CC BY
15
УДК 621.372.832
С.С. Коновалов, Е.Г. Абрамова
ОАО «Омский научно-исследовательский институт приборостроения», г. Омск
РАСЧЕТ И МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРАВЛЕННЫХ ОТВЕТВИТЕЛЕЙ, ВЫПОЛНЕННЫХ В ОБЪЕМЕ МНОГОСЛОЙНОЙ ПОДЛОЖКИ
ИЗ ЛАМИНАТА TLX
Целью работы является расчет и моделирование направленных ответвителей (НО) на симметричных полосковых линиях (СПЛ), имеющих одну область сильной связи.
Направленный ответвитель - устройство для ответвления части электромагнитной энергии из основного канала передачи во вспомогательный. НО, как известно, представляет собой два (иногда более) отрезка линий передачи, связанных между собой определенным образом; основная линия называется первичной, вспомогательная - вторичной. Для нормальной работы НО один из концов вторичной линии (нерабочее плечо) должен быть заглушен согласованной нагрузкой, со второго (рабочего плеча) снимается ответвленный сигнал, в зависимости от того, какую волну в первичной линии надо ответвить: падающую или отраженную; выбирается, какое плечо вторичной линии будет рабочим. Математически свойства НО описываются с помощью S-матриц (матриц рассеяния).
Наиболее компактные широкополосные НО в СВЧ диапазоне получаются при использовании эффектов взаимной связи в многопроводных линиях передачи с T-волнами, они могут быть реализованы как коаксиальные или полосковые НО. Полосковый НО - два отрезка близко лежащих полосковых линий, имеющих общий экран, с выводами в виде коаксиальных разъемов.
В нашем случае в качестве подложки использован ламинат TLX торговой марки Taconic. В качестве подслоя для нормализации толщины печатной платы использован ламинат RT/duroid 6002 торговой марки Rogers.
255
В нашем случае имеем заданные параметры направленного ответвителя: диапазон рабочих частот ответвителей:2,0 - 4,0 ГГц;
3,8 - 12,0 ГГц;
12,0 - 18,0 ГГц;
диэлектрическая проницаемость материала:
Taconic TLX - 2,55;
Rogers RT/duroid 6002 - 2,94;
расстояние между полосковыми линиями0,05 мм;
толщина платы8 слоев по 0,1 мм;
толщина подслоя0,5 мм.
Требуется выяснить габаритные размеры составных частей НО.
Метод расчета полосковых ответвителей, в конструкции которых используют тонкие медные проводники толщиной 0,018 мм, поддерживаемые диэлектриком с относительной диэлектрической проницаемостью £г = 2,55, приведен в [1].
Общая длина линии связи вычисляется по формуле
где /ср - среднее значение в заданной полосе частот.
Далее с помощью специализированной САПР были построены схемотичные изображения НО и рассчитана ширина полосок, а также ширина выводимых на поверхность платы отрезков копланарной линии, согласованных на 50 Ом.
Таким образом, определены габаритные параметры НО.
По результатам расчета в специализированной программной среде, предназначенной для электромагнитного моделирования, была построена трехмерная модель НО.
Процесс проектирования включает в себя ряд стандартных шагов.
1. Создание модели анализируемой структуры, в том числе:
- создание трехмерной графической модели структуры (чертежа);
- задание параметров материалов, из которых состоит структура.
2. Определение электродинамических параметров структуры, включающее:
- задание граничных условий на поверхностях, формирующих анализируемый объект;
- определение и калибровка портов.
3. Электродинамический анализ исследуемого объекта, в том числе:
- анализ объекта в полосе частот;
- параметрический анализ объекта;
- параметрическая оптимизация объекта.
4. Визуализация результатов электродинамического анализа, включающая:
- построение графиков;
- анимация распределений электромагнитного поля и электрического тока;
- сохранение результатов анализа в файлах данных.
Результат работы с программой показан на рис. 1, 2 и 3.
Для предотвращения создания емкостной связи между нижним и верхним экранами платы произведена модификация экранных проводников путем разбиения нижнего и верхнего экранов на сетку, размер элементов сетки много меньше четверти длины волны (Х/4). Для выравнивания потенциалов на нижнем и верхнем экране платы произведено «прошитие» платы штырями по периметру НО.
256
Рис. 1. Модель НО, работающего в диапазоне частот 2,0 - 4,0 ГГц
Рис. 2. Модель НО, работающего в диапазоне частот 3,8 - 12,0 ГГц
Рис. 3. Модель НО, работающего в диапазоне частот 12,0 - 18,0 ГГц
Улучшение развязки и значений КСВ, графики которых представлены на рисунках с 4 по 8 соответственно, удалось добиться путем смещения полосковых линий относительно друг друга по оси У, а также расположение линий под углом относительно друг к другу.
Рис. 4. АЧХ НО, работающего в диапазоне частот 2,0 - 4,0 ГГц
00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00
Рис. 6. АЧХ НО, работающего в диапазоне частот 3,8 - 12,0 ГГц
Рис. 5. КСВ НО, работающего в диапазоне частот 2,0 - 4,0 ГГц
Рис. 7. КСВ НО, работающего в диапазоне частот 3,8 - 12,0 ГГц
257
Рис. 8. АЧХ НО, работающего в диапазоне частот 12,0 - 18,0 ГГц
Рис. 9. КСВ НО, работающего в диапазоне частот 12,0 - 18,0 ГГц
На рис. 4, 6 и 8 показана амплитудно-частотная характеристика составленных моделей НО, где участок развязки входит в заданный диапазон рабочих частот.
На рис. 5, 7 и 9 показаны зависимости КСВ НО от частоты.
Таким образом, в ходе работы были рассчитаны и промоделированы малогабаритные сверхширокополосные НО на СПЛ, имеющие одну область сильной связи.
Библиографический список
1. Маттей, Д. Л. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи : в 2 т. / Д. Л. Маттей. -М. : Связь, 1971. - 439 с.
