На 1 страницу

         

Диаграмма Смита

  Touchstone

MMICAD

MMICAD LAYOUT

  Microwave Office

 LIBRA

Aplac

Sonnet

HFSS

 

Serenade

 

Harmonica

 

MOMENTUM

 

Microwave Explorer

 

Series IV

Уравнения Максвелла  

Ряды Вольтерра  

  Метод моментов

  Динамический диапазон

  Мощность насыщения

Шумы  

 

Лабораторная работа № 2

 

ПРОЕКТИРОВАНИЕ НАПРАВЛЕННЫХ ОТВЕТВИТЕЛЕЙ
НА СВЯЗАННЫХ ЛИНИЯХ ПЕРЕДАЧИ

Цель работы:
Изучить методику проектирования направленных ответвителей на связанных линиях с помощью программ “LINECALC” и “TOUCHSTONE”

Домашнее задание.

1. Рассчитать размеры направленного ответвителя на связанных полосковых линиях, обеспечивающего заданное ответвление C13 (пп. 1-4 стр.21), в дополнении к заданию в следующей таблице:

 

Вариант

С13, дБ

(рис.2.1)

B, мм (рис.2.3)

e r

T, мм

(рис. 2.3)

Центральная частота

1

-10

4

2.

0.1

1.5 ГГц

2

-8

4

2

0.1

2.0 ГГц

3

-6

4

2

0.1

3.0 ГГц

4

-15

4

2

0.1

5.0 ГГц

5

-3

2

4

0.1

10 ГГц

6

-3

2

6

0.05

15 ГГц

7

-10

1.5

10

0.05

10 ГГц

8

-8

1.5

10

0.05

5 ГГц

9

-6

6

5

0.1

10 ГГц

10

-3

2

10

0.05

3 ГГц

11

-10

2

10

0.05

3 ГГц

12

-20

2

10

0.05

10 ГГц

13

-20

4

10

0.1

15 ГГц

14

-6

4

10

0.05

20 ГГц

15

-3

4

10

0.05

20 ГГц

2. Рассчитать S - матрицу направленного ответвителя (пп. 5-9 стр.21).

 

Задание для выполнения лабораторной работы:

  1. Синтезировать с помощью программы LINECALC отрезок связанных полосковых линий 
    с учетом конечной толщины металлизации и сравнить с расчетом ДЗ:

    задавая в поле LINECALC величины
    C13, Z0=50 Ом, E=90o , получить для элемента S
    CLIN размеры
    W и S (обозначения соответствуют лаб. работе № 1).
  2. Провести синтез этих же связанных полосковых линий с помощью программы LINECALC 
    для разных e подложки от
    1 до 15. Постройте зависимость зазора S от ширины полосковой
     линии
    W для варьирующейся в пределах (1...15) диэлектрической проницаемости 
    заполнения.
  3. На программе LINECALC провести синтез отрезка 50-омной полосковой линии, 
    выполненной на подложке из ДЗ: задать
    Zo=50 Ом и E=90o и получить W и L. Сравните 
    полученную ширину линии с полученной в п.2, чтобы сделать вывод о необходимости 
    включения элемента “скачок ширины” в окончательную конструкцию направленного
     ответвителя на связанных полосковых линиях.
  4. На языке программы TOUCHSTONE написать программу анализа направленного 
    ответвителя на идеальных связанных полосковых линиях без дополнительных элементов 
    и рассчитать матрицу рассеяния полученного восьмиполюсника. Выявить элемент
    S-
    матрицы, соответствующий направленности
    C13 и сравнить с требованием ДЗ.
  5. На программе LINECALC провести синтез микрополоскового четырех штыревого 
    направленного ответвителя Ланге по исходным данным, соответствующим ДЗ (
    H=B/2,
      E=90o, Zo=50 Ом). Рассчитать W, S и L для диэлектрической проницаемости подложки 
    в диапазоне e
    r = 1.5 ...15 и построить эти зависимости на одном графике.
  6. На программе Touchstone рассчитать матрицу рассеяния и характеристики этого 
    направленного ответвителя Ланге в диапазоне частот без включения дополнительных 
    элементов.
  7. Написать на языке Touchstone программу для расчета реального направленного ответвителя 
    с дополнительными элементами конструкции и провести анализ его характеристик 
    (коэффициент стоячей волны на входе, переходное ослабление, рабочее затухание и 
    развязка) в диапазоне частот.

 

Теоретическое введение

2.1. Классификация направленных ответвителей

Полосковые направленные ответвители представляют собой четырехплечные взаимные 
устройства (восьмиполюсники), предназначенные для направленной передачи (ответвления) 
СВЧ мощности из одного (основного) канала в другой (дополнительный).

Рис. 2.1. Структура направленного ответвителя

При идеальном согласовании одно из плеч дополнительного канала (например 3 плечо) развязано и мощность в него не поступает.

Классификация направленных ответвителей

  1. По виду связи между основным и дополнительным каналом полосковые направленные 
    ответвители делятся на 3 типа: а) с распределенной электромагнитной связью; 
    б) со связью шлейфного типа; в) с емкостной связью;
  2. По величине направленного ответвления направленные ответвители делятся на: 
    a) с сильной связью (|C
    13 |< 10 дБ); б) со слабой связью (|C13 |> 10 дБ);
  3. В зависимости от типа используемых полосковых волноводных линий - симметричные 
    и несимметричные;
  4. По виду диэлектрика, используемого в полосковом волноводе, различают НО 
    с воздушным и твердым заполнением, а также микрополосковые НО на диэлектрической 
    подложке с большим e
    r.

 

2.2. Анализ направленных ответвителей

 

Матрица рассеяния идеального, развязанного 
с плечом 4, направленного ответвителя имеет вид:

                                      (2.1),

Рис. 2.2. Схема направленного ответвителя
на связанных полосковых линиях

где и - элементы матрицы рассеяния, соответствующие (1.10) для случая без потерь:

                                      (2.2),

 

          ,                    (2.3)

- электрическая длина области связи, (2.4)


Z0e и Z0o - характеристические сопротивления для четного и нечетного типов волн; 
Z
0 - характеристическое сопротивление линий, подключенных ко входам направленного
 ответвителя. При записи (2.2), (2.3) предполагается, что мы имеем дело с линиями передачи
 с Т-волнами, имеющими одинаковую электрическую длину для четной и нечетной волн.

Для полосковых линий волновые сопротивления при четном и нечетном видах возбуждения н
аходятся по формулам:

                                                                                                                         (2.5)

                                                                    ,                                                 (2.6)

где K - полный эллиптический интеграл первого рода, - постоянная для четного 
возбуждения,
- постоянная для нечетного возбуждения, - электрическая проницаемость 
диэлектрика, заполняющего пространство между экранирующими плоскостями. Формулы (
2.5), (2.6) записаны для бесконечно тонкой металлизации (Т
=0).

Используя аппроксимацию для эллиптических интегралов, имеем:

                                              (2.7)

                            .                                                                 (2.8)

Постоянные и определяются по формулам:

                                     (2.9)

                                 (2.10),

где:

W - ширина полосковых линий,
B
- расстояние между экранирующими плоскостями полосковыми линиями,
S
- зазор между полосками.

Рис. 2.3. Структура связанных полосковых линий

 

2.3. Синтез и анализ направленного ответвителя
на связанных линиях

Синтез направленного ответвителя основан на следующих условиях:

-условии идеального согласования области связи и входных линий, которое задается следующим равенством:

(2.11);

-условии квадратурности выходных напряжений плеч 2 и 3 на центральной частоте (строго говоря это следствие симметрии)

(2.12),

[это видно из сравнения выражений (2.1) и (2.2)],откуда следует, что

(2.13).

Тогда модуль выражения (3) для на средней частоте соответствует амплитудному коэффициенту связи

(2.14).

С учетом того, что , имеем 

                                                                 (2.15),

                                             (2.16).

Амплитудный коэффициент связи имеет простую связь с величиной направленного ответвления:

                                      (2.17),

откуда

                             (2.18).

Итак, при выполнении домашнего задания, выполните следующее:

  1. По заданному в ДЗ С13 рассчитайте по (2.18).
  2. Рассчитайте волновые сопротивления для четных и нечетных типов колебаний по (2.15), (2.16).
  3. Рассчитайте зазор между полосковыми линиями по следующей формуле:

 

(2.19),

где d=B/2.

  1. Рассчитайте ширину полосковых линий по следующей формуле:

(2.20).

  1. Рассчитайте длину связи направленного ответвителя по формуле:

(2.21),

где длина волны равна , f - средняя частота, с - скорость света в свободном пространстве.

 

Далее выполните следующий расчет:

  1. Рассчитайте постоянные и по формулам (2.9) и (2.10).
  2. Рассчитайте волновые сопротивления для четных и нечетных типов волн по формулам (2.5) и (2.6) и сравните с расчетом по п.2.
  3. Рассчитайте электрическую длину связи по формуле (2.4).
  4. Рассчитайте элементы матрицы S направленного ответвителя по формулам (2.2), (2.3).

 

Контрольные вопросы

 

  1. Перечислите основные типы направленных ответвителей и их характерные особенности.
  2. Дайте определения основных характеристик направленного ответвителя.
  3. Как зависит направленность ответвителя на связанных линиях от частоты и почему (объяснить качественно)?
  4. Изложите сущность метода симметрии для анализа направленных ответвителей.
  5. Последовательность проектирования направленного ответвителя.
  6. Сформулируйте условие энергетического баланса для пассивного восьмиполюсника.
  7. Получите условия идеального согласования области связи направленного ответвителя.
  8. Дайте определения основных характеристик направленного ответвителя и методику их измерения.

 

Литература

  1. Д.М. Сазонов, А.Н. Гридин, Б.А. Мишустин. Устройства СВЧ. М., “Высшая школа”, 1981, 295 стр.
  2. Конструирование и расчет полосковых устройств. Под редакцией И.С. Ковалева. М., “Сов. Радио”, 1974, 296 стр.

Приложение

Примеры программ на Touchstone

 

  1. Пример расчета S-параметров восьмиполюсника из связанных полосковых линий (обратите внимание, что последовательность нумерации узлов в программе Touchstone отличается от рис. 2.1 и 2.2):

 

DIM !Блок размерностей

FREQ GHZ !Частота в ГГц

RES OH !Сопр. в омах

IND NH !Индуктивность в нГ

CAP PF !Емкости в пФ

LNG mm !Длина в миллиметрах

TIME NS !Время в наносекундах

COND /OH !Проводимость в сименсах

ANG DEG !Углы в градусах

 

CKT !Блок описания схемы

SSUB ER=2 B=4 T=0.1 RHO=1 !Подложка полосковой линии

TAND TAND=1.9e-03 !Тангенс диэлектрических потерь

SCLIN 1 2 3 4 W=2 S=0.5 L=50

DEF4P 1 2 3 4 HALF !Название схемы

FREQ !Задание частот

SWEEP 5.0 10.0 5.0 !Анализ в частотном диапазоне 5 ... 10 ГГц

OUT

HALF MAG[S11] ! вывод S-параметра (затем ANG[S11] и т.д.)

<Нажимаем на F8, затем на F9 и в окне вывода задаем тип вывода>

Вывод результатов расчета S-матрицы восьмиполюсника

< считаем последовательно, заменяя последнюю строку в блоке OUT>

! MAG ANG MAG ANG MAG ANG MAG ANG

5.000 0.18831 22.9085 0.22683 23.3714 0.04956 138.677 0.95082 -65.4498

0.22683 23.3714 0.18831 22.9085 0.95082 -65.4498 0.04956 138.677

0.04956 138.677 0.95082 -65.4498 0.18831 22.9085 0.22683 23.3714

0.95082 -65.4498 0.04956 138.677 0.22683 23.3714 0.18831 22.9085

 

2. Расчет связанных линий с теми же данными, но используя элемент “идеальные связанные линии” (для ввода используем рассчитанные Ze и Zo в Омах, а также E в градусах).

 

 

! FILE NAME: CLIN_L1.CKT !Комментарий

DIM !Блок размерностей

FREQ GHZ !Частота в ГГц

RES OH !Сопротивление в омах

IND NH !Индуктивность в нГ

CAP PF !Емкости в пФ

LNG mm !Длина в миллиметрах

TIME NS !Время в наносекундах

COND /OH !Проводимость в сименсах

ANG DEG !Углы в градусах

VAR !Блок переменных (у нас нет)

EQN !Блок уравнений (у нас нет)

CKT !Схемный блок

SSUB ER=2 B=4 T=0.1 RHO=1 !Описание подложки полосковой линии

TAND TAND=1.9e-03 !Тангенс диэлектрических потерь

CLIN 1 2 3 4 ZE=81.54 ZO=49.9 E=424.56 F=5.

DEF4P 1 2 3 4 SWLIN !Даем имя анализируемой схеме

FREQ !Частотный блок

SWEEP 5.0 10.0 5.0 ! от 5 до 10 ГГц через 5 ГГц

OPT !Блок оптимизации

range 4 6 1 !в меньшем частном диапазоне - от 4 до 6 ГГц

SWLIN db[s11]<-30 !Требование по параметру S11

OUT

SWLIN MAG[S11] !Вывод в таблицу S-параметра

SWLIN db[s11] gr1 !Вывод на сетку gr1 параметра S11 в дБ

SWLIN S11 !Вывод на диаграмму Смита параметра S11

GRID !Блок сеток

range 1 10 10 !По оси частот от 1 до 10 ГГц через 1 ГГц

gr1 -50 0 5 !Масштаб по оси Y

 

 

  1. Программа анализа реального направленного ответвителя

 

DIM !Блок размерностей

FREQ GHZ !Частота в ГГц

RES OH !Сопротивление в омах

IND NH !Индуктивность в нГ

CAP PF !Емкости в пФ

LNG mm !Длина в миллиметрах

TIME NS !Время в наносекундах

COND /OH !Проводимость в сименсах

ANG DEG !Углы в градусах

CKT ! Блок описания схемы

SSUB ER=2 B=4 T=0.1 RHO=1 !Описание подложки полосковой линии

TAND TAND=1.9e-03 !Тангенс диэлектрических потерь

SLIN 1 2 W=2 L= 15 !Отрезок полосковой линии

SSTEP 2 3 W1=2 W2=1.5 !Скачок ширины пол. линии

SCURVE 3 4 W=1.5 ANG=90 RAD= 3 !Плавный поворот

SCLIN 4 12 13 5 W=1.5 S=0.5 L=50

SCURVE 5 6 W=1.5 ANG=90 RAD= 3 !Плавный поворот

SSTEP 6 7 W1=1.5 W2=2 !Скачок ширины пол. Линии

SLIN 7 8 W=2 L= 15 !Отрезок полосковой линии

SLIN 9 10 W=2 L= 15 !Отрезок полосковой линии

SSTEP 10 11 W1=2 W2=1.5 !Скачок ширины пол. линии

SCURVE 11 12 W=1.5 ANG=90 RAD= 3 !Плавный поворот

SCURVE 13 14 W=1.5 ANG=90 RAD= 3 !Плавный поворот

SSTEP 14 15 W1=1.5 W2=2 !Скачок ширины пол. линии

SLIN 15 16 W=2 L= 15 !Отрезок полосковой линии

DEF4P 1 9 16 8 COUPLER !Название схемы

FREQ !Задание частот

SWEEP 5.0 10.0 1.0 !Анализ в частотном диапазоне 5 ... 10 ГГц

OPT !Блок оптимизации

range 4 6 1 !По частному диапазону от 1 до 6 ГГц

COUPLER db[s11]<-30 !Требованию по параметру S11

OUT

COUPLER DB[S41] GR1 !Прямая передача

COUPLER DB[S21] GR1 !Передача связи (направленность)

COUPLER DB[S11] GR2 !Возвратные потери

COUPLER DB[S31] GR2 !Развязка (изоляция)

GRID !Блок сеток

RANGE 5 10 1 !По оси частот от 1 до 10 ГГц через 1 ГГц

GR1 -5 0 1 !Сетка GR1 по оси Y от -5 дБ до 0 дБ через 1 дБ

GR2 -35 -10 5 !Сетка GR2 по оси Y от -35 дБ до -10 дБ через 5дБ

 

 

 

 

Если Вы хотите получить полное описание программы на русском языке, пошлите e-mail по адресу kurushin@mail.ru.
© 2000 СВЧ проектирование
Последняя модификация: июня 26, 2000