Расчёт и разработка делителя мощности на основе микрополосковой линии

Моя.doc

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра радиоуправления
Пояснительная записка
к курсовому проекту по дисциплине: “УСВЧ и АФУ”
Конструкция диаграммобразующей схемы на основе микрополосковой линии
Валеев Марсель Равилевич
Анализ задания и обоснование выбранного варианта
Заключение и список использованной литературы
Спецификация к сборочному чертежу
В современных антенных системах в СВЧ измерительной технике и в ряде других случаев часто применяются микрополосковые делители мощности. Делителями мощности называют многополюсные устройства предназначенные для распределения мощности поданной на вход между другими входами в заданное соотношение.
Уровень боковых лепестков
Фазовое распределение
Конструктивное исполнение
Входное сопротивление
В качестве диаграммобразующей схемы могут использоваться Т и Y-образные разветвление кольцевые схемы мостов резистивные делители мощности. Мы же будем использовать топологию изображенную на рисунке:
С помощью каскадного включения данного типа делителя можно делить мощность в принципе на любое число каналов в нашем случае на 5 каналов. Так как у нас распределение мощности по каналам неравномерное то данный вид делителя будет самым удобным.
Далее определимся с диэлектрическими материалами и проводниками микрополосковой линии.
При эксплуатации микрополоскового узла на него воздействуют как внешние факторы приводящие к отказам по причинам не зависящим от самой аппаратуры так и внутренние зависящие от особенностей работы аппаратуры.
К внешним факторам относятся климатические и механические воздействия а также электромагнитные излучения. Последние могут вызвать намагничивание приводящее к изменению выходных параметров изменению электрических свойств материалов местному или другому виду нагрева. К внутренним факторам относятся режимы работы процессы старения. В зависимости от режима работы в аппаратуре возникают различные перенапряжения резкие изменения тока из-за переходных процессов.
Так как у нас частота равна 400МГц то размеры платы получатся большими поэтому в качестве диэлектрического материала возьмем фольгированный фторопласт-4 (ФФ-4) который предназначен для изготовления СВЧ-плат больших размеров. Данный материал обладает хорошими характеристиками такими как высокая плотность химическая стойкость тепло- и морозостойкость низкий коэффициент трения малые диэлектрические потери высокая стабильность параметров в диапазоне частот и температур. К недостаткам наверное можно отнести высокую стоимость.
Проводники как правило необходимо выполнять из металлов с малым удельным сопротивлением. Мы же остановимся на меди.
Основные параметры выбранных материалов:
Удельное электрическое сопротивление
В большинстве случаев достаточно чтобы толщина проводника в МПЛ составляла 3-5 глубин проникновения токов (скин-слоев). Мы же возьмем МПЛ с фольгированной поверхностью в процессе изготовления толщиной t=005мм. Толщину диэлектрика h выберем равной 2мм.
С помощью каскадного включения делителей показанных на рисунке 1 получим:
Работа данного делителя основана на том что мощность сигнала на входе распределяется между плечами делителя в зависимости от их сопротивления. Таким образом система уравнений для определения волновых сопротивлений участков делителя выглядит так:
Чтобы найти сопротивление четвертьволновых трансформаторов можно воспользоваться следующими формулами:
Данный делитель мощности - с параллельным разветвлением линии передачи следовательно необходимо пользоваться следующей формулой:
где - мощности отводимые во i-ое и в j-ое плечо - волновые сопротивления i-ого и j-ого плеча - коэффициент деления по мощности.
Отсюда получаем что:
Таким образом сопротивления всех проводников находятся по вышеуказанным формулам.
Сначала определим длину волны расстояние между плечами и амплитудное распределение в плечах:
Далее найдем сопротивления каждого полоска всего их 21 (рисунок 3). Некоторые из них а именно волновые сопротивления на входе и выходе уже заданы и равны из условия что МПЛ должна быть согласована по входу и выходу с коаксиальной линией. Для нахождения всех остальных сопротивлений воспользуемся формулами (1)-(3).
Для упрощения расчета возьмем тогда и .
Как видим и следовательно четвертьволновые трансформаторы Z10 и Z14 вообще не нужны и схема примет вид:
Далее необходимо найти ширину проводников от которых зависит сопротивление линии. Значения ширины проводников можно найти по следующим формулам:
По вышеуказанным формулам можно найти выражение через которое можно определить ширину полоски.
Данная работа намного упрощается если воспользоваться специализированными программными продуктами. Мы же будем рассчитывать ширину полоски в программном продукте «Microwave Office 2000».
Сведения о характеристиках материалов микрополосковой линии содержатся в окне TXLine:
Здесь вводя параметры линии можно получить ширину полоски. Таким образом мы получили:
Значения приведены в миллиметрах.
По полученным данным можем построить саму диаграммобразующую схему в рабочем окне она выглядит следующим образом:
Также легко можно получить коэффициенты деления которые представлены в рисунке 8. Как видим в 4-ое плечо ответвляется наибольшая часть мощности поданная на вход в 3-ье и 5-ое - чуть меньшее значение а во 2-ое и в 6-ое минимальная часть. Также можно заметить что коэффициент отражения S[11] имеет значение близкое к нулю.
Чтобы выполнялось условие синфазности сигналов на выходе необходимо обеспечить одинаковую электрическую длину пути. Для этого на 2 –ой выход необходимо добавить полоску длиною 7018 мм на 3-ий выход – 2778 мм на 5-ый выход – 2872 мм на 4-ый выход ничего не добавляем так как его длина максимальная (рис. 5).

корпус.cdw

' Размервы для справок.
Неуказанные предельные отклонения размеров отверстий по H14j валов по h14j
Покрытие внешней поверхности Эмаль МЛ-165
Отверстия сверлить совместно с деталью "Крышка".
Общие технические требования ОСТ 4.ГО.070.015

Моя2.doc

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра радиоуправления
Пояснительная записка
к курсовому проекту по дисциплине: “УСВЧ и АФУ”
Конструкция диаграммобразующей схемы на основе микрополосковой линии
Валеев Марсель Равилевич
Анализ задания и обоснование выбранного варианта
Заключение и список использованной литературы
Спецификация к сборочному чертежу
В современных антенных системах в СВЧ измерительной технике и в ряде других случаев часто применяются микрополосковые делители мощности. Делителями мощности называют многополюсные устройства предназначенные для распределения мощности поданной на вход между другими входами в заданное соотношение.
Уровень боковых лепестков
Фазовое распределение
Конструктивное исполнение
Входное сопротивление
В качестве диаграммобразующей схемы могут использоваться Т и Y-образные разветвление кольцевые схемы мостов резистивные делители мощности. Мы же будем использовать топологию изображенную на рисунке:
С помощью каскадного включения данного типа делителя можно делить мощность в принципе на любое число каналов в нашем случае на 5 каналов. Так как у нас распределение мощности по каналам неравномерное то данный вид делителя будет самым удобным.
Далее определимся с диэлектрическими материалами и проводниками микрополосковой линии.
При эксплуатации микрополоскового узла на него воздействуют как внешние факторы приводящие к отказам по причинам не зависящим от самой аппаратуры так и внутренние зависящие от особенностей работы аппаратуры.
К внешним факторам относятся климатические и механические воздействия а также электромагнитные излучения. Последние могут вызвать намагничивание приводящее к изменению выходных параметров изменению электрических свойств материалов местному или другому виду нагрева. К внутренним факторам относятся режимы работы процессы старения. В зависимости от режима работы в аппаратуре возникают различные перенапряжения резкие изменения тока из-за переходных процессов.
Так как у нас частота равна 400МГц то размеры платы получатся большими поэтому в качестве диэлектрического материала возьмем фольгированный фторопласт-4 (ФФ-4) который предназначен для изготовления СВЧ-плат больших размеров. Данный материал обладает хорошими характеристиками такими как высокая плотность химическая стойкость тепло- и морозостойкость низкий коэффициент трения малые диэлектрические потери высокая стабильность параметров в диапазоне частот и температур. К недостаткам наверное можно отнести высокую стоимость.
Проводники как правило необходимо выполнять из металлов с малым удельным сопротивлением. Мы же остановимся на меди.
Основные параметры выбранных материалов:
Удельное электрическое сопротивление
В большинстве случаев достаточно чтобы толщина проводника в МПЛ составляла 3-5 глубин проникновения токов (скин-слоев). Мы же возьмем МПЛ с фольгированной поверхностью в процессе изготовления толщиной t=005мм. Толщину диэлектрика h выберем равной 2мм.
С помощью каскадного включения делителей показанных на рисунке 1 получим:
Работа данного делителя основана на том что мощность сигнала на входе распределяется между плечами делителя в зависимости от их сопротивления. Таким образом система уравнений для определения волновых сопротивлений участков делителя выглядит так:
Чтобы найти сопротивление четвертьволновых трансформаторов можно воспользоваться следующими формулами:
Данный делитель мощности - с параллельным разветвлением линии передачи следовательно необходимо пользоваться следующей формулой:
где - мощности отводимые во i-ое и в j-ое плечо - волновые сопротивления i-ого и j-ого плеча - коэффициент деления по мощности.
Отсюда получаем что:
Таким образом сопротивления всех проводников находятся по вышеуказанным формулам.
Сначала определим длину волны и расстояние между плечами. Их можно найти по формулам:
Далее найдем амплитудное распределение в плечах. Для этого мы используем заданный нам уровень боковых лепестков равный -15 дБ. Для уровня боковых лепестков -158 дБ что обеспечивает более меньший уровень боковых лепестков чем заданное характерен следующий закон изменения амплитуды поля:
где x – координата каждого из излучателей Δ – значение амплитудного пьедестала и для уровня боковых лепестков -158 дБ Δ=08. Из вышеуказанной формулы получим:
Далее найдем сопротивления каждого полоска всего их 21 (рисунок 3). Некоторые из них а именно волновые сопротивления на входе и выходе уже заданы и равны из условия что МПЛ должна быть согласована по входу и выходу с коаксиальной линией. Для нахождения всех остальных сопротивлений воспользуемся формулами (1)-(3).
Для упрощения расчета возьмем тогда и .
Как видим и следовательно четвертьволновые трансформаторы Z10 и Z14 вообще не нужны и схема примет вид:
Далее необходимо найти ширину проводников от которых зависит сопротивление линии. Значения ширины проводников можно найти по следующим формулам:
По вышеуказанным формулам можно найти выражение через которое можно определить ширину полоски.
Данная работа намного упрощается если воспользоваться специализированными программными продуктами. Мы же будем рассчитывать ширину полоски в программном продукте «Microwave Office 2000».
Сведения о характеристиках материалов микрополосковой линии содержатся в окне TXLine:
Здесь вводя параметры линии можно получить ширину полоски. Таким образом мы получили:
Значения приведены в миллиметрах.
Для построения самой диаграммобразующей схемы нам не хватают значения длин проводников которые зависят от эффективной диэлектрической проницаемости последняя же зависит от ширины полоска w (4). Формула нахождения длины проводника выглядит следующим образом:
(5) где - длина волны в линии
Чтобы выполнялось условие синфазности сигналов на выходе необходимо обеспечить одинаковую электрическую длину пути. Для этого на 2 –ой выход необходимо добавить полоску длиною 7018 мм на 3-ий выход – 2778 мм на 5-ый выход – 2872 мм на 4-ый выход ничего не добавляем так как его длина максимальная (рис. 5).
По полученным данным можем построить саму диаграммобразующую схему в рабочем окне она выглядит следующим образом:
Также легко в Microwave Office можно получить коэффициенты деления которые представлены в рисунке 8. Как видим в 4-ое плечо ответвляется наибольшая часть мощности поданная на вход в 3-ье и 5-ое - чуть меньшее значение а во 2-ое и в 6-ое минимальная часть. Также можно заметить что коэффициент отражения S[11] имеет значение близкое к нулю.
В идеальном случае элементы главной диагонали = 0 т.е. отражения от входов устройства нет. В нашем же случае матрица рассеяния имеет вид:
Также в Microwave Office легко проверить выполняется ли условие синфазности сигналов на выходе:
Как видим из рисунка максимальная разность фаз составляет значение 19° следовательно можно считать что условие синфазности выполняется.
Сначала определимся с размером платы возьмем ее равной 950×495мм. Расстояние между выводами должно быть кратно 15мм мы же возьмем 150 мм. Так как длины всех выводов разные а нам необходимо расположить их по одной линии то следует с помощью изгибов свести их к определенной длине пусть это будет 3578мм. В местах изгибов сделаем зеркальные отражатели. Делаются они следующим образом:

ПлатаА3.cdw

' Размеры для справок.
Металлизацию плоскости Г сохранить
на плоскости Д удалить
химическим способом.
Плата должна соответствовать ОСТ4.077.000

Table.frw

Курсач.doc

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. А. Н. ТУПОЛЕВА
Кафедра радиоэлектронных и телекоммуникационных систем
Курсовой проект по дисциплине:
«УСТРОЙСТВА СВЧ И АНТЕННЫ»
В современных антенных системах в СВЧ измерительной технике и в ряде других случаев часто применяются микрополосковые делители мощности. Делителями мощности называют многополюсные устройства предназначенные для распределения мощности поданной на вход между другими входами в заданное соотношение.
Анализ задания и обоснование выбранного варианта
)Уровень боковых лепестков-13Дб
)Фазовое распределениесинфазное
)Конструктивное исполнениемоноблок
)Входноевыходное сопротивление75Ом
Так как нам задано разработать диаграммобразающую схему на 4 излучателя то справедливо будет предположить что эти излучатели представляют из себя антенную решетку.
Для расчёта амплитудного распределения в излучателях мы используем заданный нам уровень боковых лепестков равный -15 дБ. Воспользовавшись таблицей 2.1 ([5] стр. 24) найдём что для уровня боковых лепестков -131 дБ что обеспечивает более меньший уровень боковых лепестков чем заданное характерен следующий закон изменения амплитуды поля:
где x – координата каждого из излучателей.
Для определения координат каждого из излучателей определимся с геометрией решётки. Шаг решётки (d) выберем следующим:
Размер решётки согласно формуле приведённой ниже формуле равен:
Подставив в выше приведённые формулы значение длинны волны λ0 выраженную из заданной частоты (2450 МГц) по следующей формуле:
Получив таким образом численные значения всех нужных нам параметров рассчитаем амплитудное распределение по решётке оно будет равномерным т.е. амплитуды на каждом из излучателей равны.
Для получения данного амплитудного распределения нам понадобится разработать схему делителя мощности который будет обеспечивать деление в заданной пропорции.
Делителями мощности называют многополюсные устройства предназначенные для распределения мощности поданной на вход между другими выходами в заданном соотношении. В условиях без потерь сумма выходных сигналов равна сумме входных. В данной работе будет рассмотрены взаимные линейные устройства без потерь. Условие взаимности делителя мощности означает что он может использоваться в режиме сложения сигналов если сигналы на его входы подать в том же амплитудном и фазовом соотношении что и на входах в режиме делителя. В общем случае делитель должен удовлетворять следующим требованиям:
)деление сигнала в заданном соотношении
)согласование всех плеч
)развязка выходных плеч
Делитель можно охарактеризовать идеальной матрицей рассеяния следующёго вида:
В идеальном случае элементы главной диагонали = 0 т.е. отражения от входов устройства нет. Этим же принципом будем руководствоваться и мы. Также руководствуясь условием взаимности справедливым является следующее утверждение:
Также для выполнения условия развязки выходных плеч для нашего конкретного случая всякое если ни один из индексов (i и j) не равен 1. Это условие оговаривает то что мощность с одного выхода (2 3 4 56 или 7) не может передаться ни на какой из этих выходов а только на выход 1.
Расчёт элементов матрицы рассеяния будем производить используя следующее приближение:
Пользуясь этими соотношениями найдём все элементы матрицы рассеяния.
Теперь можно переходить к выбору типа делителя который позволит реализовать данное амплитудное распределение и максимально соответствовать выдвинутым ранее теоретическим требованиям.
На основе микрополосковой линии реализуются три основных типа делителя:
)Т – образный тройник
)Делитель типа «гребёнка»
)НО с электромагнитной связью
От третьего типа делителя было решено отказаться сразу так как ответвление мощности в нём есть в первом приближении функция от расстояния между боковыми проводниками и центральным что вносит сложность в расчет. Также отсутствие простого хотя бы и приближённого метода расчёта данного делителя делает его малопривлекательным. Как не трудно заметить если один из концов проводников считать входом то выходов будет нечётное число что не соответствует техническому заданию (по заданию выходов излучателей должно быть 6) что обуславливает использование согласованной нагрузки на одном из концов что составляет дополнительные трудности.
Для наших исходных данных делитель типа «гребёнка» подходит более всего. Рассмотрим основные пункты по которым производился выбор:
)Обеспечение числа выходов излучателей:
Т – образный тройник и его комбинации могут делить мощность в заданном соотношении лишь для числа выходов отвечающих условию где n=123 Что не подходит для нас т.к. Nвых=6. (В дальнейшем его рассматривать не имеет смысла).
Делитель типа «гребёнка» может осуществлять деление на любое число выходов.
)Обеспечение синфазности:
Делитель типа «гребёнка». Для обеспечения синфазности также должно выполняться условие прохождения волной одинаковых электрических путей. Как видно из рисунка делителя L3 всегда будет больше L2 и следовательно для обеспечения синфазности необходимо удлинять полосок Z2 для того чтобы L2 стал равным L3. Это вносит определённую сложность для формирования платы и выводов но рассчитать это вполне возможно.
)Обеспечение развязки выходных плеч:
Делитель типа «гребёнка» имеет ненулевые коэффициенты матрицы рассеяния соответствующие передачи между выводами но эти значения не очень велики и с ними придётся мириться.
Оценивая положительные качества каждого из типов делителя в приложении к конкретно заданным параметрам был сделан вывод что самым правильным и аргументированным выбором будет выбор делителя типа «гребёнка».
Расчет делителя мощности:
Будем считать что коммутация нашего делителя мощности будет осуществляться коаксиальными кабелями с сопротивлением R=75Ом следовательно для согласования мы выберем Z0=75Ом. Расчёт остальных параметров этой схемы будем производить согласно методике освещённой в книге [3].
Основным параметром данного делителя является (для рисунка 2 «Делитель типа гребёнка») следующее выражение:
Т.е. волновое сопротивление подводящего полоска равно параллельному соединению волновых сопротивлений отходящих от него полосков. Исходя из этого утверждения рассчитаем все волновые сопротивления нашего делителя если он имеет вид:
Для каждого из этих значений волновых сопротивлений рассчитаем по формуле толщины полосков и занесём эти данные в таблицу (все толщины указаны в сантиметрах):
Длины полосков выбираются согласно рекомендации синфазности т.е. электрические длины путей проходимых сигналом от входа до каждого из выходов должны быть равными. Для расчёта путей использовалась следующие формулы:
Расстояние между соседними отведениями от центрального полоска должно быть равным:
Получив все исходные данные мы можем перейти к выполнению чертежей платы и других сборочных единиц.
Нам удалось решить задачу деления мощности между излучателями в антенной решётке. Получившееся устройство делит мощность на заданной частоте в заданном соотношении имеет малые потери. Устройство включается посредством коаксиальных кабелей с сопротивлением 75Ом.
Габаритные размеры:213х135х35 мм.
Устройство выполнено из легкосплавных материалов и покрыто эмалью что позволяет сохранить его от коррозии и попадания посторонних предметов внутрь корпуса.
Список использованной литературы
Авксентьев А. А. Воробьев Н. Г. Морозов Г. А. Стахова Н. Е. Устройства СВЧ для радиоэлектронных систем: Учебное пособие. Казань: Изд-во Казан. гос. Техн. Ун-та 2004. 96с.
Фельдштейн А. Л. Явич Л. Р. Смирнов В. П. Справочник по элементам волноводной техники: Издание 2-е переработанное и дополненное. Москва: Советское радио 1967. С.214-230
Малорацкий Л. Г. Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ. Москва: Советское радио 1976. С.164-170
Справочник по расчёту и конструированию СВЧ полосковых устройств. Под. ред. Вольмана В. И. Москва: Радио и связь 1982. С.188-189
Антенны и устройства СВЧ:Проектирование фазированных антенных решёток. Под. ред. Воскресенского Д. И. Москва: Радио и связь 1981 432 с.

крышкаА2.cdw

Неуказанные предельные отклонения размеров:
Покрытие: Эмаль МЛ-165
Общие технические требования по ОСТ 4.ГО070.014

сборочный чертежА3.cdw

*Размеры для справок.
Паять ПОС 61 ГОСТ 21930-76
поз.6 стопорить по НГО.019.001
Общие технические требования ОСТ4.ГО.070.015.
Транспортировочная крышка

пЛАТА.cdw

' Размеры для справок.
Металлизацию плоскости Г сохранить
на плоскости Д удалить
химическим способом.
Плата должна соответствовать ОСТ4.077.000

спецификация(всё)А4.cdw

сборочный чертеж.cdw

'Размеры для справок.
Паять ПОС 61 ГОСТ 21930-76
стопорить по НГО.019.001
После сборки шов залить герметиком У-4-21.
Общие технические требования ОСТ4.ГО.070.015.

корпусА1.cdw

* Размервы для справок.
Неуказанные предельные отклонения размеров отверстий по H14j валов по h14j
Покрытие внешней поверхности Эмаль МЛ-165
Отверстия сверлить совместно с деталью "Крышка".
Общие технические требования ОСТ 4.ГО.070.015

крышка.cdw

Неуказанные предельные отклонения размеров:
Покрытие: Эмаль МЛ-165
Маркировать краской ЭП-572. черной
Общие технические требования по ОСТ 4.ГО070.014