Разработка делителя мощности на микрополосковой линии
КАЗАНСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ А.Н.
ТУПОЛЕВА
Кафедра РТС
Тремаскин Е.В.
Гр.5408
Разработка
делителя мощности на микрополосковой линии.
Расчетно-пояснительная
записка к курсовому проекту
по дисциплине
Сверхвысокие
частоты
Специальность
210300
Казань 2010
Задание
Разработать сумматор на
симметричной МПЛ линии:
Содержание
Введение
Делители мощности
Выбор материала
Поправочные коэффициенты
Ширина микрополосков и трансформатор
сопротивлений
Набег фаз
Заключение
Список литературы
Введение
В настоящее время область
применения радиоэлектронных средств расширяется, комплексы радиосистем
становятся все более сложными, это полностью относится и к радиотехнике СВЧ
диапазона. В связи с расширением физических возможностей радиоэлектронной
аппаратуры во многих случаях необходимо не только излучать и принимать СВЧ
сигнал, но также производить его обработку и преобразование, поэтому
усложняются СВЧ схемы и в прежнем исполнении становятся громоздкими, поэтому
возникает необходимость создания миниатюрных схем работающих в СВЧ диапазоне.
Миниатюризация схемных
решений радиоаппаратуры в настоящее время реализуется с помощью гибридных пленочных
и твердотельных микросхем. Наибольшие успехи в этом плане были достигнуты в
области низких частот. Однако методы конструирования и технология изготовления
низкочастотных схем не могут быть перенесены на схемы СВЧ диапазона, так как
между этими устройствами в микроисполнении существует большое количество
различий.
К радиотехническим
устройствам СВЧ диапазона предъявляются жесткие требования по снижению
себестоимости, повышению надежности, уменьшению габаритов и веса. Сегодня вес и
габариты стали факторами, ограничивающими применение СВЧ аппаратуры, особенно в
мобильных установках – на борту наземного и водного транспорта, не говоря уже о
летательных аппаратах. Поэтому использование миниатюризации и миниатюризации
элементов и узлов на СВЧ в современной радиоэлектронике является актуальной
задачей.
По сравнению с обычной
аппаратурой микрополосковые и полосковые схемы более трудоемки в разработке,
поскольку связь между элементами схемы за счет краевых полей и полей излучения
более трудно поддается учету, расчет многих элементов схемы производится
приближенно, а подстройка готовых схем затруднена. Окончательные размеры схем
приходится отрабатывать путем перебора множества вариантов.
Микрополосковые антенны,
изготовленные по печатной технологии интегральных схем, обеспечивают высокую
повторяемость размеров, низкую стоимость, малые металлоемкость и массу.
Микрополосковые антенны
способны излучать энергию с линейной, круговой и эллиптической поляризацией,
допускают удобные конструктивные решения для обеспечения работы в двух- или
многочастотных режимах, легко позволяют объединить многие элементарные
излучатели в ФАР и разместить их на поверхностях сложной формы.
Делители мощности
Делителями
мощности называют многополюсные устройства, предназначенные для распределения
мощности, поданной на вход между другими входами в заданное соотношении. В
устройствах без потерь сумма выходных сигналов равна сумме входных.
Таким
образом, справедливо . Здесь будут рассмотрены взаимные
линейные устройства без потерь. Условие взаимности делителя мощности означает,
что он может использоваться в режиме сложения сигналов, если сигналы на его входы
подать в том же амплитудном и фазовом соотношении, что и на входах в режиме
делителя. Делитель, работающий в режиме сложения сигналов, называют сумматором.
В общем случае делители должны удовлетворять требованиям:
1)
деление сигнала в заданном соотношении;
2)
согласование всех плеч;
3)
развязка выходных плеч;
4)
широкополосность.
В
зависимости от схемы делителя и его конструкции эти требования выполняются
по-разному.
а
б
Рис.
1
Простейшим
делителем мощности является разветвление линии передачи. Разветвление может
быть последовательным и параллельным (рис.1).
При
последовательном разветвлении (рис.1а) входное сопротивление в точке соединения
линий будет определяться суммой волновых сопротивлений выходных плеч делителя:
(1.1)
Здесь
— волновое сопротивление входного плеча
(обозначим его ); -сопротивления
выходных плеч. На практике удобнее пользоваться нормированными сопротивлениями.
Входное нормированное сопротивление делителя:
(1.2)
Условием
согласования делителя с входной линией передачи будет
(1.3)
Доля
мощности, отводимая в i-e плечо, пропорциональна . и, соответственно, коэффициент передачи в i-e плечо будет
(1.4)
Обычно
все выходные плечи делителя приводятся к одному волновому сопротивлению , для чего в плечи делителя
включаются трансформаторы волновых сопротивлений. Для четвертьволнового
трансформатора в i-м плече
можно записать:
(1.5)
где - волновое сопротивление четвертьволнового
трансформатора (рис.2 а). Для согласованного по входу делителя мощности с
одинаковым сопротивлением выходных плеч из (1.2) и (1.5) получим:
(1.6)
При
параллельном разветвлении линий передачи (рис. 1 б) справедливы соотношения
(1.1)- (1.6), записанные для проводимостей, т.е. входная проводимость делителя:
(1.7)
Нормированное
входное сопротивление:
(1.8)
Делитель,
согласованный по входу и приведенный к одному волновому сопротивлению , будет:
(1.9)
Трансформаторы
сопротивлений обычно подключаются непосредственно к точке разветвления линии,
но возможно подключение трансформатора к отрезку
линии , произвольной длины .
Расчет
согласованного по входу делителя параллельного и последовательного типов с
помощью формул (1.1), (1.6), (1.7) и (1.9) сводится к следующему. По заданному
волновому сопротивлению тракта и требуемому распределению сигнала по выходам определяют волновые сопротивления плеч , где -
коэффициенты деления для i-го
плеча.
Для
последовательного разветвления , для параллельного , а волновое сопротивление трансформатора i-го плеча определяется из (1.5).
Практическая
реализация разветвления линий в одной точке при n>5 затруднена, так как соединение большого числа линий в
одной точке образует неоднородность, которая приводит к искажению всех
параметров устройства.
Выбор
материала
Учитывая требования
данных в задании выберем материал. Как правило, диэлектрический материал следует
выбирать с минимальным значением тангенса угла диэлектрических потерь, большой
стабильностью относительной диэлектрической проницаемости и линейных размеров,
так как реальные параметры устройств без их учета будут значительно отличатся
от расчетных данных.
Выбираем материал листы
из фторопласта – 4 фольгированные с относительной диэлектрической
проницаемостью .
Найдем волновое
сопротивление МПЛ линии:
Толщина печатной
проводящей полоски t=0,1мм, толщина
диэлектрика b=1мм, тогда и
по волновым сопротивлениям фидерных линий СВЧ находим ,т.е.
W=0,68931мм ширина линии.
Далее в зависимости от
уровня первого бокового лепестка, выберем закон изменения амплитуды поля и
вычислим поправочные коэффициенты.
Поправочные
коэффициенты
Так как уровень боковых
лепестков -17Дб , то закон изменения амплитуды поля запишется так:, ∆=0,5.
А(-1)=0,5
А(-0,5)=0,875
А(0)=1
А(0,5)=0,875
А(1)=0,5
А(х)=0,5+0,875+1+0,5+0,875=3,75
Нормируем к единице, получаем:
А’(-1)=0,13(3)
А’(-0,5)=0,23(3)
А’(0)=0,267
А’(0,5)=0,23(3)
А’(1)=0,13(3)
Тип сумматора – гребенка
Ширина микрополосков и
трансформатор сопротивлений
Для того чтобы было удобнее
выполнить чертеж увеличим ширину микрополоска в 10 раз. Тогда получим
сопротивление z1=5Ом.
Соответственно ширина
микрополоска тогда будет:
Вычислим трансформатор
сопротивлений:
Вычислим длину волны:
Вычислим ширину остальных
линий и их сопротивления в соответствии с коэффициентами деления.
На каждом из выходов
необходимо обеспечить сопротивление такое же как и на входе, т.е. 50 Ом.
Поэтому вычислим трансформаторы сопротивлений для выходов.
Для 1-го и 5-го вывода:
Для 2-го и 4-го:
Для 3-го:
Расчет набега фаз
Для того чтобы обеспечить
необходимую фазу нужно изменить длину пути.
Возьмем d=6см, тогда ψ=0,9693.
тогда
Таким образом получили
что для обеспечения набега фаз длину линии необходимо увеличивать до 24,692 см.
При этом получится следующая схема:
Список литературы
1.
Ганстон М.А.Р.
Справочник по волновым сопротивлениям фидерных линий СВЧ / Под ред. Фрадина
А.З. – М.: Связь, 1976. – 150с.
2.
Авксентьев А.А.,
Воробьев Н.Г., Морозов Г.А., Стахова Н.Е. Устройства СВЧ для радиоэлектронных
систем. Учебное пособие,2004.
3.
Проектирование
полосковых устройств СВЧ. Учебное пособие. Ульяновск, 2001