Методика и показатели сравнения основных параметров рассчитываемых гибридных соединений. Расчет и конструирование бинарного делителя мощности на четыре канала, кольцевого и шлейфного моста МПЛ на заданной рабочей частоте. Изображение топологических схем.
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. Мостовые схемы в виде кольца (рисунок 1) характеризуются следующими основными параметрами: - развязкой между каналами, которая определяется по формуле Сигнал, подводимый к плечу 3, попадает в точку В плеча 2 по двум путям: непосредственно через «точечное» сопротивление R и через отрезок линии, равный ?/2. Кольцевой делитель (сумматор) мощности обеспечивает развязку между выходными (входными) плечами, хорошее согласование, малые потери энергии в широкой полосе частот и обладает небольшими линейными размерами. Сравнительная оценка БДМ и КДМ показывает, что переходное затухание БДМ равно удвоенному переходному затуханию одиночной КДМ; развязка между выходными плечами разных КДМ, входящих в БДМ, больше развязки между выходными плечами КДМ на величину переходного затухания; развязка между выходными плечами, принадлежащими одним и тем же КДМ (в составе БДМ), больше, чем между теми же плечами в случае одиночных КДМ.
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.
1. Краткая теория и выбор материала
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. Широкое развитие и распространение полосковой и микрополосковой техники обусловлено тем, что к ее изготовлению можно применить технологию печатных плат, например, травление печатных проводников или вакуумное напыление.
Применение интегральной технологии позволяет с успехом решать задачи по созданию АФУ при весьма жестких и противоречивых требованиях к электродинамическим, аэродинамическим, габаритным, весовым, стоимостным, конструктивным и другим параметрам.
1.1 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.
1.2 Кольцевые и шлейфные мостовые схемы
Мостовые схемы в виде кольца (рисунок 1) характеризуются следующими основными параметрами: - развязкой между каналами, которая определяется по формуле
N=101GP2/P4 (Дб), (1) 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 и ширины кольца при заданных значениях волнового сопротивления питающей линии и рабочей длине волны . Расстояние между осями должно быть , а по длинной стороне .
Длина средней линии кольца определяется из формулы
(2) откуда средний диаметр определяется из формулы lk = (3)
Волновое сопротивление кольца Zk определяется из соотношения
(4)
Рисунок 1. Конструкция кольцевого моста
Ширина полоски кольца Wk определяется аналогично ширине основной полоски. Для большей компактности мостовую схему можно выполнить в виде прямоугольника (рис. 2).
Рисунок 2. Конструкция шлейфного моста
Такая схема называется шлейфной. Размеры прямоугольника определяются по формуле
= (5)
Волновое сопротивление полосок прямоугольной мостовой схемы определяется из выражения
= (6)
Ширина полоски шлейфа определяется аналогично ширине основной полоски по формуле.
1.3 Бинарные делители мощности
Бинарным делителем мощности (БДМ) называют 2|1 N|-полюсник, содержащий N-1 делителей, каждый из которых делит мощность пополам. Одиночные делители в общем случае соединены между собой одинаковыми отрезками линий длиной lc. В частных случаях lc = 0 и делители соединяются между собой непосредственно. Структура БДМ определяется числом N = 2n (n = 1, 2, 3, …) каналов деления. При этом: n = 1; N = 2 - одиночный делитель; (2 ? 3) - полюсник; n = 2; N = 4 - четырехканальный БДМ; (2 ? 5) - полюсник; n = 3; N = 8 - восьмиканальный БДМ; (2 ? 9) - полюсник и т.д.
Мы будем рассматривать БДМ, состоящий из одинаковых звеньев; БДМ из неодинаковых звеньев рассчитываются иными методами. Широко распространенный вариант реализации БДМ содержит одинаковые кольцевые делители мощности (КДМ).
Рисунок 3. Кольцевой делитель мощности
Величина сосредоточенного сопротивления определяется по формуле
(7)
Волновое сопротивление кольца равно
Геометрическая длина между плечами рассчитывается по формуле (5)
Диаметр кольца определяется по формуле при условии, что величина сравнима с . В качестве R могут использоваться пленочные резисторы или сопротивления типа МЛТ.
Рассмотрим принцип действия кольцевого делителя мощности.
Сигнал, подводимый к плечу 1, разделяется поровну между двумя четвертьволновыми отрезками кольцевого делителя и, следовательно, волны напряжений в плечах 2 и 3 равны и синфазны. Сигнал, подводимый к плечу 3, попадает в точку В плеча 2 по двум путям: непосредственно через «точечное» сопротивление R и через отрезок линии, равный ?/2. Таким образом, в точку две части сигнала поступают в противофазе; при соответствующем выборе сопротивления R достигается их компенсация и, следовательно, идеальная развязка плеч 2 и 3. В силу симметрии делителя мощности аналогичные рассуждения справедливы при подаче сигнала а плечо 2. Кольцевой делитель может обеспечить суммирование мощностей СВЧ-сигналов. Если к плечам 2 и 3 подвести два синфазных сигнала, то в плече 1 выделится суммарный сигнал.
Кольцевой делитель (сумматор) мощности обеспечивает развязку между выходными (входными) плечами, хорошее согласование, малые потери энергии в широкой полосе частот и обладает небольшими линейными размерами. При правильном выборе волновых проводимостей четвертьволновых отрезков делителя (сумматора) можно обеспечить заданное деление мощности (или соответствующее сложение заданных мощностей).
KCB= / (9) где функция вносимого затухания при этом , , l - длина отрезков линии передачи, коэффициент n определяется выбранным числом каналов N = 2n.
Отсюда следует, что с увеличением N расширяется полоса пропускания и увеличивается величина пульсаций; наличие соединительных линий приводит к расширению полосы пропускания по согласованию. Наибольший эффект достигается при , Свойства БДМ, построенного на одинаковых КДМ, можно рассмотреть на примере четырехканального (N = 4) делителя. Сравнительная оценка БДМ и КДМ показывает, что переходное затухание БДМ равно удвоенному переходному затуханию одиночной КДМ; развязка между выходными плечами разных КДМ, входящих в БДМ, больше развязки между выходными плечами КДМ на величину переходного затухания; развязка между выходными плечами, принадлежащими одним и тем же КДМ (в составе БДМ), больше, чем между теми же плечами в случае одиночных КДМ.
На центральной частоте мощность, поступающая в БДМ, делится поровну между каналами. В полосе частот наблюдается неравномерность деления между каналами, которая определяется коэффициентом
(10) где Р1 и Р N - мощности в первом и N-м каналах, определенные на границах полосы пропускания.
Оптимизация делителя по критерию неравномерности деления требует корректировки переходного затухания .
Диссипативные потери в БДМ оцениваются из расчета 0,3 ДБ на одну ступень деления.
1.4 Пленочные резисторы
В полосковых схемах резисторы используются в качестве СВЧ-элементов, оконечных нагрузок и входят в состав низкочастотных цепей управления и питания. Применяются резисторы двух типов: с сосредоточенными параметрами (много меньше длины волны в линии) и с распределенными параметрами. Предпочтительная форма резистора с сосредоточенными параметрами - прямоугольная. Резистор, включенный в полосковую линию, представляет собой отрезок линии передачи, выполненный из материала с высоким поверхностным сопротивлением. Входное сопротивление резистор где - номинальное сопротивление резистора (RS - поверхностное сопротивление резистивного участка); С - емкость резистора. При выводе предполагалось, что << ; L - индуктивность. Емкость С можно оценить по формуле для плоского конденсатора. В СВЧ резисторах существует распределенная шунтирующая емкость СР, на высоких частотах возникает последовательная индуктивность. В общем случае наличие паразитной емкости приводит к уменьшению сопротивления R1 на высоких частотах по сравнению с R на постоянном токе.
При проектировании резисторов важную роль играет выбор такого перекрытия N, при котором наблюдается стабилизация переходного контактного сопротивления. Рекомендуется для сопротивлений 25…50 Ом N=0.7…0.5 мм; 50…200 Ом N=0.5…0.4 мм; 200…500 Ом N=0.4…0.2 мм. для резисторов у которых b < ?, элемент стыковки с полоской, расширенный по сравнению с его рабочей частью, должен выступать изпод проводниковой пленки на расстояние ?1 в 1,5…2 раза превышающее ошибку на совмещение слоев при изготовлении платы, т.е. ?см< 0,1 b. Подобные выступы допускаются для резисторов с сопротивлением 50…100 Ом. Ширина проводящей пленки в месте стыковки ее с резистивной должна превышать ширину последней на 2? (не менее двойного допуска на совмещение слоев). На практике для резисторов устанавливают номинальную ширину 200 мкм, длину 300 мкм (при напылении через маску), длину и ширину 50 мкм, зазоры между резистивными участками 200 и 80 мкм в зависимости от способа изготовления. Малогабаритные пленочные резисторы с сосредоточенными параметрами длиной до 1 мм используются до 18 ГГЦ, резисторы большей площади - на частотах не более 1-2 ГГЦ. Одним из способов уменьшения шунтирующей емкости резистора является удаление экранной металлизации под резистором.
Для проектируемого делителя мощности используются стандартные резисторы. Резистор С6-9 подходит по номинальному R и размерам. На следующей странице приведены его характеристики: С6-9ОЖО. 467.140 ТУ - высокочастотный неизолированный безвыводной резистор. Предназначен для работы в составе гибридных интегральных микросхем в цепях постоянного и переменного токов. Вид климатического исполнения УХЛ по ГОСТ В 20.39.404-81.
Промежуточные значения номинальных сопротивлений соответствуют ряду Е48 и дополнительному ряду 50; 61,2; 96,5; 150; 291; 437 Ом.
Диапазон рабочих частот: от 0 до 20 ГГЦ.
Коэффициент стоячей волны по напряжению КСВН не более 1,4.
Изменение сопротивления резисторов в течение минимальной наработки 30000 ч не более ±10%.
Таблица 1. Параметры резистора
Тип R С6-9
Wном, Вт 0,125
ДИАПАЗОНRНОМ., Ом 1 - 1000
Допускаемое отклонение от Rном, % ± 2
Масса не более, г 0,01
Не > ТКС•10-6, 1/0С от -60 до 125 0С ± 150 ± 200
Габаритные размеры, мм N 1,0 ± 0,1
B 1,0 ± 0,1
L 1,0 0,5
1.5 Выбор типа полосковой линии
Для нас оптимальным вариантом является микрополосковая линия (МПЛ), так как она обладает наименьшими габаритами, весом и не вызывает конструктивных трудностей.
1.6 Выбор материала подложки
Для МПЛ требуется материал, обладающий высоким ? (порядка 9.5), малыми потерями, постоянством ? в широком диапазоне частот (т.е. малым количеством примесей), малой пористостью, высокой теплопроводностью, низкой стоимостью.
В МПЛ, используемых в гибридных интегральных схемах (ИС), находят применение такие материалы, как керамика, сапфир, ситалл. Основой керамики является окись алюминия Al2O3 (таблица 2). Высокоглиноземистая керамика является сравнительно недорогим материалом, имеет низкие потери, высокую диэлектрическую проницаемость, малые температурные изменения электрических параметров.
Для нашей схемы мы выбираем именно поликор 99,8% Al2O3, так как он имеет высокую диэлектрическую проницаемость, низкие потери, и сравнительно недорогой.
1.7 Выбор материала проводников
Материал проводников в МПЛ должен иметь высокую электропроводность, малую величину температурного коэффициента сопротивления, хорошую адгезию к подложке, хорошую растворимость в химическом травителе, легко осаждаться при вакуумном напылении или нанесении гальваническим методом.
Исходя из требований проводимости и дешевизны выбираем Cu.
2. Электрический и конструктивный расчет
2.1 Расчет основной МПЛ
Волновое сопротивление выбираем 50 Ом. Толщину подложки выберем стандартную 1 мм. В качестве проводника используем медь. Исходя из выбранных величин и свойств материала подложки определим ширину металлической полоски:
Поскольку А>1.52 то, учтя h=1 мм, ширину полоски определим по формуле
Найдем критическую частоту
Определим потери в МПЛ. Потери в МПЛ складываются из потерь в диэлектрике, потерь в проводнике и потерь на излучение. Потерями на излучение мы пренебрегаем поскольку они незначительны.
- удельная проводимость металла проводников, а - глубина скин-слоя
Определим размеры корпуса МПЛ
Ширину экрана при малой толщине полоски рекомендуется выбрать больше 4•W. Для рассчитанной МПЛ а можно выбрать равным 4 мм. Относительное расстояние между экраном и полоской (b-h)/h берут равным 10. Отсюда b =9 мм.
2.2 Расчет кольцевого моста
Волновое сопротивление кольца моста
Определим ширину полоски кольца. Учитывая, что толщина подложки 1 мм, получим:
Размеры моста зависят от длины волны в кольце
Определим параметры моста: а) потеря мощности в кольце б) КСВ
(b-h)/h =10, расстояние от полоски до экрана будет также равным 9 мм. Так как ширина подложки выбрана 4 мм, то прибавляем к среднему диаметру еще 2 мм и получим радиус внешней окружности: 2.3 Расчет шлейфного моста
Шлейфный мост рассчитаем аналогично.
Волновое сопротивление шлейфов будет равным волновому сопротивлению основной линии, волновое сопротивление отрезков линии между шлейфами
Длина линии между шлейфами будет равна четверти длины волны в ней.
