32. Микрополосковые свч фильтры, делители мощности и направленные ответвители.

Фильтры

Фнч

Фильтр нижних частот из отрезков микрополосковой линии показан на рис. 32.1.

Секции фильтра нижних частот имеют одинаковую фазовую длину, но разные волновые сопротивления. Типовая частотная характеристика вносимого затухания приводится на рис. 32.2. Фильтры подобного типа используются в диапазоне частот от 1 до 10 ГГц.

Рис. 32.1. Фильтр нижних частот [2]

Рис. 32.2 Частотная характеристика вносимого затухания ФНЧ из секций МПЛ одинаковой длины [2]

Расчет фильтра производится по следующей методике.

Задают: волновое сопротивление тракта Z0; граничную полосу пропускания ФНЧ f2; максимально допустимый в полосе пропускания КСВ или величину вносимого затухания Аn (дБ), связанного с КСВ следующим соотношением:

граничные частоты полосы заграждения f3 и f4, минимально допустимую в полосе заграждения величину вносимого затухания Ав.

Выбирают: материал подложки ε и толщину h подложки.

Определяют: число секций ФНЧ n; относительную длину секций lλ ; волновые сопротивления секций Zi; геометрические размеры секций ФНЧ Wi и li.

Необходимое число секций ФНЧ определяется по формуле

Значение n, вычисленное по формуле (4.2), округляют до ближайшего большего нечетного числа. Соотношение определяют из таблицы.

При этом:

– для обеспечения требуемой полосы заграждения необходимо выполнения условия:

– для обеспечения заданной величины Аз в полосе заграждения необходимо выполнение следующего условия:

где fмах соответствует λмах, при которых l =0,25 (величина А λ мах приведена в

мах таблице для каждого из значений lλ);

– значения Zi в табл. 4.1 для определенного lλ должны быть реализуемы для выбранного материала и толщины подложки.

Фильтры полосовые с электромагнитной связью между резонаторами

Структура фильтра на полуволновых разомкнутых на конце резонаторов с четвертьволновыми электромагнитными связями изображено на рис.32.3. Типовые частотные характеристики вносимого затухания фильтров с максимально-плоской и чебышевской характеристиками представлены на рис. 32.4,а-б.

Расчет фильтров с максимально плоской и чебышевской характеристиками производится следующим образом.

Задают: волновое сопротивление тракта Z0; граничные частоты f1 и f2 полосы пропускания; максимально-допустимый уровень затухания Аn в полосе пропускания; граничные частоты низкочастотной f3 и высокочастотной f4 полос заграждения фильтра; минимально-допустимое затухание Аз в полосе заграждения. Выбирают: материал подложки ε и толщину h подложки. Определяют: ширину МПЛ тракта СВЧ W0 и ширину полосок резонаторов Wi, величину зазоров Si, длины резонаторов li, укорочение концов резонаторов ∆li.

По заданным частотам f1, f2, f3, f4 определяют необходимое число резонаторов n фильтров по следующим формулам:

– с максимально плоской характеристикой

– с чебышевской характеристикой

Рис. 32.3. Фильтр на полу волновых разомкнутых резонаторов с четвертьволновыми электромагнитными связями [2]

Рис. 32.4. Типовых характеристики фильтров: (а) – максимально плоская характеристика, (б) – чебышевская характеристика. [2]

Мосты и делители мощности

В технике СВЧ мостовые схемы обычно используются как делители мощности на два канала (в равных отношениях при высокой развязке между ними) и как балансные смесители с высокой развязкой между входными каналами.

При использовании мостовой схемы в качестве делителя, энергия подается в плечо 1, распределение мощности энергии происходит в равном соотношении между плечами 2 и 4, а при подаче мощности в плечо 2 энергия распределяется между плечами 1 и 3. В первом случае в плече 3, а во втором–в плече 4 устанавливается оконечная нагрузка.

При использовании мостовой схемы в качестве смесителя энергия подается в плечи 1 и 3, выходными плечами будут 2 и 4.

Кольцевые гибридные мостовые схемы

Мостовые схемы в виде кольца (рис. 32.5) характеризуются следующими основными параметрами:

– развязкой между каналами, которая определяется по формуле

где Р2 и Р4 – величины мощностей на выходных каналах (при подаче мощности в 1 канал);

- делением мощности по выходным каналам.

Расчет мостовой схемы сводится к определению среднего диаметра dср и ширины кольца bк при заданных значениях волнового сопротивления Z0 основной полоски и рабочей длине волны λ0. Расстояние между осями должно быть , а по длинной стороне . Длина средней линии кольца определяется из формулы

Волновое сопротивление кольца Zк определяется из соотношения

Рис. 32.5. Кольцевая гибридная схема мостовая [2]

Ширина полоски кольца Wк определяется аналогично ширине основной. Для большей компактности мостовую схему выполняют в виде прямоугольника (рис. 32.6.).

Рис. 32.6. Прямоугольная гибридная схема мостовая [2]

Размеры прямоугольника определяются по формуле

Волновое сопротивление полосок прямоугольной мостовой схемы определяется из выражения

Ширина полоски кольца Wк определяется аналогично ширине основной

полоски по формуле.

Кольцевой делитель мощности с омической нагрузкой

Кольцевой делитель мощности (рис. 32.7) с сосредоточенной нагрузкой позволяет разделить мощность пополам (по двум каналам 2 и 3) с достаточно большой развязкой между этими каналами.

Рис. 32.7. Кольцевой делитель мощности с омической нагрузкой

Расчет кольцевого делителя мощности с омической нагрузкой.

Величина сосредоточенного сопротивления определяется по формуле

Волновое сопротивление кольца равно

Геометрическая длина между плечами должна быть равной λ0 .

Диаметр кольца определяется по формуле

при условии, что – длина сопротивления с учетом проводящих выводов;

или при условии, что величина l_R сравнима с λ0 .

В качестве сопротивления могут использоваться пленочные резисторы или сопротивления типа МЛТ.

Делители мощности ненаправленные

Делители мощности ненаправленные двухканальные (тройники) используются для разветвления (суммирования) сигналов СВЧ. Тройники находят применение в трактах СВЧ как элементы широкополосных многоканальных делителей мощности, многоканальных частотно-

избирательных устройств, электрически управляемых переключателей, смесителей, и др. Тройники с различным числом согласующих ступеней представлены на рис. 32.8. Основная электрическая характеристика узла – частотная характеристика КСВ со стороны плеч. Допустимый максимальный уровень КСВМАХ в рабочем диапазоне с требуемым перекрытием граничных частот обеспечивают выбором числа согласующих ступеней n. Частотные характеристики КСВ тройников с числом n, равным 2 и 3, – чебышевские.

Рис. 32.8. Ненаправленные делители мощности (тройники) с одной согласующей ступенькой: (а) – в выходных плечах; (б) – во входном плече; (в) – типовая частотная характеристика [2]

Делители мощности направленные с неравным делением

Делители мощности направленные с неравным делением – СВЧ тройники с электрически изолированными выходными плечами, предназначенные для деления мощности P0 в отношении между выходными плечами.

Делители мощности направленные с неравным делением используют в трактах СВЧ как самостоятельные узлы, а также как составные элементы многоканальных разветвителей мощности с числом каналов на равных степени числа два (2m) или с нечетным числом каналов (рис. 32.9).

Основными частотными характеристиками таких устройств являются:

– деление – ослабление сигнала между входом и одним из выходов (1 или 2), А1, А2;

– изоляция (развязка) – ослабление сигнала между двумя выходными плечами, А1-2;

– коэффициент стоячей волны, КСВ.

Типовые частотные характеристики приведены на рис. 32.10,б. Ниже рассматривается расчет трех типов делителей мощности направленные с неравным делением:

– с выходными трансформирующими секциями и продольной активной нагрузкой выходных плеч Zн (напряжение на выходных плечах синфазны) – тип – 1;

– с входной согласующей и выходными трансформирующими секциями (модификация типа-1) – тип-2 (рис. 32.10,б);

– с трансформирующей секцией лишь в одном из выходных плеч (напряжение на выходных плечах сдвинуты по фазе на 90°) – тип-3 (рис. 33.10,в).

Тип-1 направленный делитель мощности с неравным делением используется при отношении выходных мощностей P2:P1≤3, тип-2 – для деления в отношении P2:P1≤4. Тип-3 делит мощность подобно типу-1, но конструктивно более прост и используется когда соотношение фаз сигналов в выходных плечах не имеет существенного значения.

Рис. 32.9. Направленный делитель с неравным делением: (а) – электрическая схема; (б) – типовые частотные характеристики [2]

Рис. 32.10. Делители мощности направленные с неравным делением [2]

Направленные ответвители шлейфные

Направленные ответвители шлейфные применяются в аппаратуре СВЧ: в разветвителях и сумматорах мощности, в фазовращателях, переключателях, балансных смесителях, для изоляции передающих и приемных устройств, работающих на одну общую нагрузку. Шлейфные направленные ответвители имеют большие габариты и узкую рабочую полосу частот. Топологическая и электрическая схемы изображены на рис. 32.11.

Основные частотные характеристики следующие:

– связь (переходное ослабление) – ;

– направленность – ;

– коэффициент стоячей волны, КСВ.

где Рi – мощность в i–м плече направленного ответвителя.

Величина связи С определяется волновой проводимостью шлейфов Yшi, ширина рабочей полосы частот – числом шлейфов n. На практике не проектируют направленные ответвители с числом шлейфов n больше 3 – 4. В двухшлейфном направленном ответвителе волновые проводимости шлейфов Yш1 и отрезка линии между шлейфами Y1 определяются однозначно. В направленном ответвителе с тремя и более шлейфами выбор Yшi и Yi 84 определяются неоднозначен. Направленные ответвители так же бывают нескольких типов.

Направленный ответвитель типа-1 имеет все проводимости Yi равными волновой проводимости тракта . Такие направленные ответвители просты в проектировании и изготовлении, но частотные характеристики их не оптимальны.

Рис. 32.11. Шлейфовый направленный ответвитель: (а) – электрическая схема; (б) – топологический чертеж [2]