Полосковые СВЧ делители/направленные ответвители

немного об авторе

Привет! Меня зовут Олеся, я разрабатываю СВЧ устройства. Я уже два года веду блог в Инстаграме. В мою работу входит всё от поиска статей и моделирования до сборки и настройки готового устройства. На Хабре я делюсь тонкостями и своим опытом по части СВЧ разработки. Также у меня есть маленькая группа в ВК, там я пишу небольшие заметки, которые по моему мнению не подходят под формат Хабра. Автор этой статьи leka_engineer , ищите меня на Хабре и в Инстаграме

Введение и классификация

В этой статье я расскажу о разных типах мостов-делителей-направленников на примере своих разработок. В статье приведу также несколько других схем и топологий, которые мне пока не приходилось использовать.

По области использования делители можно разделить на лабораторные (с коаксиальными выводами) и drop-in исполнения или SMD, то есть для использования где-то в модуле, с последующим соединением выводов с полоском на печатной плате. Кроме того , как любые другие СВЧ устройства делители можно классифицировать по рабочим диапазонам частот, а также по ширине рабочей полосы. Лабораторные НО (далее я буду писать НО, так как 3дБ делитель — чаще всего частный случай направленного ответвителя) обычно довольно широкополосные, это удобно, так как можно купить одно устройство надолго и под разные проекты. НО для применения в СВЧ схемах чаще выбирают узкополосные, под рабочую полосу конкретного изделия. Очевидно, что уровень потерь в узконастроенном НО будет меньше, как и уровень КСВ. Другая классификация — по мощности входного сигнала. При входной мощности примерно от 500 Вт требуются другие подходы к проектированию. У меня в коллекции как раз есть несколько особенно высокомощных НО. И последнее: по разности фаз между выходами можно разделить НО на квадратурные (90 град), противофазные (180 град), синфазные (0 град) и кастомные.

Гибридный мост

Самый простой тип делителя, которые наверняка многие помнят с лекций — квадратурный шлейфный мост. Выглядит как квадрат (но не поэтому называется квадратурным) с разной шириной сторон. Был придуман в далёких 60-х и до сих пор активно применяется. Вариант на 3 дБ (то есть пополамный делитель) представлен на рисунке ниже:

1. Квадратурный пополамный делитель
1. Квадратурный пополамный делитель

Z0 обычно равно 50 Ом, тогда верхнее и нижнее плечи — по 35 Ом, а боковые по 50. Мост имеет вход и два выхода (или два входа и один выход, если рассматривать его как сумматор). Устройство взаимное и симметричное, то есть условно входом может быть любой порт. В общем случае ширины плеч могут быть рассчитаны на любое деление.

Самая простая реализация — на микрополосковых линиях.

2. Пополамный делитель С-диапазона
2. Пополамный делитель С-диапазона

На картинке ниже мой пример делителя на 4 выхода, состоящего из 3 квадратурных мостов. Только третий — пополамный, остальные рассчитаны так, чтобы на всех четырёх выходах была одинаковая амплитуда.

3. Делитель бегущей волны на 4 выхода S-диапазона
3. Делитель бегущей волны на 4 выхода S-диапазона

Одно их преимуществ такого типа делителей — не обязательно количество выходов равно степени 2. Вот например такого же типа на на 3 выхода, другой диапазон и в закрытом корпусе:

4. Делитель бегущей волны Ku-диапазона на 3 выхода
4. Делитель бегущей волны Ku-диапазона на 3 выхода

А вот пример мощного делителя на симметричной линии (внутри там такой же «квадрат»).

5. Пополамный делитель высокой мощности (2 кВт пиковая) Потери 0,1 дБ, КСВ< 1,15, узкая рабочая полоса в S-диапазоне чатот
5. Пополамный делитель высокой мощности (2 кВт пиковая) Потери 0,1 дБ, КСВ< 1,15, узкая рабочая полоса в S-диапазоне чатот

НО на линиях с боковой связью

Ещё один тип «двумерных» делителей и направленников — устройства на базе линий с боковой связью. Известно, что микрополосковая линия создает вокруг себя электромагнитное поле, если другой полосок будет достаточно близко, по нему начнёт протекать ток.

5. НО на линиях с боковой связью
5. НО на линиях с боковой связью

W0— ширина линии, обычно должна соответствовать 50 Ом. Длина L — четверть длины волны в материале. Ширина W в общем случае равна W0. Если принять порт 1 за вход, порт 3 будет называться выходом (through), порт 2 ответвленным плечом (coupled), порт 4 изолированным плечом (isolated). На порт 4 обычно ставят согласованную нагрузку. Такие устройства чаще всего делают на ответвление (величина части мощности, ответвленная в плечо 2) от 10 дБ и больше, так как для меньших значений ответвления будет необходим слишком маленький зазор S (который определяет величину ответвления), который технологически невозможно реализовать.

На фотографии ниже пример такого НО.

6. Направленный ответвитель с центральной частотой 3 ГГц
6. Направленный ответвитель с центральной частотой 3 ГГц

ссылка на фотографии с измерениями

Длина области связи такого НО равна четверти длины волны, и поэтому такой устройство довольно узкополосное. В целях расширения рабочей полосы частот делают такой вариант (как бы ступеньки):

7. Широкополосный НО
7. Широкополосный НО

ссылка на источник картинки

Ещё пример расширения рабочей полосы показан в статье A Compact and Wideband Coupled-Line Coupler with High Coupling Level Using Shunt Periodic Stubs.

8. Широкополосный НО из статьи авторов Rasool KESHAVARZ, Masoud MOVAHHEDI
8. Широкополосный НО из статьи авторов Rasool KESHAVARZ, Masoud MOVAHHEDI

Автор этой статьи leka_engineer , ищите меня на habr.com и в Инстаграме

НО на линиях с лицевой связью

В данном случае для реализации устройства необходима более сложная структура, чем просто печатная плата. Геометрия описывается следующими параметрами: Н- общая толщина, W-ширина полосков (обычно 50 Ом), S-расстояние между линиями, Wo -оффсет, то есть смещение, Т- толщина металлизации. Сверху и снизу -экран (земля). Коэффициент ответвления настраивается двумя параметрами — S и Wo.

9. Структура симметричных линий с лицевой связью
9. Структура симметричных линий с лицевой связью

В моей коллекции есть такой мост drop-in исполнения. В центре сам НО, к нему подведены маленькие платы с микрополосковыми линиями, всё это помещено в коробку с коаксиальными разъёмами и установлен резистор на изолированный выход.

10. Пополамный делитель L-диапазона
10. Пополамный делитель L-диапазона

больше фотографий в моём посте в Инстаграме

На линиях с лицевой связью сделаны все (мне известные) мосты SMD исполнения. У меня нет своих разработок делителей поверхностного монтажа, но есть коллекция покупных:

11. Коллекция покупных SMD мостов
11. Коллекция покупных SMD мостов
12. Коллекция покупных SMD мостов
12. Коллекция покупных SMD мостов

Делитель Вилкинсона

Wilkinson divider — трёхпортовое устройство.Принципиальная схема:

13. Общая схема делителя Вилкинсона (картинка с сайта microwaves101)
13. Общая схема делителя Вилкинсона (картинка с сайта microwaves101)

В случае Zo=50 Ом, линии будут равны 50*1,41= 70,5 Ом, резистор 100 Ом. Как и в случае с НО на линиях с боковой связью, из-за наличия четвертьволнового отрезка, такие делители узкополосные. Расширить полосу можно каскадированием.

Пример из моей коллекции (параметры можно посомтреть в этом посте):

14. Широкополосный делитель Вилкинсона
14. Широкополосный делитель Вилкинсона

А вот пример из Инстаграма моего друга:

15. Широкополосный делитель Вилкинсона Израильской компании Hypermedia Systems LTD из GSM шлюза
15. Широкополосный делитель Вилкинсона Израильской компании Hypermedia Systems LTD из GSM шлюза

При изменении волновых сопротивлений плечей можно добиться изменения соотношения выходных мощностей (деление будет не пополам).

16. Не пополамный делитель Вилкинсона
16. Не пополамный делитель Вилкинсона

Другие типы НО

Неразвязанный делитель.

Казалось бы, почему нельзя просто сделать полосок и к нему два полоска? И вроде очевидно, что в СВЧ технике так не работает, но на самом деле можно, просто КСВ выходов будет очень высокое.

Главное — не забыть вставить трансформатор. Ведь если вход 50 Ом, и необходима получить два выхода на 50 Ом, то в точке разветвления будет 100 Ом, так что необходим трансформатор с 50 на 100 Ом.

17. Неразвязанный делитель с транформатором
17. Неразвязанный делитель с транформатором

В целях улучшения характеристик часто прибегают к разным изменениям топологии, например:

18. неразвязанный делитель
18. неразвязанный делитель

Такой делитель, очевидно, можно рассчитать на любые выходные сопротивления, но он будет не пополамный. В данном случае бОльшая часть мощности будет направлена в плечо с мЕньшим сопротивлением.

Гибридное кольцо

19. Гибридное уольцо (картинка из Википедии)
19. Гибридное уольцо (картинка из Википедии)

Мост Ланге

Изготовление моста Ланге требует разварки золотых проволок, что доступно далеко не на всех предприятиях. При должной аккуратности можно припаять проволоки из меди, если размеры позволяют.

20. Мост Ланге
20. Мост Ланге

Спасибо за внимание!

Читайте так же: