Согласование микрополосковых устройств

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Тенденцией развития современных полупроводниковых приемопередающих систем является непрерывное продвижение в верхнюю часть СВЧ диапазона, повышение требований к уровню преобразуемой мощности, ширине полосы рабочих частот, надежности и технологичности при одновременном уменьшение веса и габаритов. Этому в значительной мере способствовал прогресс твердотельной технологии, который привел к созданию новых типов электронных приборов и к возможности проектирования новых схем и систем в гибридно-интегральном и полупроводниковом исполнении. При этом анализ и синтез разрабатываемых интегральных схем ВЧ и СВЧ диапазона, а также устройств и систем на их основе, неизбежно должны быть более детальными и точными, поскольку их изготовление обходится дорого и требует больших затрат времени. В связи с этим их изменение и корректировку следует рассматривать как крайнее средство.

Важной частью общей проблемы создания современных полупроводниковых приемопередающих систем является проблема широкополосного согласования произвольных иммитансов источника сигнала и нагрузки в произвольном электрическом элементном базисе. Она является сложной в теоретическом плане, но в то же время ее решение представляет большую практическую значимость, так как позволяет обеспечить оптимальное построение широкополосных ВЧ и СВЧ приемопередающих трактов на этапе проектирования, то есть с минимальными затратами, за счет наилучшего построения и использования внутренней структуры устройств.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ПРИНЦИПЫ СОГЛАСОВАНИЯ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ С НАГРУЗКОЙ

 

 

На практике чаще всего длинные линии используются для передачи мощности от генератора к нагрузке. Для этого предпочтительным является режим бегущей волны. С целью обеспечения указанного режима необходимо, чтобы сопротивление нагрузки Zн = Rн + jХн удовлетворяло двум условиям: активная часть нагрузки Rн должна равняться волновому сопротивлению линии

                                      Rн = W,               (1.1)

а реактивная часть нагрузки Хн должна равняться нулю:

                                      Хн = 0.               (1.2)

Если сопротивление нагрузки удовлетворяет условиям (1.1), (1.2), то говорят, что линия согласована с нагрузкой.

Общий принцип согласования комплексных сопротивлений состоит в том, что в линию дополнительно включается согласующий элемент, отражение от которого компенсирует отражение от нагрузки. При этом стремятся, чтобы согласующий элемент был расположен как можно ближе к нагрузке. Это делается для уменьшения длины несогласованного участка линии от нагрузки до согласующего элемента. Включение в линию согласующего элемента преследует следующие цели:

• увеличение мощности, передаваемой в нагрузку;
• увеличение электрической прочности линии;
• увеличение КПД линии;
• устранение вредного влияния отраженной волны на генератор.

В режиме смешанных волн в линии происходит чередование максимумов и минимумов напряжения. В местах максимумов напряжения облегчаются условия для электрического пробоя. Устранение отраженной волны приводит к уменьшению напряжения в максимуме. Поэтому по такой линии можно передать большую мощность или увеличить ее электрическую прочность.

Установлено, что КПД тем выше, чем лучше согласована линия с нагрузкой, т.е. чем меньше модуль коэффициента отражения [1].

Отраженная от нагрузки волна направляется в генератор и может существенно повлиять на режим его работы. Например, недостаточное согласование генератора с линией передачи может привести к изменению частоты генерируемых колебаний, уменьшению выходной мощности генератора или к полному срыву процесса генерации. Требования к Kсв на выходе генератора в значительной степени определяются типом этого генератора.

Для согласования комплексных нагрузок используются различные согласующие устройства, которые по соображениям сохранения высокого КПД тракта выполняются чаще всего из реактивных элементов.

 

 

 

2. СПОСОБЫ УЗКОПОЛОСНОГО СОГЛАСОВАНИЯ

 

 

Узкой принято считать полосу частот 2Df, составляющую единицы процентов от средней частоты f0. В этой полосе должен быть обеспечен допустимый уровень согласования Kсв < Kсв доп. Типичный график зависимости Kсв тракта от частоты представлен на рис. 2.1. Конкретное значение Kсв доп определяется назначением и типом тракта, условиями его эксплуатации и лежит в пределах 1,02... 2.

В узкой полосе частот в качестве согласующих элементов используются следующие устройства: четвертьволновый трансформатор, последовательный шлейф, параллельный шлейф, два и три последовательных или параллельных шлейфа.

Такие согласующие устройства используются в линиях передачи различных типов (двухпроводных, коаксиальных, полосковых, волноводных и т.п.). Тип линии передачи определяет конкретную конструкторскую реализацию этих устройств.

Рисунок 2.1 - Типичная зависимость Kсв тракта от частоты

 

2.1 Четвертьволновый трансформатор.

 Это устройство представляет собой четвертьволновый отрезок линии с волновым сопротивлением Wтp ¹ W, включенным в разрыв основной линии передачи. Принцип работы такого согласующего устройства основан на трансформирующем свойстве четвертьволнового отрезка линии, которое в рассматриваемом случае примет вид:

 

Zвх(z0)Zвх(z0 + lл / 4) = W2тp,                                                                         (2.1)

 

где Zвх(z0) – входное сопротивление линии, нагруженной сопротивлением нагрузки Zн, в месте подключения трансформатора z0 (рис. 2.2);

Zвх(z0 + lл / 4) – входное сопротивление четвертьволнового трансформатора в сечении (z0 + lл / 4) с подключенным к нему отрезком линии длиной z0, нагруженной сопротивлением нагрузки Zн.

Рисунок 2.2 - Согласование линии с нагрузкой с помощью четвертьволнового трансформатора

 

Условия согласования (1.1), (1.2) требуют, чтобы Zвх(z0 + lл / 4) = W, т. е. Zвх(z0)W = W2тp.

Отсюда следует, что Zвх(z0)должно быть чисто действительной величиной: Zвх(z0) = Rвх(z0).

Таким образом, четвертьволновый трансформатор для согласования может включаться в таких сечениях линии z0, в которых входное сопротивление линии чисто активное. Входное сопротивление линии чисто активное в сечениях линии, где напряжение достигает максимума или минимума. Поэтому четвертьволновый трансформатор включается в максимумах или минимумах напряжения и его волновое сопротивление определяется соотношением:

 

                                                                                         (2.2)

 

В максимумах напряжения Rвх = WKсв, поэтому при включении трансформатора в максимум напряжения его волновое сопротивление Wтp > W. В минимумах напряжения Rвх = W / Kсв, поэтому при включении трансформатора в минимум напряжения Wтp < W. Таким образом, выбор места включения трансформатора (максимум или минимум напряжения) определяет соотношение его волнового сопротивления с волновым сопротивлением линии, а это, в свою очередь, определяет соотношение геометрических размеров поперечного сечения трансформатора и линии.

На рис. 2.3 представлены варианты исполнение четвертьволнового трансформатора на основе двухпроводной и коаксиальной линий для двух рассмотренных случаев. Из рисунка следует, что в конструкторском отношении предпочтительнее вариант Wтp < W. На рис. 2.4 представлены эпюры напряжения в линии без согласующего устройства и с согласующими четвертьволновыми трансформаторами Wтp > W и Wтp < W.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.3 - Четвертьволновые трансформаторы: а) – на двухпроводной линии б) – на коаксиальном волноводе

 

Рисунок - 2.4. Эпюры напряжения в линии: а – с комплексной нагрузкой; б – с комплексной нагрузкой и трансформатором Wтp > W; в – с комплексной нагрузкой и трансформатором Wтp < W

 

2.2 Последовательный шлейф.

Согласующее устройство в виде последовательного шлейфа представляет собой отрезок обычно короткозамкнутой линии длиной lш, с волновым сопротивлением W, который включается в разрыв одного из проводов линии (рис. 2.5).

Согласование достигается подбором места включения шлейфа в линию zш и длины шлейфа lш. Найдем zш и lш из условия согласования линии в сечении zш. В этом сечении входное реактивное сопротивление шлейфа jXш(lш) включено последовательно с входным сопротивлением линии Zвх(zш) = Rвх(zш) + jXвх(zш). Сумма этих сопротивлений должна быть равна волновому сопротивлению линии: Zвх(zш) + jXш(lш) º Rвх(zш) + jXвх(zш) + jXш(lш) = W.

Отсюда находим:

Rвх(zш) = W;                                                   (2.3)

Xвх(lш) = - Xвх(zш).                                                                             (2.4)

 

Из (2.3) можно найти zш, а из (2.4) – длину lш. Расчетные соотношения могут быть представлены в виде:

zш = (l/b)arctg ;                                                                                   (2.5)

lш = (l/b)arctg ;                                                                           (2.6)

b = 2p/l.                                                                                                        (2.7)

Из этих соотношений следует, что последовательный шлейф необходимо включать в таком сечении линии, где активная часть ее входного сопротивления равна волновому сопротивлению линии. Длину шлейфа следует подбирать такой, чтобы его реактивное сопротивление было бы равно по величине и противоположно по знаку реактивной части входного сопротивления линии в месте включения шлейфа.

Рисунок 2.5 – Согласующий последовательный короткозамкнутый шлейф

 

Недостаток такого способа согласования состоит в том, что при изменении нагрузки изменяется не только длина шлейфа, но и место его включения в линию. Конструктивно это крайне неудобно.

 

2.3 Параллельный шлейф.

Согласующее устройство в виде параллельного шлейфа показано на рис. 2.6. Как и в предыдущем случае, согласование достигается подбором места включении шлейфа zш в линию и длины шлейфа lш. Условие согласования имеет вид: Yвх(zш) + jBш(lш) = 1/W,

где Yвх(zш) = 1/Zвх(zш) = Gвх(zш) + jBвх(lш) – входная проводимость линии в месте подключения шлейфа;

Gвх, Bвх – активная и реактивная части входной проводимости линии; Bш(lш) – реактивная проводимость шлейфа длиной lш. Отсюда находим:

 

Gвх(zш) = 1/W;                                            (2.7)

Bш(lш) = -Bвх(zш).                                                     (2.8)

Из (2.7) можно найти гш, а из (2.8) – длину lш. Расчетные соотношения могут быть представлены в виде:

 

zш – zmax = (l/b) arctg ;                                                                        (2.9)

lш =(l/b)arctg ; b = 2p/lл,                                                         (2.10)

 

где zmax – расстояние от нагрузки до первого максимума натяжения.

Таким образом, из (2.8) и (2.9) следует, что параллельный шлейф нужно включать в таком сечении линии, в котором активная часть входной проводимости линии равна волновой проводимости, а длину шлейфа следует выбирать так, чтобы его реактивная проводимость компенсировала реактивную часть входной проводимости линии.

Рисунок 2.6 – Согласующий паралельный короткозамкнутый шлейф

 

Недостатки параллельного шлейфа такие же, как и у последовательного: при изменении нагрузки изменяются длина шлейфа и место его включения в линию. В экранированных линиях менять место включения шлейфа конструктивно неудобно. Поэтому в качестве согласующего устройства применяют два и три последовательных или параллельных шлейфов. Однако в двухпроводной линии параллельный шлейф может быть сделан подвижным, т.е. перемещающимся вдоль линии.

 

2.4 Два  и три последовательных или  параллельных шлейфа.

Двухшлейфовые согласующие устройства показаны на рис. 2.7. Принцип работы, например, двухшлейфового последовательного согласующего устройства, состоит в том, что, изменяя длину первого шлейфа lш1 добиваются того, чтобы активная часть входного сопротивления линии в месте включения второго шлейфа стала равной волновому сопротивлению линии. Подбирая длину второго шлейфа lш2, компенсируют реактивную часть входного сопротивления линии. Аналогично работает параллельное двухшлейфовое согласующее устройство. Однако объяснение принципа работы следует провести в терминах входных проводимостей.

Недостатком двухшлейфовых согласователей является то, что они могут обеспечить согласование не всех возможных нагрузок. Например, схема рис. 2.7, a обеспечивает согласование нагрузок при Rн < W, а схема рис. 2.7, б – при Rн > W. Для устранения этого недостатка используют трехшлейфовые согласующие устройства (рис. 2.8). В согласовании участвуют два из трех шлейфов. Конкретная конструкторская реализация согласующих устройств на основе шлейфов определяется типом используемой линии передачи.