
AO=Q
12=4
Z2=60 kdb2=12 k2= p о w(10,- k d Ь2/20) ZE2=Z2*sqrt((1 +k2)/(1-k2)) Z02=Z2*sqrt((1-k2)/(1 +k2)) KE2=3.5 K02=KE2
CLINP ID=TL2 ZE=ZE2 Ohm 10=102 Ohm L=l_2 mm KE=KE2 K0=K02 AE=0 AO=Q
Рис. 3. Электрическая схема трёхкаскадного транснаправленного ответвителя
В результате при заданных проектных параметрах расчётные частотные характеристики трёхкаскадного ТРНО оказались следующими (рис. 4). Полоса рабочих частот 8-12 ГГц (40%), т.е. полоса в сравнении с одиночной ТРНО-секцией расширилась на 16%, амплитудный баланс между выходными плечами 2 и 4 составил 2,7-3,5 дБ, фазовый баланс между плечами 2 и 4 (90±0,7) град, уровень развязки и возвратных потерь - лучше 20 дБ.
Представленные расчёты характеризуют идеализированный схемный вариант построения трех-каскадного ТРНО без привязки к параметрам конструкции связанных линий.
Моделирование конструкции связанных линий. Следующий шаг состоял в проектировании конструкции по отдельным каскадам. Заметим, что конструкция секции ТРНО для моделирования довольно сложна и является трёхмерной, поэтому коммерчески доступная САПР Microwave Office не способна осуществить её анализ. САПР 3Б-моделирования CST Microwave Studio могла бы справиться с задачей, но с большими временными затратами, так как электромагнитные расчёты трёхмерных структур являются «долгоиграющими».
Исходя из этих соображений, применялся квазистатический подход в виде комбинированного метода частичных емкостей и конформных отображений [5]. Конформные отображения многоугольных областей поперечного сечения полосковых структур выполнялись с помощью интеграла Кри-стоффеля-Шварца, вычисление которого осуществлялось с использованием пакета SC-Toolbox [6].
Моделирование включало анализ и оптимизацию конструкции каждой секции по частотному отклику и проводилось в среде MATLAB. Методика компьютерного моделирования реализована как
для связанных линий с вертикальной вставкой, т.е. сильносвязанной центральной секции ТРНО [7], так и для микрополосковых слабосвязанных крайних секций ПРНО [8-10].
0 -5
М -10 & -15
н ^
а -20
«
13
^ -25 -30
-35
--. \
/ / 4 \ . \ \ / 1
1 / > \ * \ Ч 1 1 1 / У и*
1 // — ы * 1 /; \п
1; 1; —
\ - |
^411 I
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Частота, ГГц а
й
о К
эт й СМ
10
Частота, ГГц б
Рис. 4. Рассчитанные частотные зависимости параметров рассеяния схемной модели трёхкаскадного ТРНО: а - модули комплексных ^-параметров; б - разность фаз между портами 2 и 4
Результаты эксперимента. С целью экспериментальной проверки работоспособности и эффективности предложенного трёхкаскадного ответвителя был изготовлен прототип (рис. 5, а) со следующими параметрами конструкции. Габариты подложки - 12x24x1 мм3; расстояние между осями высокочастотных разъёмов 15 мм; материал горизонтальной диэлектрической подложки ФЛАН-5 (диэлектрическая проницаемость ег = 5) от ЗАО «Завод «Молдавизолит». Ширина подводящих микрополосковых линий ^ = 1,5 мм. Размеры связанных линий, на которых построены крайние секции противонаправленных ответвителей: ширина линий wСл = 1,8 мм; зазор между ними 5 = 0,5 мм; длина 1СЛ = 4,7 мм. Вертикальная вставка, на которой построена центральная секция трёхкаскадного ответвителя, имела следующие свойства: материал - керамика с высокой диэлектрической проницаемостью ег = 44; высота вставки (ширина линий) WvIp = 0,8 мм; толщина
= 0,5 мм; длина = 4,1 мм. Длина области пайки - по 0,5 мм с краёв.
Для этого макета измеренные зависимости ^-параметров от частоты оказались следующими (рис. 5, б): в полосе рабочих частот 8,3-12,75 ГГц (10,5±2,2 ГГц (±21%), т.е. 42%), величина возвратных потерь |5ц| лучше 13,3 дБ и развязка |531| лучше 16,1 дБ; связь на ближнем и на дальнем концах - |£21| = 3,5 дБ и ^^ = 5,5 дБ соответственно, в которой; амплитудный и фазовый баланс между выходными плечами 2 и 4 - (4,25±1,25) дБ и (90±9) град соответственно.
При сопоставлении расчёта и эксперимента наблюдается качественное согласие результатов. Однако при этом следует иметь в виду то обстоятельство, что при моделировании не учитывались параметры коаксиально-полосковых переходов (разъёмов) и результаты эксперимента приведены
без деэмбединга, т.е. без исключения паразитного влияния коаксиальных соединителей и возможной несогласованности подводящих линий.
0 -5 -10 -15 -20 ^ -25 -30 -35
£
Я &
щ
5
й
6
е
^— "" * N
/ / v V — \ \f\
/ - ' r~. • v'/ If * \/ M)n ■ f 14*. /* \ J \ I Ii
i ..... t Snl i » • *u \ •Д / I \ ■ A \ i • / t V / i V / : V / /
f — ! S21I i F n\ / ii \ : ■ « и I I'M/ \ ?l
3>3ll Sd ii i г.: i;i
i 1 ii ' !i
0
5
10
15
20
25
Частота, ГГц
а б
Рис. 5. Конструкция трёхкаскадного ТРНО (а) и измеренные его частотные зависимости параметров рассеяния (б)
Также следует учитывать высокую сложность трёхкаскадной структуры и чрезвычайную неуравновешенность электромагнитной связи центрального каскада, имеющего отношение модальных диэлектрических проницаемостей, близкое к девяти.
Поэтому эти первые результаты можно считать обнадёживающими, так как они показывают перспективность предлагаемого направления исследований - создания направленных ответвителей, построенных на явлении транснаправленности в связанных линиях с нечётно-кратным (троекратным и более) отношением модальных скоростей.
Заключение. Таким образом, в представленном исследовании были предложены схема и конструкция трёхкаскадного транснаправленного ответвителя на связанных линиях. Такой тип ответви-теля имеет полную гальваническую развязку входного плеча и двух выходных плеч, при этом сами выходные плечи гальванически соединены и являются ближним и дальним концом одной и той же линии передачи.
При каскадировании центральной сильносвязанной транснаправленной секции и крайних слабосвязанных противонаправленных секций результирующий трёхкаскадный ответвитель сохраняет свойства центральной секции и является транснаправленным.
Компьютерное моделирование показало, что при заданном уровне развязки и возвратных потерь 20 дБ полоса рабочих частот трёхкаскадного ТРНО достигает 40%, т.е. на 16% шире, чем для одиночной секции ТРНО, взятой для сравнения.
Впервые экспериментально продемонстрирована возможность создания транснаправленного ответвителя, изготовленного по технологии поверхностного монтажа, с приемлемыми частотными характеристиками в сантиметровом Х-диапазоне (8-12 ГГц).
Авторы выражают благодарность профессору Б.А. Беляеву за полезный информационный обмен и предоставленные керамические компоненты с высокой диэлектрической проницаемостью, а также И.М. Добушу за помощь в проведении измерений.
Литература
1. Shie C.-I. Trans-directional coupled-line couplers implemented by periodical shunt capacitors / C.-I. Shie, J.-C. Cheng, S.-C. Chou, Y.C. Chiang // IEEE Trans. - 2009. - Vol. MTT-57, № 12. - P. 2981-2988.
2. Sychev A.N. A novel trans-directional coupler based on vertically installed planar circuit / A.N. Sychev, S.M. Struchkov, V.N. Putilov, N.Yu. Rudyi // 18th European Microwave Week 2015.- Proc. of the 45th Eur. Microwave Conf., 6-11 Sept. 2015, Paris, France. - P. 283-286.
3. Sychev A.N. A transdirectional coupled-line coupler with a vertical insert / A.N. Sychev, S.M. Struchkov, N.Yu. Rudyi // 25th Int. Crimean Conf. "Microwave & Telecommunication Technology" (CriMiCo'2015), 6-12 Sept. 2015, Sevastopol, Russia. - P. 547-549.
4. Pat. 4150345 US, Int. Cl. H01P 5/18. Microstrip coupler having increased coupling area / M.B. Goldman, R.C. Simione. - Raytheon Co., appl. N 856839; filed 02.12.77; publ. 17.04.79. - 5 p.
5. Сычёв А.Н. Комбинированный метод частичных емкостей и конформных отображений для анализа многомодовых полосковых структур. - Томск: Том/ гос. ун-т систем управления и радиоэлектрон., 2007. - 138 с.
6. Driscoll T.A. Schwarz-Christoffel mapping / T.A Driscoll, L.N. Trefethen. - Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2002. - 132 p.
7. Sychev A.N. Analysis of the broad-side coupled lines on the vertical substrate using the numerical conformal transformations / A.N. Sychev, M.E. Dolgushin // 20th Int. Crimean Conf. "Microwave and Telecommunication Technology", CriMiCo'2010 Conf. Proc., 13-17 Sept. 2010. - Sevastopol, Ukraine, 2010. - C.636-638.
8. Sychev A.N. Modeling of the coupled microstrip lines with using numerical conformal transformations / A.N. Sychev, M.A. Chekalin, V.A. Shestakov., S.M. Struchkov // 16th European Microwave Week 2013. - Proc. of the 43rd Eur. Microwave Conf., 7-10 Oct. 2013. - Nuremberg, Germany. -P. 1107-1110.
9. Sychev A.N. Combining the partial-capacitance and the conformal mapping techniques for analysis of the multiconductor microstrip lines / A.N. Sychev, M.A. Chekalin, S.M. Struchkov // 17th European Microwave Week 2014. - Proc. of the 44th Eur. Microwave Conf., 6-9 Oct. 2014. - Rome, Italy. -P. 410-413.
10. Сычев А.Н. Системы параметров одинаковых связанных линий с неуравновешенной электромагнитной связью / А.Н. Сычев, С.М. Стручков // Доклады ТУСУРа. - 2014. - № 1 (31). -С.39-50.
Сычев Александр Николаевич
Д-р техн. наук, профессор каф. компьютерных систем в управлении и проектировании (КСУП) ТУСУРа Эл. почта: ans@main.tusur.ru Тел.: +7-961-887-16-21
Стручков Сергей Михайлович
Аспирант каф. КСУП
Эл. почта: struchkov.sm@gmail.com
Тел.: +7-923-427-60-08
Рудый Николай Юрьевич
Студент каф. КСУП
Эл. почта: nickolay0512@mail.ru
Тел.: +7-8-953-918-18-00
Sychev A.N., Struchkov S.M., Rudyi N.Yu. Three-section trans-directional coupler of X-band
The cascade connection of dissimilar types of couplers is studied. In a simulated three-section coupler, central section with tight coupling (1 dB) is trans-directional; two external sections with loose coupling (12 dB) are contradirectional. The resulting coupler becomes trans-directional with 3 dB coupling. Transdirectional coupledline section is formed by vertical insert of ceramics with a high dielectric permeability. A prototype was designed for operating in X-band (8-12 GHz) and measured. Its performance was evaluated as acceptable. Keywords: coupled lines, trans-directional coupler, vertical insert.
