§ 6.1. Многоканальные делители мощности

1. Типы многоканальных делителей мощности.

Среди известных типов многоканальных делителей мощности (МДМ) большое распространение получили делители, канализирующие СВЧ мощность в виде некоторой разветвляющей структуры. Интересной, но и более сложной является схема МДМ, выполненная на -децибельных ответвителях (матрицы Баттлера, Бласса, схемы Пейджа [353] и др.). Сложность создания таких схем заключается в необходимости коммутации пересекающихся (без электрического контакта) ЛП (число пересечений растет с увеличением числа выходных каналов). В данном параграфе мы рассмотрим эти два класса многоканальных устройств.

2. Многоканальные делители (сумматоры) мощности с разветвленной структурой.

МДМ этого класса обычно формируются из каскадно включенных двухканальпых делителей. За основу элементной базы делителя можно выбрать кольцевой мост, выполненный на НЩЛ.

Рис. 6.1. Четырехк анальные балансные делители мощности: а) синфазные; б) противофазные. Металл на одной стороне подложки показан штрихами, на другой — точками

Этот выбор определяется тем, что. с НЩЛ довольно просто в конструктивном плане согласуются СЩЛ и НПЛ. Комбинации соединения этих линий дают возможность построить синфазные и противофазные МДМ.

Синфазный МДМ (рис. 6.1, а) представляет собой кольцевой мост, входное и выходные плечи которого выполнены на НПЛ и параллельно включены в НЩЛ. Между выходными плечами во внутреннюю сторону кольца включен четвертьволновый закороченный шлейф на СЩЛ с балансным сопротивлением Сопротивление, выполненное на адгезионном резистивном подслое, позволяет развязать выходные плечи между собой. Каскадное включение

кольцевых мостов через отрезки линий равной длины формирует МДМ с одинаковыми фазами СВЧ сигнала на выходных плечах.

Противофазпый МДМ (рис. 6.1, б) строится аналогичным образом, но при этом входное и выходные плечн выполнены на СЩЛ. Как известно, тройник на СЩЛ и НЩЛ делит СВЧ сигнал в противофазе. Поэтому в выходных плечах МДМ сигналы СВЧ сдвинуты по фазе на 180°. Развязка выходных плеч осуществляется с помощью балансного сопротивления, включенного через четвертьволновый разомкнутый шлейф, расположенный на противоположной стороне подложки.

Рассмотренные выше варианты МДМ осуществляют деление СВЧ сигнала в плоскости слоя диэлектрика (в одном этаже ОИС). Использование принципа ОИС построения СВЧ модуля позволяет распределять СВЧ мощность в плоскости, перпендикулярной плоскости слоев диэлектрика (межслойное деление). Для этого целесообразно воспользоваться тройником в котором входное плечо выполнено на СПЛ, а выходные плечи — на НПЛ; при этом плечи разделяются общим слоем металла. Для построения МДМ на ОИС необходимо использовать многослойный переход между

Рис. 6.2. Четырехканальный делитель мощности с распределением энергии в плоскости, перпендикулярной слоям диэлектрика: а) общий вид; б) вид с боку; в], и — электрические длины СПЛ, СПЛ с проводниками ограниченной ширины и НПЛ

Таким образом, комбинируя БЭ ОИС (объемные тройники и многослойные переходы в виде их каскадного соединения), получим объемный МДМ, приведенный на рис. 6.2. Для выравнивания потенциалов в СПЛ и подавления паразитных типов волн и волн высших типов слои металла СПЛ гальванически соединены металлическими перемычками через слои диэлектрика. Перемычки одновременно являются крепежными соединениями ОИС МДМ. Подавление поперечных волн, возникающих в НЩЛ, образованных краями металла, осуществляется путем металлизации торцевых стенок слоев диэлектрика. Как видно из рис. 6.2, выходные плечи МДМ выполнены на СПЛ, соединение их с внешними цепями можно осуществлять соосными гальваническими переходами, например на КВ. В сантиметровом диапазоне были

ментально исследованы четырехканальные делители мощности. При этом получены следующие характеристики (в октавной полосе частот): неравномерность деления мощности составляет менее 0,4 дБ при

Рассмотренные отдельно две конструкции МДМ (деление мощности в параллельной и вертикальной плоскостях слоя диэлектрика) можно в некоторой степени объединить. В данном случае МДМ будет иметь топологию, приведенную на рис. 6.3, а. Входное плечо выполнено на СПЛ, проводник которой закорочен, а слои металла переходят в проводники двух таких линий, расположенных друг под другом. При этом используются переходы шлейфного типа.

Рис. 6.3. Делитель мощности: а) многослойная топология; 6) эквивалентная схема многоканального делителя; в) зависимость числа выходных каналов от числа слоев диэлектрика

При делении мощности на четыре канала проводники двух СПЛ закорачиваются, а их слои металла переходят в проводники двух СПЛ и двух НПЛ. С увеличением числа каналов делителя мощности процедура размещения проводников в слоях диэлектрика повторяется. Для более удобного подключения внешних трактов и более компактного расположения проводников выходные плечи можно разносить друг относительно друга в плоскости диэлектрика. Таким образом, деление мощности СВЧ сигнала осуществляется в параллельных перпендикулярных плоскостях слоя диэлектрика, что позволяет получить существенный выигрыш по габаритам и соответственно массе данной ОИС. Электрогерметичность многоканального делителя мощности на ОИС достигается путем

металлизации торцов диэлектрических слоев, за исключением участков входа и выходов Получившаяся многослойная конструкция является полностью экранированной и достаточно прочной, поэтому может применяться без дополнительного корпуса. Сборка в пакет выполняется послойной пайкой или другими способами, которые требуют дополнительной технологической проработки. Влагозащита при зтом осуществляется компаундом. Выходы СВЧ выполняются либо разъемом на малогабаритные кабели, либо в виде балочных выводов.

Преимущества выполненного модуля очевидны: габариты существенно (в десятки раз) уменьшены по сравнению с известными решениями; все типы ЛП изготовлены единым технологическим процессом; конструкция практически не содержит лишнего металла, за исключением полосковых проводников, формирующих ЛП.

На рис. 6.3, б приведена эквивалентная схема МДМ, на которой сплошными линиями условно показаны токонесущие проводники, расположенные в плоскости слоя диэлектрика, а штриховыми линиями — связь между проводниками в различных плоскостях. В данном устройстве наиболее выгодно делить мощность в вертикальной плоскости для проводников, расположенных до области, ограниченной кривой (штрихпунктпрная линия). За этой областью распределение энергии довольно просто осуществляется синфазными тройниками на СПЛ.

Опепка зависимости числа выходных каналов МДМ, построенного по схеме рис. 6.3, а, от числа слоев диэлектрика (рис. 6.3, в) показала, что объем МДМ при увеличении числа каналов стремится к некоторому предельному значению, а в планарном исполнении эта зависимость практически линейна. Данный результат указывает на широкие возможности ОИС по миниатюризации СВЧ устройств и получении предельно достижимых массогабаритных характеристик.

Возможен другой способ построения МДМ, основанный на применении шлейфных НО. Принцип работы и методика расчета НО были изложены в гл. 4. Рассмотренные шлейфные НО обладают высокой степенью развязки плеч и достаточной «устойчивостью» фазовых характеристик. Эти обстоятельства делают их весьма привлекательными для использования при построении МДМ в ОИС исполнении.

В качестве примера рассмотрим МДМ на четыре канала с выходными плечами на НЩЛ, расположенными в разных слоях диэлектрика (рис. 6.4). Основу МДМ составляют два шлейфных НО (разумеется, возможно построение МДМ и на основе других типов НО). Входные плечи обоих НО возбуждаются СВЧ сигналами, попадающими с делителя мощности, построенного на объемном -тройнике в виде комбинации СПЛ и НЩЛ. Две части входного сигнала с одинаковыми амплитудами и протовоположными фазами распространяются по НЩЛ (узкие стрелки), которые являются входными плечами шлейфного НО. Выходные плечи 3—3 и 6—6

нагружены на согласованные нагрузки, а остальные: выполненные на НЩЛ, являются выходными плечами МДМ (широкие стрелки). Результаты экспериментального исследования данного типа МДМ практически совпадают по частотным характеристикам с данными, представленными на рис. 4.15 для амплитудных и фазовых характеристик НО.

Особенностью описанного МДМ является полное отсутствие навесных перемычек. Это дает возможность существенно расширить верхний интервал рабочих частот МДМ на ОИС и делает рассмотренную схему МДМ весьма привлекательной с конструктивно-технологической точки зрения.

Рис. 6.4. Четырехканальный делитель мощности на шлейфных направленных ответвителях

3. Диаграммообразующие устройства.

В антенных структурах СВЧ Щироко используются диаграммообразующие матрицы, представляющие собой МДМ с числом входных и выходных каналов, равным На практике зачастую используются устройства с Для различных типов матриц имеется существенный недостаток, связанный с необходимостью введения переходов для развязки пересекающихся ЛП. Это довольно четко видно на эквивалентной схеме Пейджа (рис. 6.5, а). Данная схема построена на кольцевых мостах, позволяющих реализовать синфазно-противофазное деление СВЧ сигнала. Схема Пейджа широко используется в радиолокации для питания элементов антенных решеток и моноимпульсных антенн [353]. Поэтому на ее примере целесообразно продемонстрировать возможности ОИС для решения не только задач миниатюризации, но и физических проблем коммутации пересекающихся ЛП с высокой степенью развязки между ними [317, 390].

На рис. 6.5,б приведена топология матрицы 4X4. При ее построении используются четыре кольцевых моста (длины с фазоопрокидывающим устройством (фазовращатель ; при этом два из этих мостов выполнены на НПЛ с общим слоем металла, а два других — в виде Фазоопрокидывающее устройство представляет собой широкополосный фазовращатель Шифмана [260]. Входные плечи выполнены на НПЛ, расположенных на внешних сторонах слоев диэлектрика, а выходные плечи — на СПЛ в среднем слое ОИС. Как видно из рис. 6.5, б, реализация схемы Пейджа в виде ОИС позволяет избежать пересечений коммутируемых линий. Кроме этого, такая конструкция полностью

симметрична относительно среднего слоя металла (что важно с точки зрения удовлетворения жестким требованиям к фазовым соотношениям) и имеет удобное расположение входных и выходных плеч.

Экспериментальные исследования частотных характеристик проводились в сантиметровом диапазоне. Диаграммообразующая матрица была выполнена на слоях диэлектрика толщины каждый с При этом каждый слой с нанесенной на него схемой размещался на стандартной подложке размером

Рис. 6.5. Диаграммообразующая матрица: а) эквивалентная схема Пейджа; б) многослойная топология; в) объемный модуль с антеннами: 1—4 — входы, 5—8 — выходы сигнала

Такая конструкция оказывается работоспособной вплоть до коротковолновой части дециметрового диапазона. Диаграммообразующая матрица Пейджа имеет следующие параметры в полосе частот коэффициент стоячей волны каждого плеча менее 1,2, неравномерность деления мощности развязка плеч не хуже

Полоса рабочих частот, как правило, зависит в основном от широкополосности -градусного фазовращателя в кольцевом мосте и может быть значительно расширена применением, например, фазовращателей на связанных линиях передачи либо с механической скруткой проводников.

Особенностью рассмотренной диаграммообразующей матрицы на ОИС является полное отсутствие навесных перемычек, что дает возможность существенно увеличить верхний предел рабочих частот миллиметрового диапазона) и делает схему Пейджа весьма привлекательной с конструкторско-технологической точки зрения.

На рис. 6.5, в приведена модульная реализация ОИС Пейджа, запитывающая четыре полосковых антенны. Развязка между антеннами составляет свыше Для увеличения эффективной

площади антенны выполнены не на поверхности грани, что казалось бы более естественным, а вынесены за пределы ОИС. Это в какой-то мере дополнительно увеличивает развязку и уменьшает взаимное влияние полей в ближней зоне. При увеличении числа запитываемых антенн в приемно-передающем модуле принципы построения ОИС сохраняются [317, 390].