Исследование направленных ответвителей

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра МИТ

отчет

по лабораторной работе №3

по дисциплине «Проектирование СВЧ интегральных схем»

Тема: Исследование направленных ответвителей

Студент Ба Махел А.С.

Санкт-Петербург

2019

1. Цель работы и основные теоретические положения

Цель работы:

Исследование основных типов направленных ответвителей с различным коэффициентом деления мощности в микрополосковом исполнении.

Основные теоретические положения:

Направленным ответвителем (НО) принято называть восьмиполюсное устройство, служащее для направленного ответвления мощности из основной(первичной) линии передачи во вторичную.

Функция идеального НО реализуется во взаимном симметричном восьмиполюснике без потерь, согласованном по всем входам. Входная мощность, поданная в одно из плеч НО, при условии, что все плечи нагружены на согласованные нагрузки, распределяется между двумя выходными плечами, а четвертое плечо остается развязанным, т.е. мощность в него не поступает. Таким образом, при отсутствии отражений в развязанном плече НО выступает в роли двухканального делителя мощности.

Будучи взаимным устройством, НО может также использоваться и в качестве сумматора мощности: сигналы, поданные на два входа, складываются без отражений и поступают в одно из оставшихся плеч, так что мощность выходного сигнала равна сумме мощностей входных сигналов. При этом должны выполняться определенные амплитудные и фазовые соотношения для суммируемых сигналов, которые определяются конструкцией НО.

В соответствии с двумя основными типами направленности, которые реализуются разными конструктивными вариантами, НО подразделяются на сонаправленные (рис. 1а) и противонаправленные (рис.1б).



Рис. 1 Схема направленного ответвителя

Одной из основных характеристик НО является коэффициент деления мощности - безразмерная величина, определяемая отношением мощностей в выходных плечах НО. Коэффициент деления мощности обычно представляют в виде отношения целых чисел: m = 1:1, 2:1, 3:1 и т. д.

НО с коэффициентом деления m = 1:1 обеспечивает равное деление входной мощности между выходами. При этом понятия первичной и вторичной линий приобретают чисто символический характер. Если в устройстве отсутствуют потери, то мощность в каждом выходном плече равна половине входной мощности, что соответствует -3,01 дБ. Такой НО называют трех децибельным НО или гибридным устройством. Мостовым устройством (мостом) принято называть гибридное устройство, у которого волны в выходных плечах имеют постоянную разность фаз в рабочей полосе частот. В технике СВЧ наибольшее распространение получили квадратурные НО (Дц=90°), и синфазно-противофазные НО (Дц=0 или 180° в зависимости от того, какое из плеч устройства является входным).

2. Экспериментальные результаты и их обработка

Пункт 1. Было проведено модельное описание двухшлейфного НО на отрезках идеальной длинной линии (рис. 2), для этого использовались модели идеальной длинной линии TLIN и подключенные к ним порты с волновым сопротивлением Z = 50 Ом. Расчет Z0 был произведен согласно таблице 3.3 в методичке для двухшлейфного НО с коэффициентом деления m = 1:1.



Рис.2 Модельное описание двухшлейфного НО на отрезках идеальной длинной линии

Было проведено моделирование модуля и фазы коэффициентов передачи и отражения, на графике определены частоты выходной мощности по уровню - 0,2 dB от максимума, рабочая полоса частот, и определенны значения выходной мощности в выходных плечах (рис. 3).

Рис.3 График зависимости модулей коэффициентов отражения и передачи от частоты

Вывод: в 3 и 4 плече мощность поделилась пополам при том, что входом является 1 плечо, причем это совпало с теоретическими сведениями (табл. 2). Рабочая полоса частот составляет от основной частоты, причем в этой полосе мощность в каждом выходном плече равна половине входной мощности. По полученным зависимостям фаз коэффициентов передачи в выходных плечах видно, что плечи имеют разность фаз 90є.

Пункт 2. В режиме схемотехнического моделирования «Schematic» было проведено модельное описание НО с коэффициентами деления мощности m = 2:1 (рис. 4), m = 3:1 (рис. 5) и m = 4:1 (рис. 6), для этого использовались модели идеальной длинной линии TLIN с волновым сопротивлением Z0, рассчитанные при помощь таблицы 3, и подключенные к ним порты с волновым сопротивлением Z = 50 Ом.

Рис.4. Модельное описание двухшлейфного НО с m =2:1



Рис.5 Модельное описание двухшлейфного НО с m =3:1

Рис. 6. Модельное описание двухшлейфного НО с m =4:1

Так же было смоделировано модуля и фазы коэффициентов отражения и передачи для НО с коэффициентами деления мощности m = 2:1 (рис. 7), m = 3:1 (рис. 8) и m = 4:1 (рис. 9), так же на этих графиках были найдены рабочие полос частот, выбиралась наименьшая по уровню ± 0.2 dB от значения на центральной частоте.



Рис. 7 Частотные характеристики НО с коэффициентом деленияm = 2:1

Рис. 8 Частотные характеристики НО с коэффициентом деления m = 3:1



Рис. 9. Частотные характеристики для НО с коэффициентом деления m = 4:1

Проанализировав графики можно определить отношение рабочей полосы частот к центральной частоте (таб. 1), а также сделать вывод о том, что разность фаз в выходных плечах составляет 90є.

Таблица 1. Отношение рабочей полосы частот и центральной частоты.

m	Отношение полосы и центральной частоты
2:1
3:1
4:1

Пункт 3. Было проведено модельное описание НО из п.1 с различными реактивными нагрузками на его выходных плечах, такие как холостой ход (рис. 10), короткое замыкание (рис 11), сосредоточенная емкость номиналом 0.1 пФ (рис. 8.1) и 0.4 пФ (рис. 12), сосредоточенные индуктивности номиналом 0,6 нГн (рис. 13) и 3 нГн (рис. 14), а так же неодинаковая нагрузка (рис. 15).

Рис.10 Модельное описание НО с выходными плечами, нагруженными на холостой ход

Рис. 11 Модельное описание НО с выходными плечами, нагруженными на короткое замыкание



Рис.12 Модельное описание НО с выходными плечами, нагруженными на сосредоточенные емкость номиналом 0.1 пФ

Рис. 13 Модельное описание НО с выходными плечами, нагруженными на сосредоточенные емкость номиналом 0.4 пФ



Рис.14 Модельное описание НО с выходными плечами, нагруженными на сосредоточенные индуктивности номиналом 0.6 нГн

Рис. 15. Модельное описание НО с выходными плечами, нагруженными на сосредоточенные индуктивности номиналом 3 нГн



Рис. 16. Модельное описание НО с выходными плечами, нагруженными на неодинаковые нагрузки: сосредоточенную емкость 1 пФ и сосредоточенную индуктивность 0.6 нГн

Так же были смоделированы частотные зависимости оставшихся пар плеч для холостой ход (рис 17), короткое замыкание (рис 18), сосредоточенная емкость номиналом 0.1 пФ (рис. 19) и 0.4 пФ (рис. 20), сосредоточенные индуктивности номиналом 0,6 нГн (рис. 21) и 3 нГн (рис. 22), а так же неодинаковая нагрузка (рис. 22).



Рис. 17. График частотной зависимости модуля и фазы коэффициентов передачи и отражения НО с выходными плечами, нагруженными на холостой ход

Рис. 18. График частотной зависимости модуля и фазы коэффициентов передачи и отражения НО с выходными плечами, нагруженными на короткое замыкание



Рис. 19. График частотной зависимости модуля и фазы коэффициентов передачи и отражения НО с выходными плечами, нагруженными на сосредоточенные емкости 0.1 пФ

Рис. 20. График частотной зависимости модуля и фазы коэффициентов передачи и отражения НО с выходными плечами, нагруженными на сосредоточенные емкости 0.4 пФ

Вывод: если устремить емкость к нулю, то получим холостой ход, а если же наоборот устремить к бесконечности - получим короткое замыкание.

Рис. 21. График частотной зависимости модуля и фазы коэффициентов передачи и отражения НО с выходными плечами, нагруженными на сосредоточенные индуктивности 0.6 нГн

Рис. 22 График частотной зависимости модуля и фазы коэффициентов передачи и отражения НО с выходными плечами, нагруженными на сосредоточенные индуктивности 3 нГн

Вывод: если устремить индуктивность к нулю, то будет короткое замыкание, а если устремить к бесконечности - получим холостой ход.

Рис. 23. График частотной зависимости модуля и фазы коэффициентов передачи и отражения НО с выходными плечами, нагруженными на неодинаковые нагрузки: сосредоточенную емкость 1 пФ и сосредоточенную индуктивность 0.6 нГн

Вывод: на центральной частоте не происходит полного отражения, как в случаях одинаковой нагрузки.

Пункт 4. Исследовали НО в режиме схемотехнического моделирования с применением моделей реальных линий.

В режиме схемотехнического моделирования «Schematic» было проведено модельное описание НО из п.1 (рис. 23), с помощью модели MLIN с параметрами f₀= 10 ГГц, остальные параметры были получены при помощи встроенной программы TxLine (рис. 24) для волновых сопротивлений рассчитанных в п.1.



Рис. 23. Пример расчета характеристик МЛП в программе TxLine

Рис. 24. Модельное описание двухшлейфного НО на отрезках МПЛ

Так же были смоделированы зависимости модуля и фазы коэффициентов передачи и отражения НО построенного на отрезках идеальной длинной линии (рис. 25). На графике так же была найденна рабочая полоса частот по уровню ± 0.2 dB от значения на центральной частоте.



Рис. 25. Частотные характеристики НО построенного на отрезках МПЛ

Проанализировав график можно получить, что отношение рабочей полосы частот и центральной частоты , модули коэффициентов передачи отличаются на 0,19 дБ. Однако графики практически идентичны, как следствие идеальная длинная линия может быть заменена на МПЛ.

Пункт 5. В режиме электродинамического моделирования было создано модельное описание топологии НО на отрезках МПЛ (рис. 26), смоделированы частотные характеристики такого НО (рис. 27), однако для того что бы провести сравнение с схемотехническим моделированием необходимо учесть и слегка подкорректировать параметры (рис 28).



Рис. 26. Модельное описание топологии двухшлейфного НО на отрезках МПЛ

Рис. 27. Сравнение частотных характеристик схемотехнического и электродинамического моделирования



Рис. 28. Подкорректированные параметры схемотехнического моделирования

Вывод: электродинамическая и схемотехническая модели практически совпадают, однако надо помнить необходимость корректировки схемотехнического моделирования из - за того, что в электродинамическом учитываются еще и подводки в выводам.

Пункт 6. Было проведено модельное описание каскадно-соединенных двухшлейфных НО, для этого использовались модели длинных линий TLIN (рис. 29).

Рис. 29. Модельное описание двух одинаковых шлейфных НО соединенных каскадно

Были смоделированы частотные характеристики такого соединения (рис. 30).

Рис. 30. График зависимостей коэффициентов передачи и отражения

Вывод: происходит полная передача мощности в четвертое плечо, на частотах от 9,73 ГГц и до 10,27 ГГц остальные коэффициенты не имеют влияния, т.к. очень малы. Это обеспечивается за счет того что после первого НО входная мощность поделившись придёт на второй НО со сдвигом фаз в 90є и соответственно волны сложатся в плече 4. Если же разница фаз была бы - 90є, то мощности сложились бы в плече 3.

Пункт 7. Было проведено модельное описание кольцевого НО на идеальных отрезках длинной линии, для этого использовалась модель TLIN (рис. 31). Волновые сопротивления были рассчитаны по таблице 3.



Рис. 31. Модельное описание кольцевого НО

Так же были смоделированы частотные характеристики кольцевого НО при подачи мощности в различные порты: в 1 (рис. 32), в 2 (рис. 33), в 3 (рис. 34), в 4 (рис. 35).

Рис. 32. График зависимости модуля и фазы коэффициентов передачи и отражения от частоты при использовании 1 плеча в качестве входного



Рис. 33. График зависимости модуля и фазы коэффициентов передачи и отражения от частоты при использовании 4 плеча в качестве входного

Вывод: в зависимости от того в какое плечо подать мощность кольцевой НО может быть как синфазным, в 1 и 2 плечо, так и противофазным, в 3 и 4 плечо.

Пункт 8. Было проведено модельное описание кольцевого НО на идеальных длинных линиях при различных коэффициентах деления мощности: m = 2:1 (рис. 34), m = 3:1 (рис. 35), m = 4:1 (рис. 36).

Рис. 34. модельное описание кольцевого НО с m = 2:1



Рис. 35. модельное описание кольцевого НО с m = 3:1

Рис. 36. Модельное описание кольцевого НО с m = 4:1

Т

Рис. 37. График зависимости модуля и фазы коэффициентов передачи и отражения от частоты кольцевого НО с m = 2:1

Так же были смоделированы частотные характеристики кольцевого НО на идеальных длинных линиях при различных коэффициентах деления мощности: m = 2:1 (рис. 37), m = 3:1 (рис. 38), m = 4:1 (рис. 39).

Рис. 38. График зависимости модуля и фазы коэффициентов передачи и отражения от частоты кольцевого НО с m = 3:1



Рис. 39. График зависимости модуля и фазы коэффициентов передачи и отражения от частоты кольцевого НО с m = 4:1

Вывод: что рабочая полоса частот с изменением коэффициента деления мощности m не меняется и равна:

Пункт 9. В режиме схемотехнического моделирования «Schematic» было проведено модельное описание НО на идеальных связанных линиях, при этом использовалась модель СLIN параметры которой высчитывались с помощью таблицы 3, при различных коэффициентах деления мощности: m = 1:1 (рис.40), m = 2:1 (рис. 41), m = 3:1 (рис. 42), m = 4:1 (рис. 43).

Рис. 40. Модельное описание НО на идеальных связанных линиях с m = 1:1



Рис. 41. Модельное описание НО на идеальных связанных линиях с m = 2:1

Рис. 42. Модельное описание НО на идеальных связанных линиях с m = 3:1

Рис. 43. Модельное описание НО на идеальных связанных линиях с m = 4:1

Так же были смоделированы частотные характеристики НО на идеальных связанных линиях при различных коэффициентах деления мощности: m = 1:1 (рис. 44), m = 2:1 (рис. 45), m = 3:1 (рис. 46), m = 4:1 (рис. 47).

Рис.44. График зависимости модуля и фазы коэффициентов передачи и отражения от частоты НО на идеальных связанных линиях с m = 1:1

Рис.45. График зависимости модуля и фазы коэффициентов передачи и отражения от частоты НО на идеальных связанных линиях с m = 2:1

Рис. 46. График зависимости модуля и фазы коэффициентов передачи и отражения от частоты НО на идеальных связанных линиях с m = 3:1

Рис. 47. График зависимости модуля и фазы коэффициентов передачи и отражения от частоты НО на идеальных связанных линиях с m = 4:1

Вывод: разность фаз в выходных плечах 90є. Отношение рабочей частоты при различных коэффициентах m приведена в таблице 5.

Таблица 2. Отношение рабочей полосы частот к центральной.

m	Рабочая полоса частот
1:1
2:1
3:1
4:1

Вывод

В ходе выполнения лабораторной работы были изучены НО на отрезках идеальных, реальных - модельных и реальных линий передач; изучены влияния параметров линий, входящих в состав НО, на его характеристики: например, коэффициент деления, расфазировка по входам и смещение частоты центральной, расчетной относительно реального положения (или наоборот для п.5., где проведена подгонка параметров линий для достижения требуемого по заданию качества НО). Из всех исследованных в данной работе НО, НО на идеальных связанных линий обладает наибольшей рабочей полосой частот, наименьшую имеет двухшлейфный НО. Так же нами были изучены кольцевые НО которые могут в зависимости от входного порта быть как синфазным так и противофазными.

ответвитель частотный микрополосковый мощность

Контрольные вопросы:

1) Чем определяется коэффициент деления шлейфного моста? Как при изменении коэффициента деления сохранить согласование моста по всем входам?

Коэффициент деления шлейфного моста определяется нормированной величиной проводимости Y12. Что ты согласовать мост по всем входам необходимо соблюсти условие S11=S22=S33=S44=0; Y12=Y22-1, где Y1=Z0/Z1; Y2=Z0/Z2.

2) Как изменятся характеристики двухшлейфного моста при подключении к плечам, в которые осуществляется деление мощности, одинаковых/неодинаковых реактивных нагрузок?

Если в качестве реактивной нагрузки добавить индуктивность или емкость, то это приведет к изменению фазы сигнала, поступившего на выход 2-го плеча и коэффициента отражения S11. Если на выходных плечах КЗ или ХХ, то поступившая в первое плечо мощность полностью передается во второе плечо. Если нагрузка разная, то это приведет к разсогласованности.

3) Почему два последовательно соединенных шлейфных моста позволяют полностью передать входную мощность на одно из плеч?

Это происходит потому, что после перехода через первый мост входная мощность делится между выходными плечами поровну и с разностью фаз в Pi/2, а второй мост складывает их в одном выходном плече.

Два соединенных моста с коэф. деления 1:1 передадут мощность в одно только плечо, поскольку при проверки фазовых набегов, прохождения волной шлейфных мостов, окажется что волна прошедшая по второй линии получит фазовый набег в 180 градусов и синфазно сложится с первичной волной в первой линии - на выход не пройдет (материал лекции.11,11,15).

4) Как происходит распределение мощности по выходным плечам в кольцевом НО в зависимости от выбора входного плеча? Как при этом меняются фазовые соотношение выходных сигналов?

Распределение мощности в кольцевом НО происходит с жесткой привязкой, получаемых волной фазовых набегов, и в конечном итоге, попадает только в соседние с входным плечом выходные порты.

Если подать мощность на 1- плечо, то она разделиться поровну между 2-м и 3-м плечами синфазно. Если подать мощность на третье плечо, то она разделиться между 1 и 4 плечами, притом разность фаз на выходе этих плеч составит 180°. Плечи 2 и 4 можно разобрать аналогичным образом.

5) Какой из исследуемых НО является более широкополосным, а какой имеет наименьшую рабочую полосу частот?

НО на связанных линиях передачи является наиболее широкополосным, а двухшлейфный НО имеет наименьшую рабочую полосу частот.

Размещено на Allbest.ru

...