МИКРОПОЛОСКОВЫЙ НАПРАВЛЕННЫЙ ОТВЕТВИТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК H01P5/18 H01L27/01 H05K1/16 

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в радиотехнических устройствах различного назначения в качестве элементной базы тонкопленочных интегральных высокочастотных узлов таких как разделительно-суммирующие устройства, радиочастотные мультиплексеры, фазовращатели, фильтры и другие.

Актуальность разработки таких ответвителей обусловлена все возрастающими требованиями к высокочастотным узлам систем связи и телекоммуникаций в отношении их широкополосности, миниатюризации, технологичности. Для обеспечения предъявляемых ныне требований необходимо реализовать тонкопленочные направленные ответвители с относительной полосой пропускания не менее 0.60 (порядка октавы) при высоком проценте выхода годных изделий.

Известен микрополосковый направленный ответвитель, описанный в работе: Малорацкий Л.Г. Явич Л.Р. "Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях", М. Сов.радио, 1972, рис. 2.14,б. Этот ответвитель, содержащий две электромагнитно связанные линии передачи, сформированные параллельно друг другу на диэлектрической подложке, без затруднений реализуется методами тонкопленочной технологии на стандартных подложках типа "Поликор", "22ХС" и т.п. Широкополосность упомянутого ответвителя определяется достижимым коэффициентом связи линий передачи, величина которого зависит от зазора между электромагнитно связанными микрополосковыми линиями, сформированными на одной из сторон диэлектрической подложки. Для керамики типа "Поликор" с относительной диэлектрической проницаемостью ε_r10 при волновом сопротивлении тракта ρ_o50 Ом его величина не превышает значения 0,5, что соответствует в логарифмическом масштабе уровню 6 дБ. В результате широкополосность описанного ответвителя характеризуется величиной полосы 22 - 25% что приемлемо лишь для узкополосных устройств.

Известен также "тандемный" микрополосковый направленный ответвитель, описанный в работе: Малорацкий Л.Г. Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ. М. Сов. радио, 1976, рис. 2.16. Этот ответвитель по существу представляет собой функциональный узел из двух идентичных вышеописанных микрополосковых ответвителей. За счет определенного порядка соединения полюсов этих ответвителей удается реализовать "тандемный" микрополосковый ответвитель с полосой пропускания 60 65% Однако, оба образующих ответвителя не должны иметь непосредственную электромагнитную связь между собой, что заставляет при практической реализации разносить их на подложке на заметные расстояния, что увеличивает габариты "тандемного" ответвителя в целом и ограничивает область его использования в технике СВЧ.

Известен также микрополосковый направленный ответвитель, описанный в работе: Б. Н. Бондаренко, В. Г. Крыжановский, И. Б. Макаренко, М.Ф.Степко "Направленный ответвитель с последовательным включением связанный линий передачи", Радиотехника, 1987, N 10, стр. 59-60. Этот ответвитель без затруднений реализуется на стандартных подложках типа "Поликор": 22ХС и т.п. Однако даже при оптимальном выборе электрических параметров этого ответвителя его относительная полоса пропускания не превышает 30% что приемлемо лишь для узкополосных систем связи и телекоммуникаций.

Прототипом предлагаемого изобретения является направленный ответвитель, описанный в упомянутой первой работе Малорацкого Л.Г. Явича Л.Р. "Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях". Как уже отмечалось, этот ответвитель обеспечивает широкополосность лишь порядка 25% хотя и характеризуется малыми габаритами и хорошей технологичностью при тонкопленочной реализации.

Задачей предлагаемого изобретения является создание высокоэффективного микрополоскового направленного ответвителя.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известный микрополосковый направленный ответвитель, содержащий две электромагнитно связанные линии передачи, сформированные параллельно друг другу на диэлектрической подложке, обратная сторона которой полностью металлизирована, дополнительно введен замкнутый кольцевой проводник, сформированный вокруг линий передачи параллельно им, при этом смежные участки кольцевого проводника и линий передачи электромагнитно связаны между собой, а концы линий передачи образуют входы и выходы направленного ответвителя.

На фиг. 1 изображена конструкция направленного ответвителя; на фиг. 2 - частотная характеристика его переходного затухания.

Предлагаемый направленный ответвитель содержит две электромагнитно связанные линии передачи 1 и 2, сформированные параллельно друг другу на диэлектрической подложке 3, обратная сторона которой полностью металлизирована слоем 4 из проводящего материала, имеющего надежное электрическое соединение с корпусом несущей конструкции прибора ("землей"). Замкнутый кольцевой проводник 5 сформирован вокруг линий передачи 1 и 2 на подложке 3 параллельно линиям. Концы 6, 7, 8, 9 линий передачи 1 и 2 образуют рабочие плечи направленного ответвителя, к которым подключаются внешние цепи. Подключение осуществляется проволочными перемычками 10, приваренными на стандартном отечественном оборудовании к концам 6, 7, 8, 9 линий передачи и соответствующим контактным площадкам 11, 12, 13, 14 внешних цепей, в качестве которых выступают подводящие линии, сосредоточенные и распределенные реактивности и нагрузки. Внутренние участки 15, 16 кольцевого проводника 5 и соответствующие смежные участки 17 линии передачи 1 и 18 линии передачи 2 электромагнитно связаны между собой по всей длине.

Принцип действия направленного ответвителя состоит в следующем.

Пусть к плечу 6 ответвителя подключается источник сигнала с э.д.с. E₆ и внутренним сопротивлением R₆, а к плечам 7, 8, 9 активные нагрузки R₇, R₈, R₉. Если предположить, что величина э.д.с. E₆ остается неизменной в широкой полосе частот f_H.f_B, то в нагрузках выделяется мощность P₇, P₈, P₉, определяемая приложенными к ним напряжениями U₇, U₈, U₉. Величина этих напряжений зависит от распределенных погонных емкостей и индуктивностей взаимодействующих линий передачи и электромагнитно связанного с ними кольцевого проводника. Подбором ширины W₁ линии передачи 1, W₂ линии передачи 2, W₅ кольцевого проводника 5, а также зазоров d₁₂, d₁₅ и d₂₅ между ними можно добиться выполнения условия уравновешенности электрической (за счет погонных емкостей) и магнитной (за счет погонных индуктивностей) связей между линиями передачи 1 и 2. Наличие замкнутого кольцевого проводника способствует усилению взаимодействия линий передачи при одинаковых с прототипом геометрических размерах W₁, W₂, d₁₂, h вследствие более благоприятных фазовых соотношений между составляющими волновых процессов, при этом величиной напряжения на нагрузке R₈ плеча 8 можно пренебречь: U₈≈0. Тогда мощность P₆ источника сигнала распределяется между нагрузками R₇ и R₉ в определенном соотношении η P₇/P₉, причем одновременно будет выполняться равенство: P₆=P₇+P₉, что означает хорошее (теоретически - идеальное) согласование источника сигнала с входным (в рассматриваемом случае) плечом 6 ответвителя.

Расчет геометрических размеров W₁, W₂, W₅, d₁₂, d₁₅, d₂₅ (фиг. 1) структуры производится численными методами электродинамики в рамках разработанного заявителем комплекса IBM-программ проектирования микрополосковых ответвителей. В результате использования циклических алгоритмов анализа и параметрической оптимизации вычисляется итоговая матрица рассеяния направленного ответвителя

элемент S₁₂ которой определяет частотную характеристику требуемого переходного затухания C:

Структура заявляемого ответвителя, отличительной особенностью которого является наличие замкнутого кольцевого проводника 5, сформированного вокруг линий передачи 1, 2 и электромагнитно связанного с ними, такова, что при выполнении условия уравновешенности электрической и магнитной связей удается обеспечить при одинаковых с прототипом зазорах d₁₂ в три раза большую широкополосность, достигающую 70%
Для испытаний был изготовлен по тонкопленочной технологии образец заявляемого ответвителя, имеющего переходное затухание C=3дБ, что обеспечивает деление мощности P₆ источника входного сигнала поровну между полезными нагрузками R₇ и R₉. Его геометрические размеры для стандартной подложки из "Поликора" ( ε_r ≈10) при условии равенства нагрузок и внутреннего сопротивления источника сигнала волновому сопротивлению тракта ρ_o50 Ом составляли:
W₁=W₂=0,55 мм; W₅=0,66 мм;
d₁₂=0,05 мм; d₁₅=d₂₅=0,07 мм
Результаты экспериментальных исследований переходного затухания C изготовленного ответвителя (фиг. 2, поз. 19 теория, поз. 20 эксперимент) свидетельствуют о его пригодности для практического использования в широкополосных системах связи и телекоммуникаций. При этом ответвитель-прототип с переходным затуханием 3 дБ вообще нереализуем.

Применение: изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиотехнических системах различного назначения в качестве элементной базы тонкопленочных высокочастотных узлов. Сущность изобретения: на диэлектрической подложке расположены две связанные линии передачи, сформированные параллельно друг другу. Обратная сторона подложки полностью металлизирована слоем из проводящего материала. Замкнутый кольцевой проводник сформирован вокруг линии передачи и электромагнитно связан с ними, что обеспечивает более технологичные размеры тонкопленочной структуры на серийно выпускаемых керамических подложках при большей широкополосности ответвителя, достигающей 70%. 1 ил.

Микрополосковый направленный ответвитель, содержащий две электромагнитно связанные линии передачи, концы которых образуют входы и выходы ответвителя и которые расположены параллельно друг другу на диэлектрической подложке, обратная сторона которой полностью металлизирована, отличающийся тем, что в него дополнительно введен замкнутый кольцевой проводник, сформированный вокруг линий передачи параллельно им, при этом смежные участки кольцевого проводника и линий передачи электромагнитно связаны между собой.