Результат интеллектуальной деятельности: Способ измерения частотной зависимости фазовых скоростей синфазных и противофазных волн в связанных линиях с неуравновешенной электромагнитной связью

Изобретение относится к технике СВЧ, конкретно к способам измерения частотной зависимости фазовых скоростей синфазных и противофазных волн в связанных линиях.

Известен способ измерения фазовых скоростей синфазных и противофазных волн в связанных полосковых линиях (СПЛ) путем измерения резонансных частот связанных отрезков [J. G. Richings and B. Easter, “Measured odd- and even-mode dispersion of coupled microstrip lines,” IEEE Trans. Microw. Theory Techn.,vol. MTT-23, no. 10, pp. 826-828, Oct. 1975.]. Для определения частотной зависимости фазовых скоростей синфазных и противофазных волн необходимо измерять образцы разной длины, так как определяется «фундаментальный» полуволновый резонанс. Применение разных образцов вносит дополнительные погрешности в измерения. Недостатком данного способа является также необходимость определять резонансные частоты в двух разных режимах возбуждения, что связано с переключением коаксиально-полосковых разъемов и соединительных коаксиальных кабелей.

Способ, основанный на измерении резонансных частот кольцевого резонатора из двух связанных линий описан в статье Gould J.W., Talboys T.C. Even- and odd-mode guide wavelengths of coupled lines in microstrip // IElectronics Letter, 9^th March 1972, vol. 8, no 5, pp. 121, 122. Недостаток данного способа заключается в том, что в кольце связанные линии имеют разную физическую длину и, следовательно, разную электрическую длину. В результате могут наблюдаться два близко расположенных резонанса, что свидетельствует о невозможности обеспечения «чистых» режимов возбуждения синфазных и противофазных волн. Как следствие, приходится вводить поправочные коэффициенты при определении электрических длин, а в конечном итоге - фазовых скоростей синфазной и противофазной волн. Эти поправочные коэффициенты пропорциональны отношению близких резонансных частот.

Наиболее близким к заявленному является выбранный за прототип способ измерения в результате расчета и экспериментального измерения коэффициента отражения от образца, содержащего соединительные линии и C-секцию на основе связанных линий [Alberto Hernandez-Escobar, Elena Abdo-Sanchez, Teresa M. Mfrtin-Guerrero, Carlos Camacho-Penalosa. Broadband Determination of the Even- and Odd-Mode Propagation Constants of Coupled Lines Based on Two-Port Measurements // IEEE Trans. Microw. Theory Techn, Vol 68, Issue 2, pp. 648 - 654, Feb. 2020. DOI 10.1109/TMTT.2019.2952115]. Недостатки данного способа связаны с особенностями частотных характеристик C-секции при неоднородном диэлектрическом заполнении в поперечном сечении связанных линий. На частоте, соответствующей сдвигу фазы 90 град в каждой из связанных линий возникает резонанс вследствие интерференции волн, распространяющихся с разными фазовыми скоростями. Поэтому авторы способа ограничивают длину связанных линий так, чтобы не достигать частоты резонанса, на которой невозможно применить алгоритм расчета зависимости коэффициентов распространения от частоты. С целью получения коэффициентов распространения в более широком диапазоне частот в упомянутой выше работе применяется несколько образцов с разной длиной связанных линий, что фактически изменяет условия проведения эксперимента. Это является основным недостатком способа определения коэффициентов распространения синфазной (четной) и противофазной (нечетной) волн.

Предлагается способ однопозиционного измерения частотной зависимости фазовых скоростей нормальных волн в связанных линиях с неуравновешенной электромагнитной связью, при котором используются резонансы полоскового проводника, отличающийся тем, что определяются резонансные частоты секции связанных линий, в которой первая полоска является токонесущей и включается между входом и выходом объекта испытаний, а вторая полоска, связанная с токонесущей полоской, находится под плавающим потенциалом с граничными условиями холостого хода на обоих концах, при этом рассчитываются частотные характеристики секции связанных линий, определяются расчетные резонансные частоты , соответствующие минимуму коэффициента передачи секции , затем измеряется экспериментальная частотная зависимость , определяются экспериментальные значения резонансных частот из условия минимума , последовательно на каждой из резонансных частот производится сравнение экспериментальных значений и расчетных значений частот . При несовпадении и производится вариация первичных параметров в виде матрицы емкостей С и матрицы индуктивностей L, использованных ранее при расчете частотных характеристик секции связанных линий, до совпадения с из условия где - погрешность несовпадения резонансных частот, полученных в результате вариации на каждой из резонансных частот. Матрицы и при переходе от начальной частоты к каждой следующей частоте образуют множество, необходимое для определения вторичных параметров через первичные параметры, каковыми являются и . Поскольку возможна потеря устойчивости при коррекции матриц емкостей С и матрицы индуктивностей L связанных линий, при очередном переходе от одной резонансной частоты к другой проверяется условие устойчивости решения , где - наибольшее отклонение расчетных значений от . После выполнения условия с на всех частотах и проверки условия устойчивости с использованием откорректированных значений и на каждой из частот рассчитываются эффективные диэлектрические проницаемости синфазных и противофазных волн

,

,

где , - коэффициенты корректированной матрицы индуктивностей , , - коэффициенты корректированной матрицы емкостей, с - скорость света. Затем рассчитываются фазовые скорости синфазных и противофазных волн на каждой из частот

, .

Техническим результатом является расширение частотного диапазона при однопозиционном измерении фазовых скоростей синфазных и противофазных волн в связанных линиях с неуравновешенной электромагнитной связью.

На фиг. 1 показана эквивалентная схема секции связанных полосковых линий, моделируемая и экспериментально исследуемая для подтверждения реализуемости заявляемого способа. Секция состоит из двух параллельных полосок I и II длиной м и двух соединительных полосок длиной м. В секции полоска I является токонесущей, она включается через соединительную полоску с входом (порт 1), противоположным концом через другую соединительную полоску с выходом (порт 3). Полоска II, связанная с токонесущей полоской I, находится под плавающим потенциалом с граничными условиями холостого хода на обоих концах (порты 2 и 4).

На фиг. 2 показано поперечное сечение секции связанных полосковых линий. Параметры проводников структуры: ширина горизонтальных проводников мм; ширина вертикальных проводников мм; толщина горизонтальной подложки мм; толщина вертикальной подложки мм; ширина горизонтальной подложки мм; относительные диэлектрические проницаемости , ε_r2=6,15.

На фиг. 3 показан изготовленный макет СПЛ, в котором горизонтальная подложка сделана из фольгированного материала FR-4 размером 60×24 мм с диэлектрической проницаемостью , а вертикальная из материала RO-4360 G2 с диэлектрической проницаемостью 6,15.

На фиг. 4 показана пунктиром измеренная частотная зависимость коэффициента передачи секции в виде модуля коэффициента матрицы рассеяния , а также сплошной линией показана рассчитанная частотная зависимость . На графиках размечены экспериментально полученные резонансные частоты () и расчетные резонансные частоты ().

На фиг 5 показан результат приближения к исходя из условия путем определения скорректированных матриц первичных параметров и по отношению к использованным ранее при вычислении частотных характеристик, показанных на фиг. 4.

На фиг. 6 показан результат приближения к исходя из условия путем определения скорректированных матриц первичных параметров и по отношению к использованным ранее при вычислении частотных характеристик, показанных на фиг. 4.

На фиг. 7 показан результат приближения к исходя из условия путем определения скорректированных матриц первичных параметров и по отношению к использованным ранее при вычислении частотных характеристик, показанных на фиг. 4.

На фиг. 8 показан результат приближения к исходя из условия путем определения скорректированных матриц первичных параметров и по отношению к использованным ранее при вычислении частотных характеристик, показанных на фиг. 4.

На фиг. 9 показан результат приближения к исходя из условия путем определения скорректированных матриц первичных параметров и по отношению к использованным ранее при вычислении частотных характеристик, показанных на фиг. 4.

На фиг. 10 показан результат приближения к исходя из условия и условия устойчивости путем определения скорректированных матриц первичных параметров и по отношению к использованным ранее при вычислении частотных характеристик, показанных на фиг. 4.

На фиг. 11 показан точками с последующей линейной аппроксимацией результат определения частотной зависимости фазовых скоростей синфазной и противофазной волн, отношения фазовых скоростей в связанных линиях с неуравновешенной электромагнитной связью на отсчетных значения в диапазоне частот до 7 ГГц.

Предлагаемый способ измерения частотной зависимости фазовых скоростей синфазных и противофазных волн в связанных линиях с неуравновешенной электромагнитной связью состоит в следующей последовательности действий. Производят изготовление тестируемой секции связанных линий (фиг. 1), в которой первая полоска I является токонесущей, она включается через соединительную полоску длиной с входом (порт 1) и через вторую соединительную полоску с выходом (порт 3) секции, а вторая полоска II, электромагнитно связанная с токонесущей полоской, находится под плавающим потенциалом с граничными условиями холостого хода на обоих концах (порты 2 и 4). Конструкция поперечного сечения полосок I и II показана на фиг. 2. Параметры проводников в поперечном сечении: ширина горизонтальных проводников мм; ширина вертикальных проводников мм; толщина горизонтальной подложки мм; толщина вертикальной подложки мм; ширина горизонтальной подложки мм; относительные диэлектрические проницаемости , ε_r2=6,15. Внешний вид секции связанных линий показан на фиг. 3. На векторном анализаторе цепей измеряется коэффициент передачи в виде модуля коэффициента матрицы рассеяния в широком диапазоне частот, определяются экспериментальные значения резонансных частот из условия минимума . Пример измерений показан на фиг. 4 (пунктирная кривая). Индекс - номер резонанса, начиная с самого низкочастотного и заканчивая высокочастотным в частотном диапазоне измерений до 8 ГГц. Затем рассчитывается частотная зависимость коэффициента передачи по приближенно определенным первичным параметрам в виде матриц емкостей , индуктивностей , сопротивлений и проводимостей . Зависимости были рассчитаны при следующих значениях матриц: Ф/м, Гн/м,

, Ом/м,

, См/м,

где =18 Ом/м, .

Расчетные значения резонансных частот определяются исходя из условия . Далее производится сравнение экспериментальных частот резонанса и вычисленных , выполняется вариация первичных параметров в виде матрицы емкостей С и матрицы индуктивностей L, используемых при расчете частотных характеристик секции связанных линий, с целью изменения до совпадения с по критерию , где - погрешность несовпадения резонансных частот, полученных в результате вариации матриц С и L. На каждой из частот получаются значения матрицы и . На фиг. 6 показан результат вариации матриц и до выполнения условия .

При и м получено .

На фиг. 5 в выделенном квадрате показаны частотные зависимости и во всем частотном диапазоне для проверки условия устойчивости . Графически это иллюстрируется не увеличением расхождения с по сравнению частотной зависимостью, показанной на фиг. 4. При переходе от начальной частоты к каждой следующей частоте проверяется таким же образом условие и условие устойчивости решения , где - наибольшее отклонение расчетных значений от после выполнения условия на всех частотах , что иллюстрируется на фиг. 5 - 9. В результате получается множество откорректированных значений и и на каждой из частот удовлетворяется условие , а частотные зависимости и удовлетворяют условию устойчивости при любых из и (фиг. 10). Далее рассчитываются эффективные диэлектрические проницаемости синфазных и противофазных волн

,

,

где , - коэффициенты корректированных матриц индуктивностей ; , - коэффициенты корректированных матриц емкостей , с - скорость света. Затем рассчитываются фазовые скорости синфазных и противофазных волн на каждой из частот

, .

На фиг. 11 показан результат определения частотной зависимости фазовых скоростей синфазной и противофазной волн, отношения фазовых скоростей в связанных линиях с неуравновешенной электромагнитной связью.