Возбуждение однополосковой линии микрополосковой и коаксиальной линиями
Плавные переходы с микрополосковой на однополосковую линию. Рассмотрение планарной и непланарной конструкции перехода. Анализ распределения амплитуды электрического поля на частоте 31 ГГц при возбуждении перехода со стороны микрополосковой линии.
Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 04.11.2018 |
Размер файла | 1,1 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Институт радиотехники и электроники
им. В.А. Котельникова РАН
ВОЗБУЖДЕНИЕ ОДНОПОЛОСКОВОЙ ЛИНИИ МИКРОПОЛОСКОВОЙ И КОАКСИАЛЬНОЙ ЛИНИЯМИ
В.И. Калиничев
В.А. Калошин
Е.А. Скородумова
Основные свойства регулярной однополосковой линии (ОПЛ) как на однослойной, так и на двухслойной подложке были исследованы в работах [1-2]. Было показано, что эта линия при определенном выборе параметров имеет существенно меньшие тепловые потери, чем микрополосковая линия (МПЛ). Однако при рассмотрении возможностей практического использования ОПЛ вопрос о способах и эффективности ее возбуждения имеет принципиальное значение.
В [3] теоретически исследовано возбуждение основной моды ОПЛ на несимметричной диэлектрической подложке в виде плавного перехода от МПЛ. Рассмотрены переходы с одновременным увеличением ширины направляющей полоски и толщины диэлектрических слоев по линейному и нелинейному закону. Также линейно или нелинейно происходит удаление металлической подложки (граунда) от полоска. Следует отметить сложность и нетехнологичность конструкции такого перехода. В [4] исследовано возбуждение первой высшей (нечетной) моды ОПЛ на частотах ниже ее критической частоты.
В данной статье исследованы три возбудителя основной моды ОПЛ в виде плавного перехода от МПЛ. Все они выполнены на однослойной диэлектрической подложке. Один из возбудителей является полностью планарным, а граунд МПЛ плавно и симметрично уходит в обе стороны из-под полоскового проводника, расположенного на верхней стороне подложки (рис. 1). У второго возбудителя граунд под переходом продолжается в виде прямоугольный полоски, уходящей под углом от диэлектрической подложки (рис. 9). Третий возбудитель отличается от второго наличием коаксиального входа (рис. 17).
1. Планарный переход
Рассмотрим вариант планарного перехода от МПЛ к ОПЛ, в котором ширина щели в нижней металлизации подложки плавно и нелинейно увеличивается вдоль длины перехода. При этом ширина верхней металлической полоски не изменяется, оставаясь равной ширине МПЛ (см. рис.1). Зададим следующие параметры перехода: диэлектрическая проницаемость подложки 2.55, толщина подложки 1 мм, ширина полоскового проводника 2.8 мм (соответствует 50-омной МПЛ на данной подложке), ширина диэлектрической подложки 20 мм. Методом конечных элементов были исследованы варианты конструкции возбудителя с двумя длинами плавного перехода 20 мм для миллиметрового и 30 мм для миллиметрового и сантиметрового диапазона. Наличие геометрической симметрии (плоскость YOZ) позволило моделировать половину структуры с магнитной стенкой в плоскости симметрии.
Рис. 1. Планарный вариант перехода с МПЛ на ОПЛ. Границы щели в граунде показаны сиреневыми линиями, диэлектрической подложки - синими, а металлического полоска - красными.
На рис. 2 и 3 для двух длин перехода представлены результаты расчета коэффициента отражения (в дБ) со стороны МПЛ и ОПЛ, соответственно, в полосе частот 26-37 ГГц. На рис. 4 в этой же полосе показаны полные потери в переходе. Полученные результаты показывают, что переход хорошо согласован: коэффициент отражения со стороны МПЛ во всем исследованном диапазоне не превосходит величины -25 дБ, а со стороны ОПЛ коэффициент отражения не превосходит -20 дБ. Потери в диапазоне частот изменяются в сравнительно небольшом интервале значений, не превосходя при этом 1.2 дБ. При увеличении длины перехода потери меняются слабо. В случае 30-мм перехода потери в среднем в полосе частот примерно на 0.1 дБ меньше в сравнении с 20-мм переходом.
Рис. 2. Частотная зависимость коэффициента отражения на входе МПЛ для планарного перехода длиной 20 мм (а) и длиной 30 мм (б).
Рис. 3. Частотная зависимость коэффициента отражения на входе ОПЛ для планарного перехода длиной 20 мм (а) и длиной 30 мм (б).
Рис. 4. Частотная зависимость коэффициента прохождения для планарного перехода длиной 20 мм (а) и длиной 30 мм (б).
На рис. 5 показаны распределения амплитуды электрического поля в поперечных сечениях МПЛ и ОПЛ, а также на нижней и верхней поверхностях подложки, на частоте 31 ГГц при возбуждении со стороны МПЛ. Показаны распределения поля в пределах половины структуры, лежащей с одной стороны от плоскости симметрии. На рис.5а хорошо видно, что вдоль изогнутого края нижней металлизации распространяется краевая поверхностная волна, которая не дает моде МПЛ полностью трансформироваться в основную моду ОПЛ и уносит часть мощности, которая в результате излучается. Этим излучением, в основном, и обусловлены потери в данном планарном переходе.
Рис. 5. Частотная зависимость коэффициента отражения на входе МПЛ для планарного перехода длиной 30 мм в сантиметровом диапазоне
Рис. 6. Частотная зависимость коэффициента отражения на входе ОПЛ для планарного перехода длиной 30 мм в сантиметровом диапазоне
Рис. 7. Частотная зависимость потерь для планарного перехода длиной 30 мм в сантиметровом диапазоне
На рис. 5 и 6 представлены результаты расчета коэффициента отражения (в дБ) для перехода длиной 30 мм со стороны, соответственно, МПЛ и ОПЛ, в полосе частот 10-16 ГГц. На рис. 7 в этой же полосе показаны полные потери в переходе. Следует отметить некоторое увеличение потерь в возбудителе по сравнению с миллиметровым диапазоном, что можно объяснить недостаточной длиной перехода.
На рис. 8 показаны распределения амплитуды электрического поля в поперечных сечениях МПЛ и ОПЛ, а также на нижней и верхней поверхностях подложки, на частоте 31 ГГц при возбуждении со стороны МПЛ. Распределения поля показаны в пределах половины структуры, лежащей с одной стороны от плоскости симметрии. На рис.8а хорошо видно, что вдоль изогнутого края нижней металлизации распространяется краевая поверхностная волна, которая не дает моде МПЛ полностью трансформироваться в основную моду ОПЛ и уносит часть мощности, которая в результате излучается. Этим излучением, в основном, и обусловлены потери в данном планарном переходе. Этим же объясняется и слабая зависимость потерь от длины перехода.
Рис. 8.
Рис. 8. Распределение амплитуды электрического поля на частоте 31 ГГц при возбуждении перехода со стороны МПЛ: а - на нижней стороне подложки (в плоскости граунда), б - на верхней стороне подложки (в плоскости полоска)
2. Непланарный переход
Геометрия перехода показана на рис. 9, где использованы те же цвета, что и на рис.1. Как видно из рисунка, граунд продолжается в виде прямоугольной полоски, плавно уходящей вниз наподобие стенки рупора. Идея такого перехода основана на близости характеристик волн ОПЛ и подвешенной МПЛ (ПМПЛ) [2]. В этой работе показано, что даже при относительно небольшом расстоянии граунда от подложки в ПМПЛ ее замедление и погонное затухание практически совпадают с соответствующими характеристиками ОПЛ. Поэтому можно ожидать, что плавный переход МПЛ - ПМПЛ - ОПЛ должен быть хорошо согласован и иметь малые потери.
Рис. 9. Непланарный вариант перехода с МПЛ на ОПЛ
Исследование характеристик данного перехода также проводилось с помощью метода конечных элементов. Были рассмотрены четыре варианта перехода: с длиной отогнутой полоски 20 мм и 30 мм для миллиметрового диапазона (в обоих случаях полосок уходил вниз под углом 100) и 30 и 50 мм - для сантиметрового диапазона (в обоих случаях полосок уходил вниз под углом 100). Остальные параметры МПЛ такие же, как и для планарного варианта. Как и в планарном переходе, наличие геометрической симметрии позволило моделировать половину структуры с магнитной стенкой в плоскости симметрии. микрополосковый планарный электрический поле
Рис.10. Частотная зависимость коэффициента отражения на входе МПЛ для полоски с наклоном 100 и длиной 20 мм (а) и длиной 30 мм (б) в миллиметровом диапазоне.
На рис. 10 и 11 для двух длин перехода в полосе частот 26-37 ГГц представлены результаты расчета коэффициента отражения (в дБ) со стороны МПЛ и ОПЛ, соответственно. На рис. 12 показана частотная зависимость полных потерь в переходе. Полученные результаты показывают, что данный переход, как и рассмотренный планарный вариант, хорошо согласован: коэффициент отражения со стороны МПЛ во всем исследованном частотном диапазоне не превосходит величины -20 дБ, а со стороны ОПЛ он не превосходит величины -22 дБ. Коэффициент передачи в диапазоне частот изменяется в небольшом интервале значений. При этом потери не превосходят 0.8 дБ для короткого и 0.6 дБ для более длинного перехода. Как видно из рис. 13-15, в сантиметровом диапазоне потери несколько больше, особенно в низкочастотной части. Можно предположить, что при дальнейшем увеличении длины перехода потери будут уменьшаться.
Рис.11. Частотная зависимость коэффициента отражения на входе ОПЛ для полоски с наклоном 100 и длиной 20 мм (а) и длиной 30 мм (б) в миллиметровом диапазоне.
Рис.12. Частотная зависимость потерь для полоски с наклоном 100 и длиной 20 мм (а) и длиной 30 мм (б) в миллиметровом диапазоне.
Рис. 13. Частотная зависимость коэффициента отражения на входе МПЛ для полоски с наклоном 100 и длиной 30 мм (а) и длиной 50 мм (б) в сантиметровом диапазоне
Рис. 14. Частотная зависимость коэффициента отражения на входе ОПЛ для полоски с наклоном 100 и длиной 30 мм (а) и длиной 50 мм (б) в сантиметровом диапазоне
Рис. 15. Частотная зависимость потерь для полоски с наклоном 100 и длиной 30 мм (а) и длиной 50 мм (б) в сантиметровом диапазоне.
На рис. 16 показаны распределения амплитуды электрического поля в поперечных сечениях, а также вдоль плоскости симметрии и на верхней поверхности подложки, на частоте 31 ГГц при возбуждении со стороны МПЛ. Распределения поля показаны в пределах половины структуры, лежащей с одной стороны от плоскости симметрии. Рис. 16а наглядно демонстрирует постепенную трансформацию поля квази-ТЕМ моды МПЛ в моду ПМПЛ и затем в основную моду ОПЛ. Рис. 16б иллюстрирует разный характер распределения электрического поля в моде МПЛ на входе и в моде ОПЛ на выходе возбудителя.
Рис. 16. Распределение магнитуды электрического поля вдоль плоскости симметрии (а) и на верхней поверхности подложки (б) в 30-мм переходе на частоте 31 ГГц при возбуждении со стороны МПЛ
3. Непланарный переход с коаксиальным входом
Геометрия перехода показана на рис. 17. Как видно из рисунка, коаксиальный вход (показан на рисунке синим цветом) располагается в непосредственной близости от начала отогнутой полоски. Для сантиметрового диапазона были рассмотрены два варианта перехода: с длиной отогнутой полоски 55 и 80 мм. В обоих случаях полосок уходил вниз под углом 50. Остальные параметры такие же, как и в случае микрополоскового входа.
Рис. 17. Непланарный вариант перехода с коаксиальным входом
Рис. 18. Частотная зависимость коэффициента отражения на входе коаксиальной линии для полоски с наклоном 50 и длиной 55 мм (а) и длиной 80 мм (б) в сантиметровом диапазоне
Рис. 19. Частотная зависимость коэффициента отражения на входе ОПЛ для полоски с наклоном 50 и длиной 55 мм (а) и длиной 80 мм (б) в сантиметровом диапазоне
Рис. 20. Частотная зависимость потерь для полоски с наклоном 50 и длиной 55 мм (а) и длиной 80 мм (б) в сантиметровом диапазоне.
На рис. 18, 19 в полосе частот 10-16 ГГц представлены результаты расчета коэффициента отражения (в дБ) со стороны МПЛ и ОПЛ, соответственно. На рис. 20 показана соответствующая зависимость полных потерь в возбудителе. Из рисунков видно, что наличие дополнительного перехода (коаксиальная линия - МПЛ) незначительно ухудшает согласование и увеличивает общие потери возбудителя (примерно на 0.3 дБ). Увеличение длины перехода с 55 до 80 мм, наоборот, позволило снизить общие потери в среднем на те же 0.3 дБ.
Заключение
В статье рассмотрены три типа возбудителей основной моды ОПЛ: два в виде планарного и непланарного перехода от МПЛ и третий, аналогичный второму, но с коаксиальным входом. Планарный переход хорошо согласован с обоих входов и может быть реализован с использованием двухсторонней печатной технологии. Однако, как показал анализ, в таком переходе присутствуют потери, связанные с возбуждением на кромках щели граунда краевых поверхностных волн. Именно этим объясняется слабая зависимость потерь от длины перехода, которые составляют около 1 дБ как в миллиметровом (от 26 до 37ГГц.), так и в сантиметровом диапазоне.
Непланарный переход также хорошо согласован с обоих входов и, в отличие от возбудителя, исследованного в работе [3], достаточно прост в реализации. По сравнению с планарным переходом той же длины потери в нем существенно меньше и могут быть дополнительно снижены увеличением длины перехода. Для исследованного в данной работе перехода длиной 30 мм на подложке толщиной 1 мм потери в диапазоне частот 26-37 ГГц не превышают 0.5 дБ, что вполне приемлемо для практических применений. В сантиметровом диапазоне потери больше примерно вдвое, однако, очевидно, их можно уменьшить подбором параметров.
В возбудителе с коаксиальным входом на основе непланарного перехода от МПЛ к ОПЛ потери в сантиметровом диапазоне по сравнению с этим переходом увеличиваются незначительно, что легко компенсировать длиной перехода.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 08-07-00327).
Литература
1. Шевченко В.В., Грачев Г.Г., Калиничев В.И. Исследование микрополоскового волновода // РЭ. 2005. Т. 50. № 2. С. 162.
2. Калиничев В.И., Калошин В.А., Скородумова Е.А. Исследование дисперсионных характеристик однополосковой линии на однослойной подложке // Журнал Радиоэлектроники
3. Шевченко В.В., Грачев Г.Г. Микрополосковые волноводные переходы // РЭ. 2007. Т. 52. № 6. С. 687.
4. W. Hong and Y.-D. Lin // IEEE Trans. Antennas and Propagation. 2004. V. 52. No. 7. P. 1783
Аннотация
Методом конечных элементов исследованы три возбудителя основной моды однополосковой линии. Первые два возбудителя представляют собой плавные переходы с микрополосковой на однополосковую линию. Рассмотрены планарная и непланарная конструкции перехода. Третий возбудитель имеет непланарную конструкцию и отличается тем, что имеет коаксиальный вход.
Ключевые слова: однополосковая линия, численное моделирование в электродинамике.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Проектирование смесителя на микрополосковой линии передачи, который предназначается для работы в приемном устройстве РЛС. Характеристики материалов для создания микросхем СВЧ. Топологическая схема микрополосковой смесительной секции. Оценка надежности.
курсовая работа [476,0 K], добавлен 27.05.2015Типы разветвления линии передачи. Факторы, приводящие к отказам микрополоскового узла. Описание работы диаграммообразующей схемы. Определение коэффициентов деления мощности между излучателями в антенной решётке. Разработка платы и корпуса делителя.
курсовая работа [751,7 K], добавлен 05.02.2015Методика и показатели сравнения основных параметров рассчитываемых гибридных соединений. Расчет и конструирование бинарного делителя мощности на четыре канала, кольцевого и шлейфного моста МПЛ на заданной рабочей частоте. Изображение топологических схем.
курсовая работа [703,7 K], добавлен 31.12.2011Делители мощности - многополюсные устройства, предназначенные для распределения мощности, поданной на вход между другими входами в заданном соотношении. Требования, предъявляемые к делителям. Ширина микрополосков, трансформатор сопротивлений, набег фаз.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 26.12.2010Общая характеристика и разновидности радиотехнических устройств СВЧ-диапазона, сферы и особенности их применения. Электрический и конструктивный расчет: кольцевого и шлейфного моста, бинарного делителя мощности. Технология изготовления устройства.
курсовая работа [364,7 K], добавлен 08.05.2011Разработка многофункционального приемопередающего устройства для сбора информации со внешних устройств - датчиков. Обзор ресиверов диапазона 433 МГц. Расчет микрополосковой антенны на центральной частоте. Расчет затрат на изготовление опытного образца.
дипломная работа [1,9 M], добавлен 20.10.2013Исследование поведения микрополосковой антенны типа "спираль Архимеда" и аналогичной синфазной антенны. Расчет физических параметров, моделирование и практическое использование СВЧ антенного устройства на частоте стандартного Wi-Fi-устройства 2,4 ГГц.
курсовая работа [1,9 M], добавлен 15.09.2013Назначение и принцип действия интегрального модуля. Разработка микрополосковой платы. Выбор технологического процесса и оборудования для изготовления платы. Расчет себестоимости проектируемого модуля и цены для его реализации. Значение охраны труда.
дипломная работа [220,5 K], добавлен 15.05.2009Составление измерительных схем для снятия характеристик опто-электронных приборов, содержащих p-n-переходы; регистрация напряжений и токов. Значения параметров цепи, получение ВАХ p-n-перехода, определение параметров перехода, моделирование работы схемы.
лабораторная работа [459,4 K], добавлен 23.12.2011Конструкция параболических и плоских антенн. Математическая модель микрополосковой дифракционной решетки. Решение задачи возбуждения электромагнитным вибратором полупространства с идеально проводящей границей. Проектирование плоского рефлектора.
дипломная работа [354,7 K], добавлен 25.10.2011Преимущества использования генетических алгоритмов в решении оптимизационных задач. Расчет микрополосковой антенны с круговой поляризацией, имеющей в составе хромосомы двоичные и действительные переменные. Оптимизация антенны с прореженными подрешетками.
реферат [20,6 K], добавлен 30.03.2011Описание проектируемого участка линии связи, сведения о сближении с железными дорогами и высоковольтными линиями. Выбор и обоснование кабельной системы. Размещение оконечных и промежуточных усилительных и регенерационных пунктов на трассе линии связи.
курсовая работа [177,5 K], добавлен 06.02.2013Понятие и принцип работы передающих антенн и их диаграммы направленности. Расчет размеров и резонансных частот для фрактальных антенн. Проектирование печатной микрополосковой антенны на основании фрактала Коха и 10 макетов антенн проволочного типа.
дипломная работа [450,6 K], добавлен 02.02.2015Проектирование кабельной линии связи. Выбор аппаратуры связи, системы кабельной магистрали и распределение цепей по четверкам. Размещение усилительных и регенерационных пунктов на трассе. Расчет влияний тяговой сети постоянного тока на кабельную линию.
курсовая работа [806,7 K], добавлен 06.02.2013Свойства полупроводниковых материалов, применяемых для производства транзисторов и диодов. Понятие электронно-дырочного перехода (n-p-перехода), определение его вольтамперной характеристики. Расчет зависимости плотности тока насыщения от температуры.
курсовая работа [612,5 K], добавлен 12.12.2011Структура проектируемого железнодорожного участка линии связи. Выбор аппаратуры связи, системы кабельной магистрали и распределение цепей по четверкам. Расчет влияний тяговой сети постоянного тока на кабельную линию связи, защита кабеля и аппаратуры.
курсовая работа [510,3 K], добавлен 05.02.2013Выбор трассы кабельной линии связи. Определение конструкции кабеля. Расчет параметров передачи кабельных цепей и параметров взаимных влияний между ними. Проектирование волоконно-оптической линии передачи. Размещение ретрансляторов по трассе магистрали.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 22.05.2015Характеристика цифровой аппаратуры уплотнения импульсно-кодовой модуляции. Расчет влияний тяговой сети переменного тока на кабельную линию. Защита кабеля от опасных и мешающих влияний. Расчет длины регенерационного участка волокно-оптической линии связи.
курсовая работа [595,9 K], добавлен 06.02.2013Диоды на основе электронно-дырочного перехода. Режимы работы диода. Технология изготовления электронно-дырочного перехода. Анализ диффузионных процессов. Расчет максимальной рассеиваемой мощности корпуса диода. Тепловое сопротивление корпуса диода.
курсовая работа [915,0 K], добавлен 14.01.2017Выбор трассы кабельной линии связи. Расчет параметров передачи кабельных цепей реконструируемой линии. Расчет параметров взаимных влияний между цепями. Проектирование волоконно-оптической линии передачи. Организация строительно-монтажных работ.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 22.05.2012