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

302 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

20468. CASE-технологія 13.1 KB
  CASEтехнологія це інструментарій для системних аналітиків розробників і програмістів який замінює папір і олівець комп'ютером автоматизуючи процес проектування і розробки ПЗ. З самого початку CASEтехнології і розвивалися з метою подолання цих обмежень шляхом автоматизації процесів аналізу та інтеграції підтримуючих засобів.Основа CASEтехнології використання бази даних проекту репозиторію для зберігання всієї інформації про проект що може розділятися між розроблювачами відповідно до їх правами доступу.
20469. Якість ПЗ 13.62 KB
  Підвищення якості ПЗ по одній з властивостей часто може бути досягнуто наприклад ціною зміни вартості термінів завершення розробки тощо. В даному випадку мова не йде про розробку ідеального з точки зору показників якості ПЗ досягнути цього скоріш всього взагалі неможливо а про розробку ПЗ із задовільною якістю. Тому при опису якості ПЗ насамперед повинні бути визначені критерії оцінки якості ПЗ. критеріями якості ПЗ вважають: функціональність надійність легкість застосування ефективність супровід ...
20470. Забезпечення функціональності ПЗ 12.34 KB
  При розробці ПС доцільно застосовувати різні методи еталони і види тестування кожний з яких орієнтований на виявлення локалізацію або діагностику певних типів дефектів.У складних комплексах програм при будьякій технології розробки неможливо гарантувати абсолютну відсутність дефектів і помилок. Непередбачуваність виду місця і часу прояви дефектів ПС в процесі експлуатації призводить до необхідності створення спеціальних додаткових систем автоматичної оперативної захисту від ненавмисних випадкових спотворень обчислювального процесу...
20471. Безпека програмного забезпечення 16.55 KB
  Проблеми хто потенційно може здійснити практичне впровадження програмних дефектів деструктивного впливу в програмний код які можливі мотиви дій суб'єкта що здійснює розробку таких дефектів як можна ідентифікувати наявність програмного дефекту як можна відрізнити навмисний програмний дефект від програмної помилки які найбільш імовірні наслідки активізації деструктивних програмних засобів при експлуатації комп'ютерних систем Меоди та концепції захисту Для захисту програм від дослідження необхідно застосовувати методи захисту від...
20472. Методологiя структурного програмування 17.08 KB
  Метою структурного програмування є створення ієрархічно впорядкованих модульних програм в яких застосовуються стандартні керуючі конструкції. Одним із шляхів вдосконалення структурного програмування є введення стандартів що регламентують процес програмування. Необхідність стандартизації програмування обумовлена: необхідністю підвищення експлуатаційних характеристик програм що створюються; прагненням зробити систему достатньо простою доступною для сприйняття програмістом який знайомий з відповідними стандартами; вимогою зробити систему...
20473. Клієнт-сервер (англ. Client-server) 16.26 KB
  Clientserver обчислювальна або мережева архітектура в якій завдання або мережева навантаження розподілені між постачальниками послуг сервісів званими серверами і замовниками послуг званими клієнтами. Нерідко клієнти і сервери взаємодіють через комп'ютерну мережу і можуть бути як різними фізичними пристроями так і програмним забезпеченням.Багаторівнева архітектура клієнтсерверБагаторівнева архітектура клієнтсервер різновид архітектури клієнтсервер в якій функція обробки даних винесена на один або декілька окремих серверів. Це...
20474. Ефективність програмного забезпечення та її оцінка 36 KB
  Оптимізація це покращення характеристик програмної системи або просто програми. Отже перший етап програмування створення правильної програми і лише другий її оптимізація. Але перед тим як починати покращувати ефективність програми слід перевірити наскільки це покращення буде корисним і точно визначити місце яке слід переробити. Справа у тому що існує правило 20 80: 20 обєктного коду тексту програми виконується 80 часу роботи всієї програми.
20475. Абсолютна величина і норма матриці 139 KB
  За абсолютну величину модуль матриці будемо вважати матрицю де модулі елементів матриці . Якщо і матриці для яких операції і мають сенс то: а б в число. За норму матриці вважаємо дійсне число що задовольняє умови: а причому тоді і тільки тоді коли =0; б число і зокрема ; в ; г і матриці для яких відповідні операції мають сенс.
20476. Біном Ньютона 31 KB
  Запишемо його у вигляді добутку пронумерувавши дужки: Кожний доданок містить n множників: k множників a і nk множників b тобто має вигляд akbnk де k≤n k≥0.