*112739*

Инженер Коновалов С.С.

Омский государственный технический  университет, Россия

Расчет и моделирование направленного ответвителя в объеме подложки из LTCC керамики

 

Целью работы является расчет и моделирование направленного ответвителя на симметричных полосковых линиях, имеющего одну область сильной связи.

Направленный ответвитель — устройство для ответвления части электромагнитной энергии из основного канала передачи во вспомогательный. Направленный ответвитель (НО), как известно, представляет собой два (иногда более) отрезка линий передачи, связанных между собой определённым образом, основная линия называется первичной, вспомогательная — вторичной. Для нормальной работы НО один из концов вторичной линии (нерабочее плечо) должен быть заглушен согласованной нагрузкой, со второго (рабочего плеча) снимается ответвлённый сигнал, в зависимости от того, какую волну в первичной линии надо ответвить — падающую или отражённую, выбирается, какое плечо вторичной линии будет рабочим. Математически свойства направленных ответвителей описываются с помощью S-матриц (матриц рассеяния).

Наиболее компактные и широкополосные направленные ответвители в СВЧ диапазоне получаются при использовании эффектов взаимной связи в многопроводных линиях передачи с T-волнами, они могут быть реализованы как коаксиальные или полосковые НО. Полосковый НО — два отрезка близко лежащих полосковых линий с общим экраном с выводами в виде коаксиальных разъёмов.

Направленные ответвители широко применяют в разных отраслях радиоэлектроники, как в качестве самостоятельных устройств в кабельных и волноводных линиях, так и в качестве элементов радиоэлектронной аппаратуры. Как самостоятельные устройства НО используются для разветвления сигнала с линии (например, телевизионные разветвители) и для контроля параметров сигнала в линии и её согласования. Как элементы аппаратуры НО используются в основном в радиоизмерительных приборах — СВЧ ваттметрах, приборах для измерения КСВ, коэффициента передачи, установках для поверки аттенюаторов и измерения ослаблений и т.д.

В нашем случае в качестве подложки использована низкотемпературная керамика LTCC Green Tape торговой марки DuPont.

Технология низкотемпературной керамики (LTCC, Low Temperature Co-fired Ceramics) в настоящее время быстро развивается и успешно применяется для различных приложений, например, для производства ВЧ- и СВЧ-микросхем низкой и средней степени интеграции. В относительно низкой частотной области на базе LTCC-подложек изготавливают устройства для GSM, CDMA и TDMA приложений. Данная технология обеспечивает недорогое решение в массовом производстве электронных устройств для коммерческой и военной областей электронной промышленности. Использование LTCC-подложек позволило увеличить степень интеграции и снизить массогабаритные параметры. К сожалению, для разработчиков оно породило целый ряд новых проблем. Главная из которых заключается в том, что LTCC-устройства имеют ярко выраженную трехмерную структуру. Интегрированные компоненты и проводники располагаются ближе друг к другу, поэтому хорошо зарекомендовавшие себя методики проектирования топологий печатных плат и интегральных схем не в полной мере подходят для их разработки.

В нашем случае имеем заданные параметры направленного ответвителя:

диапазон рабочих частот ответвителя: 390-470МГц;

уровень ответвления: 3дБ;

развязка входов/выходов: < -15дБ;

КСВН входов/выходов: 1,1-1,2;

диэлектрическая проницаемость материала: 7,8;

расстояние между полосковыми линиями: 0,096мм;

Толщина платы: 12 слоев по 0,216мм.

Требуется выяснить габаритные размеры составных частей направленного ответвителя. Для чего произведен расчет недостающих параметров ответвителя по методике, приведенной в [1].

Описание: C:\Users\Sergey\Desktop\Фрагмент.jpg

Рисунок 1. Схематичное изображение ответвителя с указанием размеров

Метод расчета полоскового ответвителя, в конструк­ции которого используют тонкие медные полоски толщиной 0,0508 мм, поддерживаемые LTCC керамическим диэлектриком с отно­сительной диэлектрической проницаемостью =7,8, заключается в следующем.

По известным параметрам — переходному затуханию на сред­ней частоте полосы, равному 2,9 дБ (так, что с=0,716), и сопро­тивлению нагрузки Z0 = 50 Ом — используя выражения (1) и (2) получаем волновые сопротивления четных и нечетных типов волн:

          (1)

                                                            (2)

Откуда следует, что

                                                                          

                                                 

Рисунок 2. Краевые емкости четного и нечетного типов колебаний для бесконечно тонких полосок, параллельных наружным проводникам ли­пни

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расстояние между полосками выбрано равным 0,096 мм; таким образом, при общей ширине платы B= 2,16 мм (рисунок 1) получаем S/B = 0,04. Тогда значение W/B определяется по формуле (3) с учетом значения величины C'fe/ =0,4 из рисунка 2 получено:

                                               (3)

 

После проведения операций перестановки с уравнением (3) вычислена ширина проводящей полоски:

Общая длина линии связи вычисляется по формуле (4):

                                      (4)

где fср-среднее значение в заданой полосе частот.

Таким образом, определены габаритные параметры направленного ответвителя.

По результатам расчета в программной среде HFSS, предназначенной для электромагнитного моделирования была построена трехмерная модель направленного ответвителя.

Процесс проектирования с помощью HFSS включает в себя ряд стандартных шагов:

1. Создание модели анализируемой структуры, в том числе:

- создание трехмерной графической модели структуры (чертежа);

- задание параметров материалов, из которых состоит структура.

2. Определение электродинамических параметров структуры, включающее:

- задание граничных условий на поверхностях, формирующих анализируемый объект;

- определение и калибровка портов;

3. Электродинамический анализ исследуемого объекта, в том числе:

- анализ объекта в полосе частот;

- параметрический анализ объекта;

- параметрическая оптимизация объекта.

4. Визуализация результатов электродинамического анализа, включающая:

- построение графиков в декартовых, полярных координатах, диаграмм Смита, диаграмм направленности и т.д.;

- анимация распределений электромагнитного поля и электрического тока;

- сохранение результатов анализа в файлах данных.

Результат работы с программой показан на рисунке 3.

 

Описание: F:\Универ\!!!ПЕЧАТЬ!!!\topologiya3_3.jpg

Рисунок 3. Модель направленного ответвителя в среде HFSS

 

Для уменьшения габаритных размеров ответвителю придана миандровидная форма. Также произведен вывод проводников из плеч ответвтиеля, находящихся в объеме подложки на поверхность платы. Для создания разделительных полос поверхностные выводи приведены к компланарному виду, путем удаления из проводящего слоя отрезков вокруг проводящих линий.

Улучшение развязки и значений КСВ, графики которых представлены на рисунках 4 и 5, соответственно, удалось добиться путем смещения полосковых линий относительно друг друга по оси Y. Также было произведено разбиение нижнего экрана на сетку, состоящую из ромбических отрезков, длина которых много меньше λ/4.

Рисунок 4. АЧХ направленного ответвителя

На рисунке 4  показана амплитудно-частотная характеристика составленной модели направленного ответвителя, где участок развязки входит в заданный диапазон рабочих частот ответвителя: 390-470МГц.

Рисунок 5. КСВ направленного ответаителя

 

На рисунке 5 показана зависимость КСВ направленного ответвителя от частоты в диапазоне значений на входов/выходов 1,1-1,2.

Таким образом, расчитан и смоделирован направленный ответвитель на симметричных полосковых линиях, имеющий одну область сильной связи.

 

 

 

Литература

1)     Маттей, Д.Л. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи: в 2 т. / Д.Л. Маттей - М.: Связь, 1971. - 439 с.