Технология создания широкополосного плавного согласующего перехода на основе неоднородного участка микрополосковой линии передачи Российский патент 2025 года по МПК H01P5/02 H01P5/107 

Изобретение относится к области антенно-фидерной техники и может быть использовано при разработке аппаратуры связи и сверхвысокочастотных (СВЧ) приборов и устройств различного назначения. Известной проблемой в области согласования устройств разных геометрических размеров является высокий уровень отражения. Известно, что переходы с непрерывным изменением электрофизических параметров (плавные переходы), по сравнению со ступенчатыми переходами, обеспечивают наименьшее отражение в широкой полосе частот при прочих равных условиях. Учитывая огромное количество устройств, которые передают сигнал во внешнюю среду, согласование является одной из приоритетных задач в области радиоэлектроники. Улучшение качества согласования может как повысить эффективность системы в целом, так и уменьшить количество устройств, используемых для выполнения определенной задачи. Используемые на данный момент виды согласующих переходов (ступенчатые) обладают характеристиками, недостаточными для эффективной работы, и имеют большой уровень отражения.

Известен патент RU 2667348 C1, в котором предлагается микрополосковая нагрузка, находящаяся на диэлектрической подложке. На одной стороне устройства расположен проводящий слой нагрузки, с другой стороны - входной тракт с различными элементами. Недостатком является использование двухсторонней компоновки, которая приводит к паразитным излучениям и необходимостью подбора материала диэлектрика.

Известен патент RU 2339128 C1, в котором используется коаксиальная фидерная линия, внутренний проводник которой выполнен в виде цилиндрической спирали, а внешний - в виде цилиндра с двумя сквозными щелями. Недостатками являются значительные геометрические размеры, сложность установки и высокое значение коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН). Указанное устройство достаточно сложно использовать в малогабаритных устройствах связи.

Известен патент RU 2024120 С1, в котором микрополосковая линия передач выполнена в виде 2 слоев. Сверху линии располагается проводящий слой, снизу - слой нагрузки из резистивных полосок. Главным недостатком является невозможность выбора нагрузки, так как она изначально уже нанесена на подложку. Также к недостаткам можно отнести высокий уровень отражения на выбранном участке согласования.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является патент RU 2364995 C1, в котором описан способ получения микрополосковой фидерной линии с использованием диэлектрической подложки, в которой с одной стороны нанесен токонесущий проводник в виде зигзагообразной линии, а с другой стороны - металлический экран с как минимум двумя продольными щелями, ширина которых не превышает ширину проводника.

Недостатком данного технического решения являются достаточно большие геометрические размеры для использования в малогабаритных системах связи, а также высокий уровень отражения на участке согласования.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в разработке технологии создания плавных согласующих переходов на основе неоднородного участка микрополосковой линии передачи для согласования линий передач различных геометрических размеров.

Технический результат достигается за счет нанесения тонкой проводящей линии с необходимыми параметрами (поперечный размер, длина, толщина), вычисленными заранее, и нанесенной на подложке из текстолита. В процессе разработки предложен метод параметрического синтеза широкополосных неоднородных плавных согласующих переходов (СП), основанный на численном интегрировании дифференциального уравнения для комплексного коэффициента отражения от неоднородности переменной длины. Уравнение для коэффициента отражения впервые получено методом дифференциальной прогонки, который позволил свести двухточечную граничную задачу к задаче с начальными условиями. Благодаря предложенному методу синтеза, можно синтезировать неоднородные отрезки микрополосковой линии передачи, которые обладают более широким рабочим диапазоном частот, по сравнению с аналогами.

Для создания устройства использовался отрезок неоднородной микрополосковой линии передачи с определенными профилями емкости C(x), индуктивности L(x) и проводимости G(x), комбинации которых представляют необходимые профили волнового сопротивления Z(x) и фазовой скорости V(x). Участок линии передачи описывается с помощью систем телеграфных уравнений. Для данного типа устройства формулируются граничные условия, и затем определяется коэффициент отражения электромагнитной волны от перехода между двумя различными линиями передач. После использования метода дифференциальной прогонки производится решение задачи Коши. На последнем этапе выполняется минимизация целевой функции рассогласования. Для поиска минимума целевой функции можно использовать метод Нелдера-Мида.

Заявляемая технология создания волноводного перехода позволяет использовать быстрый алгоритм численного анализа частотных характеристик переходов между линиями с различными волновыми сопротивлениями. Это позволяет уменьшить габариты существующих устройств без потери требуемых электрофизических свойств, а также повысить диапазон согласования частот, что на данный момент является приоритетным направлением.

Для лучшего понимания сущности заявляемого изобретения далее приводятся его пояснения с привлечением графических материалов.

На фиг. 1 показана общая структурная схема отрезка микрополосковой линии передачи. Первой составной частью конструкции перехода является диэлектрическая подложка с относительной диэлектрической проницаемостью ε_r и толщиной h. В качестве подложки целесообразно использовать материал с малым значением диэлектрической проницаемости и малыми потерями. Первое условие необходимо учитывать исходя из соображений о необходимой минимизации френелевского рассеяния на границе раздела «внешняя среда (воздух) - диэлектрик». Наилучшим образом предъявленным выше требованиям удовлетворяют вспененные диэлектрики. К подобным диэлектрикам относятся пенопласты (пенополистирол, пенополипропилен, пенополивинилхлорид), пенополиэтилен и другие материалы. Возможно использование и текстолита.

На диэлектрическую подложку наносится слой проводящего материала в виде пластины из меди толщиной t, размеры и толщина проводящего слоя вычисляются заранее предложенным методом. Затем на конструкцию наносится слой паяльной маски. На одной из сторон паяется необходимый разъем для подключения, с другой стороны - место для согласования нагрузки.

На фиг. 2 показан внешний вид готовых макетных образцов, изготовленных с использованием предлагаемой технологии:

а) переход одноступенчатый СПО-50-5-1,$$f_0=\text{1 ГГц}$$, $$\rho =5$$;

б) переход одноступенчатый СПО-50-10-1,$$f_0=\text{1 ГГц}$$, $$\rho =10$$;

в) переход двухступенчатый СПД-50-10-1,$$f_0=\text{1 ГГц}$$, $$\rho =10$$;

г) переход экспоненциальный СПЭ-50-5-1, $$f_0=\text{1 ГГц}$$, $$\rho =5$$.

Зздесь $$f_0$$ - частота, соответствующая нижней границе рабочего диапазона (частота среза); $$\rho =Z_{\text{в}1}/Z_{\text{в}2}$$ - коэффициент трансформации по волновому сопротивлению; $$Z_{\text{в}1}$$ и $$Z_{\text{в}2}$$ - сопротивления входной и выходной линий передачи, соответственно.

Экспериментальные исследования макетных образцов СП сводились к измерению КСВН по входу в тракте 50 Ом при согласованном выходе 10 Ом (СН-10) для СПО-50-5-1, СПЭ-50-5-1 и при согласованном выходе 5 Ом (СН-5) для СПД-50-10-1, СПО-50-10-1.

Микрополосковая линия работает за счет передачи электромагнитных волн вдоль проводника с использованием структуры, создающей определенное волновое сопротивление. Электромагнитная волна в микрополосковой линии передачи возбуждается и распространяется вдоль линии передачи. Чтобы минимизировать отражение сигнала и максимизировать передачу мощности, важно согласовать волновое сопротивление различных элементов цепи. В микрополосковых линиях это достигается изменением ширины проводника или свойств подложки, чтобы плавно изменять волновое сопротивление по длине линии. В предлагаемых структурах происходит плавное изменение ширины проводника для хорошего согласования на выбранном диапазоне частот. Изменение ширины полосы микрополосковой линии позволяет контролировать волновое сопротивление.

Широкая полоса имеет более низкое волновое сопротивление, а узкая - более высокое. Использование внешней нагрузки в виде нагрузочных резисторов различного сопротивления, позволяет соединять устройства связи разных геометрических размеров и параметров.

На фиг. 3 приведены графики частотных зависимостей КСВН для макетных образцов согласующих переходов. Из графиков видно, что наблюдается хорошее соответствие теоретических и экспериментальных данных в диапазоне от 1,1 ГГц до 2,7 ГГц. На экспериментальных кривых в различной степени прослеживается тенденция наличия локального минимума в области, соответствующей области численной оптимизации, что также подтверждается данными, полученными ранее в ходе электродинамического моделирования. Также можно обратить внимание на увеличение рабочей полосы согласования для двухступенчатого перехода, по сравнению с одноступенчатым. Согласование в данном диапазоне взято для примера, на самом деле диапазон можно увеличивать до необходимых значений, меняя параметры проводника.

Из графиков, приведенных на фиг. 3, можно наблюдать также улучшение согласования в локальной области оптимизации для одноступенчатых и двухступенчатых СП по отношению к согласующим переходам с экспоненциальным профилем волнового сопротивления той же длины. Это подтверждает актуальность разработки таких переходов для использования в качестве широкополосных согласующих устройств в элементах СВЧ-техники, в особенности, когда имеются жесткие ограничения на габариты в сравнительно низкочастотных диапазонах, таких как МВ и ДМВ.

В этом случае локально-оптимизированные согласующие переходы вблизи нижней границы рабочего диапазона могут дать существенный выигрыш в сравнении с СП с экспоненциальным профилем волнового сопротивления при той же электрической длине. Безусловно, будучи оптимальными характеристиками в некоторой локальной полосе частот, они дадут некоторый проигрыш по согласованию вне нее (выше по диапазону) по отношению к тому же СП с экспоненциальным профилем волнового сопротивления, что, однако является в определенной мере ценой за оптимальное согласование. Впрочем, как показывают расчет и экспериментальные исследования, этот проигрыш является весьма несущественным.

На фиг. 4 представлен график, показывающий зависимость модуля коэффициента отражения по мощности от нормированной частоты. 1 - для созданного кусочно-линейного профиля, 2 - для параболического уже известного профиля. Из него видно, что синтезированный профиль обладает лучшими характеристиками согласования в широком диапазоне частот $$4\le K\le 6.$$

Результаты проведенного эксперимента совпадают с расчетными данными, полученными в ходе решения задачи параметрического синтеза согласующих переходов. Благодаря предложенному методу синтеза удалось получить неоднородные отрезки микрополосковой линии передачи, которые обладают более широким рабочим диапазоном частот. Результаты эксперимента совпадают с расчетными данными, полученными в ходе решения задачи параметрического синтеза согласующего перехода. Синтезированные неоднородные полосковые волноводные переходы, обеспечивают согласование в диапазоне частот от 1,1 ГГц до 2,7 ГГц. Было теоретически и экспериментально доказано, что использование двухступенчатых переходов позволяет в 1,5 раза увеличить частотную полосу согласования.

Предложенная технология синтеза согласующего перехода не ограничивается только использованием СВЧ диапазона, а также возможно использование предлагаемой технологии и в КВЧ диапазоне. Работа устройства зависит от качества выполнения технического задания при создании. Общий принцип работы устройства заключается в плавном изменении микрополоскового проводника с заданным шагом, что позволяет получить положительные результаты, по сравнению с аналогами в плане согласования и габаритов.

Следует учитывать, что вышеизложенное описание приведено с целью иллюстрации заявляемого изобретения, поэтому специалистам должно быть ясно, что возможны различные модификации и изменения. В первую очередь модификация может касаться необходимого диапазона согласования и выбора геометрического размера устройства, вплоть до использования в мобильных устройствах.

Изобретение относится к области антенно-фидерной техники. Способ создания неоднородного волноводного перехода для согласования двух микрополосковых линий передачи с различными входными сопротивлениями, включающий предварительный синтез профилей волнового сопротивления и ширины проводящей полоски, расположенной на диэлектрической подложке, и расчет емкости, индуктивности и проводимости полоски с использованием системы телеграфных уравнений, отличающийся тем, что процесс включает определение коэффициента отражения электромагнитной волны от созданного перехода с целью дальнейшей оптимизации профилей в заданном диапазоне частот. Технический результат - создание волноводных переходов на основе неоднородных отрезков микрополосковой линии передачи с более широким рабочим диапазоном частот по сравнению с существующими аналогами. 4 ил.

Способ создания неоднородного волноводного перехода для согласования двух микрополосковых линий передачи с различными входными сопротивлениями, включающий предварительный синтез профилей волнового сопротивления и ширины проводящей полоски, расположенной на диэлектрической подложке, и расчет емкости, индуктивности и проводимости полоски с использованием системы телеграфных уравнений, отличающийся тем, что процесс включает определение коэффициента отражения электромагнитной волны от созданного перехода с целью дальнейшей оптимизации профилей в заданном диапазоне частот.