Главная > Разное > Объемные интегральные схемы СВЧ
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

ГЛАВА 4. Гибридные мостовые устройства ОИС СВЧ

В своей основе гибридное мостовое устройство является направленным ответвителем (НО), использующим принцип сопряженных плеч для получения на двух выходных плечах взаимно развязанных сигналов с равными амплитудами. Гибридные мостовые схемы широко применяются в сложных многофункциональных устройствах. Естественно, что первые варианты НО были спроектированы и построены на коаксиальном и прямоугольном волноводах, которые использовались в технике СВЧ как основные направляющие структуры в годы становления радиолокации. Позже, по мере внедрения в практику новых типов ЛПТ начались исследования и реализация мостовых устройств и НО на других типах ЛП [234—237], а также интенсивно разрабатывались принципы их автоматизированного проектирования [238].

Применение в НО новых типов ЛП значительно расширило их возможности. Однако наиболее существенные результаты были получены при применении к НО и гибридным устройствам в целом ОИС принципа: использование в одном устройстве комбинации нескольких типов ЛП. Это позволило заметно увеличить полосу рабочих частот и уменьшить потери, а также значительно расширить функционально-конструктивные возможности мостовых устройств.

В этой главе рассматривается несколько типов мостовых структур, являющихся БЭ ОИС СВЧ. Их основу составляют комбинации ЛП разных типов, расположенных в слоисто-однородной среде. По-видимому, балансный делитель (сумматор) мощности является наиболее простым типом гибридного устройства; с него мы и начнем изложение.

§ 4.1. Балансные делители (сумматоры) мощности

1. Общие соображения.

Балансным делителям мощности (БДМ), выполненным на полосковых ЛП, посвящено достаточно большое число работ (см., например, [143, 239]). Анализ результатов этих работ показывает, что БДМ, выполненный на одном типе ЛП, не удовлетворяет требованиям миниатюризации СВЧ модулей РЭА. В особенности это заметно в многоканальных системах [240— 246], когда на первый план выдвигаются задачи реализации многочисленных пересечений, коммутирующих ЛП с необходимой высокой степенью развязки между ними [247]. Использование принципа ОИС в значительной мере облегчает решение этой задачи — применение многослойной комбинации ЛП разного типа позволяет существенно улучшить массогабаритные параметры СВЧ модуля.

Наиболее разработаны методы анализа и синтеза БДМ с последовательно включенными плечами [248—251], представляющими

Таблица 4.1 (см. скан)


собой шестиполюсники. При расчете шестиполюсников, обладающих симметрией, широко используется метод зеркальных отображений, который позволяет применить декомпозиционное рассечение шестиполюсника по оси симметрии на два отображающих друг друга четырехполюсника. Далее исследуются два режима: синфазное возбуждение, когда соединительные пары полюсов разомкнуты, и противофазное возбуждение — при короткозамкнутых парах соединительных полюсов. Полученные четырехполюсники довольно просто описываются матрицами передачи каскадно включенных неоднородностей.

В двух последующих пунктах будут рассмотрены кольцевые ВДМ и БДМ на связанных ЛП.

2. Кольцевые БДМ [252].

Здесь рассматривается класс БЭ ОИС, выполняющих функции синфазного деления мощности СВЧ, оптимальность которых по электрическим (амплитудно-фазовым

частотным) и конструкторско-технологическим (соединение с внешними цепями, включение полупроводниковых приборов, точность изготовления топологии и пр.) параметрам определяется правильным выбором комбинаций В табл. 4.1 приведен ряд конструкций кольцевых БДМ, в основе которых лежит использование полуволнового отрезка линии свернутого в кольцо, на НЩЛ (вариант топологии А) либо на СЩЛ (вариант топологии В диаметрально противоположные точки кольца параллельно включены (синфазное деление сигнала) входное плечо на НПЛ (п. А-1, А-2) или КЛ (п. 21, Б-2) и балансное сопротивление с четвертьволновым закороченным шлейфом на СЩЛ. С целью увеличения полосы частот шлейф выполнен в виде отверстия в слое металла. Для противофазного деления сигнала осуществляется последовательное включение плеч. При этом входное плечо выполняется на СЩЛ, а балансное сопротивление включается непосредственно в

В устройствах ОИС довольно часто требуется деление мощности с минимальными потерями, что достигается включением выходных плеч вблизи входного плеча (табл. 4.1, вариант КБДМ. В случае конструктивной необходимости выполнения ЛП на одной стороне подложки выходные плечи можно включить в областп балансного сопротивления (вариант

Все многообразие возможных конструкций кольцевых БДМ нового типа можно свести к четырем эквивалентным схемам (табл. 4.1). Ввиду симметрии эквивалентных схем относительно выходных плеч можно воспользоваться, как мы уже отмечали, методом зеркального отображения.

Матрица рассеяния синфазного кольцевого БДМ такова:

Здесь

— коэффициенты матрицы рассеяния эквивалентного четырехполюсника, работающего при синфазном и противофазном способе возбуждения.

Матрица рассеяния кольцевого БДМ с противофазным делением сигнала имеет вид

где

Знаки перед коэффициентами отражения указывают на тип включения входного плеча: при параллельном включении знак а при последовательном — знак

Из-за широкой известности метода зеркальных отображений [248, 250] опустим процедуру получения матриц приведем окончательные выражения для коэффициентов матрицы рассеяния шестиполюсного кольцевого БДМ для варианта I табл. 4.1:

Здесь

при синфазном делении сигнала;

при противофазном.

Для варианта II табл. 4.1:

Здесь

при синфазном делении сигнала;

при противофазном; — электрическая длина периметра кольца; верхний знак соответствует делению сигнала синфазно, нижний — противофазно.

На резонансной частоте согласован и имеет максимальную развязку выходных плеч при выполнении следующих условий:

Для варианта I:

Для варианта II:

При расположении выходных плеч вблизи балансного сопротивления можно получить частотно-независимое согласование входного плеча и деление мощности между выходными плечами из условия (5):

Рис. 4.1. Частотные характеристики кольцевых балансных делителей мощности с выходными плечами, расположенными вблизи балансного сопротивления (а) и вблизи входного плеча сплошная кривая — расчет при выполнений условия согласования (4.1.7), штрихпунктирная — при штриховая — эксперимент

Для остальных схем БДМ (табл. 4.1, вариант II) при выполнении условия согласования (6) коэффициенты волновой матрицы рассеяния (4) являются частотно-зависимыми. Результаты расчета

частотных характеристик КБДМ, согласно (3), представлены на рис. 4.1, а, а согласно на рис. 4.1, б.

КБДМ с выходными плечами, расположенными вблизи балансного сопротивления, имеет частотно-независимое деление мощности и коэффициента отражения при выполнении условия согласования (7). Развязка выходных плеч при этом носит выраженный резонансный характер (на рис. 4.1 показано сплошной линией). Выполнение же условия согласования полученного из (6), уменьшает полосу рабочих частот (на рис. 4.1 показано штрихпунктирной линией).

При расположении выходных плеч вблизи входного плеча КБДМ условие согласования (6) меняется; результаты расчета показаны на рис. 4.1, б сплошными линиями. Необходимо отметить, что, не меняя волновых сопротивлений плеч КБДМ, можно, согласно условию варьировать балансным сопротивлением и сопротивлением линии кольца при сохранении частотных характеристик.

Частотные характеристики кольцевого БДМ с синфазным делением сигнала полностью совпадают с характеристиками БДМ с противофазным делением сигнала для обоих вариантов топологии, приведенных в табл. 4.1. Разность фаз сигнала на выходных плечах и сохраняется во всем частотном диапазоне.

Проверка расчетных данных проводилась на экспериментальных макетах (топологии приведены в табл. 4.1), выполненных на подложках из материала ФЛАН толщины с диэлектрической проницаемостью Соединение макетов БДМ с измерительным трактом осуществлялось с помощью коаксиально-полосковых и коаксиально-щелевых переходов, имеющих коэффициенты отражения менее 1,15 в рабочей полосе частот. Для исключения влияния волн высших типов и поверхностных волн, образующихся на -образных неоднородностях в КБДМ, измерения проводились в длинноволновой части сантиметрового диапазона.

Экспериментальные частотные характеристики КБДМ (табл. с волновыми сопротивлениями линий передачи , полученными из условия (7), приведены штриховыми линиями на рис. 4.1, а, а для макета с сопротивлениями линий передачи , полученными из условия рис. 4.1, б (штриховые линии). Сравнение расчетных и экспериментальных данных указывает на удовлетворительное их совпадение, что говорит о правильности выбора расчетных эквивалентных схем КБДМ.

Расположение входного и выходных плеч разные стороны подложки позволяет использовать синфазные и противофазные КБДМ в качестве БЭ ОИС СВЧ.

3. БДМ на связанных линиях.

Перспективными в ОИС СВЧ являются БДМ с токонесущими проводниками, расположенными в разных слоях диэлектрика (рис. 4.2, а). Входное плечо БДМ выполнено на СПЛ, четвертьволновая область связи — на СПЛ с

проводниками ограниченной ширины, а выходные плечй — на НПЛ с общим слоем металла. Проводник и слои металла СПЛ входного плеча скачком переходят в проводники одинаковой ширины СПЛ области связи. Причем крайние проводники, расположенные по внешним сторонам слоев диэлектрика, заканчиваются проводниками НПЛ выходных плеч, а средний проводник скачком переходит в общий слой металла НПЛ. Через отверстия в слоях диэлектрика и металла проводники НПЛ соединены балансным сопротивлением

Рис. 42. Балансный делшель мощности на связанпых линиях частотные характеристики сплошные кривые — расчет, штриховые — эксперимент

Принцип работы делителя да связанных линиях аналогичен принципу действия кольцевого БДМ, но он обладает и рядом преимуществ: уменьшенными габаритами и улучшенными электрическими частотными характеристиками. Последнее обусловлено отсутствием дополнительной связи между выходными плечами в области включения балансного сопротивления, а также отсутствием набега фазы через сопротивление.

Рассмотренный БДМ имеет симметрию, - что позволяет воспользоваться в расчетах методом зеркального отображения. Путем введения между слоями диэлектрика электрической и магнитной плоскости получим четырехполюсники, работающие в режимах четного и нечетного возбуждения. Далее, воспользуемся формулами (1) и получим коэффициенты волновой матрицы рассеяния БДМ:

где волновые проводимости четных и нечетных типов волн в СПЛ с проводниками ограниченной ширины.

Если средний проводник имеет большие поперечные размеры относительно крайних то нечетный тип колебаний вырождается. Принцип работы в этом случае аналогичен принципу действия кольцевого БДМ. Отличие заключается только в расположении секций кольца в разных слоях диэлектрика. Волновая матрица рассеяния (8) для данного БДМ сводится к известной [248]:

где

Этот результат, видимо, правилен, так как средний проводник области связи в некоторой степени является общим слоем металла НПЛ четвертьволновых секций.

Рассмотренный вариант БДМ был реализован на диэлектрических подложках из материала с входным и выходными плечами на -омных линиях. Размеры проводников в четвертьволновой области выбраны одинаковой ширины. Соединение проводников выходных плеч осуществляется через слой диэлектрика -омным балансным сопротивлением. В результате измерений получены частотные характеристики, практически совпадающие с характеристиками кольцевого БДМ (рис. 4.2, б).

Рассмотренный вариант БДМ во многом упрощает решение задач проектирования ОИС СВЧ, имеющих многоканальное деление сигнала в различные слои диэлектрика.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление