ТРАНСНАПРАВЛЕННЫЙ ОТВЕТВИТЕЛЬ НА СВЯЗАННЫХ ЛИНИЯХ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПЛАТОЙ

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и может быть использовано в качестве делителя или сумматора мощности при разработке балансных усилителей, фазовращателей, квадратурных модуляторов в приемопередающих трактах радиоэлектронных систем, а также в диаграммообразующих устройствах фазированных антенных решеток.

Транснаправленный ответвитель на связанных линиях или другими словами ответвитель третьего типа направленности [1] представляет собой четырехплечее устройство, у которого все плечи согласованы, и при возбуждении одного плеча, условно располагаемого на ближнем конце основной линии и называемого входным, вся энергия передается в два выходных плеча, называемых ближним связанным и дальним выходным плечами, находящимися на противоположных концах связанной линии, при этом в оставшееся плечо, находящееся на дальнем конце основной линии и называемое развязанным, не доходит никакой энергии (фиг. 1). Транснаправленный ответвитель на связанных линиях имеет главное преимущество - полную гальваническую развязку входного плеча и обоих выходных плеч.

Известна конструкция направленного ответвителя на связанных линиях передачи с лицевой связью, которая изготавливается путем установки вертикальной печатной платы на основную горизонтальную плату [2], при этом ответвитель работает в противонаправленном режиме и не имеет гальванической развязки входного и выходных плеч. Еще известна подобная конструкция ответвителя на связанных линиях, содержащая основную монтажную плату и смонтированную перпендикулярно ей монтажную плату ответвителя [3]. Этот ответвитель тоже работает в противонаправленном режиме, без гальванической развязки. Основные усилия в совершенствовании указанных конструкций направлены на выравнивание скоростей нормальных (синфазной и противофазной) волн, их применение в качестве транснаправленных ответвителей не представляется возможным и ранее не предлагалось.

Тем не менее ответвитель на связанных микрополосковых линиях, изначально функционирующий как транснаправленный, описан, например, в [4]. Он использует периодически включенные между линиями сосредоточенные элементы - конденсаторы. Кроме того, дополнительно введены искусственные дефекты в заземленном основании и подводящие экранированные несимметричные копланарные линии для повышения направленности и улучшения согласования. При этом конструкция весьма сложна. В [5] предложен транснаправленный ответвитель с параллельными конденсаторами и дополнительно введенными продольными индуктивностями с целью миниатюризации, но эта конструкция критична к точности изготовления. В [6] описана еще одна конструкция транснаправленного ответвителя с развязкой по постоянному току, которая отличается интегральным формированием конструктивных конденсаторов. Однако многослойная конструкция обусловливает сложную технологию изготовления. Как видим, все представленные аналоги транснаправленного ответвителя на связанных линиях отличаются сложностью конструкции и требуют межлинейных конденсаторов.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа в связи со схожестью выполняемой функции, является транснаправленный ответвитель, описанный в [7], который содержит четыре подводящие микрополосковые линии, подключенные к отрезку связанных микрополосковых линий, периодически шунтированных тремя или более межлинейными конденсаторами. Последние поддерживают как фазовую, так и импедансную связь, позволяющую обеспечить транснаправленный режим работы.

Основной недостаток этого ответвителя состоит в том, что используемые промышленно выпускаемые конденсаторы имеют неконтролируемое (стандартное) и несовпадающее с расчетным (теоретическим) номинальное значение емкости, а также нежелательный разброс емкостей. Все это ведет к уходу рабочей частоты до 10 и более процентов, и компенсация этих погрешностей - весьма проблематична.

Технической задачей, решаемой данным изобретением, является упрощение схемы и конструкции и построение транснаправленного ответвителя на полностью распределенной структуре без сосредоточенных шунтирующих межлинейных конденсаторов, улучшение повторяемости частотных характеристик.

Поставленная задача решается с использованием того же, что и в прототипе базового компонента горизонтальной диэлектрической подложки с четырьмя подводящими микрополосковыми линиями. Однако в отличие от прототипа в предлагаемом транснаправленном ответвителе, связанные линии с сильной емкостной связью реализуются на одной вертикальной плате, установленной на горизонтальной диэлектрической подложке с окном. При этом избавляемся от трех или более навесных межлинейных конденсаторов.

Достигаемый технический результат: 1) упрощается схема и конструкция, т.к. не требуется монтажа поверхностно монтируемых межлинейных конденсаторов; 2) улучшается повторяемость частотных характеристик.

Указанный технический результат достигается тем, что заявляемый транснаправленный ответвитель содержит горизонтальную диэлектрическую подложку с четырьмя подводящими микрополосковыми линиями, на которую устанавливается вертикальная диэлектрическая плата с нанесенной с двух противоположных сторон металлизацией, образующей связанные линии с лицевой связью, подключенные к подводящим линиям. В горизонтальной диэлектрической подложке выполняется несквозное окно, проникающее до заземленного основания, при этом геометрические размеры окна и вертикальной платы задаются такими, чтобы обеспечить необходимую электромагнитную связь между связанными линиями, а также согласование с подводящими линиями. Кроме того, величина диэлектрической проницаемости материала вертикальной платы выбирается достаточно большой с тем, чтобы достичь отношения эффективных диэлектрических проницаемостей связанных линий при противофазном и синфазном возбуждениях, равного 9:1.

Повторяемость характеристик обеспечивается отсутствием межлинейных конденсаторов с неконтролируемой номинальной емкостью, а также малой погрешностью изготовления конструкции и высокой стабильностью диэлектрической проницаемости вертикальной платы.

Заявляемое устройство поясняется следующими чертежами.

Фиг. 1 - структурно-функциональная схема транснаправленного ответвителя.

Фиг. 2 - общий вид конструкции транснаправленного ответвителя по настоящему изобретению.

Фиг. 3 - поперечное сечение (а) и вид сбоку (б) конструкции транснаправленного ответвителя.

Фиг. 4 - распределение электромагнитного поля в поперечном сечении полуструктур транснаправленного ответвителя в режимах синфазного (а) и противофазного (б) возбуждений.

Фиг. 5 - распределение напряжения синфазной и противофазной волн вдоль основной линии транснаправленного ответвителя.

Фиг. 6 - экспериментально измеренные зависимости S-параметров транснаправленного ответвителя от частоты.

Фиг. 7 - измеренная разность фаз между сигналами ближнего связанного и дальнего выходного плеч транснаправленного ответвителя.

Структурно-функциональная схема транснаправленного ответвителя на связанных линиях с наименованиями линий и плеч изображена на фиг. 1.

Общий вид конструкции ответвителя согласно настоящему изобретению показан на фиг. 2. Ответвитель включает в себя горизонтальную диэлектрическую подложку 1 с четырьмя подводящими микрополосковыми линиями 2, на которую устанавливается вертикальная диэлектрическая плата 3 с нанесенной с двух противоположных сторон металлизацией, образующей связанные линии 4 с лицевой связью, подключенные к подводящим линиям 2. В горизонтальной диэлектрической подложке 1 выполняется несквозное окно 5, проникающее до заземленного основания 6. При этом геометрические размеры окна 5 и вертикальной платы 3, включая ее толщину, ширину и расстояние до заземленного основания, задаются такими, чтобы обеспечить необходимую электромагнитную связь между связанными линиями, а также согласование с подводящими линиями. Кроме того, величина диэлектрической проницаемости ε_r материала вертикальной платы 3 выбирается достаточно большой с тем, чтобы достичь отношения эффективных диэлектрических проницаемостей связанных линий при противофазном и синфазном возбуждениях ε_ro/ε_re, равного 9:1.

На фиг. 3 показано поперечное сечение (а) и вид сбоку (б) конструкции транснаправленного ответвителя, где обозначены его основные геометрические размеры: h - толщина вертикальной платы; w - ширина вертикальной платы, совпадающая с шириной полосковых линий с лицевой связью; s - расстояние (зазор) между вертикальной платой и заземленным основанием; ℓ - длина вертикальной платы. Вертикальная плата имеет весьма высокую (более девяти) диэлектрическую проницаемость ε_r, а окружающий ее воздух - низкую, равную примерно единице.

Конструкция ответвителя имеет межлинейную продольно-вертикальную плоскость симметрии, что позволяет применить к ней метод синфазно-противофазного возбуждения при анализе функционирования.

Принцип работы транснаправленного ответвителя на связанных линиях с вертикальной платой основан на использовании значительной разности скоростей нормальных волн при синфазном (четном, even) и противофазном (нечетном, odd) возбуждениях.

Фиг. 4 объясняет разность скоростей нормальных волн - синфазной и противофазной. Здесь показано распределение электромагнитного поля в поперечном сечении полуструктур ответвителя в режимах: а) синфазного возбуждения, когда в плоскости симметрии устанавливается магнитная (непроницаемая) стенка, и поле концентрируется прежде всего в воздухе с малой диэлектрической проницаемостью; б) противофазного возбуждения, когда в плоскости симметрии устанавливается электрическая (проводящая) стенка, и поле концентрируется прежде всего в диэлектрике вертикальной платы с высокой диэлектрической проницаемостью, образующем замедляющую среду.

Также заметим, что для обеспечения согласования связанных линий с подводящими линиями необходимо обеспечить равенство характеристического импеданса связанных линий Z₀ и импеданса подводящих линий Z_L (как правило Z_L=50 Ом). Далее, задав коэффициент связи k=1/√2=0,707 (C₁₂=3 дБ), по известным формулам находим импедансы связанных линий в режимах противофазного Z_0o и синфазного Z_0e возбуждений соответственно

Соблюдение соотношений (1) обеспечивает также равенство амплитуд нормальных волн. Кроме того, для функционирования ответвителя в транснаправленном режиме необходимо на центральной частоте полосы рабочих частот обеспечить между напряжениями противофазной и синфазной волн на дальнем плече основной линии (см. фиг. 1) фазовый сдвиг, равный π (180 град.)

где θ_o, θ_е - электрические длины линий для противофазной и синфазной волн соответственно. Далее, принимая во внимание известные пропорции между электрической длиной θ, скоростью электромагнитной волны в среде ν и относительной диэлектрической проницаемостью e_r

θ~1/ν~√ε_r,

формулируем варианты условия транснаправленности связанных линий

где ν_e, ν_o - скорости синфазной и противофазной волн соответственно; e_ro, e_re - эффективные диэлектрические проницаемости связанных линий при противофазном и синфазном возбуждениях соответственно. Выполнение условия (3) необходимо для работы ответвителя в транснаправленном режиме.

Фиг. 5 иллюстрирует мгновенное распределение напряжений синфазной и противофазной волн вдоль основной линии транснаправленного ответвителя в зависимости от электрической длины синфазной волны на центральной частоте полосы рабочих частот. График показывает, что когда синфазная волна, распространяющаяся прежде всего в воздухе и являющаяся «быстрой», обретает фазовый сдвиг θ_е=π/2=1,57 рад. (90 град.), противофазная волна, распространяющаяся прежде всего в диэлектрике вертикальной платы и являющаяся троекратно замедленной, набирает фазовый сдвиг θ_o=3π/2 (270 град.). Отсюда следует, что разность фаз между напряжениями противофазной («медленной») и синфазной («быстрой») и волн на выходе основной линии на центральной частоте полосы достигает π (180 град.), и полное напряжение становится равным нулю. Следовательно, дальнее плечо основной линии можно определить как развязанное плечо (см. фиг. 1).

Для экспериментальной проверки работоспособности предлагаемого ответвителя был изготовлен макет со следующими параметрами конструкции (см. фиг. 2 и 3): относительная диэлектрическая проницаемость вертикальной платы ε_r=16; толщина вертикальной платы h=1 мм; ее ширина, совпадающая с шириной полосковых линий с лицевой связью w=2 мм; расстояние (зазор) между вертикальной платой и заземленным основанием s=0,5 мм; длина вертикальной платы ℓ=28 мм. Габариты горизонтальной подложки - 24×44×1 мм³, размеры несквозного окна в горизонтальной подложке - 11×24 мм², ширина подводящих линий - 1,75 мм. Материал вертикальной платы - ФЛАН-16 производства ЗАО «Завод «Молдавизолит»» (г. Тирасполь, Приднестровская Молдавская Республика), материал горизонтальной подложки - ФЛАН-5 от того же производителя. Моделирование описанной конструкции методом численных конформных преобразований [8] дало следующие результаты: Z₀=48,4 Ом; С₁₂=2,32 дБ; ε_re=1,10; ε_ro/ε_re=8,25.

Экспериментально измеренные зависимости S-параметров ответвителя от частоты показаны на фиг. 6. Из графиков видно, что центральная рабочая частота близка к 2,8 ГГц. При амплитудном балансе между выходными плечами 2 и 4 (3,4±0,7) дБ полоса рабочих частот составляет 2,272-3,182 ГГц (33%). Важно заметить, что характеристики возвратных потерь и развязки практически совпадают, и их уровни имеют величину не хуже 20 дБ в полосе частот 2,666-2,996 ГГц (12%), а также не хуже 15 дБ в полосе частот 2,37-3,15 ГГц (28%).

На фиг. 7 показано, что измеренная разность фаз между сигналами ближнего связанного 2 и дальнего выходного плеч 4 ответвителя (см. фиг. 1) составляет (90±1) град в полосе частот 2,31-2,91 ГГц (23%), т.е. транснаправленный ответвитель является также и квадратурным.

Таким образом, эксперимент подтвердил, что предлагаемый транснаправленный ответвитель на связанных линиях с вертикальной платой реализуем, работоспособен и весьма эффективен.

Несомненно, что другие альтернативные варианты могут быть созданы специалистами в данной области техники. Однако должно быть понятно, что изобретение не огранивается описанным вариантом осуществления и охватывает модификации, очевидные специалистам в данной области техники, которые находятся в пределах сущности и объема заявляемой формулы изобретения.

Список использованных источников

1. Сазонов Д.М., Гридин А.Н., Мишустин Б.А. Устройства СВЧ: Учеб. пособие / Под ред. Д.М. Сазонова. - М.: Высш. школа, 1981. - 295 с.

2. Konishi Y.K. et al. A directional coupler of a vertically installed planar circuit structure // IEEE Trans., 1988, Vol. MTT - 36. - No. 6. - P. 1057-1063.

3. Пат. 2265260 РФ. Направленный ответвитель для поверхностного монтажа / Д. Бородулин, Т. Диттмер, Дж. Кабрера; Патентообладатель Харрис Корпорейшн (US). - 2004107656/09; заявл. 12.08.2002; опубл. 27.11.2005. Бюл. №33. - 18 с.

4. Wang Ζ., Liu H., Wang Q. A novel 3-dB trans-directional coupler with DGS and conductor-backed asymmetric coplanar waveguides // Frequenz, 2013, Vo. 67, Issue 3-4, P. 67-72.

5. Liu H., Fang S., Wang Z., Zhou Y. Miniaturization of trans-directional coupled line couplers using series inductors // Progress in Electromagnetics Research C, 2014, Vol. 46, P. 171-177.

6. Turalchuk P., Munina I., Vendik I., Ni J., Hong J. DC isolated directional coupler // European Microwave Week 2014 - Proc. of the 44th Eur. Microwave Conf., 6-9 Oct. 2014, Rome, Italy. - P. 93-95.

7. Shie C.-I., Cheng J.-C, Chou S.-C. et. al. Transdirectional coupled-line couplers implemented by periodical shunt capacitors // IEEE Trans., 2009, Vol. MTT-57. - No. 12. - P. 2981-2988.

8. Сычев A.H., Долгушин Μ.Ε. Анализ линий с лицевой связью на вертикальной подложке с использованием численных конформных преобразований // 20-я Международ. Крымская конф. «СВЧ-техника и телекоммуникац. технологии» (Крымико′ 2010): материалы конф. (Севастополь, 13-17 сент. 2010 г.). Севастополь: Вебер, 2010. - С. 636-638.