ПОЛОСКОВЫЙ НАПРАВЛЕННЫЙ ОТВЕТВИТЕЛЬ Российский патент 2001 года по МПК H01P5/18 

Предлагаемое устройство относится к области техники СВЧ и может быть использовано в радиотехнических изделиях различного назначения в качестве элементной базы полосковых высокочастотных узлов таких как разделительно-суммирующие устройства, фазовращатели, радиочастотные мультиплексеры, фильтры и другие.

Актуальность разработки таких ответвителей обусловлена дальнейшим ужесточением требований к полосковым узлам систем связи, телекоммуникации и радиолокации в отношении их широкополосности, массогабаритных показателей и технологичности. Для обеспечения предъявляемых в дециметровом и сантиметровом диапазонах волн требований необходимо реализовать полосковые направленные ответвители с незначительной неравномерностью деления мощности в полосе пропускания не менее трех-четырех октав (соответствующий коэффициент перекрытия диапазона не менее 8...10) при высоких показателях производственной и эксплуатационной технологичности.

Известен направленный ответвитель, описанный в патенте США N 3390356, кл. 333-9, 1968 год. Этот ответвитель содержит две электромагнитно связанные коаксиальные линии передачи и имеет экспоненциально убывающий от одного конца к другому коэффициент связи. При таком характере связи обеспечивается широкополосное деление мощности с коэффициентом перекрытия, достигающим 10. Конструктивная реализация описанного ответвителя в полосковом варианте не встречает затруднений при значениях переходного затухания 7 дБ и более. Меньшие значения затухания (в частности 3 дБ - равное деление мощности), необходимые в широкополосных делителях, фильтрах и фазовращателях, этот ответвитель не обеспечивает. К тому же экспоненциальное изменение связи обусловливает неодинаковую амплитуду пульсаций частотной характеристики выходной мощности по диапазону частот: в длинноволновой (начальной) области диапазона амплитуда пульсаций более чем в 3 раза превышает уровень пульсаций в коротковолновой (конечной) области. При таком отличии амплитуды пульсаций искажения длинноволновой части спектра передаваемых сигналов в системах связи и радиолокации становятся недопустимо большими. Поэтому упомянутый ответвитель приемлем, да и то не всегда, лишь в радиоизмерительной аппаратуре, где неодинаковость пульсаций амплитудно-частотной характеристики компенсируется автоматическим регулированием уровня мощности в тракте.

Известен также полосковый направленный ответвитель, описанный в патенте США N 3528038, кл. 333-10, 1970 год. Этот ответвитель содержит две пересекающиеся в центре электромагнитно связанные линии передачи с плавно изменяющимися погонными параметрами, сформированные на противоположных сторонах тонкого слоя диэлектрика. Линии имеют полное наложение на участке пересечения в центральной их части. По мере удаления от центра ответвителя обеспечивается требуемое взаимное расположение половин линий за счет того, что полное наложение сменяется частичным перекрытием широких сторон полосок, которое, убывая до нуля, переходит в зазор на конечных участках линий. Тонкий диэлектрик со сформированными линиями размещается между двумя основными диэлектрическими листами, наружные поверхности которых полностью металлизированы и плотно прилегают к заземленным пластинам корпуса. Такое конструктивное исполнение ответвителя позволяет обеспечить постоянный, равный 90^o, сдвиг фаз между выходными сигналами во всем диапазоне рабочих частот. Однако коэффициент перекрытия этого диапазона (порядка 5-8) ограничен тем, что плавное изменение погонных параметров выполняется лишь в областях перехода между заметными по длине участками постоянной связи линий (в областях перехода от одной ступени постоянной связи к соседней ступени с другим постоянным уровнем связи). К тому же за счет плавных изменений погонных параметров лишь на стыках ступеней реализуется амплитудно-частотная характеристика выходных сигналов с неодинаковой неравномерностью по диапазону. В результате полоса частот равномерного деления мощности ограничена величиной коэффициента перекрытия порядка 5-6, что является недостаточным для многих применений в радиолокации и радионавигации.

Известен также полосковый направленный ответвитель, описанный в работе: Фельдштейн А. Л. , Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М. : Связь, 1971 г., стр. 285-286, рис. 8.17. Этот ответвитель обеспечивает ослабление третьей и четвертой гармоник основной частоты не менее 20 дБ. В полосе рабочих частот ответвитель имеет неравномерность 0,5 дБ, при этом относительная полоса пропускания не превышает 15%. Конструктивно направленный ответвитель выполнен в печатном исполнении на симметричных полосковых линиях, когда связь проводников в центральной зоне ответвителя осуществляется за счет краевых емкостей кромок полосок. Однако несмотря на приемлемый уровень согласования (К_ст.U ≤ 1,2) и направленности (D > 22 дБ) упомянутый направленный ответвитель имеет относительную полосу рабочих частот, не превышающую 20%, что существенно ограничивает область его использования в технике СВЧ.

Известен также полосковый направленный фазосдвигающий ответвитель, описанный в патенте США N 3777284, кл. 333-10, 1973 год. Этот ответвитель выполнен на пересекающихся полосковых линиях со ступенчатым или плавным изменением ширины проводников и зазоров между ними. Также ответвители позволяют получать в широком диапазоне частот (соответствующий коэффициент перекрытия порядка 5-7) требуемое соотношение амплитуд выходных сигналов в основном и вторичном каналах и заданное значение разности фаз между этими сигналами.

Однако в упомянутой полосковой конструкции фазосдвигающего ответвителя реализуются далеко не все необходимые в радиолокации и радионавигации соотношения амплитуд и разности фаз выходных сигналов из-за невыполнимо малых (единицы микрометров) зазоров между двумя полосковыми линиями вне области их пересечения. Это обстоятельство также существенно ограничивает область использования упомянутых фазосдвигающих ответвителей в технике СВЧ.

Известен также направленный ответвитель на связанных линиях с плавно изменяющимися погонными параметрами, описанный в работе: Горбачев А.П., Романов А. Н. Несимметричные направленные ответвители на связанных неоднородных линиях. Радиотехника, 1977, N 6, стр. 95-97. Этот направленный ответвитель обеспечивает полубесконечную (ограниченную со стороны нижних частот) амплитудно-частотную характеристику переходного затухания при ее неравномерности 0,5-0,7 дБ. Конструктивно упомянутый ответвитель может быть выполнен как в полосковом, так и в коаксиальном исполнении. При этом уровень согласования (К_ст.U ≤ 1,3) и направленности (D > 18 дБ) вполне приемлемы для устройств СВЧ. Однако полосковая реализация сильно связанных ответвителей (переходное затухание 3-5 дБ), необходимых для систем связи, телекоммуникаций и радиолокации затруднена вследствие невыполнимо малых (порядка 3-8 мкм) зазоров между полосковыми линиями в локальных областях связи, что препятствует широкому использованию описанных ответвителей в технике СВЧ.

Прототипом предлагаемого изобретения является направленный ответвитель из упомянутого вторым патента США N 3528038, кл. 333-10, 1970 г. Как уже отмечалось, полоса частот равномерного деления (мощности ограничена величиной коэффициента перекрытия 5-6, хотя сам ответвитель характеризуется хорошим согласованием и высокой направленностью в этой полосе частот.

Задачей предлагаемого изобретения является создание высокоэффективного полоскового направленного ответвителя, имеющего коэффициент перекрытия порядка 10.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известном полосковом направленном ответвителе, содержащем две электромагнитно связанные линии передачи с плавно изменяющимися погонными параметрами, сформированные с полным наложением обеих линий в центральной их части и требуемым расположением их половин на противоположных сторонах тонкого слоя диэлектрика, размещенного между двумя основными диэлектрическими листами, наружные поверхности которых полностью металлизированы и плотно прилегают к заземленным пластинам корпуса, при этом концы линий передачи образуют входы и выходы устройства, обе половины каждой линии передачи электромагнитно связаны между собой.

На фиг. 1 изображен предлагаемый полосковый направленный ответвитель, на фиг. 2 - частотная характеристика его переходного затухания C.

Предлагаемый направленный ответвитель (фиг. 1) содержит две электромагнитно связанные линии передачи 1 и 2 с плавно изменяющимися погонными параметрами: шириной линий W(x) и расстоянием между половинами S(x). Линии сформированы на противоположных сторонах тонкого слоя диэлектрика 3, в качестве которого целесообразно использовать стандартные двухсторонне фольгированные пленки ФЗ-МФ2, Ф4-МБСФ2 толщиной 0,12-0,27 мм с относительной диэлектрической проницаемостью ε_r =2,3-2,5. При реализации линий выполняется участок 4 полного наложения в центральной их части и требуемое расположение их половин на противоположных сторонах тонкого слоя диэлектрика 3. При этом линии 1 и 2 имеют возрастающие (начиная с некоторых минимальных значений W_min, S_min) от центральной части ширину полосок W(x) и расстояние между половинами S(x), причем координата x отсчитывается от середины участка 4 полного наложения в обе стороны вследствие вертикальной симметрии тонколистовой заготовки 3:
N(x) = W(-x); S(x) = s(-x).

Два угла заготовки скошены для лучшей ориентации фотошаблонов обеих сторон в процессе фотолитографии и последующей химико-технологической обработки фольгированного слоя 3. После обработки и формирования линий 1 и 2 слой 3 размещается между двумя основными диэлектрическими листами 5, 6 одинаковой толщины, наружные поверхности которых полностью металлизированы и плотно прилегают к заземленным пластинам корпуса 7. Верхняя крышка 8 плотно притягивается винтами 9 или припаивается (приваривается) по периметру корпуса. В качестве основных диэлектрических листов 5, 6 целесообразно использовать стандартные фольгированные диэлектрики марки ФФ-4, ФАФ-4 толщиной 2-3 мм с приблизительно той же относительной диэлектрической проницаемостью ε_r = 2,3-2,5. Концы 10, 11, 12, 13 линий передачи 1 и 2 образуют рабочие плечи направленного ответвителя, к которым подключаются внешние цепи. Подключение осуществляется с помощью стандартных коаксиально-полосковых переходов (на фиг. 1 они условно не показаны), в качестве которых рекомендуется использовать переходы Э2-116/1, Э2-116/2 при негерметичном и СРГ-50-751ФВ при герметичном исполнении конструкции корпуса и крышки. При этом обе половины каждой линии передачи электромагнитно связаны между собой за счет соответствующего выбора зазора S(x) между ними, а взаимная электромагнитная связь между линиями 1 и 2 обеспечивается на участке 4 полного наложения в центральной их части.

Принцип действия заявляемого полоскового направленного ответвителя состоит в следующем.

Пусть к концу (плечу) 10 ответвителя подключен источник сверхвысокочастотного сигнала с ЭДС Е и внутренним сопротивлением R, а к плечам 11, 12, 13 - вещественные нагрузки R₁₁, R₁₂, R₁₃. Предположим, что величина ЭДС Е остается неизменной в широкой полосе частот f_н...f_в с коэффициентом перекрытия f=f_в/f_н. Тогда при соответствующем расчете (см. ниже) сигнал делится между нагрузками R₁₁, R₁₃ плеч 11, 13 и практически не выделяется в нагрузке R₁₂ плеча 12. При этом на нагрузках оказываются приложенными соответственно напряжения U₁₁, U₁₂, U₁₃, которые определяют основные характеристики ответвителя:
- переходное затухание C = 20 lg (E/2U₁₃);
- направленность D = 20 lg (U₁₃/U₁₂);
- вносимое затухание L = 20 lg (E/2U₁₁).

Величины этих напряжений изменяются по диапазону частот f_н...f_в и зависят как от характера изменения вдоль оси х ответвителя (фиг. 1) собственных погонных емкостей и индуктивностей линий передачи 1 и 2, определяемых изменяющейся шириной полосок W(x), так и от степени взаимодействия между собой половин каждой линии передачи, определяемой изменяющимся зазором S(x). Кроме того, действует и третий фактор - взаимная локальная связь между линиями 1 и 2 на участке 4 их полного наложения (но не пересечения !). В результате совместного действия трех факторов, обеспечиваемых надлежащим выбором законов изменения W(x), S(x) и размера W_min на участке 4 полного наложения, можно добиться выполнения условия уравновешенности электрической (за счет погонных емкостей) и магнитной (за счет погонных индуктивностей) связей в линиях передачи 1 и 2.

Наличие электромагнитной связи между половинами каждой линии способствует формированию более равномерной и широкополосной частотной характеристики переходного затухания C при одинаковых с прототипом продольном геометрическом размере L (фиг. 1) вследствие более благоприятных амплитудных и фазовых соотношений между интерферирующими составляющими волновых процессов. При этом величина напряжения U₁₂ на нагрузке R₁₂ составляет не более (0,001. ..0,01)Е и ею можно принебречь (теоретически U₁₂=0). Тогда мощность источника сигнала P=E²/4R распределится между нагрузками R₁₁, R₁₃ (обозначения мощностей соответственно P₁₁, P₁₃) в определенном соотношении, причем будет выполняться равенство P = P₁₁ + P₁₃; что означает хорошее (теоретически - идеальное) согласование источника сигнала с входным для рассматриваемого случая плечом 10 ответвителя.

Расчет законов изменения геометрических размеров W(x), S(x), а также величин W_min, S_min (фиг. 1) полосковой структуры производится численными электродинамическими методами с использованием разработанного заявителем пакета программ проектирования полосковых ответвителей. В основе применяемых алгоритмов лежит представление линий с плавно изменяющимися размерами W(x) и S(x) (фиг. 2, поз. 14 и 15) ступенчатой структурой с большим числом ступеней N (фиг. 2, поз. 16, 17). При этом значения ступенчатых размеров W_i, S_i (i = 1, 2, ..., N) считаются совпадающими со значениями плавных размеров W_i(x), S_i(x) (i = 1, 2, ..., N) в серединах участков разбиения (ступеней). В пределе при N→ ∞ ступенчатая структура переходит в плавную. По известным значениям W_i(x), S_i(x) рассчитываются аппроксимирующие полиномы степени М, которые определяют функции W(x), S(x):


где W_m, S_m (m = 0,1,...,M) - числовые коэффициенты при соответствующей степени переменной x.

В процессе оптимизации по заданным параметрам частотной характеристики переходного затухания C и необходимому числу ступеней N численными методами рассчитываются значения W_i(x), S_i(x), а затем по выбранной из соображений конструктивно-технологической реализации наибольшей степени М полиномов находятся функции W(x), S(x). Структура заявляемого ответвителя, отличительной особенностью которого является наличие электромагнитной связи между половинами каждой линии передачи 1 и 2, такова, что при выполнении условия уравновешенности электрической и магнитной связей удается обеспечить при одинаковых с прототипом продольном размере L в полтора раза большую широкополосность, достигающую значений f = f_в/f_н = 9...11.

Для экспериментальных исследований был изготовлен на пленке ФЗ-МФ2 (толщина 0,27 мм) образец заявляемого ответвителя, имеющего в полосе частот f_н= 600. . . f_в=6000 МГц переходное затухание C=6 дБ при неравномерности δ = 0,25 дБ, что обеспечивает ответвление в нагрузку R₁₃ плеча 13 половины входного напряжения U₁₀ = E/2 плеча 10:


= 20lg2 = 6дБ.
Основные диэлектрические листы 5, 6 из материала ФАФ-4 имеют толщину 3 мм, так что суммарная толщина диэлектрического "сэндвича" при пренебрежимо малой (порядка 20 мкм) толщине медной фольги составила 6,27 мм. В конструкции использовались коаксиально-полосковые переходы Э2-116/1, т.к. волновое сопротивление антенно-фидерного тракта составляло 50 Ом. Начальные значения геометрических размеров составили:
W_min=1,1 мм; S_min=0,2 мм.

Начиная с этих значений размеры W(x), S(x) возрастали, принимая для N=25 следующие значения в пяти промежуточных точках i:
i = 3: W₃(x) = 1,4 мм; S₃(x) = 0,5 мм;
i = 8: W₈(x) = 2,1 мм; S₈(x) = 1,3 мм;
i = 13: W₁₃(x) = 3,2 мм; S₁₃(x) = 2,9 мм;
i = 18: W₁₈(x) = 4,1 мм; S₁₈(x) = 4,1 мм;
i = 23: W₂₃(x) = 4,8 мм; S₂₃(x) = 5,8 мм;
Результаты экспериментальных исследований переходного затухания C изготовленного ответвителя (фиг. 3, поз. 18 - теория, поз. 19 - эксперимент) свидетельствуют о его перспективности для практического использования в широкополосных устройствах связи, телекоммуникаций и радиолокации.

Изобретение может быть использовано в широкополосных системах радиосвязи, телекоммуникаций и радиолокации. В направленном ответвителе, содержащем две электромагнитно связанные линии передачи с плавно изменяющимися погонными параметрами, сформированные на противоположных сторонах тонкого слоя диэлектрика с полным наложением линий в центральной их части, обе половины каждой линии передачи электромагнитно связаны между собой. Техническим результатом является обеспечение при одинаковом продольном размере большей широкополосности направленного ответвителя на стандартных тонких диэлектрических пленках и основных диэлектрических листах, позволяя реализовать коэффициенты перекрытия диапазона порядка 10. 3 ил.

Полосковый направленный ответвитель, содержащий две электромагнитно связанные линии передачи с плавно изменяющимися погонными параметрами, сформированные с полным наложением обеих линий в центральной их части и требуемым расположением их половин на противоположных сторонах тонкого слоя диэлектрика, размещенного между двумя основными диэлектрическими листами, наружные поверхности которых полностью металлизированы и плотно прилегают к заземленным пластинам корпуса, при этом концы линий передачи образуют входы и выходы устройства, отличающийся тем, что обе половины каждой линии передачи электромагнитно связаны между собой.