Планарное развязанное пересечение полосковых линий передачи

 

Использование: радиотехника СВЧ -диапазона, в диаграммо-образующих схемах, выполненных на основе высокодобротных полосковых линий. Сущность изобретения: устройство содержит два металлических экрана, между которыми симметрично размещена диэлектрическая подложка, на одной и другой сторонах которой расположены две основные и дополнительные входные полосковые линии передачи, соответствующие им соосно расположенные основные и дополнительные выходные полосковые линии, основной и дополнительный полосковые резонаторы. Полосковые резонаторы выполнены в форме центральной поверхности резонансных размеров четного вида колебания. Приведены возможные геометрические формы полосковых резонаторов и соответствующие им резонансные размеры и варианты подключения входных и выходных полосковых линий передачи. 7 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к устройствам СВЧ, и может найти применение в диаграммообразующих схемах, в системах разводки питания антенно-фидерных устройств, работающих в одночастотном и двухчастотном режимах, выполненных на основе высокодобротных полосковых линий передачи, где необходимо обеспечить планарное развязанное пересечение этих линий при высоком уровне развязки, высоком уровне согласования и маленькой величине прямых потерь без снижения уровня предельной мощности, кроме того, устройство должно иметь простую конструкцию и высокую технологическую воспроизводимость в едином технологическом цикле.

Известна конструкция пересечения проводников печатных полосковых линий передачи, где для замыкания на разрыв одного из проводников печатных полосковых линий передачи у пересечения с вторым проводником накладывается скобка, выполненная из металлической полоски [1]. Пересечение высокодобротных полосковых линий передачи осуществляется применением таких металлических скобок на каждом полосковом проводнике в местах их пересечения. Высота скобки над полосковым проводником и длина скобки определяют уровень развязки между пересекающимися проводниками, кроме того, геометрические размеры скобки частотно зависимы, а именно; когда они соизмеримы с рабочей длиной волны в области пересечения возбуждаются высшие типы волн, приводящие к возникновению паразитных связей, а также увеличиваются резонансные эффекты, что приводит к уменьшению уровня развязки, увеличению прямых потерь и ухудшению согласования, т.е. в данной конструкции имеются ограничения по частотному диапазону - в области сантиметровых и миллиметровых длин волн такая конструкция применяться не может. Кроме того, конструкция не может быть выполнена в едином технологическом цикле, поскольку монтаж скобки - это самостоятельная технологическая операция пайки или точечной сварки с использованием специального технологического оборудования.

Известна конструкция пересечения высокодобротных полосковых линий передачи, когда в месте пересечения полосковых линий передачи вырезаны окна в диэлектрической подложке и впаяны отрезки пересекающихся коаксиальных кабелей [2].

Недостатком такой конструкции является отсутствие планарности, невозможность выполнения в едином технологическом цикле - наличие коаксиальных кабелей, технологическая операция пайки, жесткие конструктивно-технологические требования на выполнение отдельных элементов конструкции и на сборку узла в целом; ограничения на использование в коротковолновой части СВЧ-диапазона - сантиметровой и миллиметровой, связанные с большим количеством сборочных элементов, являющихся неоднородностями для СВЧ-энергии, т.е. возбуждение высших типов волн, а в миллиметровом диапазоне возможно уменьшение развязки и увеличение прямых потерь за счет объемных связей.

Известна конструкция планарного развязанного пересечения полосковых линий передачи, содержащая две входные полосковые линии передачи, каждой из которых соответствует выходная полосковая линия передачи, имеющие электромагнитную связь с серединами сторон полоскового резонатора, выполненного в форме прямоугольника, при этом когда частоты по первой и второй входным полосковым линиям передачи одинаковые, полосковый резонатор выполнен в форме квадрата со стороной, равной половине длине волны, когда частоты разные - в форме прямоугольника, одна сторона которого равна половине длины волны на первой рабочей частоте, а соседняя сторона равна половине длины волны на второй рабочей частоте. Известное устройство обеспечивает планарное развязанное одночастотное и двухчастотное пересечение полосковых линий передачи.

Недостатком известной конструкции является невозможность обеспечить планарное развязанное пересечение высокодобротных полосковых линий передачи. Это объясняется следующим образом. Если использовать прямой симметричный перенос относительно диэлектрической подложки идентичных входных и выходных полосковых линий передачи и полоскового резонатора на другую сторону диэлектрической подложки и установки дополнительного внешнего экрана и размещение диэлектрической подложки симметрично между основным и дополнительным внешними металлическими экранами, образуется структура пересечения высокодобротных полосковых линий передачи с узлом пересечения на полосковом резонаторе, выполненным в форме квадрата или прямоугольника, т.е. в форме центральной поверхности. В этом случае образовавшаяся структура пересечения высокодобротных полосковых линий не будет являться развязанной, поскольку между полосковыми резонаторами имеет место сильная электромагнитная связь, которая не позволяет сформировать в полосковых резонаторах два независимых ортогональных между собой колебания, а это приводит к возникновению перекрестных связей. В результате структура пересечения высокодобротных полосковых линий не является развязанной.

Технический результат планарного развязанного пересечения полосковых линий передачи заключается в выполнении планарного развязанного пересечения на высокодобротных полосковых линиях передачи на одной частоте, на двух разнесенных частотах с уменьшенным уровнем прямых потерь, увеличенным уровнем развязки, расширенной полосой рабочих частот, уменьшенным уровнем излучения поверхностной волны, высоким коэффициентом интеграции ГИС СВЧ, делением мощности входного сигнала на три равных выходных сигнала.

На фиг.1 изображена конструкция планарного развязанного пересечения высокодобротных полосковых линий передачи, связанных с серединами сторон полоскового резонатора, выполненного в форме квадрата; на фиг.2 - планарное развязанное пересечение высокодобротных полосковых линий передачи с контактными элементами, выполненными в виде металлического штыря; фиг.3 - планарное развязанное пересечение высокодобротных полосковых линий передачи, связанных с углами полоскового резонатора, выполненного в форме квадрата; на фиг. 4 - планарное развязанное пересечение высокодобротных полосковых линий передачи, связанных с полосковым резонатором, выполненным в форме диска; на фиг.5 - планарное развязанное пересечение высокодобротных полосковых линий передачи, связанных с серединами сторон полоскового резонатора, выполненного в форме прямоугольника; на фиг.6 - планарное развязанное пересечение высокодобротных полосковых линий передачи, связанных с полосковым резонатором выполненным в форме эллипса; на фиг.7 - трехканальный делитель мощности на высокодобротных полсоковых линиях передачи, связанных с углами полоскового резонатора, выполненного в форме квадрата; на фиг.8 - представлен пример выполнения планарного развязанного пересечения высокодобротных копланарных полосковых линий передачи; на фиг.9 - представлен пример выполнения планарного развязанного пересечения на инвертированной высокодобротной полосковой линии; на фиг.10 - разрез А - А на фиг.9.

Планарное развязанное пересечение высокодобротных полосковых линий передачи содержит основной металлический экран 1, диэлектрическую подложку 2, на одной стороне 3 которой расположены основные входные взаимно перпендикулярные полосковые линии передачи 4 и 5, каждой из которых соответствует соосно расположенные выходные полосковые линии передачи 6 и 7, связанные с основным полосковым резонатором 8, выполненным в форме центральной поверхности резонансных размеров, а именно в форме квадрата, за оси координат которой взяты его оси симметрии, совмещенные с осями симметрии основных входных полосковых линий передачи 4 и 5. На другой стороне 9 диэлектрической подложки 2 введены дополнительные идентичные основным входным 4, 5 и выходным 6, 7 полосковым линиям передачи и полосковому резонатору 8 и под ними две входные 10, 11 с соответствующими им выходными 12, 13 полосковые линии передачи и полосковый резонатор 14. Резонансный размер основного и дополнительного полосковых резонаторов 8 и 14, выполненных в форме квадрата, выбран из условия резонанса четного вида колебания, т.е. сторона квадрата равна половине длины волны четного вида колебания, при этом основные и дополнительные входные 4, 5 и 10, 11 и выходные 6, 7 и 12, 13 полосковые линии передачи связаны гальванически с серединами соответствующих сторон основного и дополнительного полосковых резонаторов 8 и 14, причем диэлектрическая подложка 2 установлена симметрично между основным 1 и дополнительным 15 металлическими экранами.

Между основным и дополнительным полосковыми резонаторами 8 и 14 в местах связи их с основными и дополнительными входными и выходными полосковыми линиями 4, 5 и 10, 11, 6, 7 и 12, 13 установлены контактные элементы 16, каждый из которых выполнен в виде металлического штыря, ось которого совмещена с осью, проходящей через пересечения боковой кромки основного и дополнительного полосковых резонаторов 8 и 14 с соответствующей осью основных и дополнительных входных 4, 10 и 5, 9 и выходных 7, 13 и 6, 12 полосковых линий передачи.

Основной и дополнительный полосковые резонаторы 8 и 14 выполнены в форме квадрата (см. фиг.3), диагональ которого равна половине длины волны четного вида колебания, при этом основные и дополнительные входные и выходные полосковые линии 4, 5 и 10, 11, 6, 7 и 12, 13 связаны с соответствующими углами основного и дополнительного полосковых резонаторов 8 и 14.

Основной и дополнительный полосковые резонаторы 8 и 14 выполнены в форме диска (см. фиг.4), диаметр которого равен половине длины волны четного вида колебания.

Основной и дополнительный полосковые резонаторы 8 и 14 выполнены в форме прямоугольника (см. фиг.5), одна сторона которого равна половине длины волны четного вида колебания на первой рабочей частоте, а соседняя сторона равна половине длины волны четного вида колебания на второй рабочей частоте, при этом основные и дополнительные входные и выходные полосковые линии передачи 4, 5 и 10, 11, 6, 7 и 12, 13 связаны с серединами соответствующих сторон основного и дополнительного полосковых резонаторов 8 и 14.

Основной и дополнительный полосковые резонаторы 8 и 14 выполнены в форме эллипса (см. фиг.6), малая ось которого равна половине длины волны четного вида колебания на первой рабочей частоте, а большая ось равна половине длины волны четного вида колебания на второй рабочей частоте.

Основной и дополнительный полосковые резонаторы 8 и 14 выполнены в форме квадрата (см. фиг.7), диагональ которого равна длине волны четного вида колебания, при этом основные и дополнительные входные и выходные полосковые линии 4, 5 и 10, 11, 6, 7 и 12, 13 связаны с соответствующими углами основного и дополнительного полосковых резонаторов 8 и 14.

Основные и дополнительные входные и выходные полосковые линии передачи 4, 5 и 10, 11, 6, 7 и 12, 13 и полосковые резонаторы 8 и 14 выполнены на копланарных полосковых линиях передачи (см. фиг.8).

Планарное развязанное пересечение высокодобротных полосковых линий передачи выполнено на инвертированных высокодобротных полосковых линиях (см. фиг.9).

Планарное развязанное пересечение высокодобротных полосковых линий передачи, изображенных на фиг.1 - 7, может выполняться и на копланарных высокодобротных полосковых линиях, и на инвертированных высокодобротных полосковых линиях.

Планарное развязанное пересечение полосковых линий передачи работает следующим образом.

При подаче по входным полосковым линиям передачи 4, 5 и 10, 11 СВЧ-сигналов, имеющих одинаковую длину волны ₁, в каждом полосковом резонаторе 8 и 14 возбуждаются два ортогональных колебания, для каждого из которых полосковые резонаторы 8 и 14 являются полуволновыми в режиме четного вида колебания. Четный режим возбуждения формируется за счет того, что соответствующие пары основных и дополнительных входных 4, 10 и 5, 9 и выходных 6, 12 и 7, 13 полосковых линий передачи формируют структуры высокодобротных полосковых линий передачи. Следовательно возбуждаемые входными полосковыми линиями передачи 4, 10 и 5, 9 основной и дополнительный полосковые резонаторы 8 и 14 находятся под одинаковыми электрическими потенциалами (одинаковые амплитуды и фазы), что эквивалентно размещению между ними в плоскости симметрии, расположенной в диэлектрической подложке между основным и дополнительным полосковыми резонаторами 8 и 14 магнитной стенки. Поэтому основной и дополнительный полосковые резонаторы 8 и 14 являются электромагнитно изолированными друг от друга. Благодаря тому, что каждая из входных 4, 5 и выходных 6, 7 полосковых линий передачи основного полоскового резонатора 8 и каждая из входных 10, 11 и выходных 12, 13 полосковых линий передачи дополнительного полоскового резонатора 14 гальванически связана с серединой соответствующей стороны соответствующего полоскового резонатора 8, 14, т.е. с точкой с максимальной напряженностью сверхвысокочастотного поля одного из видов колебаний и с минимальной напряженностью сверхвысокочастотного поля другого вида колебаний, обеспечивается развязка между основными входными 3 и 5 выходными 6 и 7 полосковыми линиями передачи и соответственно дополнительными входными 10 и 11 и выходными 12 и 13 полосковыми линиями передачи. Между входной 4, 10 и соответствующей выходной 6, 12 высокодобротной полосковой линией так же, как и между входной 5, 9 и соответствующей выходной 7, 13 высокодобротной полосковой линией имеет место хорошая электромагнитная связь. Таким образом на полосковом резонаторе, выполненном в форме квадрата, обеспечивается планарное развязанное пересечение высокодобротных полосковых линий передачи.

В реальных конструкциях, ввиду их неидеальности, амплитуды и фазы сигналов, распространяющиеся по основным и дополнительным входным 4, 10 и 5, 11 полосковым линиям передачи и соответственно возбуждающие основной и дополнительный полосковые резонаторы 8 и 14, не одинаковы, поскольку в структуре имеют место технологические и конструктивно-структурные погрешности выполнения и сборки конструкции, а также за счет переходов на другие типы линий передачи. Вследствие этого в местах связи с полосковыми резонаторами 8 и 14 входных полосковых линий 4, 10 и 5, 11 имеют место различные начальные условия возбуждения резонаторов 8 и 14, а следовательно, нарушается идеальность магнитной стенки. В связи с этим величина уровня развязки уменьшается (которая теоретически в идеальном случае равна бесконечности), увеличивается уровень прямых потерь и ухудшается согласование.

В планарном развязанном пересечении полосковых линий передачи между основным 8 и дополнительным 14 полосковыми резонаторами в местах связи их с основными 4, 5, 6, 7 и дополнительными 10, 11, 12, 13 полосковыми линиями передачи соответственно установлены контактные элементы 16, каждый из которых выполнен в виде металлического штыря. Они обеспечивают амплитудно-фазовую коррекцию, т.е. выравнивают амплитуды и фазы сигналов. В результате этого уравниваются начальные условия возбуждения основного и дополнительного полосковых резонаторов 8 и 14, что позволяет свести к минимуму электромагнитную связь между ними. Таким образом планарное развязанное пересечение высокодобротных полосковых линий передачи с контактными элементами 16 имеет большую величину уровня развязки, меньший уровень прямых потерь и улучшенное согласование (см. фиг.2).

При подаче по входным полосковым линиям передачи 8 и 14 СВЧ-сигналов, имеющих одинаковую длину волны ₁ и подключенных к углам полосковых резонаторов 8 и 14, выполненных в форме квадрата, возбуждают в нем диагональные и ортогональные между собой виды колебаний. Для доминирующей моды диагонали основного и дополнительного полосковых резонаторов 8 и 14 выбраны полуволновыми в режиме четного вида колебания. При диагональном возбуждении каждого из полосковых резонаторов 8 и 14, выполненных в форме квадрата, кроме основной доминирующей диагональной моды, возбуждаются диагональные моды более высокого порядка, т.е. в резонаторах имеет место многомодовый режим возбуждения диагональных колебаний. Многомодовый режим каждого из диагональных видов колебаний характеризуется такой их суперпозицией полей, которая обеспечивает расширение полосы пропускания при сохранении высокого уровня развязки, низкого уровня прямых потерь (см. фиг.3).

При подаче по входным полосковым линиям передачи 4, 10 и 5, 11 СВЧ-сигналов одинаковой длины волны ₁, в каждом полосковом резонаторе 8 и 14, выполненном в форме диска, возбуждаются два ортогональных вида колебания типа Е₁₁, для каждого из которых диаметр диска является полуволновым в режиме четного вида колебания (см. фиг.4). Синусоидальное изменение напряженности сверхвысокочастотного поля по периметру каждого полоскового резонатора 8 и 14, форма которого соответствует поверхности, внешние кромки которой не имеют острых углов, обеспечивает отсутствие зон повышенного излучения поверхностных волн (отсутствуют зоны повышенной концентрации напряженности электромагнитного поля). Входные полосковые линии передачи 4, 10 и 5, 11 и соответствующие им выходные полосковые линии передачи 6, 12 и 7, 13 лежат на продолжении двух взаимно перпендикулярных диаметров и связаны с полосковыми резонаторами 8 и 14 в точках с максимальной напряженностью электромагнитного поля одного диаметрального вида колебания и с минимальной напряженностью электромагнитного поля другого диаметрального вида колебания, что обеспечивает развязку между выходными полосковыми линиями передачи 6, 12 и 7, 13, а между лежащими на одном диаметре входной и выходной полосковыми линиями передачи 4, 10 и 6, 12, 5, 11 и 7, 13 соответственно имеет место прямая хорошая электромагнитная связь.

При подаче по входным полосковым линиям передачи 4, 10 и 5, 11 СВЧ-сигналов, имеющих длину волны ₁ и ₂ соответственно, в полосковых резонаторах 8 и 14 возбуждаются два ортогональных вида колебания, для каждого из которых полосковые резонаторы 8 и 14, выполненные в форме прямоугольника, являются полуволновыми в режиме четного вида колебания (см. фиг.5). Входные 4, 10 и 5, 11 полосковые линии передачи и соответствующие им выходные 6, 12 и 7, 13 полосковые линии передачи связаны с серединами соответствующих сторон полосковых резонаторов 8 и 14, т.е. с точкой с максимальной напряженностью электромагнитного поля одного из видов колебаний и с минимальной напряженностью электромагнитного поля другого вида колебания. В результате этого обеспечивается развязка между выходными 6, 12 и 7, 13 полосковыми линиями передачи. Между входными 4, 10 и 5, 11 полосковыми линиями передачи и соответствующими им выходными 6, 12 и 7, 13 полосковыми линиями передачи имеет место прямая хорошая электромагнитная связь.

При подаче по входным полосковым линиям передачи 4, 10 и 5, 11 СВЧ-сигналов, имеющих длину волны ₁ и ₂ соответственно, в полосковых резонаторах 8 и 14, выполненных в форме эллипса, возбуждаются два ортогональных вида колебания, для каждого из которых полосковые резонаторы 8 и 14, а именно его малая и большая оси, являются полуволновыми в режиме четного вида колебания. Синусоидальные изменение напряженности электромагнитного поля по периметру каждого полоскового резонатора 8 и 14, форма которого соответствует поверхности, внешние кромки которой не имеют острых углов, обеспечивает отсутствие зон повышенного излучения поверхностных волн (отсутствуют зоны повышенной концентрации электромагнитного поля). Входные полосковые линии передачи 4, 10 и 5, 11 и соответствующие им выходные полосковые линии передачи 6, 12 и 7, 13 лежат на продолжении двух взаимно перпендикулярных малой и большой осей эллипса и связаны с полосковыми резонаторами 8 и 14 соответственно в точках с максимальной напряженностью электромагнитного поля одного вида колебания и с минимальной напряженностью электромагнитного поля другого вида колебания. В результате этого обеспечивается развязка между выходными 6, 12 и 7, 13 полосковыми линиями передачи. Между входными 4, 10 и 5, 11 полосковыми линиями передачи и соответствующими им выходными 6, 12 и 7, 13 полосковыми линиями передачи имеет место прямая хорошая электромагнитная связь (см. фиг.6).

При подаче по одной из входных полосковых линий передачи, например 4, 10, СВЧ-сигнала с длиной волны ₁, когда все входные 4, 10 и 5, 11 и все выходные 6, 12 и 7, 13 полосковые линии передачи подключены к соответствующим углам полосковых резонаторов 8 и 14, выполненных в форме квадрата, диагональ которого равна длине волны входного сигнала ₁ в режиме четного вида колебания, на диагонали, кроме основной доминирующей моды, возбуждаются диагональные моды более высокого порядка, т.е. имеет место многомодовый режим возбуждения диагональных колебаний (см. фиг.7). Суперпозиция электромагнитных полей возбужденных диагональных колебаний формирует такое суммарное распределение поверхностной плотности электрического тока по поверхности полосковых резонаторов 8 и 14, которое соответствует равноамплитудному делению входного СВЧ-сигнала на три части между полосковыми линиями передачи 5, 11 и 6, 12 и 7, 13 соответственно, являющихся в данном случае выходными линиями. Таким образом имеет место трехканальный делитель мощности.

Структуры планарного развязанного пересечения высокодобротных полосковых линий (см. фиг.1 - 7) могут выполняться на высокодобротных компланарных полосковых линиях (см. фиг.8).

Структуры планарного развязанного пересеченя высокодобротных полосковых линий передачи (фиг.1 - 7) могут выполняться на инвертированной высокодобротной полосковой линии передачи (см. фиг.9).

Формула изобретения

1. ПЛАНАРНОЕ РАЗВЯЗАННОЕ ПЕРЕСЕЧЕНИЕ ПОЛОСКОВЫХ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ, содержащее основной металлический экран, диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположены основной полосковый резонатор, выполненный в форме центральной поверхности резонансных размеров, и связанные с ним две основные входные взаимно перпендикулярные полосковые линии передачи и две соосные им основные выходные полосковые линии передачи, причем оси основных входных и выходных полосковых линий передачи совмещены с осями симметрии основного полоскового резонатора, отличающееся тем, что введены дополнительный полосковый резонатор, дополнительные две входные и две выходные полосковые линии передачи, идентичные основным входным и выходным полосковым линиям передачи и расположенные на другой стороне диэлектрической подложки под ними соответственно, при этом резонансный размер основного и дополнительного полосковых резонаторов выбран из условия резонанса четного вида колебания, причем основные и дополнительные входные и выходные полосковые линии передачи связаны соответственно с основным и дополнительным полосковыми резонаторами гальванически и диэлектрическая подложка установлена симметрично между основным и введенным дополнительным металлическими экранами.

2. Пересечение по п.1, отличающееся тем, что между основным и дополнительным полосковыми резонаторами в местах связи их с основными и дополнительными полосковыми линиями передачи установлены контактные элементы, каждый из которых выполнен в виде металлического штыря, ось которого совмещена с осью, проходящей через точки пересечения боковой кромки основного и дополнительного полосковых резонаторов с осями соответствующей основной и дополнительной входной или выходной полосковых линий передачи.

3. Пересечение по пп.1 и 2, отличающееся тем, что основной и дополнительный полосковые резонаторы выполнены в форме квадрата, сторона которого равна половине длины волны четного вида колебания, при этом основные и дополнительные входные и выходные полосковые линии передачи связаны с серединами соответствующих сторон основного и дополнительного полосковых резонаторов.

4. Пересечение по пп.1 и 2, отличающееся тем, что основной и дополнительный полосковые резонаторы выполнены в форме квадрата, диагональ которого равна половине длины волны четного вида колебания, при этом основные и дополнительные входные и выходные полосковые линии передачи связаны с соответствующими углами основного и дополнительного полосковых резонаторов.

5. Пересечение по пп.1 и 2, отличающееся тем, что основной и дополнительный полосковые резонаторы выполнены в форме диска, диаметр которого равен половине длины волны четного вида колебания.

6. Пересечение по пп.1 и 2, отличающееся тем, что основной и дополнительный полосковые резонаторы выполнены в форме прямоугольника, одна сторона которого равна половине длины волны четного вида колебания на первой рабочей частоте, а соседняя сторона равна половине длины волны четного вида колебания на второй рабочей частоте, при этом основные и дополнительные входные и выходные полосковые линии передачи связаны с серединами соответствующих сторон основного и дополнительного полосковых резонаторов.

7. Пересечение по пп.1 и 2, отличающееся тем, что основной и дополнительный полосковые резонатора выполнены в форме эллипса, малая ось которого равна половине длины волны четного вида колебания на первой рабочей частоте, а большая ось равна половине длины волны четного вида колебания на второй рабочей частоте.

8. Пересечение по пп.1 и 2, отличающееся тем, что диагональ основного и дополнительного полосковых резонаторов равна длине волны четного вида колебания.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10