Широкополосные шлейфные структуры и их применение при проектировании устройств СВЧ

Аннотация

В статье рассматривается структурный синтез СВЧ-устройств с использованием шлейфных четырехполюсников. Приводится теорема о каскадном включении одинаковых реактивных симметричных четырехполюсников. Приводятся примеры проектирования различных устройств СВЧ, путем совмещения их с широкополосными шлейфными структурами.

Полный текст

Введение В работах [1-11] последовательно развивается метод применение широкополосных шлейфных структур при проектировании различных линейных и нелинейных, активных и пассивных устройств СВЧ. Под шлейфной структурой понимается каскадное соединение четырехполюсников содержащих короткозамкнутые и разомкнутые шлейфы Совмещение подобных структур со структурами СВЧ-устройств, синтезируемых общепринятыми (традиционными, классическими) методами, будем называть структурным синтезом устройств СВЧ. Структурный синтез СВЧ-устройств основан: 1. Общепринятых (традиционных, классических) схемотехнических решениях проектирования и методах анализа и синтеза устройств СВЧ. 2. Применении современных вычислительных средств и программного обеспечения при схемотехническом и электродинамическом моделировании, а также параметрическом синтезе устройств. 3. Принципе совмещения структур СВЧ-устройств, полученных общепринятыми методами, с широкополосными согласующими цепями и, прежде всего, со структурами на основе шлейфных четырехполюсников. 4. Применении, в качестве исходных широкополосных шлейфных структур, каскадных соединений одинаковых реактивных симметричных шлейфных четырехполюсников. Под словом «структура» понимается не только схемное соединения элементов, но и их взаимное расположение, размеры, конфигурация и другие особенности схемного, конструктивного и технологического характера. Структурный синтез СВЧ-устройств позволяет: 1. Значительно увеличивать количество вариантов схемотехнического построения устройств. 2. Расширять рабочий диапазон устройств. 3. Получать заданные амплитудно- и фазо-частотные характеристики. 4. Увеличивать число параметров для параметрического синтеза устройств. 5. В ряде случаях, получать новые частотные свойства и расширять функциональные возможности устройств. 6. Уменьшать габариты устройств. В качестве исходных широкополосных шлейфных структур предлагается использовать каскадные соединения одинаковых реактивных симметричных Т- и П-образные четырехполюсников с разомкнутыми и короткозамкнутыми шлейфами, а также каскадные соединения комбинированных шлейфных четырехполюсников. Применение каскадных соединений одинаковых реактивных симметричных четырехполюсников обусловлено прежде всего тем, что это несколько облегчает задачу поиска подходящих структур для структурного синтезе устройств СВЧ, т. е. для реализации принципа совмещения различных структур в единую результирующую структуру с новыми частотными и другими свойствами. 1. Типы шлейфных четырехполюсников На рис. 1 приведены некоторые варианты шлейфных четырехполюсников, которые могут быть использованы при структурном синтезе различных СВЧ-устройств, включая: линейные, нелинейные, усилительные и другие устройства. На рис. 1, а и б приведены широкополосные Т- и П-четырехполюсники с короткозамкнутыми шлейфами. Каскадные соединения подобных четырехполюсников могут применяться в цепях смещения для подачи питающих и управляющих напряжений на полупроводниковые элементы, для создания многоканальных переключателей и широкополосных фильтров. На рис. 1, в и г приведены широкополосные Т- и П-четырехполюсники с разомкнутыми шлейфами. Каскадные соединения данных четырехполюсников могут применяться для замены любых отрезков линий передачи, при этом уменьшаются габариты и увеличивается число параметров для последующего параметрического синтеза устройств. На рис. 1, д-ж приведены комбинированные шлейфные четырехполюсники, содержащие как разомкнутые, так и короткозамкнутые шлейфы. Каскадные соединения одинаковых реактивных симметричных Т-образных четырехполюсников с короткозамкнутыми шлейфами (рис. 1, а) использовались в качестве исходных структур для построения многоканальных переключателей с полупроводниковыми элементами, работа [1]. Было установлено, что независимо от числа каналов, т. е. каскадно соединенных четырехполюсников, полоса рабочих частот, максимальные значения ослабления и КСВН определяются параметрами одиночного четырехполюсника. Было проведено исследование и получено доказательство этого свойства. Данное доказательство опубликовано в работах [2; 3]. Распространяя принцип совмещения структур на другие устройства СВЧ, это свойство было сформулировано в виде теоремы, которая впервые была опубликована в работе [4]. 2. Теорема о каскадном включении реактивных симметричных четырехполюсников Теорема: «При каскадном включении одинаковых реактивных симметричных четырехполюсников функция рабочего затухания результирующего четырехполюсника в математической полосе пропускания не превышает значений функции где - функция рабочего затухания одиночного четырехполюсника; - элемент классической матрицы передачи одиночного четырехполюсника; - частота в математической полосе пропускания четырехполюсника». Результирующая функция рабочего затухания каскадного соединения четырехполюсников в полосе пропускания будет определяться следующим выражением , где - функция, определена в теореме; - функция рабочего затухания одиночного четырехполюсника; . В полосе пропускания функция изменяется от 0 до 1 и результирующая функция рабочего затухания (1) не превышает значений Под полосой пропускания, с математической точки зрения, здесь понимаются частоты на которых элемент классической матрицы передачи одиночного четырехполюсника лежит в пределах от -1 до 1, т. е. когда решение разностных уравнений цепочки четырехполюсников [12] необходимо искать в виде Таким образом, анализ частотных свойств реактивных симметричных четырехполюсников, а также широкополосных согласующих структур, получаемых при каскадном соединении подобных шлейфных четырехполюсников, можно проводить на основе изложенной выше теоремы. Наиболее полно частотные свойства шлейфных четырехполюсников приведены в работе [9]. Рассмотрим одиночный четырехполюсник с 4 короткозамкнутыми шлейфами изображенный на рис. 2. Рассчитаем его как полосовой фильтр с характеристикой Чебышева. На рис. 3 приведены характеристики ослабления и КСВН, кривые 1. На рис. 3 (кривые 2) приведены характеристики каскадного соединения четырех таких фильтров. Согласно теоремы при каскадном включении одинаковых реактивных симметричных четырехполюсников ослабление и КСВН не должны зависеть от n, здесь же произошло их увеличение слева и с право от центральной частоты. Знаменатель функции равен На рис. 4 приведены изменение коэффициента в диапазоне частот. Как видно, слева и с право от центральной частоты при функции и при она не существует, т. е. имеет разрывы. На рис. 5 приведена зависимость функции в диапазоне частот. 3. Примеры структурного синтеза устройств СВЧ На рис. 6 приведена электродинамическая модель трехзвенного делителя мощности, а на рис. 7 его расчетные характеристики в диапазоне частот от 2 до 20 ГГц. Трехзвенный делитель мощности с непериодической структурой оптимизировался для получения максимальной полосы согласования при минимальных значениях КСВН на верхних частотах. Хотя, на низких частотах КСВН увеличивается, но остается менее 2, а развязка снижается до -10 дБ. Такой делитель вполне можно применять в диапазоне частот от 2 до 20 ГГц, при этом ослабление сигнала от входа до выхода не превышает 3,6 дБ. Длина делителя не превышает 4 мм. На рис. 8 приведена топология делителя мощности на шесть выходов. Данный делитель состоит из: делителя - 1, делителей - 2 и тандемного ответвителя - 3. Трансформирующие отрезки линий в делителях и связанные линии ответвителя заменялись каскадным соединением четырехполюсников с разомкнутыми шлейфами и далее оптимизировались, что позволило получить хорошие частотные характеристики и уменьшить габариты. Кроме того, основные линии делителей имеют высокое волновое сопротивление и малую ширину, поэтому их удалось компактно свернуть. Необходимость применения тандемного ответвителя обусловлена тем, что фазовая характеристика первого канала в диапазоне рабочих частот должна быть сдвинута на относительно других пяти выходов. На рис. 9 приведены фазовые частотные характеристики первого (кривая 1) и второго (кривая 2) относительно последующих каналов. Характеристика первого канала имеет наклон второго Для уменьшения наклона фазовых характеристик к выходам ответвителя подключены каскадные соединения четырехполюсников с разомкнутыми шлейфами. Так как, входные проводимости разомкнутых шлейфов имеют тангенсальную зависимость, фазовые характеристики таких структур имеют нелинейный характер по сравнению с однородными линиями. В результате наклон фазовой характеристики первого канала уменьшился до аналогично корректируется и второй канал. В работе [11] подробно анализируются основные принципы проектирования переключающих СВЧ-устройств с полупроводниковыми элементами (ПЭ). Приводятся примеры применения шлейфных структур при создании новых схемотехнических решений переключающих устройств с последовательным, параллельным и последовательно-параллельным включением ПЭ в линии передачи. Приведем еще один пример. На рис. 10 приведена схема устройства, состоящего из диодного переключателя и делителя мощности. Высокочастотный сигнал, поступающий на один из входов (XV1 или XV2) подключается p-i-n диодным переключателем к общей линии и, далее, через делитель мощности разветвляется на выходы (XV3 и XV4). Переключатель выполнен по схеме с последовательным включением диодов в 50-омную линию передачи. Открывание одного из каналов осуществляется подачей управляющего напряжения положительной полярности на низкочастотный вход того канала, который необходимо открыть (XC1 или XC2). Ток управления через четвертьволновые, короткозамкнутые по СВЧ-сигналу конденсаторами C1 и C2 на корпус, открывает соответствующие диоды и замыкается крайними четвертьволновыми шлейфами. Делитель выполнен на основе двухступенчатого перехода, согласующего входную 50-омную линию с суммарным сопротивлением выходных линий, равным 25 Ом. Эквивалентная схема устройства при одном открытом канале переключателя, без учета емкостей и сопротивлений и диодов, приведена на рис. 11, а (вариант 1). Волновое сопротивление отрезков линий W1, W2 и W3 равно 50 Ом, отрезки W4 и W5 образуют двухступенчатый переход. Частотная характеристика КСВН такого устройства приведена на рис. 12 (кривая 1), коэффициент перекрытия по диапазону частот равен 2 для уровня КСВН не более 1,5. Для расширения частотного диапазона, рассматриваемого устройства, заменим обычные четвертьволновые шлейфы в переключателе каскадными структурами, состоящими из четырехполюсников рис. 1, б (вариант 2) и из четырехполюсников рис. 1, а (вариант 3). Эквивалентная схема варианта 2 будет соответствовать рис. 11, а, варианта 3 - рис. 11, б. Длины всех последовательных отрезков линий передачи W1…W5 в варианте 2 и W1…W7 в варианте 3 будут равны Волновые сопротивления этих отрезков будем рассчитывать как многоступенчатые трансформаторы, с одной стороны, согласующие входное 50-омное волновое сопротивление с выходным 25-омным, а с другой стороны, чтобы они компенсировали реактивности короткозамкнутых шлейфов. Частотные характеристики КСВН вариантов 2 и 3 приведены на рис. 12 (кривые 2 и 3, соответственно). Коэффициент перекрытия по диапазону частот в варианте 2 увеличился до 3, а в варианте 3 до 5. Далее все последовательные отрезки линий можно заменить каскадными структурами с разомкнутыми шлейфами (рис. 1, ?в и г), что уменьшит габариты. Приведенные выше примеры (варианты 2 и 3) показывают, как в единую широкополосную согласующую структуру могут быть совмещены многоступенчатый переход, диодный переключатель, делитель мощности, а также каскадные структуры с короткозамкнутыми и разомкнутыми шлейфами. Основные принципы проектирования переключающих СВЧ-устройств с полупроводниковыми элементами были доложены на данной конференции в прошлом году [11]. На рис. 13, а приведен пример микрополоскового ФНЧ, выполненного на подложке из поликора толщиной 0,5 мм. На рис. 14 приведены расчетная (кривая 1) и экспериментальная (кривая 2) частотные характеристики ослабления фильтра, изображенного на рис. 13, а. Экспериментальные и расчетные частотные характеристики фильтра достаточно хорошо совпадают как в полосе пропускания, так и в полосе заграждения, что говорит о высокой точности электродинамических методов расчета. Фильтр имеет паразитную полосу пропускания выше 10 ГГц. В ФНЧ разомкнутые шлейфы выполняются из отрезков линии передачи с низким волновым сопротивлением, поэтому они могут быть заменены каскадным соединением четырехполюсников с разомкнутыми шлейфами. После такой замены разомкнутых шлейфов в исходном фильтре на эквивалентные периодические структуры, характеристики ослабления и КСВН в полосе пропускания фильтра практически не изменились, а в полосе заграждения уровень паразитных полос снизился до минус 30 дБ. Проведем оптимизацию этого фильтра, произвольно изменяя длины разомкнутых шлейфов и соединительных отрезков линий передачи в исходных периодических структурах. Топология ФНЧ после оптимизации приведена на рис. 13, б. В нем, разомкнутые шлейфы исходного фильтра, заменены непериодическими структурами с разомкнутыми шлейфами. Характеристики ослабления и КСВН такого фильтра приведены, соответственно, на рис. 14 (кривые 3, 4). Как видно из этих частотных характеристик, получился уникальный ФНЧ с частотой среза около 2 ГГц, в котором паразитные полосы пропускания задавлены ниже уровня минус 60 дБ до частот 20 ГГц. Синтезируем полосовой фильтр с чебышевской характеристикой, состоящий из 7 короткозамкнутых шлейфов с четвертьволновыми связями, его расчетная характеристика приведена на рис. 15 (кривая 1). На рис. 15 (кривая 2) приведена частотная характеристика ППФ с таким же числом короткозамкнутых шлейфов, синтезируемого путем каскадного соединения шести одинаковых комбинированных четырехполюсников, схема которого изображена на рис. 1, е. Если для фильтра с чебышевской характеристикой коэффициент прямоугольности на уровне -40 дБ равен 1,84, то для второго фильтра на уровне -40 дБ равен 1,25, а на уровне -60 дБ равен 1,4. На рис. 16 приведены частотные характеристики этих же фильтров, но в расширенном диапазоне частот. Как видно из рисунка, если первый фильтр имеет паразитную полосу пропускания, то во втором она подавлена почти до 20 ГГц. Заключение 1. Рассмотрен структурный синтез СВЧ-устройств с использованием шлейфных четырехполюсников, позволяющий значительно увеличивать количество вариантов схемотехнического построения устройств, расширять рабочий диапазон, получать заданные амплитудно- и фазо-частотные характеристики, увеличивать число параметров для параметрического синтеза устройств, в ряде случаях, получать новые частотные свойства и расширять функциональные возможности устройств, уменьшать габариты. 2. Приведена теорема о каскадном включении реактивных симметричных четырехполюсников. В теореме введена функция зависимая от параметров элементов одиночного четырехполюсника, но позволяющая анализировать частотные свойства каскадного соединения с любым числом одиночных четырехполюсников. Дано понятие математической полосы пропускания и ее отличие от физической полосы пропускания. 3. Приведены примеры структурного синтеза новых устройств СВЧ таких как: делителей и ответвителей мощности, трансформаторов сопротивлений, переключающих устройств с полупроводниковыми элементами, фильтров СВЧ.