Широкополосные и миниатюрные...

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Институт радиоэлектроники и информационных технологий - РТФ

Кафедра высокочастотных средств радиосвязи и телевидения

ДОПУСТИТЬ К ЗАЩИТЕ В ГАК

Зав. кафедрой ВЧСРТ

______________ Князев С.Т. ( подпись)

«_____»_________________201__ г.

ШИРОКОПОЛОСНЫЕ И МИНИАТЮРНЫЕ МОСТОВЫЕ УСТРОЙСТВА

Пояснительная записка

2104003033867

Руководитель______________ Мительман Ю. Е.

Консультант _______________ _____________

Консультант_______________ _____________

Нормоконтролер____________ Харитонов Ф. В.

Студент гр. РИМ-220502 Ларин А.В.

Екатеринбург 2014

3

РЕФЕРАТ

4

СОДЕРЖАНИЕ РЕФЕРАТ ..................................................................................................... 2

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................. 6

1.ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ............................................................................ 8

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ МОСТОВЫХ УСТРОЙСТВ ........................... 10

2.1 Расчет геометрических размеров мостовых устройств .............. 10

2.2 Программное обеспечение, используемое для моделирования

мостовых устройств .......................................................................................... 15

2.3 Моделирование простых мостовых устройств ............................ 16

2.4 Влияние параметров подложки на характеристики моста. ........ 23

2.5 Моделирование широкополосных мостовых устройств ............ 29

2.6 Анализ способов расширения рабочей полосы. .......................... 35

3. МЕТОДЫ МИНИАТЮРИЗАЦИИ МОСТОВЫХ УСТРОЙСТВ .... 36

3.1 Миниатюризация при помощи изменения формы линий .......... 36

3.2 Миниатюризация при помощи PRI линии ................................... 36

Методика проектирования PRI линии в Ansoft HFSS ................... 37

4 МОДЕЛИРОВАНИЕ МИНИАТЮРНЫХ МОСТОВЫХ

УСТРОЙСТВ ......................................................................................................... 52

4.1 Моделирование простых миниатюрных мостовых устройств ... 52

4.2 Моделирование миниатюризированных широкополосных

мостовых устройств .......................................................................................... 55

4.3 Анализ способов устройств ........................................................... 64

5 МАКЕТИРОВАНИЕ .............................................................................. 65

5.1 Производство макетов мостовых устройств ................................ 65

5.2 Экспериментальное исследование ................................................ 68

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................... 75

5

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ...................................... 76

6

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время область применения радиоэлектронных средств

расширяется, комплексы радиосистем становятся все более сложными, это

полностью относится и к радиотехнике СВЧ диапазона. В связи с

расширением физических возможностей радиоэлектронной аппаратуры во

многих случаях необходимо не только излучать и принимать СВЧ сигнал, но

также производить его обработку и преобразование, поэтому усложняются

СВЧ схемы и в прежнем исполнении становятся громоздкими, поэтому

возникает необходимость создания миниатюрных схем, работающих в СВЧ

диапазоне. Изучение и освоение диапазона СВЧ требует решения многих

проблем, качественно отличных от задач, встречающихся на более низких

частотах.

Одно из перспективных направлений развития современной СВЧ-

техники это создание различных малогабаритных устройств: фильтры,

направленные ответвители, делители мощности, фазовращатели и др.

Очень широкое применение в технике СВЧ имеют мостовые схемы

выполненные на отрезках микрополосковой линии передачи. Мостовое

устройство – это направленный ответвитель с переходным затуханием в 3 дБ,

обеспечивающим деление мощности поровну между двумя выходными

плечами.

По сравнению с обычной аппаратурой микрополосковые и полосковые

схемы более трудоемки в разработке, поскольку связь между элементами

схемы за счет краевых полей и полей излучения более трудно поддается

учету, расчет многих элементов схемы производится приближенно, а

подстройка готовых схем затруднена. Окончательные размеры схем

приходится отрабатывать путем перебора множества вариантов.

Широкое развитие и распространение полосковой и микрополосковой

техники обусловлено тем, что к ее изготовлению можно применить

технологию печатных плат, например, травление печатных проводников или

вакуумное напыление.

7

Применение специализированных программных продуктов позволяет

ускорить процесс проектирования микрополосковых устройств. В данной

работе использовались два специальных пакета программ :

• AWR Design Environment – это прекрасно оснащенная

виртуальная СВЧ лаборатория в одном программном пакете. Она

позволяет производить синтез и проектирование радиочастотных

схем с возможностью моделирования происходящих в них

• Ansoft HFSS – программная среда позволяющая создавать 3D

модели СВЧ устройств и анализировать их. Плюс данной

программы в более удобном процессе моделирования,

позволяющем анализировать сложные микрополосковые

устройства.

В данной работе рассмотрены способы расширения рабочего диапазона

частот мостовых устройств. Также описаны методики уменьшения

физических размеров данных устройств. Произведен расчет и моделирование

нескольких образцов, а также реализованы и исследованы макеты данных

устройств. Проведен анализ способов расширения полосы рабочих частот и

миниатюризации мостовых устройств.

8

1.ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

В большей части литературы, представленной по данной теме,

описываются такие распространенные мостовые устройства, как шлейфные

мосты и гибридные кольца.

В книге [1] разобраны примеры расчета и полного анализа двух и трех-

шлейфных мостовых устройств, также там подробным образом описана

методика разработки гибридного кольцевого моста . В данном пособии также

рассказывается о возможных вариантах применения данных устройств.

В книге [2] описаны принципы работы мостовых устройств, а также

приведены примеры волноводных направленных ответвителей.

Методики расширения рабочей полосы мостовых устройств

описываются в двух рассмотренных источниках из отечественной

литературы: в книгах [3] и [4]. Однако стоит отметить, что в данных

источниках описывается методика построения широкополосных устройств на

связанных линиях. В данных источниках говорится, что мостовые

устройства, выполненные на связанных линиях отличаются сравнительно

маленьким коэффициентом развязки, что недопустимо в нашем случае.

В патенте [5] приводится элементная схема широкополосного

мостового устройства выполненного в виде двойного гибридного кольца.

Решение, описанное в данном патенте, отлично подходит для нашего проекта

и будет исследовано в дальнейшей работе.

Методики миниатюризации приведены в книге [6]. В данном учебном

пособии описываются способы уменьшения физических размеров

микрополосковых фильтров, которые могут быть использованы для

миниатюризации мостовых устройств. Авторы рассматривают пример

уменьшения фазовой скорости в линии, а следовательно и её физическую

длину путем использования так называемой лестничной микрополосковой

линии.

В другой статье [7] описывается метод увеличения фазовой задержки в

линии путем использования так называемых PRI линий или линий

положительного преломления. Данный способ использовался для

9

уменьшения физического размера линий, но он не использовался для

миниатюризации мостовых устройств.

Найденного материала достаточно для работы над магистерской

диссертацией.

10

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ МОСТОВЫХ УСТРОЙСТВ

Для расчета и проектирования мостовых устройств использовалась

подложка с εr=4.5, tgδ=0.02 толщиной 2.5 мм. Рабочая полоса частот

оценивалась по уровню развязки между портами равной 20 дБ.

2.1 Расчет геометрических размеров мостовых устройств

Перед тем как проектировать направленные ответвители необходимо

было рассчитать основные параметры линий передач.

Длина волны в линии:

11

Расчет ширины линии для заданного диэлектрика производился при

помощи программы TXline (рис. 2.2) исходя из значения волнового

сопротивления кольца (см. 2.1):

Рис. 2.1 Расчет ширины линии гибридного кольца.

12

Рис. 2.2 Топология двухшлейфного моста

Длина шлейфов:

13

Расчет трехшлейфного моста

Трехшлейфный мост состоит из двух отрезков полосковых линий

передачи, соединенных между собой с помощью трех шлейфов, длины

которых равны четверти длины волны. Топология данного мостового

устройства приведена на рис. 2.4.[1]

Рис. 2.3 Топология трехшлейфного моста

Длина шлейфов:

14

Расчет размеров двойного гибридного кольцевого моста

Двойной гибридный кольцевой мост представляет усложненную

версию обычного кольцевого моста к которому, с целью увеличения

диапазона рабочих частот, добавлен дополнительный контур длиной равной

длине волны в микрополосковой линии. Структурная схема двойного

гибридного кольцевого моста представлена на рис. 2.5. [5]

Рис. 2.4 Схема двойного гибридного кольцевого моста

Волновые сопротивления колец двойного гибридного кольцевого

моста:

15

где w1 – ширина линии основного кольца двойного гибридного кольцевого

моста

16

2.3 Моделирование простых мостовых устройств

Первым смоделированным мостовым устройством был

двухшлейфный мост, рассчитанный на частоту 1 ГГц. Принципиальная схема

двухшлефного моста представлена на рис. 2.6.

Рис. 2.6 Принципиальная схема двухшлейфного моста

После сборки данного устройства в AWR и введении размеров

рассчитанных ранее (см. 2.6-2.11), были получены результаты не

удовлетворяющие требованиям. После чего была произведена оптимизация

параметров для обеспечения требуемых характеристик. Топология

оптимизированного двухшлейфного моста приведена на рис. 2.7.

Рис. 2.7 Топология двухшлейфного мостового устройства

Частотные характеристики двухшлейфного моста полученные в ходе

моделирования представлены на рис. 2.8. Стоит отметить рабочую полосу

частот равную 100 МГц оцененную по уровню развязки в 20 дБ.

PORTP=1Z=50 Ohm

12

3

MTEEID=TL8W1=w0 mmW2=w1 mmW3=w0 mm

12

3


1 2

3


1 2

3


MLINID=TL4W=w0 mmL=l-w0 mm




PORTP=2Z=50 Ohm

PORTP=4Z=50 Ohm

PORTP=3Z=50 Ohm

MLINID=TL12W=w0 mmL=10 mm




17

Рис. 2.8 S-параметры двухшлейфного моста

Следующим смоделированным мостовым устройством был

двухшлейфный мост рассчитанный на частоту 1,5 ГГц. После сборки данного

устройства в AWR и введении размеров рассчитанных ранее (см. 2.5-2.11),

были получены результаты не удовлетворяющие требованиям. После чего

была произведена оптимизация параметров для обеспечения требуемых

характеристик. Топология оптимизированного двухшлейфного моста

приведена на рис. 2.9.

Рис. 2.9 Топология двухшлейфного мостового устройства

Частотные характеристики двухшлейфного моста полученные в ходе

моделирования представлены на рис. 2.10. Стоит отметить высокий уровень

развязки между первым и вторым портом данного устройства и рабочую

полосу частот равную 100 МГц оцененную по уровню развязки в 20 дБ.

18

Рис. 2.8 S-параметры двухшлейфного моста

Следующим мостовым устройством, спроектированным в рамках

данной диссертации, был кольцевой гибридный мост. Принципиальная схема

гибридного кольцевого моста представлена на рис. 2.9. Стоит отметить,

данная схема усложнена для получения правильной топологии исследуемого

устройства. В программной среде AWR Design Environment отсутствует

такой элемент, как тройник для кольцевой микрополосковой линии, именно

по этой причине кольцевой мост пришлось сделать в виде шестиугольника.

Данный мост был спроектирован по размерам, рассчитанным ранее (см.

2.2-2.4). Для данного устройства также производилась оптимизация

геометрических размеров с целью получения характеристик,

удовлетворяющих заданию.

19

Рис. 2.9 Принципиальная схема кольцевого моста

Топология оптимизированного мостового устройства представлена на

рис. 2.10.

Рис. 2.10 Топология гибридного кольцевого моста

MCURVEID=TL4W=w1 mmANG=60 DegR=r mm




PORTP=3Z=50 Ohm

PORTP=2Z=50 Ohm

PORTP=4Z=50 Ohm

PORTP=1Z=50 Ohm

MLINID=TL16W=w mmL=5 mm




MLINID=TL12W=w1 mmL=w mm

MLINID=TL11W=w1 mmL=w mm



1

2

3

MTEEID=TL8W1=w1 mmW2=w1 mmW3=w mm

12

3


1 2

3


1

2

3


20

Рис. 2.11 Частотная зависимость S параметров кольцевого моста

Частотные зависимости S-параметров, полученные в ходе

моделирования данного устройства, приведены на рис. 2.11. Стоит отметить,

что у данного типа моста, уровень развязки между первым и вторым портом

на центральной частоте меньше, чем у двухшлейфного моста. Однако он

имеет более широкую полосу рабочих частот по уровню развязки .

Следующим мостовым устройством, смоделированным в програмной

среде AWR Design Environment, был трехшлейфный мост, схема которого

представлена на рис. 2.12. После ввода значений, рассчитанных ранее

(см 2.12 – 2.16), были получены результаты, не удовлетворяющие

техническим условиям, после чего была произведена оптимизация

геометрических размеров данного устройства.

21

Рис. 2.12 Принципиальная схема трехшлейфного моста

Характеристики, полученные после оптимизации данного устройства, приведены на рис. 2.13. Стоит отметь, что уровень развязки между первым и вторым портом данного устройства в два раза меньше, чем у двухшлейфного моста. Топология оптимизированного моста представлена на рис 2.14

Рис. 2.13 Частотная зависимость S - параметров трехшлейфного моста


12

3

MTEEID=TL13W1=w mmW2=w2 mmW3=w1 mm

12

3


12

3

MTEEID=TL11W1=w2 mmW2=w mmW3=w1 mm

1 2

3


1 2

3


1 2

3


MLINID=TL7W=w1 mmL=l mm







PORTP=4Z=50 Ohm

PORTP=3Z=50 Ohm

PORTP=2Z=50 Ohm

PORTP=1Z=50 Ohm




22

Рис. 2.14 Топология оптимизированного трехшлейфного моста.

На рис. 2.15 приведены частотные зависимости коэффициентов

передач с первого порта на второй для двухшлейфного, трехшлейфного и

гибридного кольцевого мостов.

Рис. 2.15 Частотная зависимость коэффициентов передач с первого порта на второй для двухшлейфного моста, трехшлейфного моста и

кольцевого гибридного моста

23

Для более удобного сравнения данных мостов в таб. 2.1 приведены диапазоны рабочих частот исследуемых устройств.

Таблица 2.1

Тип моста Диапазон рабочих частот по уровню развязки 20дБ Двухшлейфный

мост 100 МГц

Трехшлейфный мост

475 МГц

Гибридный кольцевой мост

472 МГц

Исходя из данных, полученных в ходе моделирования простых

мостовых устройств, можно сделать следующий вывод: Наиболее широкой

полосой рабочих частот, оцененной по уровню развязки в 20 дБ, обладает

трехшлейфный мост. Добавление дополнительного шлейфа привело к

увеличению рабочего диапазона частот в 4,75 раза. Однако стоит отметить,

что полоса рабочих частот гибридного кольца в 4,72 раза больше, чем у

двухшлейфного моста. Добавление дополнительных шлейфов в шлейфное

мостовое устройство с целью расширения рабочего диапазона частот не

целесообразно, так как дополнительные шлейфы будут иметь большое

сопротивление, а следовательно маленькую ширину микрополосковой линии,

что в свою очередь значительно усложняет реализацию данного моста. В

тоже время добавление дополнительного гибридного кольца должно

увеличить рабочий диапазон частот данного устройства в несколько раз.

Данный тип мостового устройства будет рассмотрен далее.

2.4 Влияние параметров подложки на характеристики моста.

При конструировании мостовых устройств необходимо понимать как

влияют параметры диэлектрической подложки на их характеристики . С этой

целью в рамках данной диссертации было проведено исследование влияния

параметров подложки на характеристики разных мостовых устройств.

24

В программной среде AWR Design Environment был смоделирован

микрополосковый двухшлейфный мост, рассчитанный на частоту 1,5 ГГц,

схема которого представлен на рис. 2.16.

Рис. 2.16 Двухшлейфный мост

Для исследования влияния диэлектрической проницаемости на

характеристики моста данное устройство было спроектировано на четырех

разных подложках с диэлектрическими проницаемостями равными:

• Тефлон

; • ФАФ 3.8

PORTP=3Z=50 Ohm

PORTP=1Z=50 Ohm





12

3


12

3


1 2

3


1 2

3






PORTP=2Z=50 Ohm

PORTP=4Z=50 Ohm

25

Рис.2.16 Зависимость коэффициента передачи с первого порта на второй от частоты для разных диэлектриков

Следует отметить, что рабочая полоса мостового устройства

оценивалась по уровню развязки между первым и вторым портом в 30 дБ.

Также важным показателем является уровень развязки между первым и

вторым портом на центральной частоте. Для более удобного сравнения

данных мостовых устройств, вышеописанные критерии оценки представлены

в таблице 2.4.1.

Таблица 2.2.

Диэлектрическая

проницаемость подложки

Ширина рабочей

полосы частот

Развязка на

центральной частоте

2 50 МГц 55,32 дБ

3,8 50 МГц 58,45 дБ

4,5 50 МГц 59,11 дБ

8 50 МГц 60,06 дБ

Исходя из данных, представленных в таблице 2.2, можно сделать

следующие выводы:

26

• увеличение диэлектрической проницаемости подложки двухшлейфного моста не влияет на его рабочую полосу

• увеличение диэлектрической проницаемости не ведет к уменьшению уровня развязки между первым и вторым портами двухшлейфного моста.

Стоит отметить, что двухшлейфный мост имеет узкую рабочую полосу

частот и поэтому не позволяет достоверно определить влияние

диэлектрической подложки на рабочую полосу частот мостового устройства.

Для получения более достоверных результатов было решено

промоделировать трехшлейфный мост. Схема данного устройства приведена

на рис. 2.17

Рис. 2.17 Трехшлейфный мост.

Данное мостовое устройство также было спроектировано на четырех

разных подложках с диэлектрическими проницаемостями равными:

• Тефлон

; • ФАФ 3.8








PORTP=4Z=50 Ohm

PORTP=3Z=50 Ohm

PORTP=2Z=50 Ohm

PORTP=1Z=50 Ohm





12

3


1 2

3


1 2

3


12

3


12

3


1 2

3


27

Рис. 2.18 Зависимость коэффициента передачи с первого порта на второй от частоты для разных диэлектриков

Для более наглядной оценки полученных результатов были

построены графики зависимостей ширины рабочей полосы трехшлейфного

моста и уровня развязки первого и второго портов трехшлейфного моста от

значения диэлектрической проницаемости подложки. Данные зависимости

представлены на рис. 2.19. Стоит отметить, что рабочие диапазоны частот

оценивались по уровню развязки 30 дБ. При оценки рабочих диапазонов по

уровню развязки 20 дБ, итоговая разница в диапазонах рабочих частот не так

наглядна.

Из полученных в ходе моделирования данных можно сделать

следующие выводы:

• Ширина рабочей полосы частот трехшлейфного мостового устройства обратно пропорциональна диэлектрической проницаемости подложки. Данная зависимость имеет ярко выраженный характер.

• Уровень развязки между первым и вторым портом трехшлейфного моста также уменьшается при увеличении диэлектрической проницаемости.

28

Рис. 2.19 Зависимость ширины рабочей полосы трехшлейфного моста

от диэлектрической проницаемости (а) зависимость уровня развязки между первым и вторым портом трехшлефного моста от диэлектрической

проницаемости (б)

Для оценки влияния толщины диэлектрика на характеристики

мостового устройства были промоделированы четыре трехшлейфных моста.

Данные устройства были рассчитаны на одном и том же диэлектрике.

Отличие было лишь в толщине подложки, которая была равна:

29

Рис. 2.20 Зависимость коэффициента передачи с первого порта на второй от частоты для разных значений толщины диэлектрика

Исходя из результатов данного эксперимента, можно сделать вывод,

что увеличение толщины подложки ведет к уменьшению уровня развязки на

центральной частоте, при этом зависимость данных параметров нелинейная.

Стоит также отметить, что увеличение толщины подложки ведет к

расширению диапазона рабочих частот. Однако у данного способа

расширения полосы есть один негативный фактор: увеличение толщины

подложки способствует увеличению ширин микрополосковых линий, а

следовательно, и к увеличению геометрических размеров проектируемых

устройств.

2.5 Моделирование широкополосных мостовых устройств После рассмотрения простых моделей мостовых устройств было

решено перейти к следующему этапу данной работы – моделированию

широкополосных мостовых устройств.

Первая модель широкополосного мостового устройства это

однослойное двойное гибридное кольцо, схема которого представлена на

рис. 2.21. Ширины микрополосковых линий данного мостового устройства

30

были рассчитаны ранее (см. 2.1.17-2.1.18). После создания модели была

проведена оптимизация геометрических размеров данного устройства, с

целью получения характеристики, удовлетворяющих заданным требованиям.

Рис. 2.51 Принципиальная схема двойного гибридного кольца

Частотные зависимости, полученные в ходе моделирования данного

устройства, приведены на рис. 2.22. Необходимо отметить, что

относительная рабочая полоса частот данного устройства по уровню развязки

20 дБ составляет 49%. Также стоит отметить увеличение относительной

полосы частот по уровню развязки 30 дБ в 3 раза по сравнению с гибридным

кольцевым мостом. Добавление второго контура позволило увеличить

рабочую полосу на 10 %. Из отрицательных факторов стоит отметить

увеличение площади, занимаемой данным устройством, в 2 раза.

31

Рис. 2.22 Частотная зависимость S параметров двойного гибридного кольца

Топология полученного после оптимизации устройства приведена на

рис. 2.23.

Рис. 2.23 Топология двойного гибридного моста

После получения отличных характеристик у двойного гибридного

кольцевого моста было решено добавить к данному устройству

32

дополнительное кольцо и проанализировать данное устройство.

Принципиальная схема доработанного устройства представлена на рис. 2.24.

Рис. 2.24 Принципиальная схема тройного гибридного кольца

После ручной подстройки геометрических параметров и анализа

тройного гибридного мостового устройства было решено провести

оптимизацию параметров. Для этого были введены цели оптимизации

(рис. 2.25).

Рис. 2.25 Цели для оптимизации тройного гибридного мостового устройства

Частотные зависимости, полученные после оптимизации данного

устройства, представлены на рис. 2.2.26.

12

3


MCURVEID=TL15W=w1 mmANG=90 DegR=0.7 mm

1

2

3


MLINID=TL8W=w3 mmL=l-w/2-w3 mm

12

3


12

3


1 2

3


1 2

3


MLINID=TL7W=w3 mmL=l-w/2-w3 mm

MLINID=TL6W=w3 mmL=2*l-w1 mm

MLINID=TL5W=w1 mmL=2*l-w/2-w1/2 mm


MLINID=TL1W=w1 mmL=l-w1/2-w2/2 mm


MLINID=TL2W=w1 mmL=l-w2/2-w1/2 mm

PORTP=2Z=50 Ohm

PORTP=4Z=50 Ohm

PORTP=3Z=50 Ohm

PORTP=1Z=50 Ohm 12

3


1 2

3


MLINID=TL21W=w2 mmL=2*l-w1 mm



MLINID=TL18W=w mmL=4.68 mm




33

Рис. 2.26 Частотные зависимости S- параметров тройного гибридного моста после оптимизации

Анализируя полученные характеристики стоит отметить, что у

данного модифицированного гибридного кольцевого моста относительная

рабочая полоса оцененная по уровню развязки 20 дБ равна 50%. Добавление

дополнительного контура увеличило относительную рабочую полосу на 1%.

Однако относительный рабочий диапазон частот оцененный по уровню

развязки 30 дБ увеличился на 10% по сравнению с двойным гибридным

кольцевым мостом. Принципиальная схема полученного устройства

представлена на рис. 2.27

34

Рис. 2.27 Принципиальная схема тройного гибридного кольцевого моста после оптимизации

Для большего удобства сравнения диапазонов рабочих полос, на

рис 2.28 представлены частотные зависимости коэффициентов передачи с

первого порта на второй для двойного и тройного гибридного кольцевого

мостов.

Рисунок 2.28 Сравнение рабочих диапазонов частот по уровню развязки 20 дБ и 30 дБ для двойного и тройного гибридного кольцевого

моста

35

Анализ метода расширения полосы гибридного кольцевого моста

показал, что увеличение количества дополнительных колец позволяет

значительно увеличить полосу частот, на которых обеспечивается уровень

развязки 30 дБ. Прирост полосы по уровню развязки в 20 дБ незначителен.

2.6 Анализ способов расширения рабочей полосы.

Анализ литературы показал, что большинство способов расширения

рабочей полосы мостовых устройств основывается на использовании

связанных линий. Данные способы отличаются тем, что не обеспечивают

необходимый уровень развязки.

Способ расширения рабочей полосы шлейфных мостов путем

увеличения количества шлейфов работает, но недостаточно эффективно.

Стоит также отметить, что с каждым увеличением количества шлейфов

уменьшается уровень развязки. Также количество шлейфов ограниченно

технологическими возможностями, ведь каждый новый шлейф должен иметь

более высокое сопротивление, а, следовательно, меньшую ширину

микрополосковой линии. По этой причине очень сложно создать мост с

большим количеством шлейфов.

Способ расширения рабочей полосы при помощи использования

дополнительных контуров в гибридном кольцевом мосте [5] позволяет

получить приемлемые результаты. Относительная полоса рабочих частот

увеличивается в 3 раза, при добавлении второго контура. Также данный

способ расширения рабочего диапазона позволяет достичь высокого уровня

развязки. Стоит также отметить, что добавление третьего контура

обеспечивает прирост относительной рабочей полосы на 9%.

Наиболее подходящим для реализации широкополосных мостовых

устройств с высоким уровнем развязки является метод увеличения контуров

у гибридного кольцевого моста.

36

3. МЕТОДЫ МИНИАТЮРИЗАЦИИ МОСТОВЫХ УСТРОЙСТВ

В рамках данной работы рассмотрены два метода миниатюризации

мостовых устройств. Первый метод основан на уменьшении используемой

площади путем изменения формы используемых микрополосковых линий.

Второй метод основан на увеличение фазовой задержки в линии путем

использования так называемых PRI линий или линии положительного

преломления.

3.1 Миниатюризация при помощи изменения формы линий

Данный метод широко известен и часто применяется при

проектировании мостовых устройств, фазовращателей и прочей

микрополосковой техники СВЧ. Экономия используемого пространства

достигается путем изменения формы лини связи. При этом электрическая и

физическая длины линии остаются прежние. При использовании данного

метода для мостовых устройств можно достигнуть заметного сокращения

физических размеров, при сохранении характеристик. Пример изменения

формы линии приведен на рис. 3.1.

Рис. 3.1 Сравнение двух линий одинаковой длины

Данный метод весьма прост и не требует дополнительных расчетов.

3.2 Миниатюризация при помощи PRI линии

Метод миниатюризации при помощи PRI линий основан на

использовании фазосдвигающей ячейки представляющей из себя

последовательность высокоомных и низкоомных отрезков линии. Пример

топологии данной ячейки представлен на рис. 3.2. [7]

37

Рис. 3.2. Топология PRI линии

Данная ячейка выступает в роли фильтра низких частот,

эквивалентная схема которого приведена на рис. 3.3. Стоит также отметить,

что данная ячейка имеет свою фазовую задержку, при этом требуемый

фазовый набег обеспечивается путем использования нескольких

последовательно соединенных PRI линий.[5]

Рис. 3.3 Эквивалентна схема PRI линии

Методика проектирования PRI линии в Ansoft HFSS

Для проектирования данных фазосдвигающих ячеек использовалась

программа Ansoft HFSS 15.

Для начала проектирования необходимо открыть главное окно

программы и создать новый проект. После чего создать проект HFSS Design,

38

нажав кнопку . Задать частоту анализа необходимое число шагов

(рис. 3.4) для этого в окне Project Manager выбрать пункт Analysis и нажать

на него правой кнопкой мыши, после чего в появившемся окне выбрать

пункт Add Solution Setup. В появившемся окне ввести необходимые данные.

Рис. 3.4 Настройка параметров анализа.

После настройки параметров анализа необходимо задать диапазон

частот, в котором будет проводиться анализ данной ячейки, выбрать тип

расчета для данного диапазона частот и нажать «ОК». Пример данной

настройки приведен на рис. 3.5.

Рис. 3.5 Настройка диапазона частот для анализа ячейки.

39

После чего приступаем к непосредственному моделированию PRI

ячейки на необходимый нам фазовый сдвиг. В данном случае нам

необходимо создать ФНЧ рассчитанный на частоту 1ГГц и обеспечивающий

набег фазы равный 90º. Также не стоит забывать, что проектируемый ФНЧ

должен обладать таким же волновым сопротивлением, что и линия, в место

которой он проектируется. Это очень важный фактор, при моделировании

миниатюрных мостовых мостов.

Для начала рисуем подложку и воздушный бокс вокруг нее (рис 3.6).

Размеры данных боксов следует задавать параметрический, это значительно

облегчает подстройку размеров устройства и сам процесс моделирования в

целом. Создаем первый бокс с координатами: g/2, 0, 0 и размерами: g, l, h, где

g-это ширина подложки, l – длинна подложки, а h- её толщина. Очень важно

задать материал подложки. После чего создаем второй бокс с такими же

координатами, шириной и длинной, высоту задаем равную 15*h. Указываем

что этот бокс состоит из воздуха.

Рис. 3.6 Подложка и воздушный бокс

После этого необходимо нарисовать питающую линию, с заданным

заранее волновым сопротивлением. Для этого на верхней поверхности

диэлектрика необходимо нарисовать прямоугольник в плоскости XY, с

координатами:

40

(–w/2, 0, h)

и размерами:

w, lp,

где w – ширина питающей микрополосковой линии, а lp – её длина.

После чего можно приступать к моделированию самой PRI линии. Так

как фазосдвигающая ячейка - это последовательность низкоомного и

высокоомного отрезков микрополосковой линии, то нам следует нарисовать

ещё три отрезка линии. Создаем прямоугольник с координатами:

(-wL/2 ,lp ,h)


wL , LL/2,

где wL ширина микрополосковой линии высокоомной линии, а LL его длина.

Затем создаем второй прямоугольник с координатами:

(-wС/2 ,lp+LL/2 ,h)


wС, LС.

Третий отрезок линии также представляет собой треугольник с

координатами:

(–wL/2 ,lp+LL/2+Lc ,h)


wL, LL/2.

Стоит отметить, что ширина высокоомного участка линии должна быть

меньше w, а низкоомного больше. После чего необходимо добавить вторую

питающую линию с координатами:

(-w/2 ,lp+LL+Lc ,h)

и размерами

w, lp.

После создания всех отрезков их следует объединить. Для более

удобной перестройки проекта необходимо исправить значение длины

подложки: l=lp+N*(LL+Lc)+2*lp, где N - число ячеек PRI. Также необходимо

41

обозначить для микрополосковой линии граничные условия. Итоговая

модель представлена на рис. 3.7.

Рис. 3.7 PRI ячейка (вид сверху)

Далее необходимо задать порты. Для этого необходимо создать два

прямоугольника в плоскости ZX с координатами:

(-5/2*w, 0, 0) и (-5/2*w, 0, l)

размерами

5*w, 5*h.

После чего задаем на данных прямоугольниках Wave Port, для этого

необходимо выделить прямоугольник и нажать правую кнопку мыши, во

всплывшем окне выбрать пункт: Assign Excitation -> Wave port. В

появившемся окне нажать кнопку «Далее», затем в задать линию

интегрирования. Для этого необходимо навести курсор на надпись None в

колонке Integration line и выбрать пункт New Line (рис. 3.8). После чего на

выбранном прямоугольнике начертить линию от земли к микрополосковой

линии, как это показано на рис. 3.9.

42

Рис. 3.8 Создание линии интегрирования

Рис. 3.9 Определение линии интегрирования

После чего необходимо нажать далее. Необходимо поставить галочку

возле надписи «Deembed» и в активном поле задать переменную Lp, так как

это показано на рис. 3.10. Это необходимо для исключения влияния линии

питания на измеряемые характеристики. Таким же образом необходимо

задать второй порт. Очень важно убедится, что пересчет значений поля идет

в необходимом направлении, для этого необходимо выбрать в меню

Excitation необходимый порт и проверить вектор пересчета, он должен быть

направлен в сторону ФНЧ.

43

Рис. 3.10 Установка значения deembed

После задания портов можно приступать к анализу данной ячейки,

для этого необходимо запустить анализ, нажав на кнопку на панели

управления. После окончания расчета необходимо построить зависимость

фазы коэффициента передачи от частоты. Пример зависимости приведен на

рис. 3.11. Необходимо определить задержку фазы на центральной частоте.

Рис. 3.11 ФЧХ одиночной PRI ячейки

После этого необходимо определить сколько необходимо PRI ячеек

для обеспечения необходимой фазовой задержки. Формул для оценки

необходимого количества PRI ячеек:

-23

-21

-19

-17

-15

-13

-11

-9

-7

500 700 900 1100 1300 1500

Град

усы

МГц

45

После этого необходимо снова проанализировать полученную линию

и измерить задержку по фазе на центральной частоте. ФЧХ полученная после

увеличения количества ячеек представлена на рис. 3.13.

Рис. 3.13 ФЧХ PRI линии

После определения количества PRI ячеек необходимо подобрать

геометрические размеры высокоомных и низкоомных участков линии. Для

этого необходимо провести параметрический анализ данной линии.

Настройка параметрического анализа производится в меню: HFSS ->

Optimetric Analysis -> Add Parametric… После перехода в данное меню,

должно появится окно «Setup sweep Analysis», в данном окне следует нажат

кнопку «Add», как это показано на рис. 3.14.

Рис. 3.14 Окно настройки параметрического анализа

-104

-94

-84

-74

-64

-54

-44

-34

500 700 900 1100 1300 1500

Град

усы

МГц

46

После чего появится окно выбора переменной и способа перебора

значений. Данное окно показано на рис. 3.15.

Рис. 3.15 Выбор переменной и способа перебора значений

Для начала нам необходимо подобрать значение ширины

высокоомных участков линии. Для этого в окне выбора переменных нам

следует выбрать wL. Анализ проводится от 0.1 мм до ширины питающей

линии. Количество точек выбирается произвольно. После ввода всех

значений стоит нажать кнопку «Add», затем «OK». После чего в окне «Setup

sweep Analysis» появится строчка с названием переменной и рамками

исследования. После чего необходимо нажать «OK».

Перед началом параметрического анализа необходимо отключить

переключение по частоте в меню «Analysis». Способ отключения

продемонстрирован на рис. 3.16. После чего необходимо запустить анализ

проекта.

47

Рис. 3.16 Отключение переключения частоты

Стоит отметить, что при минитюаризации мостовых устройств у

линии контролируются два основных параметра: КСВН и задержка по фазе.

После окончания анализа необходимо построить зависимость

задержки по фазе от параметра wL, а также зависимость КСВН от параметра

wL. Примеры данных графиков приведены на рис. 3.17 и рис. 3.18

соответственно. По данным графикам выбирается значение wL. Главным

критерием является наибольший фазовый набег, второстепенным критерием

является КСВН. Выбранное значение wL подставляется в проект.

Рис. 3.17 Зависимость фазовой задержки от wL

-74

-69

-64

-59

0,10 0,60 1,10 1,60 2,10 2,60 3,10

Ang(

S21)

,Deg

WL

48

Рис. 3.18 Зависимость КСВН от параметра wL

Следующим параметром, определяющим фазовый набег и волновое

сопротивление PRI линии, является параметр wc. Значение данного

параметра также выбирается параметрическим анализом, однако в отличии

от wL, значение данного параметра должно быть больше ширины питающей

линии. Пример зависимостей фазовой задержки и КСВН от wc для трех

разных значений wL представлены на рис. 3.19 и рис. 3.20 соответственно.

Рис. 3.19 Зависимость фазовой задержки от параметра wC

1,00

1,10

1,20

1,30

1,40

1,50

1,60

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00

КСВН

WL , мм.

-77

-72

-67

-62

-57

3 4 5 6 7 8 9

ang(

S21)

, Deg

Wc , мм.

WL=0,1

Wl=0.35

Wl=0.6

49

Рис. 3.20 Зависимость КСВН от параметра wC

Методика выбора ширины низкоомного участка PRI ячейки

отличается от методики выбора ширины wL. При выборе значения wC стоит в

первую очередь ориентироваться на минимальный КСВН, а затем уже на

значение фазовой задержки.

После выбора wc и wL необходимо определится с соотношением длин

высокоомной и низкоомной частей PRI линии, для этого необходимо задать

значение Lc параметрический:

Lc=D-LL, (3.2.3)

где D – длина одной PRI ячейки.

Для определения необходимого соотношения между Lc и LL

проводится параметрический анализ по параметру LL. Строятся зависимости

КСВН и фазовой задержки от LL для трех разных значений wc. Пример

данной зависимостей приведен на рис. 3.21 и рис. 3.22.

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

2,00

2,20

2,40

2,60

3 4 5 6 7 8 9

КСВН

Wc , мм.

Wl=0.1 мм

Wl= 0,35 мм

Wl=0,6 мм

50

Рис. 3.21 Зависимость фазовой задержки от LL

Рис. 3.22 Зависимость КСВН от LL

При выборе соотношения между LL и LС стоит выбирать компромисс

между наибольшей фазовой задержкой и наилучшим согласованием.

После того как были определены все физические параметры,

необходимо провести частотный анализ итоговой PRI линии. Для этого

необходимо отключить параметрический анализ, таким же способом, как это

делалось с частотным анализом, и включить частотный. Примеры итоговых

характеристик представлены на рис. 3.23 и рис.3.24.

-75,00

-70,00

-65,00

-60,00

-55,00

-50,00

0,10 0,60 1,10 1,60

Град

усы

LL , мм

Wc=7мм

Wc=8 мм

Wc=9 мм

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

2,00

2,20

0,10 0,60 1,10 1,60

КСВН

LL , мм

Wc=7 мм

Wc=8 мм.

Wc=9 мм.

51

Рис. 3.23 ФЧХ PRI линии

Рис. 3.24 Частотная зависимость КСВН на входе PRI линии от частоты

При проектировании мостовых устройств, уменьшенных данным

методом, стоит также помнить о топологии ФНЧ. Например: для замены

участка линии, обеспечивающего фазовый сдвиг в 90º необходимо

спроектировать PRI линию с фазовой задержкой 70º-80º, а остальную

задержку фазы обеспечивать микрополосковой линией. Благодаря этому

можно избежать пересечения топологий фильтров при проектировании

мостовых устройств. Подбор длины дополнительной линии может быть

осуществлен путем уменьшения значения «Deembed» одного из портов.

-112,00

-102,00

-92,00

-82,00

-72,00

-62,00

-52,00

-42,00

500,00 700,00 900,00 1100,00 1300,00 1500,00

Град

усы

МГц

1,00

1,05

1,10

1,15

1,20

1,25

1,30

1,35

1,40

500,00 700,00 900,00 1100,00 1300,00 1500,00

КСВН

МГц

52

4 МОДЕЛИРОВАНИЕ МИНИАТЮРНЫХ МОСТОВЫХ

УСТРОЙСТВ

4.1 Моделирование простых миниатюрных мостовых устройств

Первым мостовым устройством, которое было миниатюризировано,

был двухшлейфный мост. Данный мост был спроектирован в AWR Design

Environment на частоту 1 ГГц. В качестве подложки использовался

стеклотекстолит толщиной 2.5 мм.

Для уменьшения физических размеров данного устройства были

спроектированы две PRI линии. Первая линия предназначена для замены

четвертьволновых шлейфов с волновым сопротивлением 50 Ом. Вторая PRI

линия предназначена для замены четвертьволновой линии с волновым

сопротивлением 35.35 Ом. Топология данных линий приведена на рис. 4.1.

Рис. 4.1 Топологии PRI линий c волновым сопротивлением: а - 50 Ом, б - 35.35 Ом

Частотная зависимость фазовой задержки PRI линии с волновым

сопротивлением в 50 Ом представлена на рис. 4.2. Данная линия на

центральной частоте обеспечивает набег фазы в 71,8470º.

53

Рис. 4.2 ФЧХ PRI линии рассчитанной на 50 Ом

Частотная зависимость фазового набега для PRI линии с волновым

сопротивлением 35.35 Ом представлена на рис. 4.3.

Рис. 4.3 ФЧХ PRI линии рассчитанной на 35,35 Ом

Данная PRI линия на центральной частоте обеспечивает задержку по

фазе в 68.38º.

-109,00

-99,00

-89,00

-79,00

-69,00

-59,00

-49,00

-39,00

500,00 700,00 900,00 1100,00 1300,00 1500,00

Град

усы

МГц

-102,00

-92,00

-82,00

-72,00

-62,00

-52,00

-42,00

500,00 700,00 900,00 1100,00 1300,00 1500,00

Град

усы

МГц

54

В дальнейшем вышеупомянутые линии PRI были использованы для

миниатюризации двухшлейфного мостового устройства. Топология

миниатюризированного мостового устройства представлена на рис. 4.4.

Рис. 4.4 Миниатюризированный двухшлейфный мост

Частотные характеристики конечного устройства приведены на

рис. 4.5.

Рис. 4.5 Зависимость S-параметров от частоты для миниатюризированного мостового устройства

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

S21 S31 S41

55

На рис 4.6 представлены частотные зависимости коэффициентов

передачи с первого порта на второй для обычного мостового устройства и

миниатюризированного.

Рис. 4.6 Частотные зависимости коэффициентов передачи для обычного моста и миниатюризированного

Стоит отметить, что рабочая полоса по уровню развязки в 20 дБ у

миниатюризированного устройства осталась прежней, однако уменьшился

уровень развязки на центральной частоте. Использование PRI линий

позволило уменьшить площадь устройства на 38%.

4.2 Моделирование миниатюризированных широкополосных

мостовых устройств

Миниатюризация двойного гибридного кольца производилась двумя

методами:

• миниатюризации при помощи изменения формы микрополосковых линий

• миниатюризация при помощи использования PRI линий. Топология мостового устройства миниатюризированного первым

способом представлена на рис. 4.7. Изменение формы микрополосковых

линий позволило уменьшить площадь исследуемого устройства на 50%.

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

500 700 900 1100 1300 1500

дБ

МГц

S21_MIN

S21_Normal

56

Рис. 4.7 Топология миниатюризированного мостового устройства Частотные характеристики модернизированного мостового

устройства представлены на рис. 4.8.

Рис. 4.8 Частотные характеристики миниатюризированного мостового

устройства Для более удобного сравнения характеристик миниатюризированного

устройства с полноразмерным на рис. 4.8 представлены частотные

зависимости коэффициентов передачи с первого порта на второй.

57

Рис. 4.8 Частотные зависимости коэффициентов передачи с первого

порта на второй полноразмерного и миниатюрного мостовых устройств

Стоит отметить, что рабочая полоса данного устройства уменьшилась

на 47 МГц по сравнению с обычным двойным гибридным кольцом. Также

уменьшение физических размеров повлияло на уровень развязки межу

первым и вторым портами на центральной частоте, он уменьшился на 40 дБ.

Для миниатюризации двойного гибридного кольца вторым способом

были спроектированы четыре PRI линии. Первая линия представляет собой

последовательность из восьми PRI ячеек, с волновым сопротивлением

100 Ом. Топология данного ФНЧ представлена на рис. 4.9.

58

Рис. 4.9 Топология ФНЧ с волновым сопротивлением 100 Ом ФЧХ данного фильтра представлена на рис. 4.10

Рис. 4.10 ФЧХ фильтра с волновым сопротивлением 100 Ом

Спроектированная PRI линия имеет волновое сопротивление 100 Ом и

фазовую задержку на центральной частоте 77º.

Следующий ФНЧ имеет волновое сопротивление 100 Ом и состоит из

пятнадцати PRI ячеек. Топология данного фильтра представлена на рис. 4.11.

-103,00

-93,00

-83,00

-73,00

-63,00

-53,00

1000,00 1200,00 1400,00 1600,00 1800,00 2000,00

Град

усы

МГц

59

Рис. 4.11 Топология второго фильтра с волновым сопротивлением 100 Ом

Данный фильтр переназначен для замены микрополосковой линии

длиной в пол длины волны. ФЧХ данного фильтра представлена на рис.4.2.7.

На центральной частоте он обеспечивает задержку по фазе 167º.

Рис. 4.12 ФЧХ второго фильтра

Третья PRI линия состоит из восьми PRI ячеек, с волновым

сопротивлением 70.7 Ом. Топология данного фильтра представлена на

рис. 4.13.

-180,00

-130,00

-80,00

-30,00

20,00

70,00

120,00

170,00

1000,00 1200,00 1400,00 1600,00 1800,00 2000,00

ГРад

усы

МГц

60

Рис. 4.13 Топология третьего ФНЧ

Данный фильтр проектировался для замены четвертьволновой

микрополосковой линии с волновым сопротивлением в 70.7 Ом. ФЧХ

данного устройства представлена на рис. 4.14.

Рис. 4.14 ФЧХ третьего фильтра

Стоит отметить, что данный фильтр обладает волновым

сопротивлением 70,7 Ом и фазовой задержкой в 81º.

Четвертая PRI линия представляет собой последовательность из 15

PRI ячеек волновым сопротивлением 70,7 Ом. Топология данного фильтра

приставлена на рис.4.15.

-109

-99

-89

-79

-69

-59

1000 1200 1400 1600 1800 2000

Град

усы

МГц

61

Рис.4.15 Топология четвертого ФНЧ

Частотная зависимость фазы коэффициента передачи от частоты

представлена на рис. 4.2.12.

Рис. 4.15 ФЧХ четвертого фильтра

Данный фильтра имеет волновое сопротивление 70,7 Ом и

переназначен для замены полуволнового отрезка микрополосковой линии. На

центральной частоте данное устройство вносит фазовую задержку в 155º.

Все вышеописанные фильтры предназначаются для миниатюризации

двойного гибридного кольцевого мостового устройства. Топология

уменьшенного при помощи PRI линий двойного гибридного кольца

представлена на рис. 4.16.

-180

-130

-80

-30

20

70

120

170

1000,00 1200,00 1400,00 1600,00 1800,00 2000,00

Град

усы

МГц

62

Рис. 4.16 Топология двойного гибридного кольца миниатюризированного при помощи ФНЧ

Частотные характеристики, полученные в ходе моделирования,

представлены на рис. 4.17.

Рис. 4.17 Частотные зависимости S параметров для миниатюризированного двойного гибридного кольца.

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000

дБ

МГц

S21_HFSS

S31_HFSS

S41_HFSS

63

Для более наглядного сравнения на рис. 4.18 представлены частотные

зависимости коэффициентов передачи двойного гибридного кольца и

миниатюризированного мостового устройства.

Рис. 4.18 Сравнение частотных зависимостей коэффициентов

передачи с первого порта на второй двойного гибридного кольца и

миниатюризированного мостового устройства.

После анализа стоит отметить, что у данного устройства

относительная полоса рабочих частот составила 33,7%, следовательно,

данный способ уменьшает рабочую полосу, однако благодаря данному

методу удалось добиться уменьшения размеров двойного гибридного кольца

на 48%.

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000

дБ

МГц

S21_Min_PRI

S21 2xRing

64

4.3 Анализ способов миниатюризации мостовых устройств

Метод миниатюризации посредством изменения формы линий связи

в мостовом устройстве достаточно прост. При использовании данного метода

у мостового устройства уменьшается уровень развязки на центральной

частоте, а также уменьшается рабочий диапазон частот. Данным методом

удалось уменьшить размеры устройства на 50%.

Метод миниатюризации устройств при помощи ФНЧ [7] обеспечивает

хорошую эффективность. Данный способ позволил уменьшить размеры

устройства на 48%. Стоит отметить, что для достижения данным методом

существенных результатов возникает необходимость в разработке ФНЧ для

каждой линии устройства индивидуально. Данный метод на порядок сложнее

и требует больше времени нежели первый метод. При разработке ФНЧ

весьма сложной задачей является обеспечение необход

Широкополосные и миниатюрные...

Documents