5.10. ОТВЕТВИТЕЛЬ ЛАНГЕ

В разд. 2.7. методом синфазно-противофазного возбуждения был выполнен анализ связанных линий с боковой связью. Однако при практической реализации таких линий возникают определенные сложности.

1. На практике трудно создать связанные линии с коэффициентом связи более из-за весьма узких зазоров между проводниками; кроме того, при изготовлении связанных линий с малыми зазорами между проводниками возникают проблемы воспроизводимости и появления коротких замыканий в узком зазоре.

2. Фазовые скорости четной и нечетной мод в таких линиях различны, и в обычном ответвителе на связанных линиях отсутствует механизм для выравнивания скоростей. Поэтому на практике при проектировании таких ответвителей длину области связи часто рассчитывают исходя из фазовой скорости нечетной моды (при этом удается получить более сильную связь по сравнению со случаем, когда расчет ведется по фазовой скорости четной моды). Указанное различие фазовых скоростей приводит к сужению рабочей полосы ответвителя.

Оба недостатка, присущие обычным ответвителям на связанных линиях, частично устранены в ответвителе, предложенном Ланге в 1969 г. [13], в котором используется структура на встречных стержнях с перемычками. На рис. 5.42 показана конструкция

Рис. 5.42. Топология полосковых проводников (а) и поперечное сечение (б) симметричного ответвителя Ланге

ответвителя Ланге при нечетном числе стержней. Для реализации такой конструкции наиболее подходящей является микрополосковая линия. Отметим, что топология схемы уже не планарная из-за наличия перемцчек.

На практике полосковая структура в ответвителе Ланге создается методом травления. Затем над ней устанавливаются перемычки, соединяющие через один проводники в структуре. При изготовлении следует строго соблюдать симметрию схемы по отношению к осям Как полагал Ланге, фазовые скорости четной и нечетной мод в связанных линиях частично выравниваются из-за симметрии схемы, что и позволило достичь примерно октавной рабочей полосы в таком ответвителе. Отметим, что при одной и той же величине коэффициента связи зазоры между проводниками ответвителе Ланге существенно больше, чем в обычном ответвителе на связанных линиях с боковой связью. В идеальном случае соединительные перемычки должны обладать нулевой индуктивностью и вносить пренебрежимо малую неоднородность в структуру. Необходимо стремиться к минимальной длине перемычек, следя однако за тем, чтобы введение перемычек не привело к гальванической связи между соседними проводниками структуры. Иногда для уменьшения индуктивности каждая перемычка выполняется из нескольких параллельно включенных перемычек.

Отметим и некоторые другие особенности ответвителя на рис. 5.42. Во-первых, все питающие линии имеют одинаковое волновое сопротивление величина которого выбирается из условия согласования ответвителя с подключаемыми к нему устройствами. Во-вторых, при подаче мощности в плечо А мощность в плечо С не поступает, т. е. плечо С развязано. Однако в реальных конструкциях из-за влияния краевых полей и наличия неоднородностей небольшая часть мощности в плечо С все же поступает. Поэтому плечо С должно нагружаться на согласованную поглощающую нагрузку. В-третьих, ширина всех проводников в структуре одинакова, как и зазоры между ними.

При возбуждении плеча А часть энергии ответвляется в плечо В, а оставшаяся часть - в плечо Сдвиг по фазе между волнами в плечах равен 90°. Поэтому ответвитель Ланге относится к ответвителям квадратурного типа. Экспериментальные исследования ответвителя Ланге показали, что в октавной полосе частот отклонение фазового сдвига между волнами в выходных плечах от 90° в самом худшем случае не превышает 2°. Благодаря этому такие ответвители широко применяются в широкополосных смесителях и балансных усилителях.

Приближенный анализ ответвителя Ланге выполнен в [14] на основе результатов работы [15]. Ниже приводится лишь качественное описание такого анализа. Более подробно ознакомиться с ним можно, обратившись к указанной литературе. Анализ основан на рассмотрении многопроводной линии, для которой находятся волновые проводимости при четном и нечетном возбуждении для каждой пары соседних проводников. При анализе предполагалось, что структура состоит из четного числа полосковых проводников равной длины и учитывалось взаимодействие только между рядом расположенными проводниками. Кроме того, при анализе не учитывались индуктивность перемычек и влияние неоднородностей. Как и в случае ответвителя Ланге (см. рис. 5.42), соответствующие пары проводников соединены на входе и выходе, как показано на рис. 5.43, а для четырехпроводной линии. Обозначение плеч такое же, как и на рис. 5.42.

Отметим, что полосковая конструкция ответвителя на рис. 5.43, в отличается от изображенной на рис. 5.42. Несмотря на это, он сохраняет все описанные выше свойства ответвителя Ланге.

Рис. 5.43. Модифицированный ответвитель Ланге

Результаты анализа, выполненного в [15], можно записать в следующем виде: волновое сопротивление питающих линий

где число линий в многопроводной структуре; коэффициент связи по напряжению

Эти формулы используются для приближенного анализа ответвителя Ланге на рис. 5.43.

На основе (5.22) и (5.33) в [14] получены приближенные формулы для синтеза такого ответвителя:

где

При синтезе микрополоскового ответвителя Ланге можно воспользоваться программой CMIC, для чего следует так изменить в ней блок ввода исходных данных, чтобы в программу вводились непосредственно величины волновых сопротивлений для четной и нечетной мод ответвителя. Это позволит определить ширину проводников и зазоры между ними.

Пример 5.18. В четырехпроводном микрополосковом ответвителе Ланге, сконструированном по схеме на рис. 5.43,в, . Рассчитать входное сопротивление ответвителя и коэффициент связи в нем. Относительная диэлектрическая проницаемость подложки микрополосковой линии равна 9,5; толщина полоски - минимально возможная.

Решение

Как следует из условия, требуется выполнить анализ, т. е. по заданным геометрическим размерам найти электрические характеристики ответвителя. С использовением справочной литературы или программы CMIC по заданным определяем волновые сопротивления для четной и нечетной мод:

Число линий в миогопроводной структуре ответвителя Подставляя значения в (5.32) и (5.33), получаем:

волновое сопротивление ответвителя

откуда Ом; коэффициент связи

или

Пример 5.19. Синтезировать четырехпроводный микрополосковый ответвитель Ланге со следующими параметрами: волновое сопротивление питающих линий 50 Ом, коэффициент связи Подложка микрополосковой линии толщиной выполнена из диэлектрика с толщина полоски Рабочая частота

Решение

Дано:

Из (5.34) и (5.35) определяем волновые сопротивления для четной и нечетной мод:

С помощью программы для рассчитанных находим величины

В аналогичном микрополосковом ответвителе на связанных линиях с боковой связью

Сравнение показывает, что при изготовлении ответвителя Ланге с тем же коэффициентом связи допуски менее жесткие. На этом расчет завершается.

Определив ширину проводников и зазоры между шади, обеспечивающие заданный коэффициент связи, необходимо найти физическую длину ответвителя (см. рис.

5.43, в). Электрическая длина ответвителя равна четверти длины волны в линии на самой нижней частоте рабочего диапазона. Длину волны можно определить тремя разными способами:

1) взять длину волны нечетной моды в связанных линиях; при такой длине обеспечивается самая сильная связь в ответвителе;

2) взять величину, равную среднему арифметическому между длинами волн для четной и нечетной мод;

3) взять величину, равную среднему геометрическому между длинами волн для четной и нечетной мод.

В идеальном случае, когда скорости распространения четного и нечетного типов волн совпадают, все указанные способы определения длины ответвителя дадут один и тот же результат. Длина укороченных проводников ответвителя на рис. 5.42

выбирается равной четверти длины волны, определяемой через среднее значение для длин волн четной и нечетной мод, но уже на высшей частоте рабочего диапазона ответвителя.

На практике рассчитанную величину изменяют так, чтобы центральная частота рабочего диапазона устройства совпала с расчетной. Степень изменения обычно определяют эмпирически, поскольку подбор величины позволяет скомпенсировать влияние неоднородностей в структуре и соединительных перемычек. После определения длины ответвителя вводят соединительные перемычки. Можно использовать несколько параллельных перемычек для уменьшения паразитной индуктивности.

До сих пор при синтезе и анализе не рассматривалось влияние существующих внутри структуры неоднородностей, которые ухудщают электрические характеристики спроектированного ответвителя. Коррекцию влияния этих неоднородностей лучше проводить экспериментально в соответствии со следующими рекомендациями. Как правило, центральная частота ответвителя, сконструированного на основе приближенного синтеза, оказывается ниже расчетного значения, что обусловлено наличием паразитцых связей и неоднородностей в структуре. Поэтому расчетную длину ответвителя следует несколько уменьшить. Если связь в ответвителе оказалась ниже расчетного значения, то следует уменьшить зазоры между проводниками в структуре ответвителя. Одновременно следует несколько увеличить ширину проводников, чтобы входное сопротивление ответвителя не изменилось. Отметим, что при этом общая ширина многопроводниковой структуры практически не меняется. И наконец, последнее замечание. В большинстве случаев практического применения таких ответвителей требуемые электрические характеристики при низком уровне вносимых потерь обеспечиваются многопроводниковой структурой, состоящей из четырех стержней.

Программа 5.8 LANGE позволяет определять волновые сопротивления при заданных коэффициенте связи ответвителя и числе стержней в структуре, которое полагается четным. Кроме того, по программе можно рассчитывать коэффициент связи и входное сопротивление по заданным величинам Использование программы LANGE совместно с программой CMIC позволяет проводить приближенный синтез ответвителя Ланге, показанного на рис. 5.43.

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)