4.8. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УСТРОЙСТВ НА ПОЛОСКОВЫХ ЛИНИЯХ
Усложнение устройств СВЧ и связанное с этим увеличение числа входящих в них элементов и общей длины соединительных цепей требуют применения эффективных методов проектирования. Использование полосковых линий дает ряд важных достоинств:
малые габариты и массу по сравнению с такими же узлами, выполненными на коаксиальных линиях и волноводах;
высокие компоновочные возможности, позволяющие создавать узлы, выполняющие сложные функции; подобные узлы на волноводах и коаксиальных линиях оказались бы слишком большими или вообще неосуществимыми;
простоту и универсальность технологии, определяющие дешевизну и повышенную надежность таких узлов.
Критериями оценки качества проектирования узлов на полосковых линиях могут служить различные факторы, характеризующиеся коэффициентами, позволяющими оптимизировать как отдельные элементы, так и всю конструкцию. Так, топологические свойства платы удобно характеризовать коэффициентом использования площади Ки.п, который выражает отношение полезной площади Sп к общей площади S0:
(4.50)
где полезная площадь равна сумме площадей Si всех радиоэлементов и полосок, расположенных на плате:
(4.51)
Здесь W — общее число элементов и полосок на плате.
Из выражений (4.50) и (4.51) можно определить величину общей площади платы, которую целесообразно использовать при проектировании:
(4.52)
При вычислении полезной площади, занятой полосковыми линиями, необходимо учитывать минимально возможное расстояние между соседними полосками и радиоэлементами, которое ограничивается допустимым уровнем паразитных связей. Практически при разработке топологии платы взаимное влияние полосок и радиоэлементов можно не учитывать, если их разделяет зазор, больший, чем расстояние между земляными пластинами. В этом случае при любой конечной длине участка связи переходное ослабление превышает 40 дБ [17].
Рис. 4.33. Рациональная технология устройств на полосковых линиях:
а) кольцевой напряженный ответвитель (гибридное кольцо); б) трехдецибельный направленный ответвитель встречно-штыревой конструкции
Рис. 4.34. Узел пересечения полосок одного слоя СПЛ: а) разрез узла пересечения; б) вид сверху
Пример рациональной топологии устройств на полосковых линиях приведен на рис. 4.33. Плотность компоновки рисунка платы одного слоя симметричной ПЛ можно увеличить, если полоски взаимно пересекать под требуемым углом с плавным переходом в месте пересечения обеих полосок на другой уровень так, чтобы они образовывали в месте перехода несимметричную ПЛ (рис. 4.34).
На плотность монтажа ПЛ существенное влияние оказывают изгибы полосок. Наилучшее согласование обеспечивают изгибы с большим радиусом закругления, но они увеличивают общие габариты полосковой линии. Наиболее целесообразен прямой изгиб полоски со срезом под углом 45°, который обеспечивает хорошее согласование в широкой полосе частот.
При проектировании устройств на ПЛ требуется учитывать все особенности их функционирования. Например, в связи с тем, что толщина полоски незначительно влияет на волновое сопротивление линии, наложение полосок одна на другую в СПЛ мало изменяет волновое сопротивление. Учитывая это, можно проектировать бесступенчатые раздвижные линии, не делать компенсирующих уступов при межслойном соединении, использовать наложения полосок друг на друга без применения пайки.
Рис. 4.35. Регулируемый СВЧ ответвитель;
1 — основной канал; 2 — ротор; 3 — сектор связи; 4 — канал ответвителя; 5 — подпружиненная пластинка
Примером рационального использования свойств ПЛ является регулируемый СВЧ ответвитель (рис. 4.35), в котором длина дуги сектора равна длине дуги радиального изгиба основной ПЛ и максимальная связь обеспечивается при их полном совмещении. При повороте ротора вокруг своей оси угол совмещения уменьшается и переходное ослабление возрастает. Ответвитель может быть выполнен как на симметричной, так и несимметричной линиях, либо в виде отдельного прибора с входными и выходными разъемами, либо в составе сложных устройств с безразъемными соединениями. Наибольший выигрыш в использовании поверхности полосковых плат получается при однослойном монтаже схемы, но такая конструкция при больших размерах платы не всегда удобна для компоновки СВЧ — устройства в блоке, шкафу или отсеке.
(4.53)
В качестве фактора оптимизации габаритов можно принять минимизацию поверхности, охватывающей всю конструкцию. Для количественной оценки уровня минимизации поверхности служит коэффициент дефекта формы Кд.ф:
где V — объем конструкции; S — поверхность конструкции.
Рис. 4.36. Трехслойное полосковое устройство: а) разрез; б) межслойный переход
Анализируя это выражение, можно заключить, что более рациональной будет многослойная этажерочная конструкция, когда платы расположены слоями одна на другой. Для такой конструкции остро встает вопрос обеспечения соединения слоев. На рис. 4.36 показаны трехслойное полосковое устройство на СПЛ с двумя, межслойными переходами и отдельно межслойный переход. Переход выполнен в виде интегралообразно изогнутого отрезка полосковой линии того же сечения, что и сечение соединяемых ПЛ. Изготавливается такой переход путем фрезерования в собранных платах косых пазов и укладывания в них полосок и корпусных пластин.
Рис. 4.37. Полосковый трехслойный делитель мощности
На рис. 4.37 приведен пример компоновки устройства, реализующего многослойный принцип построения устройств на ПЛ. Это кольцевой полосковый делитель мощности для метрового диапазона, выполненный в виде трехслойной полосковой линии таким образом, что полоска основной линии разветвляется на первом слое и укладывается на каждом слое в виде витков, соединенных межслойными переходами, а сосредоточенное сопротивление включено между выходными каналами на последнем слое. При необходимости число слоев может быть увеличено.
Для оценки компоновки по объему удобно пользоваться коэффициентом использования объема, который можно выразить как отношение полезного объема, занимаемого слоями полосковых плат Vп, к объему, занимаемому всей конструкцией V0:
(4.54)
Здесь полезный объем равен сумме т объемов всех плат и элементов, входящих в конструкцию:
(4.55)
Из выражения (4.54) следует, что для повышения Ки.о следует стремиться к уменьшению объема корпуса или исключению его.
В связи с тем, что устройства на полосковых линиях, как правило, сопрягаются с коаксиальными или волноводными линиями, то наряду с межслойными разрабатываются и применяются коаксиально-полосковые и волноводно-полосковые переходы. При проектировании коаксиально-полосковых переходов необходимо удовлетворить требованиям сохранения Т-волны и согласования по волновому сопротивлению; при проектировании волноводно-полосковых переходов — требованиям полного преобразования энергии волноводного типа волны в волну Т,
Рис. 4.38. Коаксиально-полосковые переходы: а) аксиальный; б) перпендикулярный
Существуют два типа коаксиально-полосковых переходов: аксиальные (рис. 4.38а) и перпендикулярные (рис. 4.38б). Кроме того, по типу соединения кабеля с полосковыми устройствами их разделяют на разъемные и безразъемные.
Рис. 4.39. Волноводно-полосковые переходы: а) зондового типа; б) типа П-образный переход
Сложность разработки коаксиально-полосковых переходов заключается в большом разнообразии типов кабелей, присоединительных рядов соединителей, значений волновых сопротивлений, материалов, толщины и диэлектрической проницаемости подложки полосковых и микрополосковых линий. Например, фирма Tek-Wove Inc. (США) выпускает более 100 видов коаксиально-полосковых переходов.
Обычно используются волноводно-полосковые переходы зондового типа (рис. 4.39а), в виде плавного П-образного перехода
(рис. 4.39б) или щелевого типа, когда в земляной пластинке полосковой линии перпендикулярно ее продольной оси прорезана щель, через которую осуществляется ее связь с волноводом.
