§ 4.4. Квадратурные направленные ответвители

1. Общие соображения.

НО, имеющие сдвиг фазы сигнала на выходных плечах 90°, в одиомодовом приближении обладают идеальной направленностью в неограниченном диапазоне частот и полосой постоянного переходного затухания, близкой к октаве [302, 303]. Благодаря таким особенностям конструкции НО используется в ОИС СВЧ.

Известные до сих пор НО [304—309] с боковой, лицевой и смешанного типа распределенными связями имеют существенный конструктивно-технологический недостаток, заключающийся в необходимости выполнения узких зазоров между проводниками (единицы микрометров). Этот недостаток в какой-то мере снимается введением навесных перемычек (ответвитель Ланге [310, 311]) пли дополнительных слоев диэлектрика [312], либо использованием КЛ, СЩЛ и пр. [313—315]. Предложены НО с проводниками сложной конфигурации, расположенными в различных слоях диэлектрика [316]. Анализ существующего парка НО показал, что наиболее эффективными являются НО на ОИС [317—321], в области связи которых можно использовать кроме одномодового режима и многомодовые [322].

2. НО с распределенной связью.

Анализу и проектированию НО с распределенной связью между четвертьволновыми проводниками, расположенными в различных слоях диэлектрика, посвящено достаточно много работ [316—323]. Рассмотрим наиболее интересные (в плане практического использования) конструкции НО, являющихся БЭ ОИС СВЧ. В табл. 4.4 приведены геометрические размеры поперечного сечения области связи, коэффициент передачи С во вторичную ЛП, разница фазовых скоростей для четного нечетного типов волн, эффективная диэлектрическая проницаемость для этих волн из расчета, что толщина слоя диэлектрика

(см. скан)

и топологии проводников сверху и снизу относительно слоя диэлектрика. В приведенных конструкциях НО достигается сильпая связь, но проблема реализации узких зазоров все же остается.

Несколько проще выполняется НО с четвертьволновой областью связи на СПЛ с проводниками ограниченной ширины [324], использовавшихся ранее в многослойных БДМ. В этом случае входные и выходные плечи на НПЛ расположены по разные стороны общего слоя металла, в котором вырезана квадратная диафрагма Симметрично под проводниками НПЛ противоположные стороны диафрагмы соединены проводником, образующим четвертьволновую область связи на СПЛ.

Рис. 4.19. Направленный ответвитель (а); частотные характеристики (б): сплошные кривые — расчет; штрихпунктирные — эксперимент для штриховые — для

Таким образом, НО выполнен на многослойной ОИС: металл — диэлектрик — металл — диэлектрик — металл, в которой отсутствуют узкие зазоры, а связь регулируется поперечными размерами СПЛ. Ширина диафрагмы выбирается из соображений подавления паразитных типов волн, возникающих в поперечном направлении.

Экспериментальные и расчетные частотные характеристики НО, изображенного на рис. 4.19, а, приведены на рис. 4.19,б. Макет НО был выполнен на двухслойном диэлектрике из материала толщины Ширина диафрагмы равна а отношение ширины среднего проводника СПЛ относительно ширины

крайних примерно равно 0,1. Из приведенных частотных характеристик видно, что в случае больших размеров диафрагмы направленность резко ухудшается, но при этом регистрируются (электрическим измерительным зондом) поверхностные волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном оси симметрии НО. В рассмотренном НО отсутствуют узкие зазоры, навесные перемычки и пр., что значительно упрощает его конструкцию. Это лишний раз наглядно показывает широкие возможности ОИС СВЧ,

Рис. 4.20. (см. скан) Экспериментальные частотные характеристики коэффициентов передачи направленного ответвителя с квазисосредоточенной связью при расположении НПЛ и СЩЛ под углом

3. НО на сосредоточенных элементах.

НО этого типа применяются давно. Они были предложены и исследованы Бете на прямоугольных волноводах, связанных через отверстие в стенках волноводов и расположенных под некоторым углом относительно друг друга; НО получили дальнейшее развитие в [325]. Эта же идеология реализована в конструкциях НО на СПЛ, узкие проводники которых расположены под углом и симметрично между слоями металла

[326, 327]. Данный НО пмеет связь (8,34 ±0,3) в диапазоне от 1 до 14 ГГц.

Используя принцип Бете, можно построить НО на комбинации СЩЛ и НПЛ, расположенных по разные стороны слоя диэлектрика (рис. 4.20). В дециметровом и длинноволновой части сантиметрового диапазонов проведены экспериментальные измерения направленности -омных линий, выполненных на подложке из поликора. Результаты эксперимента аппроксимируются следующим выражением: позволяющим определить угол между НПЛ и СЩЛ, при котором существует наибольшая направленность. Частотные характеристики НО, приведенные на рис. 4.20, имеют по направленности резонансный характер; с увеличением частоты деление мощности в выходные плечи имеет равномерный характер.