1479

Мостовые устройства СВЧ

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Проектирование делителя (сумматора) мощности пополам (моста Уилкинсона) на микрополосковых ЛП. Проектирование делителя (сумматора) мощности пополам (моста Уилкинсона) на основе сосредоточенных реактивных элементов. Расчет МУ на сосредоточенных элементах.

Русский

2013-01-06

357.77 KB

253 чел.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования 
«Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет 
«ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина)» 
(СПбГЭТУ) 
 
 
ФРТ 
 
 
Кафедра ТОР 
 
 
 
 
 

КУРСОВАЯ РАБОТА 
 
 
По дисциплине:  «Техническая электродинамика» 
 
 
 
На тему:  «Мостовые устройства СВЧ» 
 
 
 

(Вариант № 3 ) 
 
 

 
 
 
 
 
Выполнил   

Оценка __________________
студент гр.  
                         Проверил 
 
 

Дата ____________________
 
 

 
 
 
 

Санкт-Петербург 
2009 г. 
 
 
 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
Задание……………………………………………………………………………………………3 
 
1.  Проектирование делителя (сумматора) мощности пополам (моста Уилкинсона) на 
микрополосковых ЛП……………………………………………………………………4 
 
1.1. 
Теоретические сведения…………………………………………………..……..4 
1.2. 
 Расчет конструкции МУ на микрополосковых ЛП…………………..……….6  
 
2.  Проектирование делителя (сумматора) мощности пополам (моста Уилкинсона) на 
основе сосредоточенных реактивных элементов……………….……………..………9 
 
2.1. Анализ схемы МУ………………………………………………………………….10 
2.2. Расчет МУ на сосредоточенных элементах……………………………………...11 
Заключение…………………………………………………………………………...………....12 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
2

Задание 
 
В  данной  работе  требуется    рассчитать  структуру  мостовых  устройств  СВЧ,  а 
именно,  делителя  мощности  на  два  как  на  микрополосковых  линиях,  так  и  на  
сосредоточенных элементах (центральная частота   = 1.5 ГГц). 
0
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3

1. Проектирование делителя (сумматора) мощности 
пополам (моста Уилкинсона) на микрополосковых ЛП 
 
1.1.  Теоретические сведения 

Это  устройство  представляет  собой  шестиполюсник  (т.е.  устройство  с  тремя 
портами, каждый из которых может рассматриваться как двухполюсник). Входной 
порт  соединен  отрезками  линий  передачи  с  двумя  выходными  портами.  Сумма 
мощностей,  выходящих  из  выходных  портов,  должна  равняться  мощности, 
входящей во входной порт. Структура устройства изображена на рис. 1 
 
 
 
                            Рис.1. Структура делителя (сумматора) 
 
 
Отрезок  линии W1 соединяет  входной  порт    с  первым  выходным  портом, 
отрезок W2 – со  вторым  выходным  портом.  Пусть  входной  порт  имеет  номер  1, 
первый выходной – номер 2, второй выходной – номер 3. 
Тогда матрица рассеяния будет иметь вид: 


11
S
12
S
13
S
[


] = S
.  
21
S22 S23


S

⎣ 31 S32 S33 ⎦
Осью  симметрии  является  горизонталь,  проходящая  через W3, и,  ввиду  этого, 
должны выполняться равенства:  
,
,
,
=
 
12
13
21
31
23
32
S22
33
S
 Будем  предполагать,  что  волновые  сопротивления  линий,  питающих  все  порты, 
одинаковы  и  равны  .  Очевидно,  что  отрезки  линий  передач W1 и W2 должны 
0
трансформировать  сопротивление  в  величину  2⋅
,  чтобы  суммарное 
0
Z0
сопротивление  на  входе  первого  порта  было  бы  равно  .  Для  этого  отрезки 
0
λ
должны иметь длину   и волновое сопротивление  , удовлетворяющее условию 
4
01
2
01
2
Z
⋅ =
, откуда
= 2 ⋅ . Очевидно, что при этом порт 1 будет согласован, а 
0
Z01
Z0
Z0
мощности  в  портах 2 и 3 будут  равны  половине  мощности,  входящей  в  порт 1. 
Учитывая  фазовые  сдвиги,  о  которых  говорилось  выше,  матрица  рассеяния  будет 
иметь вид: 
 
4

⎡ 0
i

[


]
1
=
1/ 2
−1/ 2

⎥  
2 ⎢

−1/ 2
1/ 2


λ
 При отклонении частоты от номинальной, (при которой длина отрезков равна 
), 
4
коэффициенты  матрицы  будут  изменяться,  так  как  при  трансформации  из 
0
портов 2 и 3 в порт 1 на его входе суммарное сопротивление уже не будет равно 
.  Для  улучшения  согласования  входного  порта 1 при  отклонении  нагрузок  в 
0
портах 2 и 3 от  величины  ,  между  портами 2 и 3 включается  балластное 
0
сопротивление величиной  2⋅  
0
 
 
Рис. 2. Структура МУ с нагрузками и балластным сопротивлением 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5

1.2.  Расчет конструкции МУ на микрополосковых ЛП  
В  настоящее  время  конструкции  СВЧ  устройств  для  мощностей  до  десятка  ватт 
базируются исключительно на микрополосковых ЛП.  
В качестве подложки используем материал поликор (ε =9.8, tg δ=0.001), толщиной 
r
h=2.5 мм.  
Минимально  необходимая  толщина  слоя  фольги t равна,  примерно, 2─5  толщинам 
скин-слоя. Величина скин-слоя для меди может быть оценена как  
 
t = 18 мкм 
Проводимость меди равна 
7
88
.
5
10−

См.  
 
   Длина  подводящей  МП  (отрезок W3 на  рис. 1) выбирается  произвольной,  так  как  она 
просто соединяет порт 1 с  остальной частью схемы всего устройства. Теперь на основе 
полученных  размеров  необходимо  выбрать  топологию  МУ.  Обратившись  к  рис. 2 мы 
видим, что концы МП W1 и W2 нагружены на порты 2 и 3 и балластное сопротивление. 
Так  как  размеры  его  невелики,  концы  отрезков W1 и W2 должны  быть  расположены 
близко  друг  от  друга.  Для  получения  компактной  структуры  отрезки  изгибаются  в  виде 
буквы П (или полуколец), как показано на рис. 3. 
 
2
1
3
 
 
Рис. 3. Схематический вид топологии МУ 
 
 
МП у порта 1 имеет   , равное 50 Ом. Тогда МП, ведущие к портам 2 и 3, имеют 
0
  по 70.7 Ом.  Между  портами 2 и 3 должно  быть  подсоединено  балластное 
0
сопротивление 100 Ом.  
 
Теперь,  с  помощью  калькулятора TxLine определяем  размеры  МП.  В  результате 
получаем следующие размеры: 
 
 для МП 50 Ом ─ W=2.41 мм, длина выбирается из конструктивных соображений.  
λ
   для МП 70.7 Ом при электрической длине 
 получаем W=1 мм (ширина), L=19,94 
4  
мм (полная длина).  
 
Структура МП на верхней части подложки: 
 
6





 
 
 
 
модули коэффициентов передачи: 
 
 
модули коэффициентов отражения: 
 
фазы коэффициентов отражения и передачи: 
 
7


 
 
Как видно из графиков, полученная структура  удовлетворяет заданным требованиям. 
Также видно, что в МУ существует довольно сильная связь между портами 2 и 3. Это 
объясняется тем, что в структуре отсутствует навесное балластное сопротивление 100 Ом 
между портами 2 и 3. К сожалению, в программе MWO EMSight отсутствует возможность 
введения такого дополнительного элемента.  
 
На графике для 

. При таком значении от порта 
11
 отмечены точки со значениями  20dB
1 отражается 1% падающей мощности. Будем считать, что это границы полос пропускания 
моста. Полоса МУ на уровне -20 дБ по |S11| = 500 МГц 
 
 Определим центральную частоту как                                                                            
=
f
⋅ f
=
3
.
1 ⋅ 8
.
1 = 53
.
1
 ГГц 
0
min
max
Таким образом, мы можем считать, что вариант ЭД структуры удовлетворяет заданию. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
8

2. Проектирование делителя (сумматора) мощности 
пополам (моста Уилкинсона) на основе сосредоточенных 
реактивных элементов 
 
2.1.  Анализ схемы МУ 
 
В  настоящее  время  в  распоряжении  разработчиков  СВЧ  устройств  имеются 
индуктивности  и  емкости  в  виде  "чипов"  ─  маленьких  кирпичиков,  противоположные 
торцы  которых  облужены  для  впаивания  в  структуру  проводников  печатной  платы. 
Номиналы  значений  индуктивностей    ─  от  единиц  нГн  до  сотен  мкГн,  емкостей  ─  от 
долей пФ до десятков нФ. Так как размеры этих элементов малы, то с их помощью можно 
реализовать  устройства,  рассчитанные  на  небольшую  мощность  (порядка  единиц  ватт). 
Эти элементы можно рассматривать как сосредоточенные, до частот порядка нескольких 
ГГц.  Таким  образом  вполне  реально  построение  МУ  на  сосредоточенных  элементах 
достаточно малых размеров.  
Рассчитаем  мостовой  делитель  мощности  на  два  (мост  Уилкинсона)  на 
центральную  частоту 1500 МГц  с  волновым  сопротивлением  линий,  питающих  порты, 
равным 50 Омам.  Очевидно,  что  для  реализации  МУ  нам  потребуется  две  одинаковые 
цепи типа ФНЧ с характеристическим сопротивлением   = 70.7  Ом и частотой f0 =1500 
МГц. 
R
1
=
,
=
ω
ω
 

0
R
L= 7,5 нГн,  С = 1,5 пФ (такие номиналы как раз есть в ряде Е24) 
 
Тогда схема МУ будет иметь вид, показанный на рис. 1. 
  
Рис. 1. Схема МУ на сосредоточенных элементах 
 
Использование  Т  схем  в  МУ  обусловлено  конструктивными  соображениями 
размещения элементов на печатной плате.  
 
 
 
 
 
 
 
 
9



2.2.  Расчет  МУ на сосредоточенных элементах 
 В пакете программ Microwave Office имеется программа Voltaire XL, предназначенная 
для анализа линейных цепей на сосредоточенных элементах. 
 
Схема МУ пакете Microwave Office: 
 
 
 
Модули S11 , S21 , S31 МУ на сосредоточенных элементах: 
 
 
Полоса МУ на уровне -20 дБ по |S11| = 251 МГц (50% от МУ на МП ЛП) 
 
 
 
10


Модуль   МУ на сосредоточенных элементах: 
23
 
 
Полоса МУ на уровне -20 дБ по |S23| = 361 МГц (72.2%) 
 
Из полученных графиков можно сделать вывод, что центральная частота полосы 
пропускания практически равна 1500 МГц и коэффициент деления мощности практически 
равен 0.5, следовательно, подстройки элементов не требуется.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
11

                                   Заключение 
 
В  результате  проделанной  работы  был  рассчитан  делитель  мощности  пополам, 
обладающий  свойствами,  близкими  к  заданному  значению.  Анализ  его  параметров 
проводился в пакете программ MWО.  
На рабочей частоте 1.5 ГГц получены следующие значения модулей коэффициентов  S-
матрицы: 
 
для МУ на микрополосковых ЛП: 
 
              |S11|  = -26,875 дБ 
              |S21| = |S31|  = -3,05 дБ 
              |S33| = |S22|  = -6,4 дБ 
              |S23| = -5,74дБ 
               полоса МУ на уровне -20 дБ по |S11| = 500 МГц  
   центральная частота f0 = 1,53 ГГц 
 
для МУ на сосредоточенных элементах: 
 
              |S11|  = -67,33 дБ 
              |S21| = |S31|  = -3,01 дБ 
              |S23| = -70,34дБ 
 
               полоса МУ на уровне -20 дБ по |S11| = 251 МГц  
               полоса МУ на уровне -20 дБ по |S23| = 361 МГц  
   
Мощности, выделяемые в плечи 2 и 3, оказываются примерно равными -3 дБ, и можно 
сделать вывод, что был получен делитель мощности на 2. 
 
 
12

Document Outline

  • ! 
  • 0:;NG5=85 & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & &


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

66347. Игра-викторина «Что ты знаешь о США?» 48.5 KB
  Цели: углубить и конкретизировать страноведческие знания учащихся по теме «США»; продолжить развитие творческих способностей учащихся; учить применять знания, полученные на уроках, в новой ситуации; дальнейшее расширение кругозора учащихся.
66348. Му Family 44 KB
  Мета: повторити раніше вивчені слова та структури, формувати уявлення про звукову систему англійської мови, ввести нові лексичні одиниці з теми "Му Family",вчити впізнавати їх та застосовувати у мовленні; формувати уміння в учнів самостійно працювати над завданнями...
66350. Іграшки. Урок англійської мови у 1 класі 36.5 KB
  Hello, everyone! I’m glad to see you! P: Hello! We are glad to see you too! T: How are you today? Come here and show us a picture with your mood. ( Учні виходять до дошки і обирають малюнок з смайликом, який показує настрій ).P1: I am fine, thank you. P2: I am so-so.
66351. З НОВИМ РОКОМ 38 KB
  Мета: повторити лексичний матеріал теми; ознайомити учнів з новими лексичними одиницями та тренувати їх вживання в усному мовленні; практикувати вживання в усному мовленні структури I see; повторити раніше вивчені літери; ознайомити учнів з літерами...
66352. Numbers. Цифры 127 KB
  Задача урока: Тренировка учащихся в употреблении лексики по теме Цифры в устных видах речевой деятельности; Совершенствование фонетических навыков навыков аудирования чтения и письма. Цели урока: Образовательные: Активизировать навыки чтения монологической и диалогической речи...
66353. Букви. Сім’я. Іграшки 2.03 MB
  Перевірити рівень засвоєння матеріалу «Букви. Сім'я. Іграшки», рівень умінь застосовувати вивчене в знайомих і змінених ситуаціях, розвиток монологічного мовлення, практикувати у вживанні граматичної структури have got.
66354. Travelling to Wonderland 37 KB
  Сегодня у нас с вами необычный урок, урок – путешествие в волшебную страну «Wonderland», в котором разговаривают на английском языке. А что бы наше путешествие состоялось, нам нужно вспомнить все, что мы знаем. Наши знания очень пригодятся.
66355. Узагальнення вивченого матеріалу по темам «Кольори» та «Алфавіт» 111.5 KB
  Мета уроку: Збагатити лексичний словник, стимулювати комунікативність, пізнавальну діяльність, інтерес до вивчення англійської мови. Практикувати вживання слів та фраз, повторити лексику попередніх уроків. Розвиток мовленнєвої компетенції, уваги, уяви, слуху зорового сприйняття.