Направленный ответвитель

ЗАДАНИЕ:

Спроектировать двухшлейфный направленный ответвитель на основе несимметричной полосковой линии.

Рабочая длинна волны  = 3 см.

Волновое сопротивление подводящих линий Z_>0>=50 Ом.

Переходное ослабление С_>13>= 2 дБ

Диапазон рабочих температур: от –50С до +150С

Дополнительные требования: минимальные габариты.

Необходимо выбрать материал для изготовления направленного ответвителя. Рассчитать размеры элементов полосковой схемы, вычислить рабочие параметры, определить минимальную величину направленности С_>34>при расстройке от центральной частоты диапазона на  ff_>0,>качественно обосновать необходимость подключения к развязанному плечу согласованной разгрузки.

Теоретическая часть.

Направленные ответвители (НО) называются восьмиполюсники, предназначенные для направленного ответвления СВЧ- энергии.

Они используются в схемах измерения коэффициентов отражения, смещения и разделения сигналов, контроля параметров сигналов, мощности, частоты, а также переключателей, фазовращателей и т. д.

Линия передачи НО, по которой передается основная мощность, называется первичной, или основной, а линия, в которую ответвляется часть мощности, - вторичной, или вспомогательной.

Основными характеристиками, НО являются переходное ослабление, направленность.

Переходное ослабление представляет собой выраженное в децибелах отношение входной мощности основной линии к мощности, ответвленной в рабочее плечо 4 вспомогательной линии:

А14 = 101g Р1/Р4.

Направленность представляет собой выраженное в децибелах отношение мощностей на выходе рабочего 4 и нерабочего 3 плеч вторичной линии

А43 = 101g Р4/Р3.

Выход нерабочего плеча вторичной линии всегда нагружается на согласованную нагрузку.

Р1 Р2

1 Основная линия 2

3 4

Вспомогат. линия

Р3 Р4

Схема направленного ответвителя.

Шлейфные направленные ответвители (НО).

Они состоят из двух отрезков полосковых линий передачи, соединенных между собой с помощью двух и более шлейфов, длинны и расстояния, между которыми равны четверти длины волны, определенной в полосковой линии передачи.

С увеличением числа шлейфов направленность и диапазонные характеристики шлейфового, НО улучшается. Однако при числе шлейфов более трех их волновые сопротивления становятся настолько большими, что практически не могут быть реализованы в печатном исполнении. В связи с этим в ИС СВЧ наибольшее распространение получили двух – и трехшлейфные НО.

в/4

Y2 Y0

1 3

Y1 Y1

A A

2 4

Y0 Y2 Y0

Шлейфный направленный ответвитель в виде квадрата.

Основной расчёт.
1. Выбор материала для диэлектрической подложки.

Исходя из дополнительных условий (минимальные габариты) нужно выбрать такой материал, у которого диэлектрическая проницаемость () максимальная, а tg - минимальный. Также должен соблюдаться диапазон рабочих температур.

На основании вышесказанного выберем керамику, имеющую следующие параметры.

Материал

Марка

Гост или ТУ

Толщина

мм

Допуск

мм

Габариты

мм



tg

диапазон

Группа

Керамика

22ХС

АЯ0.027.002ТУ

1,5

 0,01

24х30, 48х60

10,30

-50

+ 1000

III

Расчёт на компьютере

Шлейфовый направленный ответвитель

Исходные данные:

Длина волны л (См) 3.00000

Волновое сопротивление (Ом) 50.00000

Диэлектрическая проницаемость материала 10.30000

Толщина токоведущей полоски (мм) 0.03500

Толщина подложки (мм) 1.50000

+- DF/F0 (%) 1.00000

Результаты расчета:

Эффект. Диэлектрическая проницаемость 7.05203

Длина волны в линии на ср. частоте диап. (См) 1.12970

Длина отрезков полоскового волновода (См) 0.28243

Длина шлейфа (См) 0.25418

Ширина отрезков полосковых линий (мм) 2.31461

Ширина плеч подводящих линий (мм) 1.36813

Рабочее затухание (дБ) 2.47703

Переходное ослабление (дБ) 3.49194

Коэффицент деления мощности (дБ) 0.91515

При F=FN (дБ) С34 = -35.99067

При F=FB (дБ) С34 = -36.16438

Центральная частота диапазона (ГГц) 8.27444

Чертёж рассчитанной выше топологии НО приводится в приложении. Окончательно размеры подложки будут 15х14 мм.

3. Выбор корпуса

Так как данное полосковое устройство не имеет никаких навесных элементов, и доступ к нему нужен только с одной стороны, то целесообразно использовать корпус чашечного типа.

Чашечный корпус включает в себя: непосредственно сам корпус, переход высокочастотный, плату, резиновую прокладку, крышку, трубку (для заполнения инертным газом), низкочастотный вывод, проволоку. Корпус легко изготовить фрезерованием. При серийном изготовлении можно использовать литье, штамповку, прессование из пластмассы и металлизацию гальванопластическим или химико-гальваническим способом. Плата в корпусе крепится либо механическим прижимом ее ко дну корпуса с помощью винтов или других элементов (например, верхней крышки при сборке конструкции на СПЛ), либо припайкой металлизированной экранированной стороны платы к дну корпуса (непосредственно или через компенсирующие прокладки из металлической сетки, чтобы снизить напряжения, возникающие из-за разности КТЛР).

Герметизация корпуса производится пайкой по контуру крышки и переходов, заливкой щелей компаундами. При использовании пайки выполняем шов с закладкой проволоки , что обеспечивает возможность вскрытия корпуса при ремонте, и используем резиновую прокладку, препятствующую попаданию припоя и флюса внутрь корпуса. Сборочный чертёж корпуса приводится в приложении.

4. Список использованной литературы

Методические указания и задания к курсовой работе по курсу «Конструкции экранов и СВЧ устройств». Москва 1985г.
Полосковые платы и узлы. Пректирование и изготовление. Е. П. Котов. Сов. радио, 1979.
Справочник по расчёту и конструированию СВЧ полосковых устройств. В. И. Вольман. Радио и связь. 1982г.
Конспект лекций по дисциплине «Техническая электродинамика».

TYPE=RANDOM FORMAT=PAGE>6

Overview

Лист1
Лист2
Лист2 (2)

Sheet 1: Лист1

Частота	Потери в канале прямой связи [дБ]	Потери в канале направленной связи [дБ]
3,46500	18,74726	0,05834
3,46967	18,61415	0,06017
3,47433	18,48305	0,06203
3,47900	18,35388	0,06391
3,48367	18,22660	0,06583
3,48833	18,10114	0,06777
3,49300	17,97746	0,06975
3,49767	17,85551	0,07175
3,50233	17,73524	0,07378
3,50700	17,61660	0,07584
3,51167	17,49955	0,07793
3,51633	17,38404	0,08005
3,52100	17,27004	0,08220
3,52567	17,15751	0,08438
3,53033	17,04641	0,08659
3,53500	16,93670	0,08883

Sheet 2: Лист2

Sheet 3: Лист2 (2)

МГАПИ

Курсовой проект

Группа ПР-7

Специальность 2008

Студент .

РАСЧЕТ НАПРАВЛЕННОГО ФИЛЬТРА НА ПОЛОСКОВОЙ ЛИНИИ

Вариант 4.0

ИСХОДНЫЕ ДАННЫК:

Длина волны L [см]:....................................... 10.00

Характеристическое сопротивление проводящих полосок [Om]:. 50.00

Частота приемника [ГГц]:.................................. 3.50

Полоса пропускания [%]:................................... 2.00

Коэффициент затухания в канале прямой связи [дБ]:......... 2.00

Коэффициент затухания в канале направленной связи [дБ]:... 30.00

Диэлектрическая проницаемость материала:.................. 10.00

Толщина подложки [mm]:.................................... 0.5

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ:

Длина одной стороны петли [sm]:........................... 0.79057

Коэффициент неравномерности ЧХ в полосе пропускания:...... 1.82032

Коэффициент связи:........................................ 0.96077

Волновое сопротивление Ro прямое [Om]:.................... 7.07004

Волновое сопротивление Ro направленное [Om]:.............. 0.14144

Верхняя граница приема [ГГц]:............................. 3.53500

Нижняя граница приема [ГГц]:.............................. 3.46500

Зазор в области связи S [mm]:............................. 0.05142

Ширина полосок b [mm]:.................................... 0.68207

Частота [ГГц]:........................................... 3.46500

Потери в канале прямой связи [дБ]:....................... 18.74726

Потери в канале направленной связи [дБ]:................. 0.05834

Частота [ГГц]:........................................... 3.46967

Потери в канале прямой связи [дБ]:....................... 18.61415

Потери в канале направленной связи [дБ]:................. 0.06017

Частота [ГГц]:........................................... 3.47433

Потери в канале прямой связи [дБ]:....................... 18.48305

Потери в канале направленной связи [дБ]:................. 0.06203

Частота [ГГц]:........................................... 3.47900

Потери в канале прямой связи [дБ]:....................... 18.35388

Потери в канале направленной связи [дБ]:................. 0.06391

Частота [ГГц]:........................................... 3.48367

Потери в канале прямой связи [дБ]:....................... 18.22660

Потери в канале направленной связи [дБ]:................. 0.06583

Частота [ГГц]:........................................... 3.48833

Потери в канале прямой связи [дБ]:....................... 18.10114

Потери в канале направленной связи [дБ]:................. 0.06777

Частота [ГГц]:........................................... 3.49300

Потери в канале прямой связи [дБ]:....................... 17.97746

Потери в канале направленной связи [дБ]:................. 0.06975

Частота [ГГц]:........................................... 3.49767

Потери в канале прямой связи [дБ]:....................... 17.85551

Потери в канале направленной связи [дБ]:................. 0.07175

Частота [ГГц]:........................................... 3.50233

Потери в канале прямой связи [дБ]:....................... 17.73524

Потери в канале направленной связи [дБ]:................. 0.07378

Частота [ГГц]:........................................... 3.50700

Потери в канале прямой связи [дБ]:....................... 17.61660

Потери в канале направленной связи [дБ]:................. 0.07584

Частота [ГГц]:........................................... 3.51167

Потери в канале прямой связи [дБ]:....................... 17.49955

Потери в канале направленной связи [дБ]:................. 0.07793

Частота [ГГц]:........................................... 3.51633

Потери в канале прямой связи [дБ]:....................... 17.38404

Потери в канале направленной связи [дБ]:................. 0.08005

Частота [ГГц]:........................................... 3.52100

Потери в канале прямой связи [дБ]:....................... 17.27004

Потери в канале направленной связи [дБ]:................. 0.08220

Частота [ГГц]:........................................... 3.52567

Потери в канале прямой связи [дБ]:....................... 17.15751

Потери в канале направленной связи [дБ]:................. 0.08438

Частота [ГГц]:........................................... 3.53033

Потери в канале прямой связи [дБ]:....................... 17.04641

Потери в канале направленной связи [дБ]:................. 0.08659

Частота [ГГц]:........................................... 3.53500

Потери в канале прямой связи [дБ]:....................... 16.93670

Потери в канале направленной связи [дБ]:................. 0.08883

Задание.

Сконструировать направленный фильтр на основе полосковой линии. Фильтр используется для разделения каналов приёма и передачи, причём и передатчик, и приёмник работают на одну антенну.

Частота принимаемого сигнала f_>пр>=4,5 ГГц.

Полоса частот, занимаемая принимаемым сигналом 2f_>пр>=2%

Частота передатчика f_>прд>=3,5 ГГц.

Коэффициент затухания на границе полосы пропускания не должен превышать значения L_>Нс>=2 дБ.

Коэффициент затухания прямого канала на частоте направленной связи больше L_>Пс>=30 дБ.

Характеристическое сопротивление подводящих полосок 50 Ом.

Диапазон рабочих температур : -50 — +85 C.

Дополнительные условия: минимальный объём.

Требуется выбрать материал подложки устройства. Определить конструктивные размеры полосок фильтра. Построить частотные зависимости L_>Пс>(f) и L_>Нс>(f). Предусмотреть подключение к плечу 4 согласованной нагрузки в виде сосредоточенного элемента с мощностью рассеяния, не превышающей 2 Вт при непрерывном режиме работы.

1. Фильтры.

Фильтр — четырёхполюсник, затухание которого мало в заданной полосе (полоса пропускания) и велико на всех других частотах вне этой полосы (полоса заграждения). Большое затухание в полосе заграждения создается за счет поглощения и отражения энергии подводимых сигналов.

По взаимному расположению полос пропускания и заграждения фильтры делятся на фильтры нижних частот (ФНЧ), т.е фильтры, пропускающие частоты ниже заданной и подавляющие сигналы на других частотах; верхних частот (ФВЧ), пропускающие сигналы на частотах выше заданной и подавляющие сигналы вне этой полосы; полосовые (ПФ), пропускающие сигналы в пределах заданной частоты и подавляющие сигналы вне этой полосы; режекторные (РФ), подавляющие сигналы на частотах в пределах заданной полосы.

К числу основных параметров фильтров относятся: полоса пропускания, полоса заграждения, средняя частота, коэффициент затухания в полосе пропускания, коэффициент затухания в полосе заграждения, крутизна частотной характеристики, коэффициент отражения от входа и выхода, формы и размеров сечения линии передачи, в которую включается фильтр.

Синтез фильтров СВЧ сводится к синтезу эквивалентной схемы (низкочастотного прототипа), удовлетворяющей заданной частотной характеристике и замене сосредоточенных элементов схемы соответствующими элементами на СВЧ.

Интегральные схемы СВЧ-фильтров чаще всего конструируют на основе микрополосковой линии (МПЛ) и простейших элементов (переходы и резонаторы). Как известно, МПЛ в отличие от полых волноводов не имеют нижней частоты отсечки, а потому на их основе могут быть реализованы практически все типы фильтров, включая фильтры нижних частот.

Фильтры нижних частот используются в схемах детекторов, смесителей, в цепях питания ИС СВЧ и др. ФНЧ бывают на элементах с распределенными параметрами и с сосредоточенными параметрами, имеющие меньшие габаритные размеры.

Фильтры верхних частот выполняются с помощью соединения параллельных индуктивностей в виде полосковых короткозамкнутых шлейфов с высоким волновым сопротивлением, имеющих малую длину, и последовательных ёмкостей.

Из-за трудности реализации надежного короткого замыкания на высокочастотных участках СВЧ диапазона применяют широкополосные полосовые фильтры, называемые фильтрами псевдоверхних частот.

Полосовые фильтры могут быть реализованы на основе микрополосковых резонаторах, связанных между собой определенным способом.

В ПФ, имеющим последовательные связи полуволновых резонаторов через торцевые ёмкости для получения широкой полосы пропускания соседние резонаторы должны быть сильно связаны между собой, что возможно при больших ёмкостях в зазорах (очень малых S). Ввиду технологических ограничений на зазор реализуемые полосы пропускания не превосходят 20%. Длина такого фильтра получается очень большой.

Более компактная конструкция ПФ со связью полуволновых полосковых резонаторов через боковые поверхности. Достоинством таких фильтров на параллельно связанных резонаторах являются малые габаритные размеры, относительно большие расстояния между резонаторами, что облегчает их производство и повышает электрическую прочность, крутые скаты частотной характеристики.

Фильтр на встречных стержнях состоит из полосковых четвертьволновых резонаторов, короткозамкнутых на одном конце и разомкнутых на другом, причём короткозамкнутые концы чередуются. Эти фильтры имеют малые габаритные размеры и потери, широкие пределы полосы пропускания. Однако выполнение такого фильтра в печатном исполнении связано с трудностями обеспечения надежного короткого замыкания резонаторов.

Одна из основных проблем полосковых фильтров, обусловленная ограниченной добротностью печатных резонаторов, состоит в получение малых потерь и узкой полосы пропускания.

Режекторные фильтры, подобно полосовым, могут быть реализованы на основе ферритовых и диэлектрических резонаторов. В этом случае резонаторы устанавливаются на некотором расстоянии от полосового проводника линии или накладывая на него, забирая при этом энергию при резонансе. При сближении резонатора с проводником ослабление в полосе пропускания растет.

Направленные фильтры — восьмиполосные устройства, предназначенные для частотного разделения сигналов в плечах устройства. На частоте f_>нс>, называемой частотой направленной связи почти вся энергия будет поступать в плечо 2 (плечо направленной связи) рис 1. При изменении частоты происходит перераспределение потока СВЧ мощности: её уровень в плече 2 падает, а в плече 3 (плечо прямой связи) растет. Как правило, такие схемы используются для развязки приёмника (подключается к плечу 2) передатчика (плечо 3) при работе на общую антенну (плечо 1), причём плечо 4 нагружено на согласованную нагрузку.

Конструкция НФ. Возможной реализацией НФ на полосковых линиях с боковой связью является соединение двух зажимов НО, как это показано в приложении 1. Основные конструктивные параметры S и b имеют смысл, аналогичный параметрам НФ.

2. Выбор диэлектрической подложки.

При выборе материала для подложки направленного фильтра на полосковой линии необходимо руководствоваться температурным диапазоном работы и дополнительными требованиями. Для заданного диапазона рабочих температур (-50 — +85 C) подходят 6 материалов:

Материал	Марка	ГОСТ или ТУ	Толщина мм	Допуск мм	Габариты мм	 на f=10ГГц	tg на f=10ГГц	Диапазон температур
Стеклотекстолит фольгиров.	СФ-1-35 СФ-2Н-50	ГОСТ 10316-70	от 0,5 до 3,0	±0,1	400x600	6,0	2,5·10^-2	-60 — +85
Фторопласт фольгированный	ФФ-4	ТУ6-05-1416	1,5; 2.0 2,5; 3,0	0,15	170x230 250x250	2,0	2,5·10^-4	-50 — =150
Фторопласт фольгиров. армиров.	ФАФ-4	ГОСТ 21000-75	——	0,15	440x550	2,5	7·10^-4	-50 — +250
Ситалл ВЧ	СТ-32-1	ТХ7.817.000ТУ	от 0,5 до 2,0	±0,05	60x48 и др	10,0	7·10^-4	-50 — +700
Ситалл	СТ-38-1	НТХО.027.112	——	±0,05	150х78 60х48	7,25	3·10^-4	-50 — +700
Керамика	22ХС	АЯ0.027.003ТУ	——	±0,01	24х30 48х60	10,30	15·10^-4	-50 — +1000
Керамика	Поликор	НТХ0.027.027	——	±0,01	24х30	10,30	1·10^-4	-50 — +700

Подложку (Керамика Поликор) выбираем из следующих дополнительных требований :

Диапазон рабочих температур, C	-50 — +85
Дополнительные требования	мин. объём
макс. 
мин. tg