AFU_Lektsii

где y0 , y1 , y2 - ненормированные проводимости соответствующих плеч кольца и подводящих линий. После нормирования

Для наиболее распространенного гибридного кольца

S12 = S14 , тогда Y1 = Y2 = 1/ 2.

1.4.2. Двухшлейфный НО

Двухшлейфный НО показан на рис.1.7. Условие идеального согласования в терминах нормированных проводимостей имеет следующий вид:

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

1.4.3. НО на связанных линиях

Микрополосковый НО на связанных линиях, простейшая схема которого представлена на рис.1.8, является наиболее компактной и широкополосной конструкцией НО. Обычно применяется для величины переходного ослабления > 5 дБ, т.е. со слабой связью. Микрополосковый трехдецибельный НО на связанных линиях трудно реализовать из-за очень жестких технологических допусков, сложной конструкции и т.д. Так, для однозвенного (трехдецибельного) НО требуется величина зазора S ~ 10 мкм.

Рис.1.8. НО на связанных линиях

Некоторого успеха можно добиться за счет использования НО с лицевой связью, однако там очень много своих технологических трудностей.

Поиски путей создания трехдецибельного НО на связанных ЛП привели к весьма оригинальной схеме так называемого тандемного соединения двух НО, каждый из которых имеет относительно слабую связь (~ 8,343 дБ), как показано на рис.1.9.

Рис.1.9. Тандемный НО

Для увеличения степени связи НО при минимально возможной ширине зазора существует ряд способов. Наиболее удобным является использование участков связи на перемежающихся проводниках. В таких НО, предложенных американским инженером Ланге, каждая связанная линия расчленяется на ряд полосковых параллельных проводников, соединенных между собой перемычками (воздушными мостами), как показано на рис.1.10.

Исключительной особенностью последних двух типов НО является их чрезвычайная широкополосность.

22

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

1.5. Делители и сумматоры мощности

Как правило, для деления и суммирования мощности СВЧ применяются пассивные обратимые устройства, имеющие достаточно простую конструкцию, высокую надежность, низкую стоимость, малые габариты и удобные в эксплуатации. Такие устройства в силу принципа взаимности могут быть использованы в качестве как делителей, так и сумматоров. В зависимости от схемы делители СВЧ обеспечивают равное и неравное деление мощности на два и более каналов. Делители и сумматоры находят широкое применение в фазированных антенных решетках, в передатчиках для сложения мощности генераторов, усилителях, многоканальных системах и т.д.

4 2

Рис.1.10. НО на мостах Ланге

1.5.1. Делители и сумматоры на основе НО

Если внимательно посмотреть на матрицу рассеяния [S] кольцевого НО, то видно,

что коэффициенты передачи S12 и S14 зависят от величины нормированной проводимости, что открывает путь для использования этого НО в качестве делителя мощности (ДМ). Четвертое плечо при этом нагружено на согласованную нагрузку. Вспомним, что если коэффициент деления будет m , то

23

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Необходимо отметить тот факт, что ДМ на основе НО обычно применяются при m ≠ 1. При равноамплитудном делении их применение явно невыгодно из-за больших габаритов и использования согласованных нагрузок - еще один дополнительный элемент.

1.5.2.Тройники

Вначале развития полосковой техники в качестве ДМ использовались аналоги волноводных и коаксиальных тройников. Тройник представляет собой шестиполюсное устройство и может иметь различное исполнение в зависимости от рабочей частоты, коэффициента деления мощности, полосы частот и конструктивных ограничений. Полосковым аналогом простейшего ДМ является линия передачи с волновым сопротивлением ρ0 , расщепленная на две параллельные линии, каждая из которых имеет

сопротивление 2ρ0 (рис.1.11). На основе таких ДМ могут быть построены схемы с числом выходов более двух.

2ρ0

ρ0

2ρ0

Рис.1.11. Неразвязанный делитель мощности на МПЛ

Недостатки тройников - отсутствие развязки плеч ДМ, согласование входов в узкой полосе частот (~ 5%), невозможность построения ДМ на большое число каналов (из-за технологических трудностей изготовления высокоомных проводников).

24

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

1.5.3. Кольцевой развязанный ДМ

Микрополосковый кольцевой ДМ (рис.1.12) состоит из двух четвертьволновых отрезков ЛП, которые с одной стороны соединяются между собой параллельно и подключаются к входу ЛП, а с другой - связаны между собой через активное сопротивление R, каждый из них подключен к своей подводящей ЛП.

Рассмотрим принцип действия делителя. Если возбудить плечо 3, то сигнал разделится поровну между плечами 1 и 2. При этом в силу симметрии точки Б и В эквипотенциальны и на сопротивлении R мощность не рассеивается.

Теперь предположим, что сигнал падает на вход 1. В точку В энергия попадает двумя путями: через сосредоточенное сопротивление R и через два четвертьволновых отрезка. Таким образом, в точке В обеспечивается противофазность. При определении величины сопротивления R и волнового сопротивления ρ0 можно обеспечить равенство по амплитуде двух указанных сигналов и, следовательно, полную компенсацию энергии в точке В. Тогда плечи 1 и 2 будут развязаны. При этом половина мощности поступает в плечо 3, а половина - рассеивается на сопротивлении R. Кольцевой ДМ, в отличие от тройников, имеет развязанные выходы.

ρ1

Λ4

ρ1 Λ4

Рис.1.12. Кольцевой развязанный делитель мощности

Идеальное согласование трех плеч ДМ (S11 = S22 = S33 = 0) и идеальная развязка плеч 1 и 2

(S12 = 0) получаются при условии

Y1 = 1/ 2,Y2 = 1, или ρ1 = ρ0 2, R = 2ρ0 .

В ряде устройств, таких как многоканальные делители и сумматоры мощности, антенные решетки, используются схемы, представляющие собой соединение нескольких кольцевых ДМ (рис.1.13). Наилучшие результаты получаются при расстояниях между делителями l1 = Λ / 2.

25

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Рис.1.13. Многоканальный делитель (сумматор) мощности

1.6. Фильтры СВЧ

По виду амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) фильтры разделяются на фильтры нижних частот (ФНЧ), фильтры верхних частот (ФВЧ), полосно-пропускающие фильтры (ППФ) и полосно-заграждающие фильтры (ПЗФ). На рис.1.14,а - г представлены амплитудно-частотные характеристики рабочего затухания указанных типов фильтров. Задача оптимального расчета фильтра практически сводится к его синтезу и состоит в том, чтобы получить схему фильтра, удовлетворяющую заданной частотной характеристике.

Рис.1.14. Амплитудно-частотные характеристики ФНЧ (а); ФВЧ (б); ППФ (в) и ПЗФ (г)

26

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Рассмотрим более подробно различные типы фильтров.

1.6.1. Полосно-пропускающие фильтры

Полосно-пропускающие фильтры, или, как их часто называют, полосовые фильтры не пропускают сигнал ниже частоты ω−з и выше частоты ωз . ППФ могут быть реализованы на: связанных линиях, одиночной линии с зазорами, встречных стержнях, диэлектрических резонаторах, в виде гребенки и т.д.

Мы начали рассмотрение именно с ППФ, во-первых, потому, что они имеют самое широкое применение в технике СВЧ, во-вторых, потому, что при их проектировании возникают существенные проблемы. Особенно это проявляется при проектировании ППФ для применения в приемопередающих АФАР систем связи, работающих с разнесением частот, когда необходима одновременная работа приемника и передатчика, а уровни приемной и передаваемой мощностей отличаются приблизительно на 10 - 15 порядков, что требует фильтров с уровнем запирания 60 - 100 дБ.

ППФ может быть реализован на связанных линиях (рис.1.15). Простейшим элементом такого фильтра является звено, состоящее из пары связанных линий, работающих в режиме четырехполюсника. Каждая из связанных линий чаще всего исполняется разомкнутой на конце (только из тех соображений, что ее значительно легче реализовать, чем короткозамкнутую). Варьируемыми параметрами при проектировании фильтров на связанных линиях являются длина связи l , ширина связанных линий W и величина зазора S между ними.

Рис.1.15. ППФ на связанных линиях

Следует обратить внимание, что ничего нового в проектировании и расчете ППФ на связанных линиях нет по сравнению с проектированием и расчетом НО на связанных линиях. ППФ на связанных линиях весьма чувствителен к технологическим допускам. Отклонение толщины подложки от величины h вызывает возрастание вносимых потерь и изменение ширины полосы пропускания. Ошибки в величине относительной диэлектрической проницаемости подложки в основном приводят к отклонению электрической длины всех звеньев фильтра и, следовательно, центральной частоты фильтра

27

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

относительно расчетного значения. Геометрическую длину области связи можно выдержать с достаточной точностью. В этом случае изменение частотных характеристик оказывается незначительным. Ошибки, вносимые в процессе травления, влияют на ширину W и S противоположным образом, что также приводит к минимальным изменениям характеристик фильтра. Тогда основные отклонения характеристик полоснопропускающего фильтра на связанных линиях относительно расчетных обусловлены разбросом параметров подложки ε и h. Чувствительность к допускам повышается при уменьшении полосы пропускания фильтра.

С целью снижения торцевого излучения ППФ на связанных линиях делаются на шпилечных резонаторах (рис.1.16). Подбором расстояния d уменьшается торцевое излучение.

В ряде случаев, когда имеются жесткие ограничения на ширину фильтра, целесообразно использовать в качестве фильтра одиночную линию с зазорами (рис.1.17). Однако такие фильтры проигрывают в продольных размерах, так как длина одного звена Λ/2.

Еще один тип фильтра на связанных линиях - фильтр на встречных стержнях (рис.1.18). Он состоит из печатных резонаторов, разомкнутых на одном конце и короткозамкнутых на другом. Связь между резонаторами осуществляется за счет краевых полей между соседними элементами. В таких фильтрах зазор между резонаторами достаточно большой, что не требует соблюдения жестких допусков при изготовлении.

Рис.1.16. Шпилечный ППФ

Рис.1.17. ППФ на одиночной линии с зазорами

Рис.1.18. ППФ на встречных стержнях

28

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Трудность при изготовлении - обеспечение короткого замыкания стержней. Достоинство - получение большого затухания в полосе заграждения.

Одна из серьезных проблем при проектировании фильтров - получение малых потерь в полосе пропускания. Она связана с энергетической проблемой всей системы, потому что потери фильтра - чистые потери энергетики проектируемой АФАР. Объясняется эта проблема в основном малой добротностью существующих МПЛ передачи. В последнее время найдено компромиссное решение - подводящие линии фильтра выполняются в печатном исполнении, а сами резонаторы реализуются в различном исполнении: объемные диэлектрические, на ферритовых сферах, на ультразвуковых акустических линиях и т.д.

Рассмотрим конструкцию фильтра на диэлектрических резонаторах высокой добротности (рис.1.19). Следует отметить, что добротность этого фильтра приблизительно в четыре раза выше, чем фильтра на МПЛ (добротность определяется крутизной характеристик фильтра).

Рис.1.19. ППФ на диэлектрических резонаторах

И, наконец, рассмотрим интересный, широко распространенный простейший ППФ на режекторах - отрезках шлейфов длиной, кратной Λ/2 (полосно-пропускающий фильтр), кратной нечетному числу Λ/4 (полосно-заграждающий фильтр), представленный на рис.1.20,а.

A,дБ

Рис.1.20. Режекторный фильтр (а) и его АЧХ (б)

Амплитудно-частотная характеристика такого фильтра показана на рис.1.20,б. Достоинство - простота, повторяемость, легкая настройка. Недостаток - резонансный характер АЧХ.

29

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Таким образом, режекторный фильтр может быть как ППФ, так и ПЗФ.

1.6.2. Полосно-заграждающие фильтры

Наиболее распространенным подходом при проектировании ПЗФ является переход от известной из теории цепей схемы ПЗФ на сосредоточенных параметрах, показанной на рис.1.21,а, к схеме ПЗФ на распределенных параметрах (рис.1.21,б).

ρ0

Рис.1.21. Полосно-заграждающий фильтр: а - эквивалентная схема; б - микрополосковое исполнение

Параметры ρ1,ρ2 ,l1,l2 легко рассчитываются из первой схемы. Такой фильтр наиболее употребим в диапазоне СВЧ.

Рис.1.22. Фильтр нижних частот: а - эквивалентная схема; б - микрополосковое исполнение

30

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com