МЕТОДИКА СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА ШЛЕЙФНЫХ МОСТОВ УВЧ ДИАПАЗОНА С УМЕНЬШЕННЫМИ ГАБАРИТНЫМИ РАЗМЕРАМИ
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 3
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ
ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ 4
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 6
Заключение 25
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 26
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ
ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ 4
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 6
Заключение 25
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 26
Актуальность темы исследования и степень ее разработанности
Микрополосковый направленный ответвитель - базовый элемент фазовращателей, сумматоров, смесителей, диаграммообразующих схем антенных решеток и других радиотехнических средств. Направленный ответвитель, распределяющий подводимую к нему мощность поровну между двумя его выходами с разностью фаз 90°, называется шлейфным квадратурным мостом (ШКМ). Кроме ШКМ задачу деления входной мощности решают синфазные делители мощности (мосты Уилкинсона), синфазно-противофазные мосты (СПМ), ответвители на связанных линиях, ответвители Ланге, планарные Т-образные делители, направленные ответвители с трансформаторами, резистивные тройники и др. В микрополосковом исполнении ШКМ и синфазно-противофазные мосты занимают наибольшую площадь на подложке среди перечисленных устройств при прочих равных условиях. Поскольку подходы в миниатюризации СПМ и ШКМ схожи, а последние в технике используются чаще, то именно им и были посвящены исследования в диссертационной работе.
Значительный вклад в разработку и исследование направленных ответвителей внесли Зелях Э.В., Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Гвоздев В.И., Нефедов Е.И., Сазонов Д.М., Гридин А.Н., Мишустин Б.А., Печурин В.А., Петров А.С., Мунина И.В., Вендик И.Б., Капитанова П.В., Холодняк Д.В., Щетинин Н.Н., Останков А.В., Кац Б.М., Мещанов В.П., Карамзина В.В., Альтман Дж.Л., Малорацкий Л.Г., и другие.
Классическая конструкция ШКМ (при волновых сопротивлениях подводящих линий ро = 50 Ом) включает в себя две пары четвертьволновых отрезков линии передачи ¿1, ¿2, образующих прямоугольник, одна из которых имеет сопротивление р1 = 50 Ом, а другая - р2 = 35 Ом. Схемно-конструктивная реализация микрополоскового ШКМ, показанная на рисунке 1, далее по тексту будет называться традиционной конструкцией.
Размеры ШКМ связаны с длиной линий передачи, на основе которых они изготовлены. Поэтому в УВЧ диапазоне, в котором работают такие системы как GSM, Wi-Fi, 3G, 4G, GPS, ГЛОНАСС и другие, мосты обладают значительными размерами, при том, что большая площадь внутри моста, заключенная между четвертьволновыми отрезками, остается неиспользуемой. Поэтому УВЧ диапазон был выбран для конструирования малогабаритных ШКМ.
В литературе представлены разнообразные методы уменьшения габаритных размеров шлейфных квадратурных мостов. Применение этих методов, как правило, сопровождается ухудшением частотных характеристик ШКМ: сужением полосы рабочих частот; отклонением коэффициентов передачи и разности фаз выходных сигналов от номинальных значений; увеличением вносимых потерь; уменьшением уровня развязки и увеличением коэффициентов отражения от входов. Также большинство авторов опубликованных работ мало внимания уделяют описанию методики синтеза топологии компактных мостов, а останавливаются лишь на обобщенных широко известных расчетных выражениях, не раскрывая перечень выполненных этапов проектирования.
Сказанное выше свидетельствует об актуальности исследования, направленного на разработку методики проектирования компактных мостов и устройств на её основе.
Объектом исследования диссертации являются квадратурные мосты.
Предметом исследования - модели квадратурных мостов, методы их анализа и расчета, методики и алгоритмы их проектирования.
Цель и задачи диссертационной работы
Основной целью диссертационной работы является разработка и исследование методики и алгоритмов расчета шлейфных мостов УВЧ диапазона с уменьшенными относительно традиционных конструкций габаритными размерами.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
1. Выполнить анализ существующих схемно-топологических методик уменьшения габаритных размеров шлейфных мостов для подтверждения актуальности работы.
2. Исследовать возможности использования Т- и П-образных звеньев эквивалентных фильтров, применяемых в качестве базовых сегментов шлейфных мостов, выполняемых на сосредоточенных и/или распределённых элементах, для анализа и синтеза ШКМ.
3. Разработать и исследовать новые схемно-конструктивные варианты построения ШКМ, являющиеся компромиссным решением между уменьшением их размеров и ухудшением частотных характеристик, мостов с разными значениями волновых сопротивлений подводящих линий, ШКМ с возможностью переключения режимов направленности с сонаправленного на противонаправленный, и наоборот.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Разработана методика структурного синтеза шлейфных мостов с уменьшенными габаритными размерами относительно традиционных конструкций, основанная на применении Т-образных звеньев эквивалентных фильтров. Она отличается от существующих методик построения компактных мостов наличием компромиссного решения между уменьшением габаритных размеров устройства и ухудшением его частотных характеристик при условии замены лишь двух идентичных отрезков МПЛ на Т-образные звенья.
2. Впервые исследованы допустимые пределы миниатюризации ШКМ. Показано, что Т- образные звенья с индуктивными элементами в виде высокоомных отрезков и емкостными элементами в виде низкоомных отрезков позволяют уменьшить площадь микрополосковых устройств на ~80-90% с уменьшением полосы развязки и согласования не более, чем на ~30- 40%. Показано, что наибольшую степень миниатюризации удается достичь при использовании тонких подложек с небольшой диэлектрической проницаемостью.
3. Разработано новое схемно-конструктивное решение по реализации шлейфного квадратурного моста с коммутируемым типом направленности, которое отличается от известных тем, что вместо исключительно фильтров нижних частот в состав моста добавлен фильтр верхних частот.
4. Разработаны компактные мосты, отличающиеся от существующих аналогов тем, что для изменения волновых сопротивлений подводящих линий устройства вместо традиционных четвертьволновых отрезков используются Т-образные звенья фильтров с разными сопротивлениями входов/выходов...
Микрополосковый направленный ответвитель - базовый элемент фазовращателей, сумматоров, смесителей, диаграммообразующих схем антенных решеток и других радиотехнических средств. Направленный ответвитель, распределяющий подводимую к нему мощность поровну между двумя его выходами с разностью фаз 90°, называется шлейфным квадратурным мостом (ШКМ). Кроме ШКМ задачу деления входной мощности решают синфазные делители мощности (мосты Уилкинсона), синфазно-противофазные мосты (СПМ), ответвители на связанных линиях, ответвители Ланге, планарные Т-образные делители, направленные ответвители с трансформаторами, резистивные тройники и др. В микрополосковом исполнении ШКМ и синфазно-противофазные мосты занимают наибольшую площадь на подложке среди перечисленных устройств при прочих равных условиях. Поскольку подходы в миниатюризации СПМ и ШКМ схожи, а последние в технике используются чаще, то именно им и были посвящены исследования в диссертационной работе.
Значительный вклад в разработку и исследование направленных ответвителей внесли Зелях Э.В., Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Гвоздев В.И., Нефедов Е.И., Сазонов Д.М., Гридин А.Н., Мишустин Б.А., Печурин В.А., Петров А.С., Мунина И.В., Вендик И.Б., Капитанова П.В., Холодняк Д.В., Щетинин Н.Н., Останков А.В., Кац Б.М., Мещанов В.П., Карамзина В.В., Альтман Дж.Л., Малорацкий Л.Г., и другие.
Классическая конструкция ШКМ (при волновых сопротивлениях подводящих линий ро = 50 Ом) включает в себя две пары четвертьволновых отрезков линии передачи ¿1, ¿2, образующих прямоугольник, одна из которых имеет сопротивление р1 = 50 Ом, а другая - р2 = 35 Ом. Схемно-конструктивная реализация микрополоскового ШКМ, показанная на рисунке 1, далее по тексту будет называться традиционной конструкцией.
Размеры ШКМ связаны с длиной линий передачи, на основе которых они изготовлены. Поэтому в УВЧ диапазоне, в котором работают такие системы как GSM, Wi-Fi, 3G, 4G, GPS, ГЛОНАСС и другие, мосты обладают значительными размерами, при том, что большая площадь внутри моста, заключенная между четвертьволновыми отрезками, остается неиспользуемой. Поэтому УВЧ диапазон был выбран для конструирования малогабаритных ШКМ.
В литературе представлены разнообразные методы уменьшения габаритных размеров шлейфных квадратурных мостов. Применение этих методов, как правило, сопровождается ухудшением частотных характеристик ШКМ: сужением полосы рабочих частот; отклонением коэффициентов передачи и разности фаз выходных сигналов от номинальных значений; увеличением вносимых потерь; уменьшением уровня развязки и увеличением коэффициентов отражения от входов. Также большинство авторов опубликованных работ мало внимания уделяют описанию методики синтеза топологии компактных мостов, а останавливаются лишь на обобщенных широко известных расчетных выражениях, не раскрывая перечень выполненных этапов проектирования.
Сказанное выше свидетельствует об актуальности исследования, направленного на разработку методики проектирования компактных мостов и устройств на её основе.
Объектом исследования диссертации являются квадратурные мосты.
Предметом исследования - модели квадратурных мостов, методы их анализа и расчета, методики и алгоритмы их проектирования.
Цель и задачи диссертационной работы
Основной целью диссертационной работы является разработка и исследование методики и алгоритмов расчета шлейфных мостов УВЧ диапазона с уменьшенными относительно традиционных конструкций габаритными размерами.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
1. Выполнить анализ существующих схемно-топологических методик уменьшения габаритных размеров шлейфных мостов для подтверждения актуальности работы.
2. Исследовать возможности использования Т- и П-образных звеньев эквивалентных фильтров, применяемых в качестве базовых сегментов шлейфных мостов, выполняемых на сосредоточенных и/или распределённых элементах, для анализа и синтеза ШКМ.
3. Разработать и исследовать новые схемно-конструктивные варианты построения ШКМ, являющиеся компромиссным решением между уменьшением их размеров и ухудшением частотных характеристик, мостов с разными значениями волновых сопротивлений подводящих линий, ШКМ с возможностью переключения режимов направленности с сонаправленного на противонаправленный, и наоборот.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Разработана методика структурного синтеза шлейфных мостов с уменьшенными габаритными размерами относительно традиционных конструкций, основанная на применении Т-образных звеньев эквивалентных фильтров. Она отличается от существующих методик построения компактных мостов наличием компромиссного решения между уменьшением габаритных размеров устройства и ухудшением его частотных характеристик при условии замены лишь двух идентичных отрезков МПЛ на Т-образные звенья.
2. Впервые исследованы допустимые пределы миниатюризации ШКМ. Показано, что Т- образные звенья с индуктивными элементами в виде высокоомных отрезков и емкостными элементами в виде низкоомных отрезков позволяют уменьшить площадь микрополосковых устройств на ~80-90% с уменьшением полосы развязки и согласования не более, чем на ~30- 40%. Показано, что наибольшую степень миниатюризации удается достичь при использовании тонких подложек с небольшой диэлектрической проницаемостью.
3. Разработано новое схемно-конструктивное решение по реализации шлейфного квадратурного моста с коммутируемым типом направленности, которое отличается от известных тем, что вместо исключительно фильтров нижних частот в состав моста добавлен фильтр верхних частот.
4. Разработаны компактные мосты, отличающиеся от существующих аналогов тем, что для изменения волновых сопротивлений подводящих линий устройства вместо традиционных четвертьволновых отрезков используются Т-образные звенья фильтров с разными сопротивлениями входов/выходов...
1. Выполнен анализ существующих конструкций компактных мостов и методик их проектирования, подтверждающий актуальность работы. Конструкции устройств получены в основном заменой двух пар четвертьволновых отрезков на фильтры нижних частот, реализованные на комбинации сосредоточенных и/или распределенных элементов в виде Т- и/или П- образных звеньев.
2. Разработана методика проектирования компактных шлейфных квадратурных мостов с применением комбинации сосредоточенных и/или распределенных элементов в виде Т- образных звеньев. Предложенный подход позволяет выполнять проектирование топологии миниатюрных (в разы занимающих меньшие площади) ШКМ по заданным техническим характеристикам с использованием доступных диэлектрических подложек. Описанную методику можно использовать для миниатюризации не только ШКМ, но и для любых устройств, включающих в себя участки МПЛ, обеспечивающих нужный для функционирования устройства фазовый сдвиг.
3. Получены выражения для расчета погонных емкостей и индуктивностей, используемых в эквивалентной схеме разрабатываемых устройств. Данные выражения учитывают сохранение электрической длины применяемой структуры при сокращении её физической длины с сохранением необходимого входного сопротивления.
4. Предложен и исследован схемно-конструктивный способ реализации компактного квадратурного моста за счет замены только одной пары четвертьволновых отрезков на Т- образные звенья. Получена топология планарного ШКМ с площадью, на 78,6% меньшей по сравнению с площадью традиционной конструкции, при этом удалось получить частотные характеристики с наименьшим ухудшением по сравнению с известными конструкциями. Такой вариант реализации компактных ШКМ обладает компромиссным решением между габаритами устройства и шириной его полосы рабочих частот.
5. Впервые исследованы допустимые пределы миниатюризации ШКМ. Показано, что Т- образные звенья с индуктивными элементами в виде высокоомных отрезков и емкостными элементами в виде низкоомных отрезков позволяют уменьшить площади микрополосковых устройств на ~80-90% с уменьшением полосы развязки и согласования не более, чем на ~30- 40%. Показано, что наибольшую степень миниатюризации удается достичь при использовании тонких подложек с небольшой диэлектрической проницаемостью.
6. Разработана конструкция двухшлейфного моста с возможностью переключения типа направленности с сонаправленного на противонаправленный, и наоборот. Этого удалось добиться за счет того, что вместо исключительно ФНЧ в состав моста добавлен ФВЧ.
7. Разработаны топологии компактных ШКМ с разными значениями волновых сопротивлений подводящих линий (50 и 75 Ом, 50 и 25 Ом). Такие конструкции мостов получены за счет объединения двух половин от мостов с одинаковыми значениями волновых сопротивлений подводящих линий и применения ФНЧ с разными сопротивлениями входа и выхода. Такой вариант реализации компактного ШКМ упрощает процесс его согласования с последующим трактом.
8. Изложенные в работе подходы миниатюризации применимы и в более высокочастотных диапазонах с учетом технологических возможностей изготовления устройств.
9. Полученные результаты способствуют развитию теории и техники проектирования компактных мостовых устройств УВЧ диапазона.
2. Разработана методика проектирования компактных шлейфных квадратурных мостов с применением комбинации сосредоточенных и/или распределенных элементов в виде Т- образных звеньев. Предложенный подход позволяет выполнять проектирование топологии миниатюрных (в разы занимающих меньшие площади) ШКМ по заданным техническим характеристикам с использованием доступных диэлектрических подложек. Описанную методику можно использовать для миниатюризации не только ШКМ, но и для любых устройств, включающих в себя участки МПЛ, обеспечивающих нужный для функционирования устройства фазовый сдвиг.
3. Получены выражения для расчета погонных емкостей и индуктивностей, используемых в эквивалентной схеме разрабатываемых устройств. Данные выражения учитывают сохранение электрической длины применяемой структуры при сокращении её физической длины с сохранением необходимого входного сопротивления.
4. Предложен и исследован схемно-конструктивный способ реализации компактного квадратурного моста за счет замены только одной пары четвертьволновых отрезков на Т- образные звенья. Получена топология планарного ШКМ с площадью, на 78,6% меньшей по сравнению с площадью традиционной конструкции, при этом удалось получить частотные характеристики с наименьшим ухудшением по сравнению с известными конструкциями. Такой вариант реализации компактных ШКМ обладает компромиссным решением между габаритами устройства и шириной его полосы рабочих частот.
5. Впервые исследованы допустимые пределы миниатюризации ШКМ. Показано, что Т- образные звенья с индуктивными элементами в виде высокоомных отрезков и емкостными элементами в виде низкоомных отрезков позволяют уменьшить площади микрополосковых устройств на ~80-90% с уменьшением полосы развязки и согласования не более, чем на ~30- 40%. Показано, что наибольшую степень миниатюризации удается достичь при использовании тонких подложек с небольшой диэлектрической проницаемостью.
6. Разработана конструкция двухшлейфного моста с возможностью переключения типа направленности с сонаправленного на противонаправленный, и наоборот. Этого удалось добиться за счет того, что вместо исключительно ФНЧ в состав моста добавлен ФВЧ.
7. Разработаны топологии компактных ШКМ с разными значениями волновых сопротивлений подводящих линий (50 и 75 Ом, 50 и 25 Ом). Такие конструкции мостов получены за счет объединения двух половин от мостов с одинаковыми значениями волновых сопротивлений подводящих линий и применения ФНЧ с разными сопротивлениями входа и выхода. Такой вариант реализации компактного ШКМ упрощает процесс его согласования с последующим трактом.
8. Изложенные в работе подходы миниатюризации применимы и в более высокочастотных диапазонах с учетом технологических возможностей изготовления устройств.
9. Полученные результаты способствуют развитию теории и техники проектирования компактных мостовых устройств УВЧ диапазона.
МЕТОДИКА СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА ШЛЕЙФНЫХ МОСТОВ УВЧ ДИАПАЗОНА С УМЕНЬШЕННЫМИ ГАБАРИТНЫМИ РАЗМЕРАМИ
