Расчет конструкции делителя мощности на два

Исходными данными задания являются: центральная частота диапазона, в котором должно работать МУ и волновые сопротивления портов. С точки зрения компактности устройства желательно выбирать подложку с максимальным значением диэлектрической проницаемостью. Однако (при ее минимальной толщине) ширина МП может получиться настолько малой, что ее будет трудно проконтролировать в процессе изготовления. Поэтому проницаемость и толщина подложки выбираются (из приведенного выше ряда толщин) так, чтобы ширина МП была бы порядка 1 - 3 мм. Процесс выбора реализуется с помощью калькулятора ЛП TXline. Так как на центральной частоте отрезки МП должны иметь электрическую длину, равную , то фазовый сдвиг задается равным 90˚ и задается соответствующее волновое сопротивление трансформирующих отрезков, после чего калькулятор рассчитывает геометрические размеры МП. 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. 6.

 

 

Рис. 6. Схематический вид топологии МУ

 

МП у порта 1 имеет , равное 50 Ом. Тогда МП, ведущие к портам 2 и 3, имеют по 70.7 Ом. Между портами 2 и 3 должно быть подсоединено балластное сопротивление 100 Ом. Теперь, с помощью калькулятора TxLine или Trl85, необходимо определить размеры МП. Выберем в качестве подложки материал ФЛАН─5 толщиной 2 мм и , в качестве фольги на обеих сторонах подложки выберем медь толщиной 15 мкм и центральную частоту диапазона 900 МГц. В результате получаем следующие размеры для МП 70.7 Ом ─ мм (ширина), мм (полная длина), для МП 50 Ом ─ мм, длина выбирается из конструктивных соображений. После этого необходимо перейти к программе Microwave Office 2004 V.6.1 (MWO). Созданные вами файлы проектов будут храниться (по умолчанию) в Documents and Settings/My Documents/AWR Projects. Запустив программу, получим следующее изображение на экране:

Рис. 7. Вид экрана с запущенной программой MWO

 

В правой части находится пространство, в котором будет выстраиваться топология МУ и на которое будут выводиться графики результатов моделирования, в левой (узкой) части расположено дерево возможных групп и модулей которые могут быть использованы при проектировании. Перейдем теперь к построению топологии. Прежде всего, мы должны выбрать размеры проводящего корпуса (коробки из металла с бесконечной проводимостью, в которой будет помещено МУ) и слоев структуры. Откроем Project/Add EM Structure/New EM Sructure и в открывшемся малом окошке Create New EM Structure назовем нашу структуру Wilkinson Bridge, после чего откроется окошко с этим именем и видом на структуру сверху. Далее переходим к определению параметров корпуса и слоев внутри него. Щелкнем на значке Enclosure и в открывшемся окне на вкладке Enclosure установим размеры X=40 мм и Y=30 мм и выберем размер ячейки сетки по обеим координатам по 0.25 мм (величина приблизительно кратная ширинам МП). Для обеспечения такого шага в окошке X─Divisions надо выставить 160, а в окошке Y─Divisions ─ 120. Далее на вкладке Dielectric Layers, выставим высоту воздушного слоя 1 (отделяющего верхнюю поверхность подложки от верхней крышки корпуса) равную 5 мм, , , и . В качестве слоя 2 выступает подложка толщиной 2 мм, , , и (это означает, что на изображении структуры масштаб подложки по высоте будет в два раза больше чем масштаб воздушного слоя). Боковые стенки корпуса всегда считаются бесконечно проводящими, для верхней и нижней стенок на вкладке Boundaries также устанавливаются значения Perfect conductor. Следующим этапом работы над проектом является вычерчивание МП структуры моста на поверхности слоя 2 (верхняя сторона подложки). Прежде чем начать чертить в программе MWO, нарисуйте предполагаемый вид структуры на миллиметровой бумаге в масштабе порядка 4:1 и проставьте координаты всех внутренних и внешних углов структуры в мм (координата Y отсчитывается сверху вниз от верхнего края чертежа слоя 2, координата Х ─ от левого края по горизонтали). Затем выберите из меню Draw/Add Rect Conductor, нажмите на клавишу Tab и введите координаты двух точек проводника через их значения x и y, затем снова нажмите Tab и введите значения двух других точек через приращения координат dx и dy (можно и прямо рисовать проводники без предварительного чертежа, так как при рисовании сразу определяется текущая длина и ширина проводника). В конце этого процесса на рабочем поле появится изображение полной структуры моста. Проводники должны быть удалены от боковых стенок коробки, для того, чтобы не искажать поля МПЛ.

 

Рис. 8. Структура МП на верхней поверхности подложки

 

Теперь необходимо установить порты. Для этого необходимо щелчком мыши выделить МП, на внешнем краю которого (МП с Ом) должен быть установлен порт, затем в меню Draw/Add Edge Port (или взять порт из линейки сверху) поместите курсор на внешнем краю левого МП в его центре и нажмите левую клавишу мыши. На этом месте появится маленький квадратик с цифрой 1, определяющий порт № 1. Затем проделайте тоже на правом верхнем МП, установив порт № 2, затем на правом нижнем МП установив порт № 3. Чтобы исследовать структуру непосредственно самого МУ необходимо исключить подводящие линии. Для этого служит операция "разгерметизации". Установите курсор на внутреннюю грань кубика порта, нажмите левую клавишу, протяните появившуюся толстую черную линию со стрелкой до внешней границы МП с Ом и отпустите клавишу. Такую операцию проделайте на всех подводящих МП. Теперь можно переходить к анализу частотных характеристик МУ. Щелкнув по значку группы Project Options, откроем вкладку Global Units и, отметив окошко Metrics Units, установим единицу частоты в GHz. Затем откроем вкладку Frequencies и установим пределы изменения частоты при анализе порядка от центральной частоты ─пусть в нашем случае начальной частотой (Start(MHz)) будет 0.6 GHz, конечной частотой (Stop(GHz)) будет 1.2 GHz, шаг изменения частоты выберем 0.2 GHz. Затем поставьте точку в круглом окошке Add и нажмите кнопку Apply. В прямоугольном окне слева будет выведен список частот для анализа. Далее определимся, какие зависимости нам необходимо получить. Очевидно, что это Snn для всех портов, Snm (S21, S31 и S32 между портами 2 и 3) и углы между портами (Ang(S21), Ang(S31), Ang(S32)).. Пусть на первом графике будут представлены кривые Snn. Выберем опцию Project/Add Graph и в открывшемся окошке запишем Snn и выберем Rectangular (график будет в прямоугольных координатах). Далее выделим Snn, выберем опцию Project/Add Measurements, выберем после чего откроется окно, показанное на рис. 9.

 

Рис. 9. Окно выбора измеряемых параметров

 

В правой верхней строке выводится название чертежа проекта, как источника входных данных, в крайнем левом окне выделяется строка Port Parameters, в следующем выделяется , в правых второй и третьей строках устанавливается по 1, в нижнем правом углу dB, в левом ─ Mag, после чего нажимается кнопка Apply (при этом вы задаете вычисление элемента матрицы рассеяния S11). Далее вы повторяете эту процедуру для измерения S22, S33 (изменяя соответственно цифры во второй и третьей строках). Третий график назовем Snm и в нем выведем значения S21, S31, S32. Для задания S21 между 1 и 2 портами в строке To Port Index устанавливается 2 и т.д.. Затем запускаем расчет, нажав на кнопку с желтой молнией. После окончания расчета на экран выводится графики, показанные на рис. 10

Рис. 10. Окно с результатами расчета модулей Snn, Snm и углов для всех портов

С помощью опции Graph/Marker/Add Marker выводится маркер в виде креста, щелкнув которым по графику выводится измеренные значения. Из графика видно, что S21, S31 равно во всем диапазоне исследования, а минимальное значение S11 около на частоте немного больше 1000 МГц. Это говорит о том, что структура МУ должна быть изменена (МП с Ом должны быть удлинены примерно на 10%). Однако сначала мы исследуем величину S23, чтобы оценить связь между портами 2 и 3.. Из графика 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. Для проверки функционирования порта рассмотрим графики коэффициентов S21, S31. Совершенно очевидно, что плечо порта 3 имеет таки же параметры, что и плечо 2. Для точного определения необходимого изменения структуры рассмотрим график фазы Ang(S21). Полный фазовый сдвиг 90˚ имеет место на частоте 1027.1 МГц, поэтому длина трансформирующих МП должна быть увеличена на 14.12%. Измерим длину трансформирующего отрезка с помощью кнопки Measure (левее кнопки Enclosure). Она получается порядка 44 мм, для новой структуры длина должна быть порядка 50 мм. Реализуем новую структуру под названием Wilkinson Bridge1. Для этого дважды щелкнем по горизонтальному проводнику, захватим синюю точку посредине правого края проводника и потянем ее вправо, удлинив проводник на 6 мм. То же самое сделаем с нижним проводником и поместим на место правые вертикальные проводники и линии, подводящие к портам. Теперь закажем те же частотные характеристики что и в первом проекте. Для того, чтобы получить их в виде "гладких" кривых, отметим квадратик Smoothing в нижнем левом углу окна Add Measurement to Wilkinson Bridge1. Эти характеристики приведены на рис. 11.

 

Рис. 11

На графике для должны быть отмечены точки со значениями . При таком значении от порта 1 отражается один процент падающей мощности. Будем считать, что это границы полосы пропускания моста. Определим центральную частоту как ; в нашем случае она равна 923.6 МГц. Таким образом мы можем считать, что вариант ЕМ структуры Wilkinson Bridge1 удовлетворяет заданию.