Лабораторная работа №2 «СВЧ делители мощности»
..pdfМинистерство науки и высшего образования Российской Федерации
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
В. Д. Дмитриев Д. С. Брагин
Лабораторная работа №2 «СВЧ делители мощности»
Методические указания по дисциплине «Автоматизированное проектирование СВЧ устройств» для студентов, обучающихся по направлению подготовки магистратура 11.04.01 – «Радиотехника», 11.04.02 – «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»
Томск
2020
УДК 621.372 ББК 32.84
Д 534
Рецензент(ы):
Фамилия И. О., должность, ученая степень Бахтин А.А., заведующий кафедрой телекоммуникационных систем
национального исследовательского университета МИЭТ, канд. техн. наук
Дмитриев, Владимир Дмитриевич
Д 534 Лабораторная работа №2 «СВЧ делители мощности»: Методические указания по дисциплине «Автоматизированное проектирование СВЧ устройств» для студентов, обучающихся по направлению подготовки магистратура 11.04.01 – «Радиотехника», 11.04.02 – «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» / В. Д. Дмитриев, Д. С. Брагин. – Томск: Томск. Гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2020. – 20 с.
Представлены методические указания по выполнению лабораторной работы №2 «СВЧ делители мощности» по дисциплине «Автоматизированное проектирование СВЧ устройств» для студентов, обучающихся по направлению подготовки магистратура 11.04.01 – «Радиотехника», 11.04.02 – «Инфокоммуникационные технологии и системы связи».
Одобрено на заседании каф. Телекоммуникаций и основ радиотехники, протокол № ____3___ от _26.11.2020 г.__________
УДК 621.372 ББК 32.84
© Дмитриев В. Д., Брагин Д. С.,
2020
© Томск. Гос. Ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2020
|
Оглавление |
|
Введение................................................................................................................... |
4 |
|
1 |
Классификация СВЧ делителей мощности ....................................................... |
5 |
2 |
Расчёт некоторых видов делителей мощности ................................................. |
7 |
3 |
Пример математического и автоматизированного расчёта ........................... |
11 |
4 |
Задание на лабораторную работу ..................................................................... |
20 |
3
Введение
В схемах СВЧ часто требуется обеспечить деление мощности для разветвления тракта или сложение мощностей от нескольких источников. Как правило, для этих целей применяют пассивные взаимные устройства, имеющие довольно простую конструкцию, которые в силу принципа взаимности могут использоваться как в качестве делителей, так и сумматоров мощности СВЧ. Делители-сумматоры необходимы для построения балансных смесителей и усилителей, разделителей частотных каналов (мультиплексоров и демультиплексоров), мощных передатчиков, схем возбуждения многоэлементных антенн, измерительных трактов. Они также широко используются в усилителях мощности, в антенных модемах, смесителях и системах на основе интегральных схем. Соединения на его основе часто используются в беспроводных устройствах для разделения мощности и в калибровочных лабораториях. Широкое использование делителя мощности обусловлено простотой его конструкции и реализации. Цель лабораторной работы научиться проектировать делители мощности в системе автоматизированного проектирования AWR.
4
1 Классификация СВЧ делителей мощности
Идеальным называется делитель мощности, реализуемый во взаимном симметричном шестиполюснике без потерь, согласованном по всем входам. Это означает, что мощность сигнала, поданного в одно из плеч при условии, что все плечи нагружены на согласованные нагрузки, распределяется между двумя выходными плечами. В силу принципа взаимности делитель мощности также может выполнять функцию сложения мощностей от нескольких источников. Важнейшей характеристикой делителей-сумматоров является коэффициент деления m – безразмерная величина, определяемая отношением мощностей в выходных плечах делителя, при условии, что все плечи нагружены на согласованные нагрузки. Коэффициент деления обычно представляется в виде отношения целых чисел и применительно к двухканальному делителю записывается следующим образом: m = 1:1, 2:1, 3:1 и т. д. Делитель с коэффициентом деления m = 1:1 обеспечивает равное деление мощности между выходами. Если в устройстве отсутствуют потери, то мощность в каждом выходном плече равна половине входной мощности, что соответствует вносимому затуханию 3 дБ. Такой делитель называется трехдецибельным делителем, или гибридным соединением. Мостовым устройством (мостом) называется гибридное соединение, у которого волны напряжений в выходных плечах равны по величине и имеют постоянный фазовый сдвиг в рабочей полосе частот. Двухканальные делители мощности наиболее широко применяемый класс делителей мощности. В простейшем случае, когда мощность входного сигнала делится между двумя каналами (рисунок 1.1), такой элементарный делитель функционально является шестиполюсником. Простейший двухканальный делитель представляет собой разветвление (сочленение) линий передачи и не работает в качестве сумматора. Другой разновидностью двухканального делителя мощности является согласованный шестиполюсный делитель-сумматор мощности конструкции Уилкинсона. Использование двухканальных делителей с различным коэффициентом деления теоретически позволяет реализовать любой закон распределения мощности в выходных плечах системы с произвольным числом плеч.
Рисунок 1.1 – Двухканальные делители мощности (а) и сумматор мощности(б)
5
Направленный ответвитель также выполняет функции двухканального делителя сумматора мощности. Вследствие взаимности направленного ответвителя сигналы, поступившие на два входа, складываются без отражений и без потерь и поступают в одно из оставшихся плеч, так что мощность выходного сигнала равна сумме мощностей входных сигналов. При этом, выполняются определенные амплитудные и фазовые соотношения для суммируемых сигналов, которые определяются конструкцией направленного ответвителя. Многоканальные делители мощности известны как самостоятельные конструкции, но также могут быть выполнены в виде соединения нескольких двухканальных делителей мощности.
6
2 Расчёт некоторых видов делителей мощности
Микрополосковые делители мощности с равным делением на основе моста Уилкинсона представлены на рисунках 2.1 и 2.2.
Рисунок 2.1 – Делитель мощности с равным делением на основе моста Уилкинсона
Волновые сопротивления микрополосковых линий рассчитываются
следующим образом: |
|
|
|
Z0 [Ом]; |
(1.1) |
||
|
|
|
|
Z1 |
2 [Ом]. |
(1.2) |
|
Балластное сопротивление: |
|
|
|
RБ 100 Ом
Рисунок 2.2 – Широкополосный делитель мощности с равным делением на основе моста Уилкинсона
Микрополосковый делитель мощности с неравным делением на основе моста Уилкинсона представлен на рисунке 2.3.
7
Рисунок 2.3. – Делитель мощности с неравным делением на основе моста Уилкинсона
Расчёты волнового сопротивления линий и балластного представлены
ниже.
|
|
|
|
n2 |
P3 |
; |
|
|
|
(1.3) |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P2 |
|
|
|
|
|||||
|
R |
Z |
|
|
1 n2 |
[Ом]; |
(1.4) |
|||||||||||||
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
Б |
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ом ; |
|
||||||||
ZB2 Z0 |
|
|
(n (1 n2 )) |
(1.5) |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Z |
|
Z |
|
|
|
|
|
|
1 n2 |
|
Ом ; |
(1.6) |
||||||||
B3 |
0 |
|
|
|
|
|
|
n3 |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1.7) |
|
ZB4 Z0 |
|
|
|
|
Ом ; |
(1.8) |
|||||||||||||
|
|
|
n |
|||||||||||||||||
|
|
ZB5 |
|
|
|
|
Z0 |
|
|
Ом . |
(1.9) |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Делитель мощности на основе прямоугольной гибридной мостовой схемы (НО) представлен на рисунке 2.4.
8
Рисунок 2.4 – Делитель мощности на основе прямоугольной гибридной мостовой схемы (НО)
m PP2 ;
1
Y1 Y0 / 
m [См];
Y2 Y0 |
m 1 |
См ; |
||
m |
|
|||
|
|
|||
Z1 1 Ом ;
Y1
Z2 1 Ом ;
Y2
Частотный случай m=1, Y1 = Y0;
Y2 Y0 
2 1.41 0.02 0.028 См
Y |
1 |
|
1 |
0.02 |
|
|
|||
0 |
Z0 |
|
50 |
|
|
|
|
На рисунке 2.5 изображен упрощенный модель подложки.
(1.10)
(1.11)
(1.12)
(1.13)
(1.14)
(1.15)
(1.16)
Рисунок 2.5 – Упрощенная модель подложки
9
Основным параметром участка микрополосковой линии является волновое сопротивление.
ZВ |
|
|
|
|
377 h |
|
|
Ом |
(1.17) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
1.735 0.0724 |
W / h 0.836 |
|
|||||||||
|
|
|
|
W 1 |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
(1.18) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
r |
|
|
|
|
|
где W – ширина микрополосковой линии; h – толщина подложки;
t – толщина проводника; λ – длина волны;
εr – диэлектрическая проницаемость.
При известном значении волнового сопротивления появляется задача синтеза МПЛ, то есть определение ее геометрических размеров, в частности ширины W. Для синтеза МПЛ можно воспользоваться методом расчета.
При
|
|
|
|
|
|
|
W |
8 h exp(A) |
|
|
|
[м] |
|
|
|
|
|
|
|
(1.19) |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
exp(2 A) 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
При A 1,52 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
2 h |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,61 |
|
м (1.20) |
||||
W |
|
B 1 |
ln(2 |
B 1) |
|
r |
|
|
|
ln(B 1) |
0,39 |
|
|
|
|||||||||||||||||
|
2 r |
|
r |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Где: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A |
Z |
В |
|
|
|
r |
1 1/2 |
|
|
r |
1 |
|
0,23 |
|
0,11 |
|
|
|
|
(1.21) |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r 1 |
r |
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
60 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
B |
|
|
377 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1.22) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 ZВ |
r |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
Погрешность расчетов не превышает 1 %.
10