Методика структурного синтеза шлейфных мостов УВЧ диапазона с уменьшенными габаритными размерами : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.12.07

ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………………………………………… 4

1. ШЛЕЙФНЫЕ МОСТЫ: ПОДХОДЫ К МИНИАТЮРИЗАЦИИ …………………… 12

1.1 Компактные мосты на сосредоточенных элементах ………………………………… 15

1.2. Компактные мосты на распределенных элементах …………………………………. 18

1.3 Компактные мосты на многослойных подложках …………………………………… 29

1.4 Методики проектирования компактных ШКМ ……………………………………….. 34

1.5 Выводы по первой главе ……………………………………………………………………….. 40

2 СТРУКТУРНЫЙ СИНТЕЗ КОМПАКТНЫХ ШЛЕЙФНЫХ МОСТОВ …………. 41

2.1. Фильтры нижних частот как инструмент миниатюризации мостов …………. 42

2.2. Методика расчета параметров компактных шлейфных квадратурных мостов
…………………………………………………………………………………………………………………. 48

2.3 Анализ взаимного влияния мостов и иных СВЧ устройств при близком их
расположении ……………………………………………………………………………………………. 61

2.4 Анализ факторов, ограничивающих миниатюризацию мостов ………………… 64

2.5. Выводы по второй главе ………………………………………………………………………. 70

3 ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИИ В СОЗДАНИИ НОВЫХ
КВАДРАТУРНЫХ МОСТОВ С УЛУЧШЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ … 71

3.1 Исследование допустимых пределов уменьшения размеров ШКМ ………….. 73

3.2 Компромиссное решение между уменьшением размеров и ухудшением
частотных характеристик моста ………………………………………………………………….. 81

3.3. Мост с переключаемым типом направленности …………………………………….. 90

3.4. Мост с различающимися сопротивлениями входа и выхода ……………………. 96

3.5. Выводы по третьей главе ……………………………………………………………………. 104

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………………………………………….. 106
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ……………………….. 109

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………………………………………. 110

1. Выполнен анализ существующих конструкций компактных мостов и
методик их проектирования, подтверждающий актуальность работы.
Конструкции устройств получены в основном заменой двух пар
четвертьволновых отрезков на фильтры нижних частот, реализованные на
комбинации сосредоточенных и/или распределенных элементов в виде Т- и/или
П- образных звеньев.
2. Разработана методика проектирования компактных шлейфных
квадратурных мостов с применением комбинации сосредоточенных и/или
распределенных элементов в виде Т-образных звеньев. Предложенный подход
позволяет выполнять проектирование топологии миниатюрных (в разы
занимающих меньшие площади) ШКМ по заданным техническим
характеристикам с использованием доступных диэлектрических подложек.
Описанную методику можно использовать для миниатюризации не только ШКМ,
но и для любых устройств, включающих в себя участки МПЛ, обеспечивающих
нужный для функционирования устройства фазовый сдвиг.
3. Получены выражения для расчета погонных емкостей и индуктивностей,
используемых в эквивалентной схеме разрабатываемых устройств. Данные
выражения учитывают сохранение электрической длины применяемой структуры
при сокращении её физической длины с сохранением необходимого входного
сопротивления.
4. Предложен и исследован схемно-конструктивный способ реализации
компактного квадратурного моста за счет замены только одной пары
четвертьволновых отрезков на Т-образные звенья. Получена топология
планарного ШКМ с площадью, на 78,6% меньшей по сравнению с площадью
традиционной конструкции, при этом удалось получить частотные
характеристики с наименьшим ухудшением по сравнению с известными
конструкциями. Такой вариант реализации компактных ШКМ обладает
компромиссным решением между габаритами устройства и шириной его полосы
рабочих частот.
5. Впервые исследованы допустимые пределы миниатюризации ШКМ.
Показано, что Т-образные звенья с индуктивными элементами в виде
высокоомных отрезков и емкостными элементами в виде низкоомных отрезков
позволяют уменьшить площади микрополосковых устройств на ~80–90% с
уменьшением полосы развязки и согласования не более, чем на ~30–40%.

Показано, что наибольшую степень миниатюризации удается достичь при
использовании тонких подложек с небольшой диэлектрической проницаемостью.
6. Разработана конструкция двухшлейфного моста с возможностью
переключения типа направленности с сонаправленного на противонаправленный,
и наоборот. Этого удалось добиться за счет того, что вместо исключительно ФНЧ
в состав моста добавлен ФВЧ.
7. Разработаны топологии компактных ШКМ с разными значениями
волновых сопротивлений подводящих линий (50 и 75 Ом, 50 и 25 Ом). Такие
конструкции мостов получены за счет объединения двух половин от мостов с
одинаковыми значениями волновых сопротивлений подводящих линий и
применение ФНЧ с разными сопротивлениями входа и выхода. Такой вариант
реализация компактного ШКМ упрощает процесс его согласования с
последующим трактом.
8. Изложенные в работе подходы миниатюризации применимы и в более
высокочастотных диапазонах с учетом технологических возможностей
изготовления устройств.
9. Полученные результаты способствуют развитию теории и техники
проектирования компактных мостовых устройств УВЧ диапазона.
Рекомендации по итогам диссертационного исследования. Описанную
методику уменьшения габаритных размеров ШКМ, основанную на замене
четвертьволновых отрезков микрополосковой линии передачи фильтрами нижних
или верхних частот, реализованных по Т- и/или П-образным схемам, можно
применять для расчета любых других устройств, имеющих в своем составе
резонансные отрезки линии передачи, например, фазовращатель, мост
Уилкинсона и кольцевой мост. В случае если требуется получить компактный
ШКМ с возможностью небольшого ухудшения частотных характеристик по
сравнению с традиционной конструкцией, то следует использовать предложенное
схемно-конструктивное решение, в котором выполняется замена только одной
пары четвертьволновых отрезков на фильтры нижних частот. Описанный подход
в реализации компактных мостов с применением фильтров нижних частот с
разными сопротивлениями входа и выхода, позволяют спроектировать ШКМ с
произвольными значениями волновых сопротивлений подводящих линий, что
позволит суммировать мощности от двух источников с коаксиальными кабелями
75 Ом либо 50 Ом.
Перспективы развития темы исследования. В качестве дальнейших
направлений исследования автор рассматривает: создание программного
продукта, позволяющего по заданным исходным данным (параметры подложки,
центральная частота, волновые сопротивления отрезков и др.) синтезировать
топологии компактных ШКМ для дальнейшего электродинамического анализа;
проведение исследований миниатюрных мостов на предмет улучшения их
характеристик, например, расширение полосы частот за счет поиска схемно-
конструктивных решений, позволяющих это сделать; улучшение технологичности
топологий компактных мостов, например, за счет замены высокоомных отрезков
на навесные элементы; расширение функциональных возможностей ШКМ с
уменьшенными габаритными размерами – возможность плавного изменения
рабочей частоты в широких пределах, управление величиной ответвляемой
мощности и разностью фаз сигналов в выходных каналах и др.
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

АЧХ – амплитудно-частотная характеристика.

КСВ – коэффициент стоячей волны.

МПЛ – микрополосковая линия передачи.

ППФ – полосно-пропускающий фильтр.

СВЧ – сверхвысокие частоты.

УВЧ – ультравысокие частоты.

ФВЧ – фильтр верхних частот.

ФНЧ – фильтр нижних частот.

ФЧХ – фазо-частотная характеристика.

ШКМ – шлейфный квадратурный мост.