КВАДРАТУРНЫЙ ПОПЕРЕЧНО-НАПРАВЛЕННЫЙ ОТВЕТВИТЕЛЬ НА СВЯЗАННЫХ ЛИНИЯХ С ТРАНСФОРМАЦИЕЙ ИМПЕДАНСА Российский патент 2025 года по МПК H01P5/18 

Область техники

Изобретение относится к области СВЧ-устройств, в частности направленных ответвителей, которые могут найти применение в фазированных антенных решетках, а также при построении фазовращателей отражательного типа, балансных усилителей, смесителей и т.п.

Уровень техники

При построении СВЧ-устройств на квадратурных мостах, таких как балансные усилители и управляемые фазовращатели отражательного типа, требуются импедансные трансформаторы для согласования транзисторов со стандартным СВЧ-трактом [1] и для увеличения управляемого фазового сдвига соответственно. При этом квадратурные мосты на основе 3-дБ направленных ответвителей на связанных линиях весьма предпочтительны и, как известно, распадаются на три основных типа: 1) сонаправленный; 2) противонаправленный (например, ответвитель Ланге) и 3) поперечно-направленный. Заметим, что последний малоисследованный тип ответвителя в отечественной литературе ранее обозначался термином «транснаправленный» [2] и был калькой с английского «trans-directional», однако далее будем везде (кроме цитирования), использовать «поперечно-направленный ответвитель» - ПоНО, как более удачный и понятный русскоязычный термин.

Известна схема «транснаправленного ответвителя» на симметричных связанных микрополосковых линиях с межлинейными шунтирующими конденсаторами, которая стала уже традиционной [3]. Она поддерживает режим поперечной направленности, но имея на всех портах одинаковый входной импеданс, не обеспечивает функции импедансной трансформации, для чего требуются дополнительные трансформаторы, увеличивающие общие габариты устройства.

Известен «противонаправленный» ответвитель (ПрНО) на несимметричных связанных линиях [1], реализованных на слоистой структуре с почти однородным диэлектрическим заполнением и синхронными волнами. Он обеспечивает функцию трансформации импеданса, однако из-за синхронности нормальных волн не способен поддерживать режима поперечной направленности. При этом «диагональная» схема включения такого противонаправленного ответвителя в СВЧ тракт очевидно сложнее схемы включения «на-проход» поперечно-направленного ответвителя.

Известен «транснаправленный ответвитель на связанных линиях с вертикальной платой» [2] и с сильно неоднородным диэлектриком (где троекратное отношение скоростей нормальных волн, т.е. 9-кратное отношение модальных диэлектрических проницаемостей), который поддерживает режим поперечной направленности, но имея на всех портах одинаковый входной импеданс, опять не обеспечивает функции импедансной трансформации.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа в связи со схожестью схемы, конструкции и основной функции - распределенная структура на связанных линиях с сильно неоднородным диэлектриком и поперечной направленностью соответственно, выбран последний «транснаправленный ответвитель на связанных линиях с вертикальной платой» [2].

Основными недостатками этого ответвителя являются: сложность конструкции из-за необходимости монтажа вертикальной платы и отсутствие свойства трансформации импеданса, для реализации которого требуются дополнительные трансформаторы, увеличивающие общие габариты устройства.

Технической задачей, решаемой данным изобретением, является упрощение и снижение габаритов конструкции поперечно-направленного ответвителя на связанных линиях и расширение его функциональных возможностей, совмещающих функции и поперечной направленности и трансформации импеданса.

Поставленная задача решается с использованием того же, что и в прототипе базового компонента - отрезка связанных линий с портами на концах каждой из них (т.е. всего четыре порта), однако, в отличие от прототипа, предлагаемое устройство выполнено без вертикальной платы, только на плоской горизонтальной многослойной структуре, в которой опорная линия образована заземлённым основанием, нижним диэлектрическим слоем и нижней металлической полоской, а верхняя линия образована этой же нижней металлической полоской, верхним диэлектрическим слоем и верхней металлической полоской, имеющей с нижней полоской горизонтально-лицевую 3-дБ связь. При этом опорная линия имеет электрическую длину 90 град. и импеданс, согласованный с системным импедансом, а верхняя линия имеет электрическую длину 270 град. и импеданс, в два раза меньший системного, что обеспечивает двукратную межлинейную трансформацию импеданса, фазовую квадратуру равноамплитудных выходных сигналов и поперечную направленность ответвителя.

Достигаемый технический результат: упрощение и малогабаритность конструкции вследствие исключения вертикальной платы и полного перехода на горизонтально ориентированную структуру, а также достижение совмещения функций поперечной направленности и трансформации импеданса благодаря межлинейной асимметрии многослойной структуры.

Указанный технический результат достигается тем, что поперечно-направленный ответвитель с трансформацией импеданса содержит связанные линии передачи с портами на концах каждой из них, т.е. четыре порта. Он реализован в виде многослойной горизонтально ориентированной структуры, в которой опорная линия образована заземлённым основанием, нижним диэлектрическим слоем и нижней металлической полоской, а верхняя линия образована этой же нижней металлической полоской, верхним диэлектрическим слоем и верхней металлической полоской, имеющей с нижней полоской горизонтально-лицевую 3-дБ связь. При этом опорная линия имеет электрическую длину 90 град. и импеданс, согласованный с системным импедансом, а верхняя линия имеет электрическую длину 270 град. и импеданс, в два раза меньший системного, что обеспечивает двукратную межлинейную трансформацию импеданса, фазовую квадратуру равноамплитудных выходных сигналов и поперечную направленность ответвителя.

Описание чертежей

Заявляемое устройство поясняется рисунками - фиг. 1 и 2.

Фиг. 1 - Схема (а) и конструкция ПоНО на СЛ - общий вид (б); поперечное сечение (в); вид сбоку (г). На схеме показаны две связанные линии - опорная и верхняя, а также четыре порта: 1) ближний связанный порт (Блж. Св); 2) входной порт (Вх); 3) дальний связанный порт (Дал. Св); 4) изолированный порт (Изол). Конструкция характеризуется следующими физическими параметрами: а - ширина верхнего диэлектрического слоя (керамического бруска); w₁ - ширина верхней полоски; w₂ - ширина опорной полоски; h₁ - толщина верхнего диэлектрического слоя (керамического бруска); h₂ - толщина нижнего диэлектрического слоя (платы); t - толщины металлических полосок; λ - длина отрезка линий; ε_r1, ε_r2, ε_r3 - диэлектрические проницаемости материалов нижнего и верхнего диэлектрических слоев, а также окружающего воздуха соответственно.

Фиг. 2 - Измеренные частотные зависимости модулей S-параметров (а) и разность фаз между 1 и 3 портами ПоНО на СЛ (б).

Сущность изобретения, подробное описание

На схеме (фиг. 1, а) показано, что на рабочих частотах сигнал в ПоНО на СЛ не доходит прямо до конца (порт 4) возбуждаемой опорной линии (порт 2), а уходит поперёк во вторую верхнюю линию - на её ближний и дальний концы (порты 1 и 3); отсюда и название «поперечно-направленный». Это достигается в распределенных структурах лишь с сильно неоднородным диэлектриком, где проницаемости различаются более чем в 10…16 раз и обеспечивается троекратное отношение скоростей нормальных волн. Ещё одной особенностью этой структуры (фиг. 1, б) является межлинейная асимметрия, так как она несимметрична относительно межлинейной продольной горизонтальной плоскости. Отсюда и свойство трансформации импеданса. Кроме того, на выходных портах 1 и 3 ПоНО сигнал имеет равные амплитуды и разность фаз 90 град., что позволяет определить его как квадратурный мост.

Итак, предлагаемый квадратурный ПоНО на СЛ с трансформацией импеданса (фиг. 1) содержит связанные линии передачи с портами на концах каждой из них, т.е. четыре порта (фиг.1, а). Конструктивно ПоНО выполнен на многослойной горизонтальной структуре (фиг.1, б), в которой опорная линия образована заземлённым основанием 5, нижним диэлектрическим слоем 6 и нижней металлической полоской 7, а верхняя линия образована этой же нижней металлической полоской 7, верхним диэлектрическим слоем 8 и верхней металлической полоской 9, имеющей с нижней полоской горизонтально-лицевую 3-дБ связь. При этом опорная линия имеет электрическую длину 90 град. и импеданс, согласованный с системным импедансом (например 50 Ом), а верхняя линия имеет электрическую длину 270 град. и импеданс, в два раза меньший системного (соответственно 25 Ом), что обеспечивает двукратную межлинейную трансформацию импеданса, фазовую квадратуру равноамплитудных выходных сигналов и поперечную направленность ответвителя.

Пример осуществления

Для экспериментальной проверки работоспособности предложенного решения был спроектирован и изготовлен макет ПоНО на отрезке СЛ длиной 30 мм (фиг. 1), который имел следующие физические параметры: (а w₁ w₂ h₁ h₂ t λ) = (3,5 1,5 3,5 1,5 1,5 0,035 30) мм; (ε_r1 ε_r2 ε_r3) = (46 3,4 1). Материал нижнего диэлектрического слоя (платы) - RO4003C (Rogers) с габаритами 15х50х1,5 мм³, верхний диэлектрический слой (керамический брусок) - В46 (ООО «Керамика», Санкт-Петербург) с габаритами 3,5х30х1,5 мм³. Экспериментальные измерения ПоНО на СЛ выполнялись с помощью векторного анализатора цепей Planar S5048. Компьютерное моделирование выполнялось методом численных конформных преобразований в отечественной программе Lines_Modelling_Toolbox [4]. Были вычислены погонные и модальные параметры СЛ (в приближении неограниченной ширины верхнего слоя), которые оказались следующими: элементы матриц погонных индуктивностей (L₁₁ L₂₂ L₁₂) = (0,5483 0,2705 0,1781) мкГн/м; погонные емкости (С₁₁ С₂₂ С₁₂) = (682,3 780,3 671,5) пФ/м; характеристические сопротивления (Z₁₁ Z₂₂ Z₁₂) = (63,67 46,69 42,16) Ом; модальные диэлектрические проницаемости (ε_rc ε_rπ) = (2,71 28,39); модальные напряжения СЛ (R_c R_π) = (0,9792 -0,2679). Также были рассчитаны шесть частотных зависимостей S-параметров ответвителя на отрезке СЛ: |S₁₁|, |S₂₂| - возвратные потери верхней и опорной линий соответственно; |S₁₃| = |S₃₁|, |S₂₄| = |S₄₂| - межпортовая изоляция в верхней и в опорной линиях соответственно; |S₁₂| = |S₂₁| = |S₃₄| = |S₄₃|, |S₁₄| = |S₄₁| = |S₂₃| = |S₃₂| - межлинейная связь на ближнем и дальнем концах СЛ соответственно.

Измеренные частотные характеристики ПоНО на СЛ длиной 30 мм (фиг. 2) оказались достаточно близкими к расчетным и имели следующие значения:

1. Полоса рабочих частот (1,26…1,7 или 1,48±0,22) ГГц, т.е. 30 %.

2. Амплитудный баланс между выходными портами 1 |S₁₂| и 3 |S₃₂|, (2,3…5,7 или 4,0±1,7) дБ.

3. Фазовый баланс между выходными портами 1 и 3 Arg(S₃₂/S₁₂), (89±1) град.

4. Возвратные потери верхней |S₁₁| и изоляция опорной |S₄₂| линий при стандартных 50-омных нагрузках, более 7 дБ.

5. Возвратные потери опорной |S₂₂| и изоляция верхней |S₃₁| линий при стандартных 50-омных нагрузках, более 20 дБ.

6. Импеданс опорной и верхней линий 50 и 25 Ом соответственно.

Список использованных источников

1. Wincza K., Gruszczynski S. Asymmetric coupled-line directional couplers as impedance transformers in balanced and n-way power amplifiers // IEEE Trans., 2011, Vol. MTT-59, No. 7, pp. 1803-1810.

2. Пат. 2585884 РФ. Транснаправленный ответвитель с вертикальной платой /А.Н.Сычев, С.М.Стручков, В.Н.Путилов, Н.Ю.Рудый; Патентообладатель: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР); Заявка 2015108565; заявл.: 11.03.2015; опубл.: 10.06.2016.

3. 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.

4. Свидетельство о гос. рег. программы для ЭВМ № 2022614304 (РФ) Lines Modelling Toolbox: № 2022613347: заявл. 04.03.2022: опубл. 18.03.2022 / А.Н.Сычев, В.А.Бондарь, К.Б.-Б.Дагба, А.И.Степанюга, Н.Ю.Рудый.

Изобретение относится к области СВЧ-устройств, в частности к направленным ответвителям на связанных линиях, которые могут найти применение при разработке управляемых фазовращателей отражательного типа, балансных усилителей, смесителей и т.п., а также при построении фазированных антенных решеток. Техническим результатом является упрощение и малогабаритность конструкции ответвителя на связанных линиях при совмещении функций поперечной направленности и трансформации импеданса. Для этого ответвитель выполнен на многослойной структуре, в которой опорная линия образована заземлённым основанием, нижним диэлектрическим слоем и нижней металлической полоской, а верхняя линия образована этой же нижней металлической полоской, верхним диэлектрическим слоем и верхней металлической полоской, имеющей с нижней полоской горизонтально-лицевую 3-дБ связь. При этом опорная линия имеет электрическую длину 90 град. и импеданс, согласованный с системным импедансом, а верхняя линия имеет электрическую длину 270 град. и импеданс, в два раза меньший системного, что обеспечивает двукратную межлинейную трансформацию импеданса, фазовую квадратуру равноамплитудных выходных сигналов и поперечную направленность ответвителя. 2 ил.

Квадратурный поперечно-направленный ответвитель с трансформацией импеданса, содержащий связанные линии передачи с портами на концах каждой из них, отличающийся тем, что выполнен на многослойной структуре, в которой опорная линия образована заземлённым основанием, нижним диэлектрическим слоем и нижней металлической полоской, а верхняя линия образована этой же нижней металлической полоской, верхним диэлектрическим слоем и верхней металлической полоской, имеющей с нижней полоской горизонтально-лицевую 3-дБ связь, при этом опорная линия имеет электрическую длину 90 град. и импеданс, согласованный с системным импедансом, а верхняя линия имеет электрическую длину 270 град. и импеданс, в два раза меньший системного.