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

251 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

52018. Павуки. Особливості будови та життєдіяльності 73.5 KB
  Особливості будови та життєдіяльності слайд 3 Визначення мети та завдань уроку Мету та завдання визначаємо разом з дітьми: слайд 4 Ознайомитися з особливостями будови представників класу Павукоподібні; Дати загальну характеристику класу Павукоподібні; Визначити місце павукоподібних у системі органічного світу; Ознайомитися з властивостями павутини та способами полювання павуків. Завдання уроку: слайд 5 Простежити ускладнення будови павукоподібних у порівнянні з ракоподібними; З’ясувати значення павутини в житті...
52019. Утворення Єгипетської держави 81.5 KB
  Ознайомити учнів з особливостями виникнення перших держав у Єгипті, з утворенням єдиної держави та з культом фараона. Розвивати уміння учнів працювати з історичною картою, текстом підручника, аналізувати схеми та малюнки, робити висновки.
52020. Reisen wir 32.5 KB
  Fssen wir einnder n den Händen. Für heute sind wir eine Mnnschft sgen wir Drei vier und zur rbeit “ Ich wünsche euch viel Erfolg während der Stunde. Wir beginnen mit der Bestimmung eurer Lune. Motivtion Ds Them der heutigen Stunde ist Reisen wir“ Die Ziele sind : Den Sitz im Flugzeug wechseln können Denn Sätze trinieren Sehenswürdigkeiten Berlins nennen können rtikel in kkustiv trinieren.
52021. Правила гостинності 109.5 KB
  Тип уроку: урок засвоєння нових знань. Хід уроку: I. Повідомлення теми і мети уроку. Отже ми з вами вивчили як потрібно вести себе в гостях а тема нашого сьогоднішнього уроку Правила гостинності.
52022. Я в серці маю те, що не вмирає. (слідами Лесі Українки на Хмельниччині) 4.78 MB
  Я в серці маю те що не вмирає слідами Лесі Українки на Хмельниччині Мета. Ознайомити учнів із досі мало відомими сторінками із життя Лесі Українки зокрема перебуванням її у нашому краї. Але сьогодні ми з вами відкриємо для себе досі не всіма знану і досконало вивчену сторінку історії як нашого краю так і біографії Лесі Українки а саме: перебування відомої поетеси на Хмельниччині її зв’язок з подільським краєм. Адже ми бажаємо глибше знати культурні і літературні традиції Хмельниччини а також життя відомої...
52024. Повторення таблиць множення числа 2 і ділення на 2. Розв’язування задач 434 KB
  Розв’язування задач. Хмельницький Мета: Повторити таблиці множення числа 2 і ділення на 2; формувати вміння розв’язувати прості і складені задачі; розвивати увагу творче мислення пам’ять; виховувати інтерес до математики. а Пояснити розв’язання задачі № 678. в Пояснити розв’язання задачі яку виконували за бажанням за карткою.
52025. Збірник прикладних задач «Математика навколо нас» 3.75 MB
  Анотація Ідея створення цього збірнику виникла з приводу того що розвиток математичних знань у розумово відсталих дітей має виключно практичну важливість оскільки людині в повсякденному житті постійно доводиться оперувати арифметичними виразами здійснювати рахунок і різні операції з числовими величинами. Скільки грошей він отримає пропрацювавши 20 днів Який розфасовки пральний порошок вигідніше купити господині якщо відомо що пакет вагою 2кг 400 г коштує р. Скільки...
52026. Вправи і задачі на засвоєння таблиць додавання і віднімання числа Порівняння виразу і числа 58.5 KB
  Діти в народі говорять: Добрий гість – дому радістьâ€. 2 слайд Математична розминка Інтерактивна вправа Мозковий штурм Як називається геометрична фігура у якої три кути Який день настає після суботи Скільки сторін у квадрата Скільки місяців триває зима Як називається лінія у якої є початок і кінець  Закінч речення: тиждень триває  Скільки паличок потрібно щоб викласти 2 квадрати Молодці 2. Математичний диктант Слайди 412....