Миниатюрный направленный ответвитель Российский патент 2023 года по МПК H01P5/18 

Изобретение относится к СВЧ технике, в частности к устройствам деления входной мощности между несколькими выходами.

Широко известны шлейфные квадратурные ответвители, содержащие диэлектрическую подложку, которая с одной стороны полностью металлизирована (экран), а с противоположной стороны расположена топология устройства, состоящая из двух параллельных линий передачи, соединенных четвертьволновыми шлейфами на расстоянии четверти длины волны друг от друга (Вольман В.И., Пименов Ю.В. Техническая электродинамика - «Связь», 1971. - 487 с.). Это устройство делит входную мощность между двумя своими выходами с требуемым коэффициентом деления и разностью фаз 90°. При этом оставшийся выход развязан. Недостатками такого ответвителя являются: значительные габариты, особенно на низких частотах, неиспользуемая площадь внутри устройства и наличие паразитных полос на более высоких частотах.

Чтобы оценить текущее состояние вопроса в области миниатюризации делителей мощности, рассмотрим некоторые работы, описывающие схемотехнические решения, которые позволяют уменьшить габариты направленных ответвителей. Можно выделить наиболее распространённые подходы к миниатюризации таких устройств – это изгибы четвертьволновых отрезков или установка инверторов (фильтров частот, неоднородных линий, фрактальных структур, двойных линий, дефектов в экране) вместо четвертьволновых отрезков. В этом случае элементы описанных структур могут быть выполнены на сосредоточенных или распределенных элементах. Для достижения высоких результатов в миниатюризации направленных ответвителей необходимо максимально использовать площадь внутри устройства.

В [Jian-An Hou and Yeong-Her Wang. Design of Compact 90 and 180 Couplers With Harmonic Suppression Using Lumped-Element Bandstop Resonators // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2010. Vol. 58, No. 11. Pp. 2932-2939] описан компактный шлейфный квадратурный мост, размеры которого уменьшены на 95% по сравнению с классической конструкцией ответвителя. Это было достигнуто за счет использования Т-образных звеньев на сосредоточенных LC элементах. Недостатком такой конструкции является то, что требуемые номиналы сосредоточенных элементов могут не соответствовать номиналам, предоставленным в специальных номинальных рядах. Кроме того, такие элементы необходимо дополнительно приобрести и устанавливать. Также сосредоточенные элементы подвержены влияниям вибрационных нагрузок, которые могут привести к отказу устройства.

Чтобы устранить описанные недостатки, вместо сосредоточенных элементов можно использовать распределенные элементы, которые могут нестандартной формы.

В [Xu He-xiu, Wang Guang-ming and Zhang Chen-xin. Compact Design of Branch-line Coupler Based on CRLH TL Combined With Fractal Shaped Geometry // 2010 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology. Chengdu, China. 2010] за счет изгиба четвертьволновых отрезков и вырезов в экране (реализация емкостей), авторам удалось уменьшить габариты моста на 75,8% по сравнению с габаритами традиционного устройства. Недостатком такого подхода является необходимость конструктивных изменений платы с обеих сторон — со стороны экрана и со стороны топологии устройства.

В [Chi-Hsing Wu and Chao-Hsiung Tseng. A Compact Branch-Line Coupler Using π-Equivalent Shunt-Stub Based Artificial Transmission Lines // Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference 2010. Yokohama, Japan. 2010] предложен мост, полученный за счет использования изогнутых шлейфов холостого хода. Это позволило уменьшить площадь моста на 92%. Недостатком такого подхода являются высокие требования к точности изготовления топологии устройства.

Для того чтобы увеличить процент уменьшения размеров направленных ответвителей переходят от размещения элементов в одном слое к размещению элементов в нескольких слоях подложки (многослойные подложки).

В [Greg Brzezina and Langis Roy. A Miniature Lumped Element LTCC Quadrature Hybrid Coupler for GPS Applications // 2008 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. San Diego, CA, USA. 2008] исследована конструкция ответвителя, которая получена путем замены четвертьволновых отрезков на LC-элементы, расположенными в нескольких слоях подложки. Предложенная конструкция ответвителя на 95% меньше традиционной конструкции. Недостатками предлагаемой конструкции являются сложность расчета и проектирования, а также высокие требования к точности изготовления топологии устройства.

Для миниатюризации направленных ответвителей лучше использовать фильтры нижних частот, выполненные по Т- (индуктивность, емкость, индуктивность – LCL) и/или П- (емкость, индуктивность, емкость –CLC) образной схеме, так как их довольно легко рассчитать под требуемые параметры. Однако если все элементы фильтра расположены в одном слое, то предел миниатюризации ответвителя наступит, когда все элементы фильтра займут площадь внутри устройства. В этом случае дальнейшее уменьшение габаритов направленного ответвителя может быть достигнуто за счет дополнительных вырезов по периметру емкостных элементов фильтров. Также такое решение можно использовать для настройки изготовленного компактного ответвителя на требуемые характеристики (например, если центральная частота ответвителя ниже заданной, то можно снять лишнюю металлизацию с емкостных элементов и тем самым уменьшить номиналы емкостей в схеме фильтров, а если, наоборот, центральная частота выше указанной, то можно увеличить номиналы емкостей, добавив описанные вырезы). Этот способ повышения возможностей миниатюризации направленных ответвителей слабо освещен в литературе и его можно считать неочевиден для специалистов. Так как основной объем работ, посвященных уменьшению габаритов ответвителей, связан с заменых четвертьволновых отрезков на отрезки длинной линии (фильтры нижних частот, реализованные по Т- или П-образной схеме).

Известен компактный направленный ответвитель, который содержит диэлектрическую подложку, одна поверхность которой полностью металлизирована, а на другой расположено четыре входных линий передачи и четырех попарно одинаковых фильтров нижних частот, состоящих из индуктивных и емкостных элементов, подключенных друг к другу через тройники, где первый вход первого фильтра нижних частот соединен с первым входом устройства и вторым входом четвертого фильтра нижних частот, второй вход первого фильтра нижних частот соединен со вторым входом устройства и первым входом второго фильтра нижних частот, второй вход второго фильтра нижних частот соединен с третьим входом устройства и первым входом третьего фильтра нижних частот, второй вход третьего фильтра нижних частот соединен с четвертым входом устройства и первым входом четвертого фильтра нижних частот (патент РФ №177305, класс МПК Н01P 5/18).

Также известен миниатюрный микрополосковый направленный ответвитель, который содержит четыре линии передачи, отвечающие за вход, четыре попарно одинаковых искусственных линии передачи подключенных друг к другу и шлейфы холостого хода погружены внутрь пространства заключенного между искусственными линиями, где первый вход первой искусственной линии передачи соединен с первым входом устройства и вторым входом четвертой искусственной линии передачи, второй вход первой искусственной линии передачи соединен со вторым входом устройства и первым входом второй искусственной линии передачи, второй вход второй искусственной линии передачи соединен с третьим входом устройства и первым входом третьей искусственной линией передачи, второй вход третьей искусственной линией передачи соединен с четвертым входом устройства и первым входом четвертой искусственной линией передачи (патент РФ №182122, класс МПК Н01P 5/18).

Недостатком этих двух конструкций ответвителей является малая степень миниатюризации (уменьшение габаритов устройства по сравнению с размерами «исходной» классической конструкции) и отсутствие возможности увеличить степень миниатюризации, когда элементы ответвителя занимают всю площадь внутри устройства с необходимыми зазорами между соседними элементами. В связи с этим дальнейшая миниатюризация ответвителя не может быть осуществлена, если свободное пространство внутри него используется полностью.

Техническим результатом изобретения является расширение арсенала компактных диаграммообразующих схем, а также уменьшение габаритов, направленных ответвителей и расширение возможностей миниатюризации таких устройств без использования многослойных подложек.

Технический решение достигается тем, что миниатюрный направленный ответвитель, содержащий четыре фильтра нижних частот, каждый из которых состоит из индуктивных и емкостных элементов, диэлектрическую подложку, одна поверхность которой металлизирована, а на другой, первый вход первого фильтра нижних частот соединен с первым входом устройства и вторым входом четвертого фильтра нижних частот, второй вход первого фильтра нижних частот соединен со вторым входом устройства и первым входом второго фильтра нижних частот, второй вход второго фильтра нижних частот соединен с третьим входом устройства и первым входом третьего фильтра нижних частот, второй вход третьего фильтра нижних частот соединен с четвертым входом устройства и первым входом четвертого фильтра нижних частот, отличающийся тем, что в районе емкостных элементов фильтров нижних частот по их периметру выполнены вырезы.

Вырезы в подложке расположенные по периметру ёмкостных элементов фильтров нижних частот могут быть выполнены следующим образом: после получения компактного направленного ответвителя (в котором четвертьволновые отрезки заменены фильтрами нижних частот), например, с помощью фотолитографии. Вблизи периметров всех емкостных элементов на некотором расстоянии от них формируются вырезы в виде последовательности металлизированных переходных отверстий, расположенных вплотную друг к другу или сплошные вырезы (щели). Это позволяет увеличить номинал емкостных элементов для той же площади элемента на плате. При этом регулируя протяженность вырезов, позволяет регулировать изменение номиналов емкостных элементов. Описанные вырезы позволяют дополнительно увеличить степень миниатюризации ответвителя, когда его элементы реализованы в одном проводящем слое. Такой подход позволяет в некоторых случаях избежать использования многослойных печатных плат, что упрощает конструкцию устройства.

Вырезы вблизи емкостных элементов могут быть как меньше, так и больше толщины подложки. После того, как вырезы сформированы в подложке, выполняется операция по нанесению металлизации (металлизирующего слоя) для электрического контакта полостей образованных в результате вырезов, с общим экраном. В зависимости от ситуации вырезы могут быть выполнены как вблизи всех емкостных элементов фильтров нижних частот, так и вблизи некоторых. В тоже время форма и площадь вырезов могут быть произвольными, в зависимости от величины изменения номинального значения емкостей в фильтрах нижних частот.

Такой подход позволяет расширить возможности миниатюризации направленных ответвителей, в которых свободное пространство внутри устройства используется в полной мере за счет вырезов в подложке вблизи емкостных элементов.

Таким образом, предлагаемый направленный ответвитель с вырезами вблизи по периметру емкостных элементов обеспечивает достижение технического результата, выражающегося в расширение арсенала компактных диаграммообразующих схем, а также уменьшение габаритов, направленных ответвителей и расширение возможностей миниатюризации таких устройств без использования многослойных подложек.

На прилагаемых фигурах показан один из компактных направленных ответвителей, которые можно получить с помощью описанного подхода, где:

на фиг. 1 – диэлектрическая подложка, вид сверху (топология миниатюрного ответвителя с вырезами вдоль периметров емкостных элементов фильтров); противоположная сторона подложки выступает в роли экрана;

на фиг. 2 – частотные характеристики миниатюрного ответвителя, полученные в программе Cadence AWR - график S-параметров от частоты.

На диэлектрической подложке, с одной стороны (фиг.1) расположена топология компактного ответвителя, состоящая из четырех подводящих линий (входных/выходных отрезков) и четырех фильтров нижних частот, состоящих из LC элементов, а с другой стороны, полностью металлизированная поверхность, где по периметру вблизи емкостных элементов выполнены вырезы, а стенки вырезанных отверстий имеют металлизированный слой. Эти вырезы вблизи емкостных элементов фильтров позволяют уменьшить габариты последних за счет дополнительной емкости между краем емкостных элементов и краем металлизированных вырезов. Рассмотрена реализация компактного ответвителя (фиг.1, 2), в котором вырезы выполнены рядом с емкостными элементами, стенки которых имеют металлизированный слой для контакта с металлизированной поверхностью (экраном). Предлагаемая конструкция направленного ответвителя (фиг.1) на 81% меньше традиционной конструкции. Относительная полоса частот по уровню развязки 20 дБ составляет 7% (фиг.2). Разность фаз между выходными сигналами составляет 90 градусов.

На практике конструкцию ответвителя, представленная на фиг. 1, может быть получена фрезерованием подложки вблизи емкостных элементов фильтров и последующей их металлизацией.

Изобретение относится к СВЧ-технике, в частности к устройствам деления входной мощности между несколькими выходами. Техническим результатом изобретения является расширение арсенала компактных диаграммообразующих схем, а также уменьшение габаритов направленных ответвителей и расширение возможностей миниатюризации таких устройств без использования многослойных подложек. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Миниатюрный направленный ответвитель, содержащий четыре фильтра нижних частот, каждый из которых состоит из индуктивных и емкостных элементов, диэлектрическую подложку, одна поверхность которой металлизирована, а на другой первый вход первого фильтра нижних частот соединен с первым входом устройства и вторым входом четвертого фильтра нижних частот, второй вход первого фильтра нижних частот соединен со вторым входом устройства и первым входом второго фильтра нижних частот, второй вход второго фильтра нижних частот соединен с третьим входом устройства и первым входом третьего фильтра нижних частот, второй вход третьего фильтра нижних частот соединен с четвертым входом устройства и первым входом четвертого фильтра нижних частот, отличающийся тем, что в районе емкостных элементов фильтров нижних частот по их периметру выполнены вырезы.

2. Миниатюрный направленный ответвитель по п.1, отличающийся тем, что глубина вырезов не превышает толщины подложки.

3. Миниатюрный направленный ответвитель по п.1, отличающийся тем, что вырезы выполнены сквозными.

4. Миниатюрный направленный ответвитель по п.1, отличающийся тем, что стенки вырезов имеют металлизированный слой.

5. Миниатюрный направленный ответвитель по п.1, отличающийся тем, что ширина, площадь и форма вырезов произвольны.