Делитель мощности

Делитель мощности

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к микрополосковой технике радиоэлектронных устройств. Предназначено для разделения мощности на два канала в широкой полосе частот. Применяется в радиоприемных устройствах, а также в измерительной технике.

Известна схема деления мощности на несколько каналов, предназначенная для передающих устройств (RU пат. №2121734, Н01Р 3/08, Бюл. №31 от 10.11.98.), выполненная на линиях по структуре, близкой к симметричной микрополосковой линии (МПЛ). Схема состоит из двух металлизированных плоскостей-баз, между которыми вставляется тонкий промежуточный диэлектрический слой с полосовой структурой проводников. Пространство между промежуточным слоем диэлектрика и двумя базами заполнено первым и вторым слоями диэлектрика. Внутри этих слоев диэлектрика выполнены полости под металлическими полосками промежуточного диэлектрика. За счет введения этих полостей достигается снижение потерь мощности в первом и втором слоях диэлектрика.

Недостатком данной схемы является наличие линии типа симметричной, которая в приемных устройствах используется в редких и очень специальных случаях. Обычно в приемных устройствах используются несимметричные линии из-за удобства монтажа элементов. В несимметричных микрополосковых линиях потери обусловлены технологией нанесения металлических слоев, потери в диэлектрике играют меньшую роль. Потери в металлическом слое вместе с технологическим подслоем в тонкопленочной технологии выше, чем в толстопленочной технологии, но тонкопленочная технология является более точной, что существенно для продвижения работы делителя в высокочастотную область.

Известны кольцевые делители мощности, выполненные на четвертьволновых отрезках линии передачи (Справочник по элементам полосковой техники под редакцией А.Л.Фельдштейна. М.: Связь, 1979 г., с.168). Делитель такого типа взят за прототип изобретения и содержит: прямоугольный металлический корпус, три разъема, металлическую рамка, четыре резистора, металлическую базу, поликоровую плату с нанесенным на одной стороне топологическим рисунком делителя мощности, а другая сторона металлизирована, которая служит металлической базой. Топологический рисунок содержит входное и два выходных плеча, четыре пары четвертьволновых отрезков линий, соединенных последовательно (фиг.1). Входное плечо делителя мощности соединено с входами первой пары четвертьволновых отрезков, а выходные плечи соединены с выходами четвертой пары четвертьволновых отрезков. Резисторы присоединены к выходам каждой пары четвертьволновых отрезков линий. Один разъем закреплен на торцевой поверхности корпуса, а два других - на его противоположных боковых поверхностях. Внешние проводники разъемов соединены с корпусом. Внутренний проводник торцевого разъема соединен с входным плечом топологического рисунка делителя мощности. Внутренние проводники боковых разъемов соединены с выходными плечами топологического рисунка делителя мощности. Металлическая рамка закреплена в полости корпуса.

Одним из недостатков таких делителей, выполненных на несимметричной микрополосковой линии на поликоровой плате с металлизацией одной поверхности, является значительный рост потерь с ростом рабочей частоты, что делает их неприменимыми на частотах выше 10-12 ГГц. Второй недостаток - высокое значением эффективной диэлектрической постоянной для несимметричной микрополосковой линии, большое укорочение длины волн (n˜2,6). Третьим недостатком прототипа является сложность реализации резисторов малых геометрических размеров с требуемым большим перепадом номиналов для широкополосных делителей.

Поскольку:

- четвертьволновые отрезки линий на указанных частотах имеют длину менее 3 мм, при этом невозможно создать кольцевую структуру;

- потери в МПЛ на частотах 10-12 ГГц такой конструкции становятся недопустимо большими;

- укорочение длины волны с ростом частоты требует повышения точности изготовления, которая достигается в тонкопленочной технологии, а использование делителя в широкой полосе требует резисторов с большим перепадом номиналов сопротивлений, изготовление которых в тонких пленках вызывает технологические трудности.

Невозможность использования кольцевой структуры в высокой части диапазона частот преодолевается за счет перехода к делителям на связанных линиях, которые известны, однако ограничения по потерям и перепаду номиналов резисторов остаются.

Техническим результатом изобретения является обеспечение работы делителя мощности в широкой полосе высоких частот, более двух октав (в примере реализации от 4 до 18 Гц) и снижение потерь.

Изобретение и его работа поясняются рисунками

На фиг.1 представлена схема топологии делителя-прототипа.

На фиг.2 представлены эскизы проекций делителя мощности (2а - вид снизу, 2б - сечение в плоскости симметрии, 2в - вид сверху).

На фиг.3 представлена топология проводников на лицевой стороне поликоровой платы для несимметричной подвешенной линии (плата без металлического экрана на обратной стороне) делителя мощности на четырех парах связанных линий, предназначенного для работы в полосе частот 4-18 ГГц.

На фиг.4 представлен эскиз соединения подвешенной линии с разъемом.

На фиг.5 представлен эскиз металлической базы, выполненной на поликоровой плате металлизированной с двух сторон и по торцам с закрепленными диэлектрическими накладками.

На фиг.6 представлен эскиз соединения несимметричной микрополосковой линии с разъемом.

На фиг.1-6 введены обозначения: корпус 1, разъем 2, поликоровая плата 4, металлизированная по плоскостям и торцам плата 5, входное плечо делителя 6, выходные плечи 7 и 8 делителя, пары четвертьволновых отрезков связанных линий 9-12, металлические перемычки 13 от центрального проводника разъемов на входное и выходные плечи делителя мощности, диэлектрическая втулка 14, диэлектрические накладки 15 равной толщины, нанесенные на металлизированную плату, микрополосковая плата 16 с несимметричной МПЛ, металлическая перемычка 17 с обратной металлизированной стороны платы на металлическую стенку корпуса вблизи входа разъема (для прототипа), резисторы R1, R2, R3 и R4.

Описание конструкции делителя мощности

Технический результат изобретения достигается за счет того, что предложенный делитель мощности (фиг.2) содержит: металлический корпус 1 с тремя разъемам 2, металлическую рамку 3, поликоровую плату 4 с нанесенным на одной стороне топологическим рисунком делителя мощности (фиг.3), формирующими делитель мощности на два канала, металлическую базу 5, выполненную в виде поликоровой платы с металлизацией по двум сторонам и торцам, четыре пары четвертьволновых отрезков связанных линий 9-12, металлические перемычки 13, три диэлектрические втулки из фторопласта 14, диэлектрические накладки 15, четыре резистора с номиналами R1=R4=120 Ом, R2=R3=240 Ом.

Топологический рисунок делителя мощности содержит входное плечо 6 и два выходных плеча 7 и 8 и четыре пары связанных четвертьволновых отрезков линий 9-12, соединенные последовательно (фиг.3). Входное плечо 6 соединено с входом первой пары четвертьволновых отрезков 9, а выходные плечи соединены с выходами четвертой пары четвертьволновых отрезков 12. Резисторы R1, R2, R3 и R4 присоединены к выходам каждой пары связанных четвертьволновых отрезков 9-12 линий соответственно.

Один разъем 2 закреплен на торцевой поверхности корпуса 1, а два других, на его противоположных боковых поверхностях. Внешний проводник разъемов соединен с корпусом. Внутренний проводник торцевого разъема соединен с входным плечом 6 топологического рисунка делителя мощности. Внутренние проводники боковых разъемов соединены с выходными плечами 7 и 8 топологического рисунка делителя мощности.

Внутренняя полость корпуса 1 разделена ступенькой на две части, нижняя часть имеет размеры ширину и длину, равные ширине и длине металлической рамки 3, которая устанавливается и крепится на ступеньке. На рамке 3 крепится металлическая база 5 стороной, противоположной той, на которой закреплены диэлектрические накладки 15 (фиг.4 и 5). На диэлектрических накладках закреплена поликоровая плата 4 стороной, противоположной стороне с топологическим рисунком. Диэлектрические втулки 14 размещены на входе внутренних проводников разъемов 2 (фиг.4). Пары четвертьволновых отрезков линий выполнены связанными.

Корпус 1 выполнен из металла в виде прямоугольной коробки со ступенькой внутри (фиг.2) и с выступающими за прямоугольные размеры элементами для крепежа. Полость корпуса разделена на две части: верхнюю и нижнюю. Ширина и длина верхней половины полости несколько меньше ширины и длины нижней части, поэтому на внутренних стенках образуется ступенька. Ширина и длина верхней части корпуса соответствует ширине и длине склейки плат 4 и 5. Ширина, длина и конфигурация нижней части соответствует габаритам рамки 3.

Разъемы 2 выполнены в виде коаксиальных СВЧ-разъемов с волновым сопротивлением 50 Ом и закреплены на корпусе 1: один на передней торцевой стенке корпуса, два других - симметрично на противоположных боковых стенках (фиг.2, а, б, в).

Прямоугольная металлическая рамка 3 закреплена на ступеньке в нижней части полости корпуса параллельно его основанию.

Плата 4 изготовлена из поликора, а металлическая база - из поликоровой платы, металлизированной с двух сторон и по торцам. Они имеют прямоугольную форму, ширину и длину, равные ширине и длине верхней части полости корпуса. Плата 4 и металличекая база 5 располагаются внутри корпуса одна над другой параллельно основанию корпуса на рамке 3 и соединяются с помощью клея, наносимого на диэлектрические накладки 15 платы 5, диэлектрические накладки закреплены так, что не попадают под топологический рисунок делителя (фиг.4). Благодаря этим накладкам между металлической лицевой поверхностью платы 5 и нижней поверхностью платы 4 при склейке образуется нормированный зазор, формирующий несимметричную подвешенную линию для проводников платы 4, которые нанесены на ее лицевой стороне. Проводники платы 4 формируют делитель мощности на два канала с входным плечом 6 и выходными плечами 7 и 8, которые соединяются с помощью металлических перемычек 13 с центральными проводниками соответствующих разъемов 2.

Склейка плат 4 и 5 припаивается симметрично по нижней поверхности платы 5 к металлической рамке 3, которая имеет габаритные размеры больше, чем прямоугольные размеры склейки платы 4 и 5. Конфигурацию рамки можно видеть на фиг.2а. Рамка 3, по выступающей из-под склейки плат 4 и 5 лицевой поверхности, припаивается к ступеньке нижней части полости корпуса 1. Конфигурация и размеры рамки соответствуют внутренним размерам нижней части полости корпуса.

Благодаря металлической базе 5 и ее соединению с рамкой 3, а рамки с помощью пайки - с корпусом 1, под разъемом 2 формируется надежное соединение внешнего проводника коаксиального разъема с металлической базой подвешенной полосковой линии.

Для обычной несимметричной микрополосковой линии это соединение реализуется иначе, с помощью пайки металлической перемычки 16 с обратной металлизированной стороны платы на стенку с разъемом вблизи его выхода (фиг.6).

Работа делителя мощности

Делитель мощности работает следующим образом (фиг.2, а, б, в и фиг.3). Широкополосный сигнал поступает через торцевой разъем 2 на входное плечо 6 делителя мощности и возбуждает четную волну в четырех парах четвертьволновых отрезков 9-12 связанных линий. Волновое сопротивление четной волны на каждом отрезке связанных линий рассчитано в соответствии с волновым сопротивлением четырехзвенного кольцевого делителя мощности (прототипа), поэтому широкополосный сигнал разделяется на две линии, как в обычном делителе мощности.

При поступлении широкополосного сигнала на плечо 7 или 8 в четырех парах четвертьволновых отрезков 9-12 связанных линий возбуждается нечетная волна, которая проходит соответственно на плечо 8 или 7 и определяет развязку между этими плечами. Волновое сопротивление нечетных волн в отрезках связанных линий не совпадает с волновым сопротивлением четных волн, как это имеет место в прототипе. В данном случае оно выбрано 50 Ом во всех отрезках, поэтому величина поглощающих резисторов отличается от величины поглощающих резисторов в кольцевом делителе мощности (прототипе): R1=103 Ом, R2=173 Ом, R3=292 Ом и R4=482 Ом, в котором перепад номиналов резисторов составляет 4,8 раза. В предлагаемом делителе мощности резисторы имеют значения: R1=R4=120 Ом, R2=R3=240 Ом. Перепад номиналов составляет 2 раза. Наихудшая развязка в эксперименте составляет 12 дБ в диапазоне частот 4-18 ГГц.

На графике представлена амплитудная характеристика прохождения мощности между каналами 6 и 7 для разработанного делителя мощности с топологией, представленной на фиг.3.

Цифры в верхней строчке графика соответствуют значению частоты в ГГц в начальной точке клетки. Цифры рядом с кривой графика соответствуют максимальным и минимальным значениям в дБ ближайших точек графика для выходного плеча 7.

Общие признаки изобретения и прототипа

Прямоугольный металлический корпус, три разъема, металлическая рамка, металлическая база, четыре резистора, поликоровая плата с нанесенным на одной стороне топологическим рисунком делителя мощности. Топологический рисунок содержит входное и два выходных плеча, четыре пары четвертьволновых отрезка линий, соединенные последовательно. Входное плечо делителя мощности соединено с входами первой пары четвертьволновых отрезков, а выходные плечи соединены с выходами четвертой пары четвертьволновых отрезков. Резисторы присоединены к выходам каждой пары четвертьволновых отрезков линий. Один разъем закреплен на торцевой поверхности корпуса, а два других - на его противоположных боковых поверхностях. Внешние проводники разъемов соединены с корпусом. Внутренний проводник торцевого разъема соединен с входным плечом топологического рисунка делителя мощности. Внутренние проводники боковых разъемов соединены с выходными плечами топологического рисунка делителя мощности. Металлическая рамка закреплена в полости корпуса. Металлизированная база соединена с корпусом вблизи разъема.

Пример конкретного выполнения делителя мощности

Ширина полосок Wi и зазоры Si четырех отрезков связанных линий для поликоровой платы толщиной 0,5 мм и «подвеской» экрана толщиной 0,1 мм при заданных волновых сопротивлениях четной волны, соответствующих обычному четырехзвенному кольцевому делителю мощности при волновом сопротивлении по нечетной волне 50 Ом для всех отрезков приведены в таблице геометрических параметров делителя мощности.

Таблица
Отрезки связанных линий	ZeeВолновое сопротивление четных волн	WШирина полосок	SЗазоры между полосками	NeeУкорочение длин для четной волны	LeeДлина области связи для четной волны	ZOВолновое сопротивление для связанных отрезков
R1	89,63	0,389	0,407	2,044	3,34	66,944
R2	77,175	0,501	0,598	2,037	3,34	62,118
R3	64,785	0,646	0,982	2,041	3,34	56,914
R4	55,785	0,646	1,2	2,047	3,34	52,813

Величина номиналов поглощающих резисторов R1=R4=120 Ом, R2=R3=240 Ом. Они реализуются с помощью плотности поверхностного сопротивления Полоска сопротивлением 50 Ом имеет ширину 0,96 м

Высота диэлектрических накладок 0,09 мм. Фторопластовая диэлектрическая втулка в разъемах 2 имеет внешний диаметр 2 мм.

Разработанная конструкция широкополосного делителя мощности обеспечивает технический результат - деление поступающий на его вход мощности на два канала с точностью ±1,09 дБ, с развязкой каналов не менее 12 дБ в диапазоне рабочих частот от 4 до 181 Гц.

Делитель мощности, содержащий прямоугольный металлический корпус, три разъема, металлическую рамку, металлическую базу, четыре резистора, поликоровую плату с нанесенным на одной стороне топологическим рисунком делителя мощности, который содержит входное и два выходных плеча, четыре пары четвертьволновых отрезков линий, соединенные последовательно, причем входное плечо соединено с входами первой пары четвертьволновых отрезков, а выходные плечи соединены с выходами четвертой пары четвертьволновых отрезков, кроме того, четыре резистора, присоединенные к выходам каждой пары четвертьволновых отрезков линий, причем один разъем закреплен на торцевой поверхности корпуса, а два других - на его противоположных боковых поверхностях, внешние проводники разъемов соединены с корпусом, внутренний проводник торцевого разъема соединен с входным плечом топологического рисунка делителя мощности, а внутренние проводники боковых разъемов соединены с выходными плечами топологического рисунка делителя мощности, причем металлическая рамка закреплена в полости корпуса, отличающийся тем, что введены четыре диэлектрические накладки равной толщины и три диэлектрические втулки, причем металлическая база выполнена в виде платы, металлизированной по обеим поверхностям и по торцам, на которой с одной стороны закреплены диэлектрические накладки так, что не попадают под топологический рисунок делителя, кроме того, внутренняя полость корпуса разделена ступенькой на две части, нижняя часть имеет ширину и длину, равные ширине и длине металлической рамки, которая устанавливается и крепится на ступеньке, кроме того, на рамке крепится металлическая база стороной, противоположной той, на которой закреплены диэлектрические накладки, на диэлектрических накладках установлена поликоровая плата стороной, противоположной стороне с топологическим рисунком, диэлектрические втулки размещены на входе внутренних проводников разъемов, кроме того, пары четвертьволновых отрезков линий выполнены связанными.