Спиральный сверхширокополосный микрополосковый квадратурный направленный ответвитель

Использование: для радиотехнических устройств различного назначения в качестве элементной базы тонкопленочных интегральных высокочастотных узлов, таких как разделительно-суммирующие устройства, усилители СВЧ мощности, ответвители, радиочастотные мультиплексоры, фазовращатели, фильтры и другие. Сущность изобретения заключается в том, что спиральный сверхширокополосный микрополосковый квадратурный направленный ответвитель содержит две электромагнитно связанные микрополосковые линии передачи, выполненные в виде плоской двухзаходной спирали, расположенные на диэлектрической подложке, обратная сторона которой частично или полностью металлизирована или подвешена над металлической поверхностью, отличающийся тем, что число витков двухзаходной спирали более одного, при этом одна спираль повернута относительно другой вокруг их общего центра, а зазоры между связанными линиями передачи и их поперечные размеры имеют постоянные значения. Технический результат: обеспечение возможности повышения эффективности использования полезной площади диэлектрической подложки и уменьшения габаритных размеров устройства, расширения полосы рабочих частот. 8 ил.

 

Изобретение относится к технике СВЧ, а именно, к устройствам связи типа волноводов, состоящих из двух связанных линий, и может быть использовано в радиотехнических устройствах различного назначения в качестве элементной базы тонкопленочных интегральных высокочастотных узлов, таких как: разделительно-суммирующие устройства, усилители СВЧ мощности, ответвители, радиочастотные мультиплексоры, фазовращатели, фильтры и другие.

Актуальность данного технического решения обусловлена возрастающими требованиями к высокочастотным узлам систем связи и радиолокации в отношении их широкополосности, миниатюризации и технологичности. Для обеспечения предъявляемых в настоящее время требований необходимо реализовать пленарные направленные ответвители и делители/сумматоры СВЧ мощности с относительной полосой пропускания более 0,60 (больше октавы) при высоком проценте выхода годных изделий.

Направленные ответвители широко используются в технике СВЧ. Основное назначение направленных ответвителей - направленное ответвление некоторой части высокочастотной энергии из основного тракта во вспомогательный. Особенность этого устройства заключается в том, что оно ответвляет волну только одного направления, то есть распространяющуюся только в прямом или только в обратном направлении в основном тракте. Его работа основана на возбуждении во вспомогательном тракте нескольких волн, смещенных по фазе так, что амплитуды волн, распространяющихся в желаемом направлении, интерферируя, суммируются, а в нежелательном - взаимно компенсируются. Другими словами, направленным ответвителем (НО) является четырехплечное устройство, состоящее из двух отрезкой линии передачи, в котором часть энергии электромагнитной волны, распространяющейся в основной линии передачи (основном канале), посредством элементов связи ответвляется во вспомогательную линию передачи (вспомогательный канал) и передается в ней в определенном направлении. По степени связи между основным и вспомогательным каналом направленные ответвители делятся на два типа: а) с сильной связью (связь меньше 10 дБ); б) со слабой связью (связь больше 10 дБ). В 3-х дБ НО при подаче СВЧ - сигнала на один из его входов его мощность распределяется поровну между определенной парой выходов а в четвертое плечо, называемое «изолированным» или «развязанным», мощность не поступает (предполагается, что все выходы нагружены на согласованные нагрузки). Следует заметить, что пара выходов 3-х дБ НО, между которыми распределяется мощность, также обладает взаимной развязкой.

С целью снижения габаритных размеров направленных ответвителей и повышения технологичности их изготовлении конструктивно они выполняются на микрополосковых линиях - несимметричных полосковых линиях передачи для передачи электромагнитных волн в воздушной или, как правило, в диэлектрической среде (подложке), вдоль двух или нескольких проводников, имеющих форму тонких полосок и пластин. Линии получили название микрополосковые, т.к. в результате высокой диэлектрической проницаемости подложки ее толщина и поперечные размеры полосы много меньше длины волны в свободном пространстве. В микрополосковой линии распространяется волна квази-ТЕМ и силовые линии электрического поля проходят не только в диэлектрике, но и вне его. К достоинствам микрополосковой линии и различных устройств на ее основе следует отнести также возможность автоматизации производства с применением технологий изготовления печатных плат, гибридных и пленочных интегральных микросхем.

Известен представленный на фиг.1 микрополосковый направленный ответвитель (Малорацкий Л.Г. Явич Л.Р. «Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях», М. Сов. радио, 1972, рис. 2.14,б). Ответвитель содержит две электромагнитно связанные линии, которые формируются параллельно друг другу на диэлектрической подложке. В рассматриваемом ответвителе сдвиг по фазе между векторами напряженности электрического поля на выходах 3 и 2 плеч составляет 90°, в связи с чем подобные ответвители называют квадратурными. Ответвитель может быть изготовлен методом тонкопленочной технологии на подложках типа "Поликор", "22ХС" и т.п. Широкополосность указанного ответвителя определяется достижимым коэффициентом связи, величина которого зависит от зазора между электромагнитно связанными микрополосковыми линиями, сформированными на одной из сторон диэлектрической подложки. Для керамики типа "Поликор" с относительной диэлектрической проницаемостью εr=10 при волновом сопротивлении тракта ρo=50 Ом его величина не превышает значения 0,5, что соответствует в логарифмическом масштабе уровню 6 дБ. В результате широкополосность описанного ответвителя характеризуется величиной полосы 22 - 25% что приемлемо лишь для узкополосных устройств.

Известен также представленный на фиг. 2 тандемный микрополосковый направленный ответвитель (Малорацкий Л.Г. «Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ». М. Сов. радио, 1976, рис. 2.16). Этот ответвитель по существу представляет собой функциональный узел, состоящий из двух идентичных вышеописанных микрополосковых ответвителей. За счет определенного порядка соединения полюсов этих ответвителей удается реализовать "тандемный" микрополосковый ответвитель с полосой пропускания 60 - 65%. Однако оба образующих ответвителя не должны иметь непосредственную электромагнитную связь между собой, что заставляет при практической реализации разносить их на подложке на заметные расстояния, что увеличивает габариты "тандемного" ответвителя в целом и ограничивает область его использования в технике СВЧ.

Наиболее близким к сущности заявленного изобретения является представленный на фиг. 3 тандемный направленный ответвитель (Лехциер А.Я., Федосов А.Н. «Тандемные направленные ответвители и узлы на их основе», журнал «Радиопромышленность», Москва, 2004 г., стр. 148-154, рис. 6). Этот ответвитель по существу представляет собой тандемный ответвитель, описанный выше (см. фиг. 2), однако боковые линии связи (БЛС) этого ответвителя имеют нулевую длину. При этом микрополосковые линии передачи сформированы в виде плоской двухзаходной спирали с одним витком. Для вывода сигналов из центра спирали наружу, используются перемычки. В местах ввода и вывода такого ответвителя могут устанавливаться небольшие емкости для уменьшения потерь на краях рабочего диапазона. За счет этих решений достигается расширение рабочей полосы по сравнению с тандемных ответвителями, описанными выше.

Тем не менее, общим недостатком известных конструкций тандемных ответвителей является то, что рабочая полоса обычно ограничена 1,5 октавами, а увеличение связи между связанными линиями за счет уменьшения зазоров, приводит к ухудшению коэффициента стоячей волны (КСВ) выходных плеч, а также к существенной разнице амплитуд сигналов в выходных плечах на центральной частоте.

Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в повышении эффективности использования полезной площади диэлектрической подложки и уменьшении габаритных размеров устройства, в расширении полосы рабочих частот.

Технический результат достигается тем, что спиральный сверхширокополосный микрополосковый квадратурный направленный ответвитель содержит две электромагнитно связанные микрополосковые линии передачи, выполненные в виде плоской двухзаходной спирали, расположенные на диэлектрической подложке, обратная сторона которой частично или полностью металлизирована, или подвешена над металлической поверхностью. Ответвитель отличается тем, что число витков двухзаходной спирали более одного, при этом одна спираль повернута относительно другой вокруг их общего центра, при этом зазоры между связанными линиями передачи и их поперечные размеры имеют постоянные значения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1 представлен микрополосковый направленный ответвитель, известный из: Малорацкий Л.Г. Явич Л.Р. "Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях", с поперечным размером W микрополосковых линий и с зазором g между ними. Выводы (плечи) ответвителя здесь и далее обозначены в следующей последовательности: 1 - вход, 2 - ответвленный выход, 3 - прямой выход, 4 - развязанный выход.

На фиг. 2 представлен тандемный микрополосковый направленный ответвитель, известный из: Малорацкий Л.Г. «Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ», с поперечным размером W микрополосковых линий и с зазором g между ними. Для соединения отрезков микрополосковых линий используются перемычки 5.

На фиг. 3 представлен тандемный направленный ответвитель, известный из: Лехциер А.Я., Федосов А.Н. «Тандемные направленные ответвители и узлы на их основе», в котором микрополосковые линии передачи сформированы в виде плоской двухзаходной спирали с одним витком. Перемычки 5 используются для вывода сигналов из центра спирали.

На фиг. 4 представлен вид сверху спирального сверхширокополосного микрополоскового квадратурного направленного ответвителя с линиями передачи, сформированными в виде двухзаходной спирали с постоянными поперечными размерами W связанных линий и зазорами g между ними, с углами поворотов планарных линий 45 градусов. Для вывода сигналов из центра спирали используются перемычки 5. На рисунке показаны основные области связи: K1 и K2, которые имеют по три связанных линии, а также K3 и K4, имеющие по четыре связанные линии.

На фиг. 5 представлен вид спереди ответвителя с линиями передачи, сформированными в виде двухзаходной спирали с постоянными поперечными размерами связанных линий и зазорами между ними, с углами поворотов планарных линий 45 градусов. Связанные линии передачи расположены на одной стороне диэлектрической подложки, противоположная сторона которой выполнена с металлизацией.

На фиг. 6 представлен вид сверху ответвителя с линиями передачи, сформированными в виде двухзаходной спирали с постоянными поперечными размерами W связанных линий и зазорами g между ними, со скругленными поворотами планарных линий. Для вывода сигналов из центра спирали используются перемычки 5.

Представленными на фиг. 4 - фиг. 6 вариантами формирования связанных линий в виде двухзаходной спирали не исчерпываются все возможные варианты. Так, например, двухзаходная спираль может быть сформирована из планарных линий, скругленных по всей длине.

На фиг. 7 представлены графики зависимости расчетных коэффициентов передачи от частоты тандемного и спиральных ответвителей с постоянными поперечными размерами связанных линий передачи и зазоров между ними (с регулярной структурой), нагруженных на 50 Ом, при делении/суммировании.

На фиг. 8 представлена схема деления/суммирования 3-дБ ответвителей 6, нагруженных на согласованную нагрузку.

В основе конструкции направленного ответвителя лежит использование двух электромагнитно связанных микрополосковых линий передачи, сформированных в виде плоской двухзаходной спирали с числом витков более одного, при этом одна спираль повернута относительно другой вокруг их общего центра. Для вывода сигналов из центра спирали можно использовать, как показано на фиг. 4, фиг. 6 перемычки 5 (проволочные, фольговые, гибридно выращенные или другого вида).

По своей сути такой ответвитель представляет из себя тандемное соединение многих отрезков связанных линий, что является одним из известных способов расширения рабочей полосы частот тандемных направленных ответвителей (тандемное включение связанных линий описано в работе: В.П. Мещанов, А.Л. Фельдштейн «Автоматизированное проектирование направленных ответвителей СВЧ», «Связь», Москва, 1980, стр. 96 - 97). Так, например, на фиг.4 показаны четыре основные области связи ответвителя с линиями передачи, сформированными из прямолинейных участков двухзаходной спирали с постоянными поперечными размерами W связанных линий и зазорами g между ними, с углами поворотов планарных линий 45 градусов. Области связи K1 и K2 имеют три связанных линии, а области K3 и K4 имеют четыре связанные линии. Каскадное соединение четырех областей с различным уровнем связи в таком ответвителе позволяет существенно расширить его полосу рабочих частот (до 2,5 октав), по сравнению с обычным тандемным ответвителем с двумя каскадами связи.

На фиг. 7 представлены графики расчетных потерь на деление/суммирование трех видов 3дБ-ответвителей диапазона 1 - 6 ГГц, одно плечо которых нагружено на согласованную нагрузку. Схема измерения деления/суммирования представлена на фиг. 8.

За счет сворачивания в спираль электромагнитно связанных линий габаритные размеры ответвителя, по сравнению с прототипом, уменьшаются не менее чем в два - три раза (обратно пропорционально количеству витков в двухзаходной спирали), вследствие чего существенно повышается эффективность использования полезной площади подложки.

Таким образом, существенные признаки данного технического решения позволяют существенным образом расширить диапазон рабочих частот ответвителя, снизить его габаритные размеры и повысить эффективность использования полезной площади подложки, что обеспечивает достижение заявленного технического результата.

Спиральный сверхширокополосный микрополосковый квадратурный направленный ответвитель, содержащий две электромагнитно связанные микрополосковые линии передачи, выполненные в виде плоской двухзаходной спирали, расположенные на диэлектрической подложке, обратная сторона которой частично или полностью металлизирована или подвешена над металлической поверхностью, отличающийся тем, что число витков двухзаходной спирали более одного, при этом одна спираль повернута относительно другой вокруг их общего центра, а зазоры между связанными линиями передачи и их поперечные размеры имеют постоянные значения.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к радиотехнике. Ответвитель СВЧ сигнала на магнитостатических волнах содержит подложку из галлий-гадолиниевого граната с размещенными на ней с зазором двумя микроволноводами в форме параллельных удлиненных полосок равной ширины из пленок железо-иттриевого граната (ЖИГ).

Использование: для направленного ответвления части мощности из ВЧ и СВЧ тракта. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для ответвления ВЧ и СВЧ части потока электромагнитного излучения с заданными параметрами для приемо-передающей аппаратуры выполненно из микрополосковых линий, расположенных на двух прямоугольных горизонтальных диэлектрических подложках, обратная сторона которых имеет сплошную металлизацию, металлизированные части подложки зеркально сложены между собой плоскостями, при этом происходит формирование в одном плече синфазной составляющей, а в другом - квадратурной составляющей сигнала, на каждой подложке микрополосковые линии нанесены методом фотолитографии, соединение двух микрополосковых линий с топологическим перекрестием в местах соединения выполнено в виде перемычек из фольги на торцах плат, при этом на одном из выходов предусмотрено присоединение резистора, компенсирующего отражения выходного сигнала, при этом резистор может быть пленочным, навесным либо подсоединенным с помощью СВЧ разъема.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в волноводной, антенной и СВЧ измерительной технике. Волноводный направленный ответвитель содержит основной и дополнительный прямоугольные волноводы, имеющие общую стенку, в которой выполнены отверстия связи, реализованные в виде прямых трапециевидных призм, у которых боковые грани, соответствующие первому основанию трапеции, лежат в одной плоскости с одной из стенок основного прямоугольного волновода и с одной из стенок дополнительного прямоугольного волновода.

Использование: для создания частотно-избирательного ответвителя мощности. Сущность изобретения заключается в том, что направленный ответвитель на магнитостатических волнах содержит размещенную на подложке из галлий-гадолиниевого граната микроволноводную структуру из пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ), антенны для возбуждения магнитостатических волн, дополнительно введен слой пьезоэлектрического материала, снабженный металлическими электродами для подачи электрического напряжения, размещенный на поверхности микроволноводной структуры с возможностью пьезомагнитного взаимодействия, при этом микроволноводная структура образована тремя параллельными микроволноводами равной ширины, каждый из которых имеет прямоугольную форму и установлен с зазором друг относительно друга с обеспечением режима многомодовой связи, а антенны расположены на концах микроволноводов таким образом, что входная антенна размещена на одном конце срединного волновода, одна выходная антенна размещена на противоположном конце срединного волновода, а две других - на смежных с ним концах периферийных волноводов.

Изобретение относится к области техники СВЧ диапазона и может быть использовано для направленного отбора мощности из основного канала во вторичный, а также в составе измерителей комплексных коэффициентов передачи и отражения (векторных анализаторах цепей) для разделения падающих и отраженных волн.

Изобретение относится к СВЧ радиотехнике. Делитель мощности содержит четыре направленных ответвителя на связанных линиях.

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и может быть использовано при проектировании фазированных антенных решеток, в частности, направленных ответвителей (НО).

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот. Заявленный транснаправленный ответвитель на связанных линиях содержит горизонтальную диэлектрическую подложку с четырьмя подводящими микрополосковыми линиями, на которую устанавливается вертикальная диэлектрическая плата с нанесенной с двух противоположных сторон металлизацией, образующей связанные линии с лицевой связью, подключенные к подводящим линиям; в горизонтальной диэлектрической подложке выполняется несквозное окно, проникающее до заземленного основания, при этом геометрические размеры окна и вертикальной платы задаются такими, чтобы обеспечить необходимую электромагнитную связь между связанными линиями, а также согласование с подводящими линиями, при этом величина диэлектрической проницаемости материала вертикальной платы выбирается достаточно большой с тем, чтобы достичь отношения эффективных диэлектрических проницаемостей связанных линий при противофазном и синфазном возбуждениях, равного 9:1.

Использование: для радиолокации, радионавигации, связи, а также в антенных системах и радиоизмерениях. Сущность изобретения заключается в том, что направленный ответвитель, выполненный на диэлектрической подложке с нанесенной топологией направленного ответвителя, состоит из четырех отрезков подводящих полосковых линий и области связанных однородных полосковых линий, при этом в область связанных однородных полосковых линий введены два одинаковых участка дополнительных связанных полосковых линий, расположенных по краям области связанных однородных полосковых линий симметрично относительно ее центра, при этом суммарная длина области связанных полосковых линий L=(0.2÷0.3)λсв, где λсв - длина волны области связанных полосковых линий на центральной частоте.

Широкополосный фазовращатель на π/2 относится к области радиотехники. Достигаемый технический результат - обеспечение постоянного фазового сдвига опорного напряжения в широкой полосе промежуточных частот и повышение широкополостности.

Использование: для радиотехнических устройств различного назначения в качестве элементной базы тонкопленочных интегральных высокочастотных узлов, таких как разделительно-суммирующие устройства, усилители СВЧ мощности, ответвители, радиочастотные мультиплексоры, фазовращатели, фильтры и другие. Сущность изобретения заключается в том, что спиральный сверхширокополосный микрополосковый квадратурный направленный ответвитель содержит две электромагнитно связанные микрополосковые линии передачи, выполненные в виде плоской двухзаходной спирали, расположенные на диэлектрической подложке, обратная сторона которой частично или полностью металлизирована или подвешена над металлической поверхностью, отличающийся тем, что число витков двухзаходной спирали более одного, при этом одна спираль повернута относительно другой вокруг их общего центра, а зазоры между связанными линиями передачи и их поперечные размеры имеют постоянные значения. Технический результат: обеспечение возможности повышения эффективности использования полезной площади диэлектрической подложки и уменьшения габаритных размеров устройства, расширения полосы рабочих частот. 8 ил.

Наверх