Experimental Investigation of Smooth Matching Transitions Based on Microstrip Transmission Line Heterogeneous Sections

Full Text

Применение согласующих переходов (СП) является актуальным в системах космической и наземной связи в диапазонах очень- и ультравысоких, а также сверхвысоких частот (СВЧ) в качестве компонентов широкополосных согласующе-симметрирующих устройств [1-4]. СП могут быть выполнены как в виде отдельных структурно-топологических единиц на печатной плате, так и входить в состав интегральных схем [5-7]. Интерес к таким переходам связан с тем, что на практике возникает необходимость соединения двух линий передачи, имеющих различные геометрические размеры. Такие переходы должны обеспечивать хорошее согласование как можно в более широком диапазоне частот. Известно, что переходы с непрерывным изменением электрофизических параметров по сравнению со ступенчатыми переходами обеспечивают наименьшее отражение в широкой полосе частот при прочих равных условиях. Наиболее часто на практике применяются экспоненциальный, чебышевский и вероятностный переходы, последний из которых является предельным случаем ступенчатого перехода с максимально плоской характеристикой. В данной статье проводятся сравнительные испытания макетных образцов плавных СП с целью подтверждения теоретических данных, полученных методом оптимального параметрического синтеза из [8-10]. Для проведения эксперимента изготовлены следующие макеты СП на основе микрополосковой линии передачи (МПЛ): 1) переход одноступенчатый СПО-50-5-1, 0 1 f = ГГц, 5; r= 2) переход одноступенчатый СПО-50-10-1, 0 1 f = ГГц, 10; r= 3) переход двухступенчатый СПД-50-10-1, 0 1 f = ГГц, 10; r= 4) переход экспоненциальный СПЭ-50-5-1, 0 1 f = ГГц, 5; r= 5) переход экспоненциальный СПЭ-50-10-1, 0 1 f = ГГц, 10. r= Здесь 0 f - частота, соответствующая нижней границе рабочего диапазона (частота среза); 12 ââ ZZ r= - коэффициент трансформации по волновому сопротивлению; 1 â Z и 2 â Z - сопротивления входной и выходной линий передачи соответственно. В качестве материала подложки СП использован ФЛАН-10, параметры которого представлены в таблице. Изготовленные СП имеют входной разъем типа SMA (розетка) S-2454 (ANLI)с волновым сопротивлением 50 Ом. Выход СП с волновым сопротивлением 5 или 10 Ом (в зависимости от типа) электрически соединен с согласованной нагрузкой-терминатором СН-5, либо СН-10 торцевого типа. Нагрузки изготовлены на основе набора СВЧ-резисторов типа С6-6-1-0,5 с сопротивлением 50 Ом, соединенных параллельно по 10 шт. (СН-5) и 5 шт. (СН-10) соответственно. СП имеют защитное покрытие в виде паяльной маски толщиной не более 100 мкм. Для проведения эксперимента использовался измеритель комплексных коэффициентов передачи и отражения (векторный анализатор цепей) Agilent FieldFox N9912A (Agilent Technologies) в режиме измерения входных параметров (КСВН). Схема измерений приведена на рисунке 1. Экспериментальные исследования макетных образцов СП сводились к измерению КСВН по входу в тракте 50 Ом при согласованном выходе 10 Ом (СН-10) для СПО-50-5-1, СПЭ-50-5-1 и при согласованном выходе 5 Ом (СН-5) для СПД-50-10-1, СПЭ-50-10-1. Фотографии разработанных макетных образцов представлены на рисунке 2 (СПО-50-10-1; СПО-50-5-1; СПД-50-10-1; СПЭ-50-10-1). На рисунке 3, а-г приведены графики частотных зависимостей КСВН для макетных образцов согласующих переходов. Сплошными линиями на рисунке 3 показаны результаты экспериментальных измерений; штриховыми - результаты численного моделирования из [8-10]. Графики на рисунке 3 соответствуют следующим исследуемым образцам согласующих переходов: а - СПО-50-10-1; б - СПО-50-5-1; в - СПД-50-10-1; г - СПЭ-50-10-1. Из графиков видно, что наблюдается хорошее соответствие теоретических и экспериментальных данных. На экспериментальных кривых в различной степени прослеживается тенденция наличия локального минимума в области, соответствующей области численной оптимизации, что также подтверждается данными, полученными ранее в ходе электродинамического моделирования. Также можно обратить внимание на увеличение рабочей полосы согласования для двухступенчатого перехода по сравнению с одноступенчатым. Из графиков, приведенных на рисунке 3, можно наблюдать также улучшение согласования в локальной области оптимизации для одноступенчатых и двухступенчатых СП по отношению к согласующим переходам с экспоненциальным профилем волнового сопротивления той же длины. Таблица. Параметры материала подложки ФЛАН-10 Параметр Значение Диэлектрическая проницаемость 10 0 0 5 ,, ± Тангенс угла диэлектрических потерь 0,0015 Толщина материала, мм 10 01 ,, ± Толщина фольги, мкм 35 Рисунок 1. Схема измерения коэффициента стоячей волны по направлению Рисунок 2. Фотографии макетных образцов согласующих переходов Рисунок 3. Частотные зависимости КСВН для различных образцов согласующих переходов: а - СПО-50-10-1; б - СПО-50-5-1; в - СПД-50-10-1; г - СПЭ-50-10-1 Это подтверждает актуальность разработки таких переходов для использования в качестве широкополосных согласующих устройств в элементах СВЧ-техники, в особенности когда имеются жесткие ограничения на габариты в сравнительно низкочастотных диапазонах - на метровых и дециметровых волнах. В этом случае локально-оптимизированные согласующие переходы вблизи нижней границы рабочего диапазона могут дать существенный выигрыш в сравнении с СП с экспоненциальным профилем волнового сопротивления при той же электрической длине. Безусловно, будучи оптимальными характеристиками в некоторой локальной полосе частот, они дадут некоторый проигрыш по согласованию вне нее (выше по диапазону) по отношению к тому же СП с экспоненциальным профилем волнового сопротивления, что, однако, является в определенной мере ценой за оптимальное согласование. Впрочем, как показывают расчет и экспериментальные исследования, этот проигрыш является весьма несущественным. Таким образом, в представленной работе проведено экспериментальное исследование макетных образцов согласующих переходов. Результаты эксперимента совпадают с расчетными данными, полученными в ходе решения задачи параметрического синтеза СП [8-10]. Показано, что изготовленные неоднородные полосковые волноводные переходы обеспечивают согласование в диапазоне частот от 1,2 до 2,7 ГГц. Доказано, что использование двухступенчатых пере- ходов позволяет в 1,5 раза увеличить частотную полосу согласования. Результаты работы могут быть полезны при разработке устройств линий передач СВЧ-диапазона в авиационно-космической отрасли.

About the authors

D. N Panin

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: pdntec@mail.ru
Samara, Russian Federation

O. V Osipov

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: pdntec@mail.ru
Samara, Russian Federation

L. V Adamovich

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: pdntec@mail.ru
Samara, Russian Federation

References

Supplementary files