Широкополосный трансформатор сопротивлений

Содержание:

 

1. Задание……………………………………………………………………………………3
2. Исходные данные …………………………………………………………...…………3
3. Расчетная часть…………………………………………………………………………..3
1. Синтез трансформатора сопротивлений в распределенном электрическом элементном базисе ………………………………………...3
2. Моделирование трансформатора сопротивлений в распределенном электрическом элементном базисе ………………………………………...4
3. Переход в геометрический элементный базис …………………………...6
4. Моделирование трансформатора сопротивлений в геометрическом базисе с помощью пакета программ Microwave Office………………………………………...7
5. Заключение……………………………………………………………………………..12
6. Список используемой литературы……………………………………………………13
7. Приложение…………………………………………………………………………….14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Задание

Спроектировать и промоделировать топологию широкополосного трансформатора сопротивлений на четвертьволновых отрезках линии передачи в микрополосковом исполнении.

2. Исходные данные:

Необходимые для решения задачи исходные данные выбираются из таблицы в соответствии с двумя последними цифрами студенческого шифра.

Вариант №11

RГ=25 Ом – внутреннее сопротивление источника сигнала;

RН=75 Ом– сопротивление нагрузки;

fН=1 ГГц– нижняя частота полосы пропускания

fВ=2.5 ГГц– верхняя частота полосы пропускания

КстU=1.35– коэффициент стоячей волны напряжения на входных зажимах трансформатора.

 Характеристика  затухания – Чебышевская.

3. Расчетная часть
1. Синтез трансформатора сопротивлений в распределенном электрическом элементном базисе

Определим общий перепад сопротивлений четвертьволнового трансформатора (см. рисунок), используя формулу

 

 

Найдем относительную полосу пропускания:

 

При проведении дальнейших расчетов найденное значение не- обходимо взять больше на 10 %, чтобы обеспечить некоторый запас по полосе пропускания. w

w=0.943

Определим  число секций трансформатора, учитывая, что максимальное значение из таблицы не должно превышать заданного КстU

n=3

КстU=1.155

 

 

Определим волновые сопротивления этих секций (по таблице):

Z1=1.238963

 

 

2. Моделирование трансформатора сопротивлений в распределенном электрическом элементном базисе

 Моделирование трансформатора сопротивлений проведем с использованием программного продукта Microwave Office . Для этого, используя полученные на предыдущем этапе данные (число секций и их волновые сопротивления), составим структурную схему трансформатора сопротивлений, где в качестве секций (отрезков длинных линий передачи без потерь) используем базовые элементы TLIN (библиотека Transmission Lines – Phase).

Секция	1	2	3
Z,Ом	30.8	42.9	60.3

 

Рис.1. Структурная схема трансформатора сопротивлений.

Рис.2. График зависимости КСТU от частоты

Рис.3. Частотная характеристика |S21|

Полученная характеристика удовлетворяет условию задачи , так как значение КСТU на заданном диапазоне часто(1-2.5ГГц)  не превышает  значения , равного 1.35.

 

 

 

3. Разработка топологии трансформатора сопротивлений в геометрическом элементном базисе

В качестве материала подложки возьмём оксид алюминия с параметрами:

    

Материал проводника – медь, Толщина проводника 0.01 мм.

 

Выбор размера подложки:

В последующих пунктах был произведен расчет длины и ширины МПЛ, а также была произведена укладка МПЛ на подложку 30*24мм. в соответствии со стандартами. Исходя из того что подложка должна быть минимальной, выбираем данный размер.

Размеры подложки выбираем в соответствии с ОСТ4Г0.010.202. L=30мм., B=24мм., H=1мм.

Для определения размеров каждой секции воспользуемся MicroWave Office TX Line.

Полученные данные приведены в Таблица1.

 

Секция	1	2	3
W, мм	2.28045	1.29825	0.62956
L, мм	15.9411	16.4484	16.9782

Таблица 1

4. Моделирование трансформатора сопротивлений в геометрическом базисе с помощью пакета программ Microwave Office.

При укладке МПЛ необходимо минимизировать занимаемую площадь подложки и одновременно удовлетворить требованиям ОСТ4Г0.010.202. на микросборки СВЧ-диапазона [4]: «входы и выходы МПЛ должны оканчиваться на расстоянии не менее 0.2 мм и не более 0.5 мм от края платы (подложки)». Расстояние от МПЛ до краев подложки должно быть не менее трех тол- щин подложки(не менее 3мм), а между МПЛ – не менее шести толщин(не менее 6 мм). Для уменьшения площади, занимаемой МПЛ, их рекомендуется изгибать под прямым углом, используя так называемый «согласованный изгиб».

 

Рис. 4. Структурная схема трансформатора сопротивлений

Для того, что бы уложить трансформатор на подложке (30х24 мм) пришлось изогнуть линию, в следствии чего появились неоднородности типа изгиб.

 

 

Рис. 5. Частотная характеристика |S21| трансформатора сопротивлений

 

 

Рис. 6. Исходная частотная характеристика КСВН

Из графика видно, что значение в рабочей полосе частот (1 ГГц – 2.5 ГГц) не превышает заданное , для лучшего результата необходимо произвести оптимизацию параметров трансформатора средствами Microwave Office (оптимизация проводилась по длинам трансформаторных секций). В результате получим:

 

Рис. 7. Структурная схема трансформатора сопротивлений после оптимизации

Рис. 8. Частотная характеристика |S21| трансформатора после оптимизации.

 

 

Рис. 9. Зависимость КСВН от частоты трансформатора после оптимизации

 

 

 

Рис. 10. Общий вид трансформатора сопротивлений на подложке(30х24 мм)

 

 

 Из Рис.10. видно, что остается большая площадь не занятой МПЛ подложки.

Следовательно данная подложка(30х24 мм ) нам не подходит. Для того чтобы минимизировать занимаемую площадь подложки и одновременно удовлетворить требованиям ОСТ4Г0.010.202. уменьшим данную площадь подложки для нужных нам размеров.

Берем  подложку с размерами (25х16x1мм)

Для того, что бы уложить трансформатор на подложке пришлось изогнуть линию, в следствии чего появились неоднородности типа изгиб.

Для лучшего результата проводим оптимизацию параметров трансформатора средствами Microwave Office (оптимизация проводилась по длинам трансформаторных секций). В результате получим:

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 11. Структурная схема трансформатора сопротивлений после оптимизации

 

 

Рис. 12. Частотная характеристика |S21| трансформатора после оптимизации.

 

 

Рис. 13. Зависимость КСВН от частоты трансформатора после оптимизации

 

Рис. 10. Общий вид трансформатора сопротивлений на подложке(25х16 мм)

 

Данная подложка (25х16 х1 мм) полностью нам подходит, исходя из технических требованийОСТ4Г0.010.202 и условий задания.

 

 

 

 

 

5. Вывод

В ходе работы был спроектирован широкополосный трансформатор сопротивлений в микрополосковом исполнении с использованием программы Microwave Office.

Проектирование в Microwave Office проводилось с учетом диэлектрических параметров подложек и потерь в проводниках и в диэлектриках, что дает более точные результаты.

Полученные частотные характеристики не превышают заданного уровня в заданном диапазоне частот(1-2.5ГГц) Разработанная топология четвертьволнового трансформатора сопротивлений удовлетворяет техническому заданию и ОСТ4Г0.010.202.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Список используемой литературы

 

1. Методическое пособие для выполнения РГР №2 «Проектирование широкополосных трансформаторов сопротивлений», Девятков Г. Н., Новосибирск, 2010 г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение

 

№	X	Y
1	22.065	0.2651
2	22.065	3.9651
3	21.4352	4.594675
4	8.155125	4.594675
5	8.155125	4.929025
6	4.255125	4.929025
7	4.255125	10.929025
8	8.739125	10.929025
9	8.739125	10.437925
10	24.680225	10.437925
11	24.680225	12.718375
12	8.739125	12.718375
13	8.739125	12.227275
14	4.255125	12.227275
15	4.7248	10.929025
16	4.7248	4.929025
17	4.255125	3.630775
18	8.155125	3.630775
19	8.155125	3.9651
20	21.4352	3.9651
21	21.4352	0.2651

 

Таблица 2. Координаты точек для выполнения МПЛ