UP_Primenenie_PO_CST_Fateev

100

Рисунок 125. Результаты расчёта Sensitivity Analysis

Рассмотренный пример показывает возможности программы рассчитывать электромагнитные поля на основе введённых геометрических размеров, а также и учитывать влияние электромагнитных полей на геометрию устройства, что позволяет изучить физику происходящих внутри устройства процессов. Вместо использования Enginemode Solver подобные действия можно проводить при расчёте другим расчётным методом, анализируя частотные,

временные и др. характеристики.

101

7. Моделирование делителя мощности

Проведём расчёт активного делителя мощности (ДМ) на четыре выхода,

схема которого показана на рис. 126.

Рисунок 126. Схема делителя мощности

Реализацию ДМ можно представить в виде нескольких микрополосковых плат соединённых между собой проволочными перемычками. В качестве подводящих линий используется коаксиальный тракт, поэтому необходимо на входном и выходных плечах ДМ выполнить коаксиально-микрополосковый переход (КМП). Блок-схема делителя представлена на рис. 127.

СПсплиттер на два выхода, УМ – усилитель мощности,

КМП – коаксиально-микрополосковый переход ,

цифрой 1 обозначено входное плечо, а цифрами 2 – 5 выходные плечи ДМ.

Рисунок 127. Блок - схема делителя мощности

102

Моделирование ДМ следует начать с расчёта платы. На рис.128

приведена эквивалентная схема и топология микрополосковой платы ДМ.

а) б)

Рисунок 128. Делитель мощности на два выхода:

а) эквивалентная схема, б) топология микрополосковой платы.

Ниже представлены эквивалентные схемы для расчёта входного и выходного сопротивления плеч ДМ (рис. 129).

а) б)

Рисунок 129. Эквивалентные схемы ДМ:

а) для входного плеча, б) для выходного плеча.

Сопротивление резисторов ZР 50 Ом и сопротивление согласованной нагрузки ZН 50 Ом.

103

Рассмотрим свойства подобной структуры. Для этого необходимо рассчитать эквивалентные сопротивления для каждого плеча делителя.

Эквивалентное сопротивление для входного плеча:

Эквивалентное сопротивление для выходного плеча:

Как видно из расчётов, входное плечо полностью согласовано с волновым сопротивлением подводящего тракта, а выходные плечи рассогласованные.

Делитель мощности будет иметь следующие значения матрицы рассеяния:

S11 0; S22 S33 0.25; S21 S31 0.5 (-6 дБ) ; S22 S32 0.25 (-12 дБ).

Коэффициент стоячей волны (КСВ) для входного плеча равен:

Коэффициент стоячей волны для выходных плеч равен:

Далее следует рассчитать параметры микрополосковой линии. Волновое сопротивление линии определяется её геометрией и электромагнитными свойствами материала подложки:

где Wn- ширина центрального проводника, hn- толщина центрального проводника, hp- толщина подложки, - диэлектрическая проницаемость, -

магнитная проницаемость материала подложки.

104

В качестве материала подложки, на которой будет выполнен ДМ, будет

использоваться поликор = 9.9, = 1. Пусть толщина подложки hp= 254 мкм,

атолщина центрального проводника hn = 10 мкм.

Спомощью формулы (22) можно рассчитать ширину центрального проводника.

На рис. 130 представлена микрополосковая линия с указанными на ней размерами.

Рисунок 130. Размеры микрополосковой линии в мм

Далее создаётся модель ДМ в CST Microwave Studio. Для моделирования резистивного слоя используется материал с поверхностным сопротивлением 50

Ом/квадрат. На рис. 131 резистивный слой показан черным цветом.

105

Рисунок 131. Топология модели ДМ

Частотные характеристики ДМ приведены на рис. 132 и 133.

Рисунок 132. Частотная зависимость КСВН

106

Рисунок 133 Частотная зависимость модулей коэффициентов передачи

Основным недостатком схемы ДМ является рассогласованные выходные плечи. Добавим в эквивалентную схему ДМ сопротивление ZК рисунок 134.

Рисунок 134. Эквивалентная схема ДМ

Значение сопротивления резистора ZК определяется из условия

оптимального согласования выходных плеч (волновое сопротивление подводящей линии должно равняться эквивалентному сопротивлению выходного плеча).

ZК Z0 ZЭКВ 125 Ом.

ZЭКВ Z0

107

В формуле ZЭКВ - эквивалентное сопротивление выходного плеча без дополнительных резисторов (ZЭКВ = 83.33 Ом), а Z0 - волновое сопротивление

подводящей линии (Z0 = 50 Ом).

Подобная схема ДМ будет иметь следующие параметры:

• эквивалентное сопротивление для входного плеча ZЭКВ = 42.86 Ом;

• эквивалентное сопротивление для выходного плеча ZЭКВ = 50 Ом;

• развязка между выходными плечами S23 S32 = 0.15 (-16 дБ).

Топология модели ДМ приведена на рис.135, а её частотная зависимость КСВ и модулей коэффициентов передачи приведена на рис.136, 137.

Рисунок 135. Топология модели ДМ с дополнительными резисторами

108

Рисунок 136. Частотная зависимость КСВН

Рисунок 137. Частотная зависимость модулей коэффициентов передачи.

Из рис. 136, 137 видно, что ослабление увеличивается на 2 дБ, но при этом согласование выходных плеч ДМ улучшается.

Так как делитель будет состоять из нескольких микрополосковых плат, то необходимо рассмотреть способ соединения двух плат между собой.

Для соединения двух плат будут применяться проволочные перемычки диаметром 20 мкм. Модель соединения двух микрополосковых линий с одинаковыми диэлектрическими проницаемостями приведена на рис. 138.

109

Рисунок 138.Модель соединения двух микрополосковых линий:

а) вид сверху, б) вид сбоку.

На рис. 138 – технологический зазор, l – расстояние от края подложки до точки контакта с центральным проводником микрополосковой линии.

Минимальное значение коэффициента отражения в диапазоне частот от 0

до 20 ГГц можно получить, когда установлены три перемычки отстоящих друг от друга на расстоянии 75 мкм, l = 50 мкм. Частотная зависимость КСВ перехода между линиями приведена на рис. 139.

Рисунок 139. Частотная зависимость КСВН перехода.

Выходной ДМ на два выхода частично отличается от входного.

Выходные плечи ДМ параллельны друг другу, как показано на рис. 140.