Микрополосковый ответвитель Советский патент 1993 года по МПК H01P5/18 

Щиг.{

Изобретение относится к технике СВЧ и может использоваться в качестве делителя мощности с развязанными выходами.

Цель изобретения -уменьшение неравномерности переходного ослабления, уве- личение направленности, улучшение согласования, расширение полосы рабочих частот, увеличение верхней частоты рабочего диапазона, уменьшение отклонения разности фаз от 90° между выходами направленного ответвителя, улучшение стабильности и повторяемости его характери- стик.

Сущность изобретения поясняется рисунками, где на фиг.1 дана конструкция мик- рополоскового ответвителя; на фиг.2 - нижняя сторона диэлектрической прокладки; на фиг.3 -сечение А-А на фиг.1; на фиг.4 - сечение В-В на фиг.1; на фиг.5 - сечение С-С на фиг,1; на фиг.6-8 - варианты выпол- нения воздушного зазора в ответвителе; на фиг.9 и 10 - распределение электрических полей в основной секции связи.

Микрополосковый ответвитель содержит подложку 1, на верхней поверхности которой нанесены проводники 2,3 и 4,5 подводящих линий. Диэлектрическая прокладка 6 находится над верхней поверхностью подложки 1, между свободными концами проводников 2,3 и 4,5, причем эта часть под- ложки свободна от металлизации. На верхнюю поверхность прокладки 6 нанесены два проводника 7,8, разделенных зазором 11. На нижнюю поверхность пленки 6 также нанесены два проводника 9,10, разделен- ные таким же по величине зазором, причем проводники 7,8 и 9,10 находятся один под другим (фиг.З). На краях проводников 7,8 и в середине выполнены короткие выступы 12-17. На краях и в середине проводников 9,10 имеются выступы 18-23. Причем в каждый из этих пар встречных выступов на одной поверхности прокладки обеспечено смещение выступов на расстояние, несколько большее ширины выступов. Смеще- ны также выступы на проводниках, находящихся один под другим. Так, для проводников 7 и 9 смещены выступы 12 и 19, 14 и 21, 16 и 23, а для проводников 8 и 10 смещены выступы 13 и 18, 15 и 20, 17 и 22. Однако не смещены выступы 12 и 18, 14 и 20, 16 и 22, 13 и 19, 15 и 21, 17 и 23 для диагонально расположенных проводников 7 и 10, 8 и 9. Верхние проводники 7 и 8 заканчиваются на одном конце расширен- ными контактными площадками 24 и 25, а нижние проводники 9 и 10 на противоположном конце заканчиваются расширенными контактами площадками 26 и 27. Эти площадки 24-27 соединяются с соответствующими концами подводящих проводников 2-5. Выступы 14 и 20, 15 и 21 через выборку 29 в прокладке 6 соединяются между собой как показано на фиг.4 и 5. Также соединяются и выступы 12 и 18, 13 и 19, 16 и 22, 17 и 23 через выборки 28 и 30 в прокладке 6. Дополнительно прокладка 6 может быть приподнята над поверхностью подложки с зазором 31 с помощью фиксирующих прокладок 34,35 или за счет выборки 32 в подложке 1, или одновременно за счет подъема с помощью фиксирующих прокладок 34.35 и выборки 32 в подложке с образованием максимального зазора 33.

Ответвитель работает следующим образом. Ввиду симметрии можно рассматривать подачу СВЧ сигнала с входа любого из четырех подводящих проводников. Допустим, мощность поступает на вход подводящей линии 3. Обычно пары подводящих линий представляют собой четвертьволновый отрезок связанных линий, причем симметрично .расположенных. Так, связанные подводящие линии 2,3 совершенно симметричны и идентичны связанным линиям 4,5. Совместно с секцией сильной связи, выполненной на прокладке 6, они образуют симметричный 3 дБ ответвитель. Секции из проводников2,3 и4,5(или еще дополнительные секции) необходимы для реализации 3 дБ НО в широкой полосе частот с перекрытием порядка 6:1 почастоте при сравнительно небольшой неравномерности (зависимости от частоты) переходного ослабления. Мощность со входа 3, подводится к проводнику 8 основной секции сильной связи, а небольшая часть ответвляется в связанную линию 2. В основной секции необходимо создать очень сильную связь линий (собственное переходное ослабление этой секции должно составлять примерно 1-1,5 дБ в зависимости от диапазона частот, количество вспомогательных секций). В заявляемом устройстве сильная связь обеспечивается тем, что проводник 7 соединен с проводником 10, а проводник 8 с проводником 9, находящимся на разных поверхностях диэлектрической пленки, через выступы 12 и 18, 13 и 19, 16 и 22, 17 и 23, через выборки 28,29,30 в прокладке 6. Согласно теории о двух фундаментальных волнах в связанных линиях - нечетной и четной. имеем следующее распределение электрических полей в проводниках основной секции (фиг.9 и 10). Ввиду коротких и достаточно широких выступов 12-23 осуществляется практически без потерь и безин- дукционная связь проводников 7 и 10. 8 и 19, что играет решающую роль как для согласования, так и для обеспечения неравномерности переходного ослабления, близкой к расчетной. Выступы не пересекаются, не перехлестываются, не ухудшают характеристики переходного ослабления. Практически все поле сосредоточено в диэлектрике прокладке 6, эффективная диэлектрическая проницаемость ЕЭФОО нечетной волны в основном зависит от ЈГ1 прокладки и частично

ОТ Јг2 ПОДЛОЖКИ. ЕСЛИ Јг2 Ю, а ЈГ1 3, ТО

влияние подложки немного возрастет. Уст- ранить это влияние может введение зазора 33 между прокладкой 6 и подложкой 1. Волновое сопротивление Zoo определяется двойной шириной 2 W проводников 7-10(W - ширина каждого проводника) и половиной толщины прокладки 6..

Для четной волны распределение поля полностью определяется проводниками и подложкой (поле не проникает в пленку, так как при таком возбуждении все проводники находятся под одним потенциалом). Выбором толщины подложки, расположением пленки над подложкой можно регулировать величину Еэфо четной волны и величину волнового сопротивления Zos. Введение зазора 33 между прокладкой 6 и подложкой 1 существенно увеличивает величину Z0e, что необходимо для осуществления весьма сильной связи линий и что сложно обеспечить другими способами. Это объясняется тем, что за- зор находится вблизи микрополосковых проводников, где наибольшая напряженность электрического поля и его эффект на увеличение Z0e даже при небольшом зазоре значительно выше, чем если бы увеличилась просто толщина подложки 1.

В секции сильной связи больше половины мощности из проводников 8 и 9 перекачивается в линию с проводниками 7 и 10. Далее в секции связанных линий из. подво- дящих проводников 4 и 5 мощность частично перераспределяется-за счет связи в этой секции и создается за счет этих секций связи из проводников 4 и 5, 2 и 3 волнообразное изменение переходного ослабления в широкой полосе частот и с малым волнообразным изменением, в целом обеспечивая большую широкополосность. В ответвителе ответвление энергии (соответствующее переходному ослаблению ответвителя) за счет электромагнитной связи обеспечивается на выходе подводящей линии 2. В обычном ответвителе остальная мощность должна выйти на выходе 5 подводящей линии, Однако благодаря соединению проводников 7 и 10, .8 и 9 подиагонально, направление остальной энергии перебрасывается на выход подводящего проводника 4. Это важно для многих случаев использования, так как ответвленная и проходящая части мощности отводятся в одну сторону ответвителя (в тан- демных схемах это необходимо). Благодаря практически полной симметрии относительно середины ответвителя разность фаз сигналов на выходах проводников 2 и 4 составляет 90° во всей полосе частот, отклонение не превосходит +(2-3)°.

Выполнение перехода к подводящим линиям производится с помощью расширенных контактных площадок 24 и 25, 26 и 27. Так как необходимое соединение проводников 7 и 10, 8 и 9 выполнено короткими выступами 12-23. то оказывается, что контактная площадка 24 электрически связана с площадкой 27, а площадка 25 - с площадкой 26. Контактные площадки обеспечивают практически без потерь и без дополнительной индуктивности подключение проводников основной секции к вспомогательным проводникам 2-5, а, как было выше указано, контакт площадки 24 с 27 и площадки 25 с 26 обеспечивает необходимую переброску проводников, соединяя в целом входную линию 3 с линией 4 (передача мощности на проход) и через переходное ослабление электромагнитную связь с линией 2 (передача мощности через переходное ослабление). Выход мощностей осуществляется с одной стороны (относительно горизонтальной осевой линии)ответвителя.

Таким образом, короткие выступы 12- 23 и контактные площадки 24-27 создают практически идеальную реализацию под- иагонального соединения проводников 7- 10 и 8-9 и соединения их затем наиболее удобным и оптимальным способом (осуществляя при этом отмеченную выше исключи- тельно важную для практического использования переброску выходов по одну сторону 3 дБ НО относительно горизонтальной оси). При этом создается несколько преимуществ:

- исключается искажение характеристики переходного ослабления;

- существенно уменьшается рассогласование;

- уменьшаются потери мощности из-за обычных потерь в перемычках, особенно перекрестных;

- обеспечивается практически идеальная, симметрия в целом и, как результат, практически идеальное сохранение разности фаз 90° между выходными сигналами во всей полосе частот.

Рассмотрим возможности, представляемые выбором диэлектрической проницаемости ЕМ прокладки 6 меньше ЈГ2 подложки 1 и введением зазора 31 (или 32,33) между прокладкой и подложкой. Как было отмечено выше, в заявляемом устройстве диэлектрическая проницаемость eri прокладки выбирается меньше диэлектрической проницаемости ЈГ2 подложки, и это являет-, ся принципиальным моментом, В известном ответвителе Ланге для нечетной волны образуется структура четырех или шести узких проводников на поверхности подложки, связанных через узкие зазоры. При этом образуется чисто пленарная конфигурация, для которой эффективная диэлектрическая

проницаемость еэфоо 2-(БГ-диэлектрическая проницаемость подложки). Она не поддается регулировке, изменению. При этом эффективная диэлектрическая проницаемость четной волны Бэфое обычно стано- вится или выше, чем еэфоо (обычно для четы.рехстержневой структуры) или ниже Јэфоо (для шестистержневой структры), когда снимается металлизация на нижней по- верхности подложки для секции сильной связи. В последнем случае (шестистержне- вая структура), когда еще как-то возможно реализовать трехсекционный ЗдБ НО, еэфое меньше ЕЭФОО на 30-40%, что недопустимо из-за существенно разницы фазовых скоростей четной или нечетной волн. Это отражается в первую очередь на величине направленности, которая резко падает на верхних участках диапазонов частот.

В заявляемой конструкции, выбрав gri прокладки меньше ЕЛ подложки, легко создать ситуацию, когда, например, ЈГ1 3 и Јэфоо Јг1, а приЈГ2 -10 (поликор, керамика)

Јг2 + 1

можно сделать Еэфое разными способами, Один из них известный - исключение металлизации на нижней поверхности подложки, выполнение выборки-в основании корпуса. Однако если требуется выполнение 3 дБ в-полосе частот ч перекрытием, например 9:1, необходимо иметь не менее 5 секций связи, а в секции сильной связи величина Zoe 240 Ом и для этого по известному способу надо выборку в корпусе сделать значительную, которая внесет большую неоднородность скачкообразного изменения высоты в корпусе. В заявляемом устройстве зазор 31 легко обеспечивает данное требование обеспечения большого значения Zroe, так как зазор находится близко от самих проводников, где напряженность электрического поля у проводников максимальна, и уже небольшой зазор резко меняет величину Zoe, а также существенно снижает величину Јэфое так, что ее .легко подобрать равной величине кэфоо- При этом создаются условия для существенного

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

увеличения направленности во всей широкой полосе частот. Одновременное обеспечение подъема пленки над поверхностью подложки и выборка в верхней поверхности подложки обеспечивает максимальные возможности выбора величины Zoe и подбора значения еэфое.

На основании заявляемой конструкции разработаны макеты квадратурных микро- полосковых 3 дБ направленных ответвите- лей. В диапазоне частот 3 (4) - 18(20) Гц получена неравномерность переходного ослабления ±0,6 дБ (при расчетном значении ±0,5 дБ), развязка 20 дБ, КСВ менее 1,5-1,6 до 18 ГГц, разность фаз (90+5)° во всем диапазоне частот.

Формула изобретения 1. Микрополосковый ответвитель, содержащий диэлектрическую подложку, одна поверхность которой металлизирована, а на другой поверхности выполнены подводящие проводники, диэлектрическую прокладку, расположенную над диэлектрической подложкой со стороны подводящих проводников, и на внешней поверхности которой размещена пара проводников дополнительной секции связанных линий, и пару проводников основной секции связанных линий, расположенных под проводниками дополнительной секции связанных линий, а концы которых соединены накрест с концами проводников дополнительной секции связанных линий, отличающийся тем. что, с целью уменьшения неравномерности переходного ослабления, увеличения направленности и улучшения согласования, проводники основной секции связанных линий размещены на поверхности диэлектрической прокладки, обращенной к диэлектрической подложке, зазор между проводниками основной и дополнительной секций связанных линий соответственно выполнен больше толщины диэлектрической прокладки в 2-2,5 раза, на внутренней кромке на краях каждого проводника основной и дополнительной секций связанных линий выполнены поперечные выступы длиной меньше величины зазора и смещенные один относительно другого в каждой паре проводников на расстояние, равное ширине выступов, при этом проводники основной и дополнительной секций связанных линий перекрестно соединены между собой посредством выступов через выборки, в диэлектрической прокладке, а одни из концов проводников основной и дополнительной секций связанных линий снабжены контактными площадками, соединенными с

подводящими проводниками соответственно.

2. Ответвитесь по п. 1. о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что диэлектрическая проницаемость материала диэлектрической прокладки выбрана меньше диэлектрической проницаемости материала диэлектрической подложки.

3. Ответвитель по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с целью расширения полосы рабочих частот, между диэлектрической прокладкой и диэлектрической подложкой выполнен воздушный зазор.

4. Ответвитель по пп. 1-3, отличающийся тем, что между диэлектрической прокладкой и диэлектрической подложкой введен дополнительный диэлектрической

0

5

слой с диэлектрической проницаемостью, меньшей диэлектрической проницаемостью материала диэлектрической прокладки.

5. Ответвитель по пп, 2-4. отличающийся тем. что, с целью увеличения верхней частоты рабочих частот, в середине каждого проводника основной и дополнительной секций связи на внутренней кромке выполнен поперечный выступ длиной меньше величины зазора и смещенный в каждой паре проводников один относительно другого на расстояние, равное ширине выступа, а выступы проводников основной и дополнительной секций связанных линий соответственно перекрестно соединены между собой через выборку в диэлектрической прокладке

Использование: техника ,СВЧ и миллиметровых волн. Сущность изобретения: направленный ответвитель содержит диэлектрическую подложку 1. одна поверхность которой металлизирована, а на другой выполнены подводящие проводники, диэлектрическую прокладку 6, на верхней поверхности которой выполнены проводники 7, 8. дополнительной секции связанных линий. На нижней поверхности диэлектрической прокладки 6 выполнены проводники 9,10 основной секции связанных линий, расположенные над проводниками 7,8. Зазор 11 между проводниками 7,8, и 9,10 выполнен больше толщины диэлектрической прокладки 6 в 2-2,5 раза. На внутренних кромках и в середине проводников - выполнены поперечные выступы 12-23 длиной меньше величины зазора. смещенные один относительно другого в парах проводников 7,8 и 9,10 на ширину выступов 12-23. Для осуществления перекрестных соединений диэлектрик под выступами 12-23 выбран. Концы проводников 7-10 с одной стороны снабжены-контактными площадками 24-27. Диэлектрическая проницаемость прокладки 6 выбрана меньше диэлектрической проницаемости подложки 1. Между прокладкой 6 и подложкой 1 выполнен воздушный зазор 31-33 или расположен дополнительный слой с диэлектрической проницаемостью, меньшей диэлектрической проницаемости пластины. 4 з.п. ф-лы, 10 ил. ел С

27 1810 20 ff // 25

II I I I

7/ / /

ТТЛ

А

26 19 28 9 29 20 б Jff 23 & S

,мгь.«г

Фи г. 9

(Pue.f0