Содержание

В.ФЕДОРОВ,

г.Липецк.

КОНСТРУИРОВАНИЕ СВЧ - устройств НА МИКРОПОЛОСКОВЫХ ЛИНИЯХ

Освоение сверхвысокочастотных диапазонов (СВЧ) и создание аппара­туры для работы на этих частотах в настоящее время не является пробле­мой — созданы системы спутниковой связи и наземные системы передачи информации, функционирующие на частотах 3...30 ГГц, относящихся к СВЧ. Экспансия систем связи зашла в область КВЧ (крайне высоких час­тот), и ныне уже действуют системы, использующие частоты выше 40 ГГц.

Однако в популярных радиотехни­ческих изданиях очень редко появля­ются статьи, посвященные данной теме. Этому способствует ряд причин. Одна из них, наиболее важная — ма­лая доступность элементной базы, которая ранее, как правило, исполь­зовалась предприятиями "оборонки" и немногими НИИ. В настоящее время ситуация кардинально изменилась, и приобретение различных СВЧ-компонентов (даже весьма экзотических) не составляет особого труда.

Но если решен вопрос с комплекту­ющими, возникает другой, не менее су­щественный — о методиках расчета и принципах конструирования СВЧ-техники. Поскольку существует опреде­ленный пробел в области проектиро­вания СВЧ-схем, спешу восполнить его, описывая упрощенный метод кон­струирования. В данной статье при­водится расчет микрополосковых ус­тройств, показавших на практике (вви­ду неоспоримых преимуществ) высо­кие результаты.

Прежде всего замечу, что от радио­любителей, решивших заняться осво­ением СВЧ-диапазонов, требуется опыт конструирования традиционных ВЧ-устройств, аккуратность, терпение и настойчивость.

Микрополосковая линия (МПЛ)

МПЛ используется для передачи электромагнитных волн между компо­нентами схемы. Кроме того, на ее основе формируются различные эле­менты СВЧ-схем (резонаторы, индук­тивности и т.п.). Несмотря на опре-. деленные недостатки (низкая переда­ваемая мощность и большие потери), МПЛ обладают несомненными досто­инствами — просты в изготовлении и позволяют на фольгированном диэ­лектрике толщиной h (рис.1 а), в ка­честве которого используется фольгированный фторопласт марки ФАФ, либо металлизированные пластины из кварца или керамики, создавать функционально законченные изделия.

Как можно видеть, МПЛ представля­ет собой печатную дорожку (вырезан­ную на плате) шириной w, при этом нижний слой металлизации остается необработанным. Плата заключается в экран шириной а и высотой Ь.

Как известно из теории электричес­ких цепей, в идеальных условиях со­противление линий передачи сигна­лов должно быть численно равно со­противлению нагрузки. Как следствие, при расчетах МПЛ прежде всего за­даются требуемым сопротивлением ZQ. В нижнем участке СВЧ-диапазона можно применить расчет, предпола­гая, что в МПЛ распространяется только Т-волна. К сожалению, анали­зируя несколько публикаций в журна­ле "Радио", автор обнаружил, что ни по одной из формул, приведенных в статьях, нельзя сколько-нибудь точ­но рассчитать ZQ ^ПЛ.

Волновое сопротивление МПЛ мож­но рассчитать по формуле, приведен­ной в [1]:

где h обычно равно 0,5 мм или 1 мм; Е — диэлектрическая проницае­мость диэлектрика.

Конкретное значение толщины обычно наносится при маркировке фольгированного материала (в слу­чае отсутствия сведений о толщине материала рекомендую воспользо­ваться методом, описанным в [2]).

По формуле (1) при помощи компь­ютера рассчитывают значения 20для всех w, лежащих в пределах от 0 до 15 мм с шагом 0,01 мм. При этом стро­ят график, по которому в дальнейшем по заданному значению z0 находят ширину w МПЛ. Отметим, что z умень­шается с увеличением ширины МПЛ.

Длина волны в диэлектрике AQ с ди­электрической проницаемостью е меньше, чем в воздухе, и вычисляется по формуле:

где

— длина волны в воздухе;

t — толщина проводника МПЛ (фольги), которую можно измерить микрометром (обычно 0,025 мм).

Таким образом, для любой МПЛ с заданным ZQ можно найти Л0, подстав­ляя в формулы значение w, соответ­ствующее данному сопротивлению.

На принципиальных схемах МПЛ обо­значается в соответствии с рис.1 б, при этом число над линией обозначает ве­личину ZQ (в данном случае 50 Ом). Все линейные размеры МПЛ выражаются в миллиметрах. Стенки экрана распо­лагаются таким образом, чтобы вы­полнялось условие:

и для этого МПЛ располагают вдоль центральной продольной оси платы, как можно ближе к ней.

Пассивные СВЧ-компоненты

В связи с тем, что в СВЧ-схемах элементы с сосредоточенными пара­метрами (обыкновенные дискретные индуктивности (L), конденсаторы (С), резисторы (R), размеры которых на СВЧ уже сопоставимы с длиной дей­ствующей в диэлектрике волны) име­ют большие потери и низкую доброт­ность, в конструкциях применяются элементы с распределенными пара­метрами, т.е. R, L и С распределены по всей длине элемента.

Индуктивности выполняются в виде от­резка МПЛ с большим z1 (около 100 Ом), при этом его длина

а индуктивность вычисляется по фор­муле

где

круговая частота

Последовательная индуктивность (рис.2а), включается в разрыв МПЛ линии передачи, имеющей сопротив­ление z0. Параллельная индуктив­ность (рис.26), если она выполнена в виде короткозамкнутого шлейфа, обеспечивает КЗ по постоянному току.

Если необходимо избежать КЗ, при­меняется разомкнутый шлейф, у ко­торого

Индуктивности, применяемые в низ­кочастотном участке СВЧ-диапазона, для уменьшения габаритов изготав­ливают в виде спирали. При расчете L влиянием экрана можно пренебречь при условии, что

В противном случае нужно удалить металлизацию под L на нижней час­ти платы.

Емкость может образовываться пу­тем введения зазора в МП-линии пе­редачи (рис.За), но она при этом не­велика (около 1 пФ):

Для получения большей последова­тельной емкости используют трех­слойную структуру (рис.Зб). В качестве диэлектрика можно использовать фторопластовую пленку, пластинку слю­ды или кварца. Тогда:

(линейные размеры — в миллимет­рах, емкость — в пикофарадах).

При этом емкость достигает 30 пФ. Ее можно применять как параллель­ную, замкнув нижнюю обкладку через отверстие в плате с обратной стороной.

Параллельную емкость можно так­же выполнить в виде неоднородности

либо в виде шлейфа

как показано на рис.Зв.

При этом:

где

круговая частота.

На частотах до 3 ГГц можно приме­нять элементы в бескорпуском испол­нении с сосредоточенными парамет­рами, например, описанные в [3]. Так­же возможно применение бескорпусных элементов, в т.ч. резисторов фирм Филипс и Мурата, которые имеют вы­сокие параметры.

Резонаторы являются колебатель­ными системами СВЧ-устройств. Эк­вивалентные схемы резонаторов на основе МПЛ, включенных в виде шлейфов, изображены на рис.4. Ре­зонатор представляет собой подклю­ченный к линии передачи 1 отрезок МПЛ (шлейфа) 2, замкнутого или ра­зомкнутого на конце, в зависимости от необходимости получения КЗ по постоянному току. При этом включе­ние согласно рис.4а обеспечивает подъем АЧХ на f0, а рис.4б — завал.

Недостатком таких резонаторов является их низкая добротность. Для

ее повышения резонаторы делают подковообразными (рис.4в). При этом чем меньше s, тем выше доб­ротность резонатора. Тем не менее, нельзя сильно уменьшать s, т.к. воз­никнет паразитная связь между эле­ментами резонатора. Более высокую добротность имеют диэлектрические резонаторы, о которых будет расска­зано отдельно.

Резонаторы могут включаться сле­дующими способами (рис.5): а, б — если резонатор является нагрузкой (двуполюсник), и в, г, д — если резо­натор включается в какую-либо цепь (четырехполюсник).

Шлейфовый направленный ответвитель (ШНО)

ШНО широко применяется в дели­телях мощности, смесителях и т.д. Двухшлейфовый ШНО (рис.6) переда­ет мощность из первичной 1 (или 2) линии во вторичные (3 и 4). При этом разность фаз в плечах 3 и 4 равна 90°, мощность между плечами делится ровно пополам, поэтому ШНО в лите­ратуре называют также 3 дБ- или квад­ратурным мостом. Однако мощность из плеча 1 в плечо 2 и наоборот не передается.

Чтобы соблюдались вышеуказанные свойства, необходимо выполнить следующие условия:

При этом приближенно можно счи­тать, что

В НЧ-участке СВЧ-диапазона, для уменьшения размеров, ШНО выполня­ют в виде меандра (рис.7а), а в ВЧ-части, для уменьшения влияния неоднородностей в местах соединения ли­ний, используют ШНО в виде кольца длиной Л0 (рис.76).

Делители и сумматоры мощности

На рис.8 показана электрическая (а) и топологическая (6) схемы коль­цевого делителя. Для равного деле­ния мощностей между выходами не­обходимо, чтобы:

Коэффициент перекрытия делите­ля равен 1,4; КСВН=1,2; затухание — около 3 дБ (т.е. наполовину); развяз­ка выходов — около 30 дБ.

Для обеспечения большего коэф­фициента перекрытия Кп используют­ся многоступенчатые делители. Для неравного деления мощностей при­меняют схему, изображенную на рис.9. Пусть Р., образуется на выходе 1, а Р2 — на выходе 2, тогда:

При этом геометрическая длина МПЛ, имеющих z.,-z5,  равна

Делители мощности можно выпол­нить на основе ШНО (рис.10а). При этом R выбирают равным z0. На ШНО также выполняются сумматоры мощ­ности, наиболее часто применяемые для сложения сигналов от нескольких каналов, работающих на общую на­грузку. На рис.10б показана электри­ческая схема суммирования двух сиг­налов на основе ШНО. При последо­вательном включении N-1 ШНО, как показано на рис.11, получается N-входовой сумматор мощности. Необходи­мо лишь иметь в виду, что сигналы на входе должны иметь соответству­ющий сдвиг фаз.

Переключатели и аттенюаторы

Переключатели СВЧ можно можно собрать по схемам, изображенным на рис.12. В качестве ключей исполь­зуют высокочастотные p-i-n диоды. МПЛ с сопротивлением z1 совместно с емкостями С образуют ФНЧ, предот­вращающие проникновение СВЧ в цепи питания (z.,>100 Ом).

Состояние включено: рис.12а — диоды открыты, 126 — закрыты. Чис­ло коммутируемых каналов можно уве­личивать путем подключения их к точ­ке А (в точку А на рис.126 необходимо подключить согласующий шлейф). На входы и выходы переключателей, при необходимости развязки по постоян­ному току, устанавливают раздели­тельные конденсаторы.

На практике широко применяются переключатели и аттенюаторы, выполненные на ШНО, которые исполь­зуются при разработке модуляторов. На рис.13 показан антенный комму­татор на двух 3 дБ-мостах. При пере­даче VD1 и VD2 открыты, мощность передается в точки 5 и 6 и не посту­пает в антенну. Отражаясь через от­крытые диоды, сигналы со сдвигом фаз 90°, складываясь в ШНО1, посту­пают в антенну синфазно. Из-за не­идеальности элементов VD1 и VD2 мощность просачивается в плечи 7 и 8, при этом синфазно складывается в плече 3 и гасится резистором R и противофазно — в плече 4 (сигнал отсут­ствует). При приеме диоды закрыты, при этом сигнал из антенны делится пополам в плечах 5 и 6 и передается в плечи 7 и 8 соответственно. При этом в плече 4 сигналы в фазе, а в 3 — в противофазе (сигнал отсутствует).

Если в плече 2 установить резистор R= ZQ, схема превратится в выключа­тель (плечо 1 — вход, 4 — выход). Если VD1 и VD2 открыты — состоя­ние "выключено", закрыты — "включе­но". Если управляющий ток подавать не скачком, а плавно, можно плавно модулировать мощность на выходе.

Аттенюатор на основе одиночного ШНО изображен на рис.14. Вход и вы­ход являются развязанными плечами. Как и в предыдущем случае, можно плавно модулировать входной сигнал.

(Продолжение следует)

Содержание