полосковый направленный ответвитель
Классы МПК: | H01P5/18 состоящие из двух связанных линий, например направленные ответвители |
Автор(ы): | Горбачев А.П. |
Патентообладатель(и): | Новосибирский государственный технический университет |
Приоритеты: |
подача заявки:
1999-11-22 публикация патента:
10.10.2001 |
Изобретение может быть использовано в широкополосных системах радиосвязи, телекоммуникаций и радиолокации. В направленном ответвителе, содержащем две электромагнитно связанные линии передачи с плавно изменяющимися погонными параметрами, сформированные на противоположных сторонах тонкого слоя диэлектрика с полным наложением линий в центральной их части, обе половины каждой линии передачи электромагнитно связаны между собой. Техническим результатом является обеспечение при одинаковом продольном размере большей широкополосности направленного ответвителя на стандартных тонких диэлектрических пленках и основных диэлектрических листах, позволяя реализовать коэффициенты перекрытия диапазона порядка 10. 3 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
Формула изобретения
Полосковый направленный ответвитель, содержащий две электромагнитно связанные линии передачи с плавно изменяющимися погонными параметрами, сформированные с полным наложением обеих линий в центральной их части и требуемым расположением их половин на противоположных сторонах тонкого слоя диэлектрика, размещенного между двумя основными диэлектрическими листами, наружные поверхности которых полностью металлизированы и плотно прилегают к заземленным пластинам корпуса, при этом концы линий передачи образуют входы и выходы устройства, отличающийся тем, что обе половины каждой линии передачи электромагнитно связаны между собой.Описание изобретения к патенту
Предлагаемое устройство относится к области техники СВЧ и может быть использовано в радиотехнических изделиях различного назначения в качестве элементной базы полосковых высокочастотных узлов таких как разделительно-суммирующие устройства, фазовращатели, радиочастотные мультиплексеры, фильтры и другие. Актуальность разработки таких ответвителей обусловлена дальнейшим ужесточением требований к полосковым узлам систем связи, телекоммуникации и радиолокации в отношении их широкополосности, массогабаритных показателей и технологичности. Для обеспечения предъявляемых в дециметровом и сантиметровом диапазонах волн требований необходимо реализовать полосковые направленные ответвители с незначительной неравномерностью деления мощности в полосе пропускания не менее трех-четырех октав (соответствующий коэффициент перекрытия диапазона не менее 8...10) при высоких показателях производственной и эксплуатационной технологичности. Известен направленный ответвитель, описанный в патенте США N 3390356, кл. 333-9, 1968 год. Этот ответвитель содержит две электромагнитно связанные коаксиальные линии передачи и имеет экспоненциально убывающий от одного конца к другому коэффициент связи. При таком характере связи обеспечивается широкополосное деление мощности с коэффициентом перекрытия, достигающим 10. Конструктивная реализация описанного ответвителя в полосковом варианте не встречает затруднений при значениях переходного затухания 7 дБ и более. Меньшие значения затухания (в частности 3 дБ - равное деление мощности), необходимые в широкополосных делителях, фильтрах и фазовращателях, этот ответвитель не обеспечивает. К тому же экспоненциальное изменение связи обусловливает неодинаковую амплитуду пульсаций частотной характеристики выходной мощности по диапазону частот: в длинноволновой (начальной) области диапазона амплитуда пульсаций более чем в 3 раза превышает уровень пульсаций в коротковолновой (конечной) области. При таком отличии амплитуды пульсаций искажения длинноволновой части спектра передаваемых сигналов в системах связи и радиолокации становятся недопустимо большими. Поэтому упомянутый ответвитель приемлем, да и то не всегда, лишь в радиоизмерительной аппаратуре, где неодинаковость пульсаций амплитудно-частотной характеристики компенсируется автоматическим регулированием уровня мощности в тракте. Известен также полосковый направленный ответвитель, описанный в патенте США N 3528038, кл. 333-10, 1970 год. Этот ответвитель содержит две пересекающиеся в центре электромагнитно связанные линии передачи с плавно изменяющимися погонными параметрами, сформированные на противоположных сторонах тонкого слоя диэлектрика. Линии имеют полное наложение на участке пересечения в центральной их части. По мере удаления от центра ответвителя обеспечивается требуемое взаимное расположение половин линий за счет того, что полное наложение сменяется частичным перекрытием широких сторон полосок, которое, убывая до нуля, переходит в зазор на конечных участках линий. Тонкий диэлектрик со сформированными линиями размещается между двумя основными диэлектрическими листами, наружные поверхности которых полностью металлизированы и плотно прилегают к заземленным пластинам корпуса. Такое конструктивное исполнение ответвителя позволяет обеспечить постоянный, равный 90o, сдвиг фаз между выходными сигналами во всем диапазоне рабочих частот. Однако коэффициент перекрытия этого диапазона (порядка 5-8) ограничен тем, что плавное изменение погонных параметров выполняется лишь в областях перехода между заметными по длине участками постоянной связи линий (в областях перехода от одной ступени постоянной связи к соседней ступени с другим постоянным уровнем связи). К тому же за счет плавных изменений погонных параметров лишь на стыках ступеней реализуется амплитудно-частотная характеристика выходных сигналов с неодинаковой неравномерностью по диапазону. В результате полоса частот равномерного деления мощности ограничена величиной коэффициента перекрытия порядка 5-6, что является недостаточным для многих применений в радиолокации и радионавигации. Известен также полосковый направленный ответвитель, описанный в работе: Фельдштейн А. Л. , Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М. : Связь, 1971 г., стр. 285-286, рис. 8.17. Этот ответвитель обеспечивает ослабление третьей и четвертой гармоник основной частоты не менее 20 дБ. В полосе рабочих частот ответвитель имеет неравномерность 0,5 дБ, при этом относительная полоса пропускания не превышает 15%. Конструктивно направленный ответвитель выполнен в печатном исполнении на симметричных полосковых линиях, когда связь проводников в центральной зоне ответвителя осуществляется за счет краевых емкостей кромок полосок. Однако несмотря на приемлемый уровень согласования (Кст.U![полосковый направленный ответвитель, патент № 2174729](/images/patents/297/2174066/8773.gif)
![полосковый направленный ответвитель, патент № 2174729](/images/patents/297/2174066/8773.gif)
![полосковый направленный ответвитель, патент № 2174729](/images/patents/297/2174013/949.gif)
N(x) = W(-x); S(x) = s(-x). Два угла заготовки скошены для лучшей ориентации фотошаблонов обеих сторон в процессе фотолитографии и последующей химико-технологической обработки фольгированного слоя 3. После обработки и формирования линий 1 и 2 слой 3 размещается между двумя основными диэлектрическими листами 5, 6 одинаковой толщины, наружные поверхности которых полностью металлизированы и плотно прилегают к заземленным пластинам корпуса 7. Верхняя крышка 8 плотно притягивается винтами 9 или припаивается (приваривается) по периметру корпуса. В качестве основных диэлектрических листов 5, 6 целесообразно использовать стандартные фольгированные диэлектрики марки ФФ-4, ФАФ-4 толщиной 2-3 мм с приблизительно той же относительной диэлектрической проницаемостью
![полосковый направленный ответвитель, патент № 2174729](/images/patents/297/2174013/949.gif)
- переходное затухание C = 20 lg (E/2U13);
- направленность D = 20 lg (U13/U12);
- вносимое затухание L = 20 lg (E/2U11). Величины этих напряжений изменяются по диапазону частот fн...fв и зависят как от характера изменения вдоль оси х ответвителя (фиг. 1) собственных погонных емкостей и индуктивностей линий передачи 1 и 2, определяемых изменяющейся шириной полосок W(x), так и от степени взаимодействия между собой половин каждой линии передачи, определяемой изменяющимся зазором S(x). Кроме того, действует и третий фактор - взаимная локальная связь между линиями 1 и 2 на участке 4 их полного наложения (но не пересечения !). В результате совместного действия трех факторов, обеспечиваемых надлежащим выбором законов изменения W(x), S(x) и размера Wmin на участке 4 полного наложения, можно добиться выполнения условия уравновешенности электрической (за счет погонных емкостей) и магнитной (за счет погонных индуктивностей) связей в линиях передачи 1 и 2. Наличие электромагнитной связи между половинами каждой линии способствует формированию более равномерной и широкополосной частотной характеристики переходного затухания C при одинаковых с прототипом продольном геометрическом размере L (фиг. 1) вследствие более благоприятных амплитудных и фазовых соотношений между интерферирующими составляющими волновых процессов. При этом величина напряжения U12 на нагрузке R12 составляет не более (0,001. ..0,01)Е и ею можно принебречь (теоретически U12=0). Тогда мощность источника сигнала P=E2/4R распределится между нагрузками R11, R13 (обозначения мощностей соответственно P11, P13) в определенном соотношении, причем будет выполняться равенство P = P11 + P13; что означает хорошее (теоретически - идеальное) согласование источника сигнала с входным для рассматриваемого случая плечом 10 ответвителя. Расчет законов изменения геометрических размеров W(x), S(x), а также величин Wmin, Smin (фиг. 1) полосковой структуры производится численными электродинамическими методами с использованием разработанного заявителем пакета программ проектирования полосковых ответвителей. В основе применяемых алгоритмов лежит представление линий с плавно изменяющимися размерами W(x) и S(x) (фиг. 2, поз. 14 и 15) ступенчатой структурой с большим числом ступеней N (фиг. 2, поз. 16, 17). При этом значения ступенчатых размеров Wi, Si (i = 1, 2, ..., N) считаются совпадающими со значениями плавных размеров Wi(x), Si(x) (i = 1, 2, ..., N) в серединах участков разбиения (ступеней). В пределе при N
![полосковый направленный ответвитель, патент № 2174729](/images/patents/297/2174079/8594.gif)
![полосковый направленный ответвитель, патент № 2174729](/images/patents/297/2174076/8734.gif)
![полосковый направленный ответвитель, патент № 2174729](/images/patents/297/2174729/2174729-2t.gif)
![полосковый направленный ответвитель, патент № 2174729](/images/patents/297/2174729/2174729-3t.gif)
где Wm, Sm (m = 0,1,...,M) - числовые коэффициенты при соответствующей степени переменной x. В процессе оптимизации по заданным параметрам частотной характеристики переходного затухания C и необходимому числу ступеней N численными методами рассчитываются значения Wi(x), Si(x), а затем по выбранной из соображений конструктивно-технологической реализации наибольшей степени М полиномов находятся функции W(x), S(x). Структура заявляемого ответвителя, отличительной особенностью которого является наличие электромагнитной связи между половинами каждой линии передачи 1 и 2, такова, что при выполнении условия уравновешенности электрической и магнитной связей удается обеспечить при одинаковых с прототипом продольном размере L в полтора раза большую широкополосность, достигающую значений f = fв/fн = 9...11. Для экспериментальных исследований был изготовлен на пленке ФЗ-МФ2 (толщина 0,27 мм) образец заявляемого ответвителя, имеющего в полосе частот fн= 600. . . fв=6000 МГц переходное затухание C=6 дБ при неравномерности
![полосковый направленный ответвитель, патент № 2174729](/images/patents/297/2174013/948.gif)
![полосковый направленный ответвитель, патент № 2174729](/images/patents/297/2174729/2174729-4t.gif)
![полосковый направленный ответвитель, патент № 2174729](/images/patents/297/2174729/2174729-5t.gif)
= 20lg2 = 6дБ.
Основные диэлектрические листы 5, 6 из материала ФАФ-4 имеют толщину 3 мм, так что суммарная толщина диэлектрического "сэндвича" при пренебрежимо малой (порядка 20 мкм) толщине медной фольги составила 6,27 мм. В конструкции использовались коаксиально-полосковые переходы Э2-116/1, т.к. волновое сопротивление антенно-фидерного тракта составляло 50 Ом. Начальные значения геометрических размеров составили:
Wmin=1,1 мм; Smin=0,2 мм. Начиная с этих значений размеры W(x), S(x) возрастали, принимая для N=25 следующие значения в пяти промежуточных точках i:
i = 3: W3(x) = 1,4 мм; S3(x) = 0,5 мм;
i = 8: W8(x) = 2,1 мм; S8(x) = 1,3 мм;
i = 13: W13(x) = 3,2 мм; S13(x) = 2,9 мм;
i = 18: W18(x) = 4,1 мм; S18(x) = 4,1 мм;
i = 23: W23(x) = 4,8 мм; S23(x) = 5,8 мм;
Результаты экспериментальных исследований переходного затухания C изготовленного ответвителя (фиг. 3, поз. 18 - теория, поз. 19 - эксперимент) свидетельствуют о его перспективности для практического использования в широкополосных устройствах связи, телекоммуникаций и радиолокации.
Класс H01P5/18 состоящие из двух связанных линий, например направленные ответвители