МИКРОПОЛОСКОВОЕ НАПРАВЛЕННОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2009 года по МПК H01P5/18 

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть использовано в радиоэлектронных приемо-передающих трактах, в частности в модульных активных фазированных решетках (АФАР) для измерения падающей и отраженной волны или управления излучаемой энергией при малых входных сигналах в микрополосковой линии передачи.

Полосковое исполнение антенных решеток позволяет повысить технологичность их конструкций, характеризующихся при этом малыми массогабаритными и стоимостными показателями.

Однако микрополосковое исполнение различных антенных и фидерных устройств приводит к повышению в них потерь, необходимости соблюдения при проектировании ограничений конструктивно-настроечного характера и чувствительности электрических параметров в них к конструктивным (геометрическим) допускам при их изготовлении (см. книгу «Антенны и устройства СВЧ (Проектирование фазированных антенных решеток)». Под ред. Д.И.Воскресенского. М., «Радио и связь», 1981, с.383, 400-403).

В связи с этим микрополосковые СВЧ-конструкции характеризуются усложнением их конструирования, а также их разнообразием, обусловленным трудностью реализации комплекса требуемых электрических параметров в одной конструкции (см. книгу «Радиопередающие устройства (Проектирование радиоэлектронной аппаратуры на интегральных микросхемах)». Под ред. О.А.Челнокова. М., «Радио и связь», 1982, с.110-111).

Так, в отдаленном аналоге заявляемого изобретения - многополюсном микрополосковом устройстве на основе направленного ответвителя, содержащего диэлектрическую подложку, на одной стороне которой размещено металлизированное основание, а на другой - подводящие проводники, подключенные к связанным проводникам, причем в основании напротив начала связанных проводников выполнена щель и со стороны связанных проводников введен дополнительный проводник, отделенный от них диэлектриком, а расстояние между связанными проводниками увеличивается в направлении к их концу, и ширина дополнительного проводника и ширина щели плавно уменьшаются в направлении к концу связанных проводников (см. авторское свидетельство СССР №1417083, Н01Р 5/18, 1988), обеспечение повышения коэффициента направленности и улучшение согласования при четном и нечетном видах возбуждения обусловило необходимость регулировочной настройки при изготовлении путем продольного перемещения дополнительного проводника при низкотехнологичной в изготовлении усложненной по форме исполнения конструкции направленного ответвителя.

Более близким аналогом, выбранным в качестве прототипа в связи со сходством выполняемой технической задачи, является микрополосковос направленное устройство на основе направленного ответвителя с входной и выходной четвертьволновыми связанными линиями, включенного своей входной линией в высокочастотный приемо-передающий тракт в качестве элемента контроля или управления (см. указанные книгу под ред. О.А.Челнокова, с.240 и книгу под ред. Д.И.Воскресенского, с.382-385).

Прототип заявляемого изобретения характеризуется общим для разнообразных микрополосковых направленных устройств неудовлетворительным состоянием решения актуальной практической проблемы конструирования и изготовления данного класса антенных и фидерных устройств, заключающейся в вышеизложенных трудностях конструктивно-регулировочного характера при реализации их требуемых электрических параметров.

Технический результат предлагаемого изобретения - повышение эффективности реализации оптимального сочетания электрических параметров устройства в условиях малых сигналов контроля или управления за счет повышения технологичности их регулирования при изготовлении устройства, имеющего несложную конструкцию, обеспечивающую на основе одного направленного ответвителя следующий комплекс высоких рабочих характеристик: при высокой направленности L₀≈25 дБ небольшое переходное ослабление L₃≤20÷25 дБ в широкой рабочей полосе частот Δf≥20%f₀ (f₀ - средняя частота сигналов) в L-диапазоне.

Указанный технический результат достигается тем, что в микрополосковом направленном устройстве на основе направленного ответвителя с входной и выходной четвертьволновыми связанными линиями, включенного своей входной линией в высокочастотный приемо-передающий тракт фазированной антенной решетки в качестве элемента контроля или управления, направленный ответвитель снабжен средствами усиления направленности в широкой полосе частот в условиях слабых сигналов контроля или управления в виде трех емкостных пластин, щели в металлизированном основании диэлектрической подложки ответвителя и полуволнового микрополоскового отрезка, при этом емкостные пластины распределены по длине области связи четвертьволновых линий и имеют геометрическую форму и направление их ориентации в плоскости их расположения, повышающие направленность ответвителя, две - крайние - из них расположены по одной над концами четвертьволновых связанных линий с возможностью их регулировочного смещения вдоль области связи при настройке ответвителя, третья - центральная - пластина расположена между двумя крайними пластинами симметрично им, щель выполнена под центральной емкостной пластиной с пересечением своей проекцией с четвертьволновыми связанными линиями под углом 90°, а полуволновой микрополосковый отрезок размещен между четвертьволновыми связанными линиями под тремя емкостными пластинами и нагружен со стороны входа высокочастотного тракта своим емкостным подстроенным элементом, обеспечивающим уменьшение переходного затухания ответвителя, а с другой - согласованной нагрузкой.

В частности, в микрополосковом направленном устройстве емкостные пластины ответвителя выполнены в виде металлизированных с одной стороны прямоугольных диэлектрических пластин с отношением длины к ширине, составляющим ~1,66, и сориентированы своей длиной поперек продольной центральной оси области связи четвертьволновых микрополосковых линий ответвителя, щель в металлизированном основании диэлектрической подложки ответвителя имеет длину l_щ, обеспечивающую расширение полосы частот до величины и выбираемую в пределах ее величины (средняя длина волны рабочего диапазона), а полуволновой микрополосковый отрезок имеет волновое сопротивление, равное сопротивлению входной или выходной четвертьволновых связанных линий.

Известное выполнение элементов емкостной связи, расположенных на концах четвертьволновых связанных линий в микрополосковом направленном ответвителе (см. авторское свидетельство СССР №724023, Н01Р 5/18, 1984), в виде металлических участков, нанесенных на поверхность диэлектрической подложки со стороны связанных линий, изолировано от них, и соединенных каждый с противоположной из них перемычками, а также дополнительного отрезка микрополосковой линии, размещенного между связанными линиями с превышением по длине продольного размера области связи и короткозамкнутого по всей длине с помощью сквозных штифтов на нижнюю металлизированную поверхность, значительно снижает технологичность регулировочной настройки этого ответвителя. В его конструкции для регулировки направленности предусмотрено, кроме подбираемого монтажа указанных элементов емкостной связи, изменение конфигураций концевых участков дополнительного отрезка, что недостаточно технологично и трудоемко для производства. Кроме того, дополнительный отрезок выполнен указанным образом для обеспечения большого переходного ослабления (30-40 дБ), что соответствует большей мощности направленного ответвителя ~1,0 кВт в отличие от мощности направленного ответвителя в заявляемом устройстве 1÷50 Вт и свидетельствует об ином назначении приведенного известного ответвителя, т.е. иной технической задаче объекта изобретения. Таким образом, рассмотренные конструктивные признаки - составные элементы данного ответвителя - применены в нем по иному назначению: без достижения выигрышной технологичности регулирования для обеспечения работоспособности устройства при его изготовлении и без получения при этом заявляемого оптимального сочетания рабочих характеристик (в условиях малых сигналов контроля или управления) простого в изготовлении предлагаемого заявителем микрополоскового направленного устройства. В результате чего можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».

На фиг.1 показано предлагаемое микрополосковое направленное устройство; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.

Микрополосковое направленное устройство в настоящем примере его выполнения в составе передающего модуля АФАР (см. фиг.1) содержит отрезок передающего тракта, конструктивно совмещенный с входной микрополосковой четвертьволновой линией 1 направленного ответвителя, связанной с его выходной микрополосковой четвертьволновой линией 2, подключенной точками подключения 3 к контрольному амплитудному детектору или измерителю средней мощности, не показанным на фиг.1. Указанные связанные линии выполнены на одной стороне диэлектрической подложки 4 направленного ответвителя (см. фиг.2), на которой между ними размещен также полуволновой микрополосковый отрезок 5, нагруженный со стороны входа передающего тракта своим емкостным подстроенным элементом 6, а с другой - согласованной нагрузкой 7. Направленный ответвитель снабжен тремя емкостными пластинами, выполненными в виде металлизированных с одной стороны прямоугольных диэлектрических пластин с отношением длины к ширине, составляющим ~1,66, две - крайние 8 - из которых расположены по одной над обоими концами четвертьволновых связанных линий и полуволновым микрополосковым отрезком 5 между ними с возможностью их регулировочного смещения вдоль области связи при настройке направленности ответвителя (при его изготовлении) и последующей их фиксации, а третья - центральная - пластина 9 расположена между двумя крайними пластинами 8 симметрично им и в одной плоскости с ними (с размещением пластин 8 и 9 (см. фиг.2), при котором их металлизированнная сторона отделена от поверхности связанных линий 1 и 2 и микрополоскового отрезка 5 диэлектрическим материалом пластин).

С другой стороны диэлектрической подложки 4 направленного ответвителя в ее металлизированном основании 10 выполнена щель 11 под центральным элементом 9 с пересечением своей проекцией с четвертьволновыми связанными линиями 1 и 2 и микрополосковым отрезком 5 под углом 90° и длиной, выбираемой в пределах ее величины .

При этом микрополосковый отрезок 5 имеет волновое сопротивление, равное сопротивлению входной 1 или выходной 2 связанных линий.

Микрополосковое направленное устройство работает следующим образом.

СВЧ-сигнал от усилителя мощности в составе передающего модуля АФАР поступает по передающему тракту через входную линию 1 к антенному элементу решетки для излучения импульса, а через выходную линию 2 к контрольному амплитудному детектору в зависимости от выбора точки подключения 3 для измерения падающей или отраженной электромагнитной волны.

В случае применения направленного ответвителя в качестве элемента управления микрополосковое устройство работает аналогичным образом.

Предложенная конструкция направленного устройства обеспечивает расширение полосы частот до величины в L-диапазоне, в частности в пределах 1300-1400 МГц, при указанных в техническом результате заявляемого изобретения технических характеристиках, подтверждающих хорошую работоспособность устройства и высокую технологичность ее обеспечения за счет простоты регулировочной настройки (продольным смещением емкостных пластин 8 и подстройкой элемента 6 при изготовлении) и несложности конструкции устройства.

При этом в условиях небольшой излучаемой мощности одного антенного элемента и, соответственно, малого сигнала контроля или управления требования к интервалу выбираемой ширины s_щ щели 11 снижены, которая в предложенном примере выполнения составила s_щ≈2t_n (t_n - толщина диэлектрической подложки ответвителя), что также повышает технологичность конструкции устройства, а полуволновой микрополосковый отрезок 5 (с емкостным подстроечным элементом 6 и согласованной нагрузкой 7) между четвертьволновыми связанными линиями 1 и 2 увеличивает развязку сигнала между ними и уменьшает переходное ослабление.

При этом в полосе частот, составляющей 20% от средней рабочей частоты, коэффициент стоячей волны входа и выхода направленного ответвителя составляет 1,15-1,25, переходное ослабление направленного ответвителя в пределах 22-23 дБ при направленности не менее 20 дБ и общие потери микрополоскового направленного устройства не более 0,4 дБ.

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и может быть использовано в радиоэлектронных приемо-передающих трактах. Техническим результатом является повышение технологичности регулирования электрических параметров устройства. Указанный технический результат достигается тем, что в микрополосковом направленном устройстве направленный ответвитель снабжен средствами усиления направленности в широкой полосе частот в виде трех емкостных пластин (ЕП), щели в металлизированном основании диэлектрической подложки ответвителя и полуволнового микрополоскового отрезка. ЕП распределены по длине области связи четвертьволновых линий и имеют геометрическую форму и направление их ориентации в плоскости их расположения, повышающие направленность ответвителя. Две - крайние - ЕП расположены по одной над концами четвертьволновых связанных линий с возможностью их регулировочного смещения вдоль области связи при настройке ответвителя, третья - центральная - ЕП расположена между двумя крайними ЕП симметрично им. Щель выполнена под центральной ЕП с пересечением своей проекцией с четвертьволновыми связанными линиями под углом 90°, а полуволновой микрополосковый отрезок размещен между четвертьволновыми связанными линиями под тремя ЕП и нагружен со стороны входа высокочастотного тракта своим емкостным подстроечным элементом, обеспечивающим уменьшение переходного затухания ответвителя, а с другой - согласованной нагрузкой. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Микрополосковое направленное устройство на основе направленного ответвителя с входной и выходной четвертьволновыми связанными линиями, включенного своей входной линией в высокочастотный приемопередающий тракт фазированной антенной решетки в качестве элемента контроля или управления, отличающееся тем, что направленный ответвитель снабжен средствами усиления направленности в широкой полосе частот в условиях слабых сигналов контроля или управления в виде трех емкостных пластин, щели в металлизированном основании диэлектрической подложки ответвителя и полуволнового микрополоскового отрезка, при этом емкостные пластины распределены по длине области связи четвертьволновых линий и имеют геометрическую форму и направление их ориентации в плоскости их расположения, повышающие направленность ответвителя, две крайние из них расположены по одной над концами четвертьволновых связанных линий с возможностью их регулировочного смещения вдоль области связи при настройке ответвителя, третья центральная пластина расположена между двумя крайними пластинами симметрично им, щель выполнена под центральной емкостной пластиной с пересечением своей проекцией с четвертьволновыми связанными линиями под углом 90°, а полуволновой микрополосковый отрезок размещен между четвертьволновыми связанными линиями под тремя емкостными пластинами и нагружен со стороны входа высокочастотного тракта своим емкостным подстроечным элементом, обеспечивающим уменьшение переходного затухания ответвителя, а с другой - согласованной нагрузкой.

2. Микрополосковое направленное устройство по п.1, отличающееся тем, что емкостные пластины ответвителя выполнены в виде металлизированных с одной стороны прямоугольных диэлектрических пластин с отношением длины к ширине, составляющим ~1,66, и сориентированы своей длиной поперек продольной центральной оси области связи четвертьволновых микрополосковых линий ответвителя, щель в металлизированном основании диэлектрической подложки ответвителя имеет длину l_щ, обеспечивающую расширение полосы частот до величины
,
где Δf - рабочая полоса частот;
f₀ - средняя частота сигнала,
и выбираемую в пределах ее величины
,
где λ₀ - средняя длина волны рабочего диапазона, а полуволновой микрополосковый отрезок имеет волновое сопротивление, равное сопротивлению входной или выходной четвертьволновых связанных линий.