§ 4.3. Шлейфный направленный ответвитель

1. Общие соображения.

Кнадратурные гибридные устройства (шлейфные направленные ответнители (ШНО) в технике СВЧ используются достаточно давно (см., например, [284—290]). Обычно ШНО предстанляет собой структуру, реализонанную за счет соединения двух ЛП с помощью днух и более шлейфон, причем их длина и расстояние между ними берутся ранными четнерти длины нолны. Недостатком такого рода устройстн янляется трудность технологической реализации крайних шлейфон ШНО при увеличении полосы рабочих частот [248]. Однако наряду с этим недостатком ШНО обладает весьма полезным качестном, заключающимся в смежном расположении ныходных плеч. Это обстоятельство позволяет решить многие проблемы при проектировании на осноне ШНО преобразонателей частоты, где требуется суммирование преобразованных сигналон.

Рис. 4.14. Шлейфный направленный ответвитель (а); частотные характеристики (б): сплошные кривые — с числом шлейфов, равным 3; штриховые — 4

Отмеченный выше недостаток ШНО (трудность реализации крайних шлейфон) можно исключить, используя при этом ОИС принцип построения СВЧ модуля. При этом нысокоомные крайние шлейфы можно реализонать на НЩЛ, а нвзкоомные — на НПЛ [291] (рис. 4.14,а). Выполнение крайних шлейфов на НЩЛ позноляет реализонать ШНО с чжслом шлейфов больше трех.

2. Анализ ШНО.

Полный электродинамический анализ ШНО является весьма сложным, и поэтому здесь мы снова воспользуемся методом эквивалентных схем. Проведем расчет ШНО, основываясь на методе зеркальных отображении: заменим восьмиполюсник двумя парами простейших четырехполюсников, соответствующих четному и нечетному внду возбуждения. Известный вид матриц передачи четырехполюсников позволяет непосредственно перейти к волновой матрице рассеяния четырехшлейфного НО [292]:

где Выражения (1) дают коэффициенты для центральной частоты диапазона. Полная волновая матрица рассеяния ШНО имеет громоздкий вид поэтому здесь не приводится. Результаты численного расчета согласованных трех и четырех- ШНО [80] показаны на рис. 4.14,6. Из сравнения кривых видно, что при увеличении числа шлейфов полоса рабочих частот заметно растет.

Иная конструкция ШНО предложена в работе [237]; при этом расстояния между четвертьволновымп шлейфами (НПЛ и СЩЛ) равны нулю (рис. 4.15,а). Достаточно детальный анализ работы такого устройства проведен в [293, 294]. Для исключения излучения с торцов разомкнутого шлейфа на СЩЛ используются дополнительные шлейфы в виде круга, вырезанного в слое металла [295]. Для исключения нежелательных типов колебаний шлейф на НПЛ разделен на два шлейфа, огибающих б); таким образом, образуется порядок включения шлейфов на НПЛ последовательно, на СЩЛ - параллельно и НПЛ - последовательно. Эквивалентная схема ШНО представлена на рис. 4.16, б.

Поясним принцип работы ШНО (рис. 4.16, б). При возбуждении, например, плеча 1 сигнал распространяется в плечо четвертьволновые шлейфы. В плечо 2 сигналы прпходят в фазе и соответственно возбуждают его с амплитудой, равной амплитуде волны возбуждения в плече 31 а в плечо 4 — в протпвофазе. Следовательно, плечо 4 оказывается развязанным относительно плеча Разность пути прохождения сигнала в плечи составляет что удовлетворяет условию квадратурности ШНО.

Для широкого использования ШНО в ОИС необходим набор устройств с входными плечами, выполненными на разных типах

ЛП, расположенных в различных слоях диэлектрика. Рассмотрим новый класс широкополосных ШНО [296].

Рис. 4.15. Шлейфные направленные ответвители с плечами на НПЛ , СЩЛ (в, д, е, ж), КЛ (г) и НЩЛ (з): 1 - НПЛ; 2 - СЩЛ; 3 - НЩЛ; 4 - КЛ; 5 — шлейф; 6 — гальваническая перемычка

Конструкция ШНО на СЩЛ, приведенная на рис. 4.15, в, выполнена на четвертьволновых шлейфах в последовательности Для создания в точке включения НПЛ режима короткого замыкания за СЩЛ включены четвертьволновые разомкнутые шлейфы на НПЛ.

Рис. 4.16. Эквивалентная схема шлейфного направления ответвителя (а) и ответвителя с дополнительными четвертьволновыми шлейфами (6)

ШНО с токонесущими проводниками, расположенными на одной стороне подложки, реализуются на КЛ. Крайние шлейфы выполняются также на КЛ, а средний — на СЩЛ с короткозамыкателями в виде круга, вырезанного в слое металла (рис. 4.15,г).

Реализация нескольких вариантов ШНО по эквивалентной схеме рис. 4.16, а показана на рис. 4.15, д- з. В конструкциях ШНО с входными плечами на СЩЛ (рис. 4.15, д), на СЩЛ, расположенных но разные стороны подложки (рис. 4.15, е), на комбинации СЩЛ и НЩЛ (рис. 4.15, ж) крайние шлейфы на НПЛ соединяются между собой и слоем металла входных плеч с помощью металлической перемычки через отверстие в толще подложки. Перемычки вносят в схему ШНО индуктивную проводимость и поэтому уменьшают полосу рабочих частот, но влияние ее меньше, чем проводимости короткозамыкателей в устройствах, приведенных на рис. 4.15, б - г.

Наиболее полно соответствует эквивалентной схеме рис. 4.16, а ШНО на НЩЛ (рис. 4.15, а) со структурой шлейфов типа НПЛ - СЩЛ - НПЛ. К входным плечам ШНО могут подключаться согласующие цепи и активные элементы с любой стороны подложки. Последнее обстоятельство важно при построении ОИС СВЧ. Отсутствие навесных перемычек короткозамыкателей позволяет использовать данное устройство в весьма обширной частотной области (вплоть до миллиметрового диапазона волн).

Аналитический расчет волновой матрицы рассеяния проведем для эквивалентной схемы (рис. 4.16,а), используя при этом метод зеркального отображения. Коэффициенты матрицы рассеяния (без учета потерь в на резонансной частоте имеют вид [296]:

где нормированные проводимости крайних и средних шлейфов.

Согласование и развязка противоположных плеч определяются из (2):

Условие равного деления мощности между плечами 2 и 3: имеет вид

Решая совместно систему уравнений (3) и (4), получим необходимые для реализации -децибельных ШНО значения проводимостей четвертьволновых шлейфов:

При выполнении условия (3), воспользовавшись методом зеркального отображения, получим коэффициенты волновой матрицы

рассеяния в зависимости от электрической длины шлейфов 26:

где Анализ выражений (6) позволяет заключить, что согласование входных плеч, развязка противоположных плеч и разность фаз сигналов в выходных плечах не зависят от частоты

В ряде случаев реализовать топологию ШНО по эквивалентной схеме рис. 4.16, а не удается. Поэтому для обеспечения режима холостого хода в точке включения последовательного четвертьволнового шлейфа используется короткозамыкатель (рис. 4.16, б) с входной проводимостью

где нормированная проводимость и электрическая длина короткозамыкателя. Коэффициенты волновой матрицы рассеяния данной эквивалентной схемы определяются так:

где и коэффициенты волновой матрицы передачи для четных и нечетных типов колебаний:

Коэффициенты волновой матрицы рассеяния (8) имеют наглядно выраженную частотную зависимость по сравнению с коэффициентами в форме (6). На резонансной частоте выражения (8) и (6) полностью совпадают.

3. Численные результаты. Эксперимент. Численные расчеты частотных характеристик ШНО были проведены при следующих допущениях: дисперсией и изменением характеристической

проводимости НПЛ, НЩЛ и СЩЛ пренебрегаем; трансформация типов волн при переходе с одного типа ЛП на другой осуществляется без потерь. Это оправдано тем, что экспериментальные исследования проводились в длинноволновой части сантиметрового диапазона, где справедливо квазистатическое приближение, а волны высших типов на неоднородностях в виде включения разнотипных ЛП не возникают.

Рис. 4.17. Частотные характеристики шлейфного направленного ответвителя: а) коэффициентов стоячей волны; б), в) коэффициентов передачи; г) сдвига фазы между выходными плечами: сплошные кривые — расчет; точкж — эксперимент по схеме рис. 4.16, а; штриховые кривые — по схеме рис. 416, б

Результаты численного расчета частотной характеристики коэффициента стоячей волны (рис. 4.17,а), деления мощности (рис. 4.17, б), развязки противоположных плеч (рис. 4.17, в) и разности фаз сигналов в выходных плечах (рис. 4.17, г) приведены согласно (6) и (8). Сплошные кривые I соответствуют значениям по (6), а кривые II— (8), причем в расчетах кривой II выбирались параметры короткозамыкателя наихудшими по частотным характеристикам т. е. четвертьволновый короткозамыкатель является продолжением ШНО (рис. 4.15, в). Кривая I описывает наилучшие частотные характеристики ШНО. (рис. 4.15, а). Таким образом, приведенные на рис. 4.15 ШНО имеют частотные

характеристики, не выходящие за пределы заштрихованной области между кривыми I и II.

Результаты расчета были проверены экспериментально на действующих макетах ШНО с диэлектрической проницаемостью подложки и ее толщиной Входные плечи выполнены на -омных лпнпях; измерения проводились в длинноволновой части сантиметрового диапазона. Штриховые кривые на рис. 4.17 соответствуют типам ШНО, топологии которых приведены на рис. 4.15, б, г. Видно, что выполнение короткозамыкателя в виде круга, геометрические размеры которого представлены в гл. 2, позволяют значительно расширить полосу рабочих частот.

Сравнение результатов расчета (кривые I) с экспериментальными данными (на графиках они показаны штриховыми линиями) для макета ШНО (рис. 4.15, а) указывает на их практическое совпадение, что свидетельствует о правильности выбора расчетной эквивалентной схемы. Результаты экспериментальных данных, полученных на макетах ШНО, имеющих металлические перемычки через отверстия в подложках (рис. 4.15,3 - ж), в данном диапазоне частот совпадают с частотными характеристиками для макета, приведенного на рис. 4.15,з.

Следует заметить, что упомянутые теоретические результаты безусловно идеализированы, так как получены в предположении, что электрические длины параллельно и последовательно включенных шлейфов равны в широком диапазоне частот:

а их нормированные волновые проводимости удовлетворяют условию согласования

Степень приближения параметров ШНО к идеальным определяется точностью выполнения условий (10), (11) в частотном диапазоне. Учитывая, что шлейфы выполняются на разных типах линий, условие (10) физически не реализуемо из-за отличия типов распространяющихся волн, имеющих различную дисперсию. Условие (11) также трудно выполнить из-за присутствия конструкторско-технологических допусков на поперечные размеры линий при изготовлении ШНО. Поэтому при проектировании представляет интерес знание влияния ошибок в реализации на выходные характеристики ШНО. Полный учет ошибок всех параметров представляет сложную многопараметрическую задачу, а полученные результаты нелегко изобразить наглядно.

Обратимся к последовательности расчета ШНО и вспомним, что на нервом этапе условие (10) предполагается выполненным, а величины выбираются, исходя из условия (11) и обеспечения требуемой величины переходного ослабления. Точность реализации полученных величин определяется методикой расчета размеров ЛП по заданному волновому сопротивлению и возможностями

совремеппой технологии изготовления. Воспользуемся коэффициентами матрицы рассеяния (2) и построим в координатах семейство кривых постоянных значений переходного ослабления С12 (рис. 4.18, а — штриховой линией выделены кривые Точки пересечения кривых с линией идеального согласования позволяют определить значения необходимые для реализации согласованного ШНО с заданным переходным ослаблением.

Рис. 4.18. Зависимость коэффициентов стоячей волны и передачи от волновых проводимостей шлейфов (а) и их электрических длин (б)

Это же семейство кривых определяет поле допусков волновых проводимостей при заданном разбросе выходпых характеристик. Например, заштрихованная область является полем допусков для при требовании обеспечения

Полученные из расчета (рис. 4.18, а) волновые проводимости шлейфов определяют (кроме их геометрических размеров) эффективные диэлектрические проницаемости, которые оказываются неравными. Поэтому условие (10) нарушается. Многочисленные расчеты показали, что ухудшение характеристик НО связано с неравенством электрическпх длин шлейфов. Особенно это сказывается на величинах согласования и развязки ШНО, показанных на рис. 4.18, б. Следует отметить, что наблюдается смещение центральной Частоты переходного ослабления. Это объясняется выполнением условия на различных частотах поэтому центральная частота примерно равна их среднему арифметическому значению

Из вышесказанного следует, что трудности, связанные с выполнением условия (11), будут устранены после разработки строгих электродинамических методов расчета волновых сопротивлений линий и совершенствования технологии изготовления. Для выполнения же условия (10), связывающего различные структуры

электромагнитных волн в используемых ЛП, необходимо вводить дополнительные меры по выравниванию электрических длин шлейфов.

Наиболее простым является метод увеличения геометрической длины электрически более короткого шлейфа [294] либо введение в конструкцию ШНО компенсирующих проводимостей в виде шлейфов [297—301], методика расчета которых изложена в гл. 2.

Для конструкций ШНО, приведенных на рис. 4.15, д, г целесообразно использовать геометрическое удлинение шлейфа на СЩЛ путем выполнения линии меапдром, «змейкой» и пр. В остальных же конструкциях можно шунтировать места включения шлейфов в выходные линии проводимостями емкостного типа (разомкнутый шлейф длины Таким образом, для каждой конкретной конструкции ШНО с учетом особенностей включения линий передачи друг с другом необходимо выбирать наиболее удобный вид согласования, используя при этом результаты расчета, приведенные на рис. 4.18.