[1]Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть использовано в радиолокации, радионавигации, связи, антенных системах и радиоизмерениях как самостоятельное устройство, а также в качестве функционального узла для построения фазовращателей, смесителей, модуляторов, дискриминаторов и диаграммообразующих элементов.
[2]На данный момент широко известна конструкция квадратурного направленного ответвителя, который содержит диэлектрическую подложку, одна поверхность которой металлизирована, а на другой две микрополосковые линии соединены на расстоянии четверти длины волны двумя четвертьволновыми шлейфами. (Вольман В.И., Пименов Ю.В. Техническая электродинамика - «Связь», 1971. - 487 с.). Устройство обеспечивает деление входного сигнала между двумя его выходами с разностью фаз 90°. Недостатками указанного микрополоскового направленного ответвителя являются: большие габаритные размеры, особенно на низких частотах, а также паразитные полосы частот на соседних более высоких частотах.
[3]Известно множество схемно-конструктивных решений, позволяющих уменьшить размеры шлейфных квадратурных ответвителей, за счет использования распределенных и/или сосредоточенных элементов, как в одном, так и в нескольких слоях диэлектрика. Чтобы оценить современное состояние вопроса в этой области, рассмотрим некоторые подходы к миниатюризации ответвителей.
[4]В [Jian-An Hou and Yeong-Her Wang. Design of Compact 90 and 180 Couplers With Harmonic Suppression Using Lumped-Element Bandstop Resonators // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2010. Vol. 58, No. 11. Pp. 2932-2939] исследован миниатюрный мост, размеры которого уменьшены за счет использования Т-образных звеньев на сосредоточенных LC элементах. Благодаря плотному расположению элементов между собой, удалось занять всё свободное пространство внутри устройства. Натурный эксперимент показал, что прототип работает на центральной частоте 2,45 ГГц с относительной полосой 11,5 % (оцениваемая по уровняю развязки 20 дБ). Миниатюрный мост на 95% меньше полноразмерной конструкции. Недостатком использования сосредоточенных элементов связано с тем, что требуемые номиналы элементов могут не соответствовать номиналам, предоставленным в специальных номинальных рядах. Кроме того, такие элементы подвержены влияниям вибрационных нагрузок, которые могут привести к отказу устройства.
[5]Индуктивность и емкость на печатной плате можно реализовать с помощью отрезков микрополосковых линий, в том числе нестандартной формы.
[6]В [Xu He-xiu, Wang Guang-ming and Zhang Chen-xin. Compact Design of Branch-line Coupler Based on CRLH TL Combined With Fractal Shaped Geometry // 2010 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology. Chengdu, China. 2010] описана конструкция моста с центральной частотой 0,88 ГГц полученная путем изгиба линий передачи и вырезов в экране (реализация емкостей). Такой подход позволил уменьшить габариты моста на 75,8% по сравнению с габаритами традиционного устройства. Относительная полоса частот по уровню развязки 20 дБ составляет 11,4%.
[7]В [Chi-Hsing Wu and Chao-Hsiung Tseng. A Compact Branch-Line Coupler Using π-Equivalent Shunt-Stub Based Artificial Transmission Lines // Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference 2010. Yokohama, Japan. 2010] предложен мост, полученный за счет использования изогнутых шлейфов холостого хода. За счет того, что шлейфы занимают почти всё свободное пространство моста, позволило уменьшить его площадь до 92%. Относительная полоса частот по уровню развязки 20 дБ составляет 3%. Недостатком такого подхода являются высокие требования к точности изготовления топологии устройства.
[8]Использование многослойной технологии позволяет повысить степень миниатюризации направленных ответвителей. Под степенью миниатюризации понимается уменьшение площади ответвителя по сравнению с традиционной конструкцией без учета подводящих линий.
[9]В [Greg Brzezina and Langis Roy. A Miniature Lumped Element LTCC Quadrature Hybrid Coupler for GPS Applications // 2008 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. San Diego, CA, USA. 2008] представлен ответвитель полученный заменой четвертьволновых отрезков на LC-элементы, расположенные в нескольких слоях подложки. Предложенная конструкция на 95% меньше традиционной конструкции. При центральной частоте 1,55 ГГц, относительная полоса частот составляет 5,5 %.
[10]В целом можно выделить наиболее распространённые подходы к миниатюризации ответвителей, которые встречаются в литературе. Это изгиб четвертьволновых отрезков, увеличение диэлектрической проницаемости, замена четвертьволновых отрезков на инверторы; фильтры частот; двойные линии; неоднородные линии; фрактальные структуры; вырезы в экране (лишь в металлизированном слое). Однако уменьшение габаритов ответвителей за счет увеличения диэлектрической проницаемости подложки, изгиба четвертьволновых отрезков, использования параллельных шлейфов и неоднородных линий передачи не позволяет достичь высокой степени миниатюризации направленных ответвителей из-за неэффективного использования площади внутри устройства. Использование инверторов вместо четвертьволновых отрезков направленных ответвителей осложняется тем, что требуется использование отрицательных емкостей и индуктивностей, которые трудно реализовать на практике. Введение фрактальных структур в состав направленных ответвителей позволяет достичь высоких показателей в миниатюризации устройств при незначительном ухудшении их частотных характеристик. Однако степень миниатюризации таких ответвителей будет зависеть от максимального реализуемого на практике порядка фрактальной структуры.
[11]Для миниатюризации направленных ответвителей лучше использовать фильтры нижних частот, выполненные по Т- (индуктивность, емкость, индуктивность – LCL) и/или П- (емкость, индуктивность, емкость –CLC) образной схеме, так как в этом случае емкости и индуктивности на печатной плате могут быть реализованы в нестандартной форме с требуемой технологической реализуемостью. Недостатком использования фильтров частот для миниатюризации ответвителей в случае трехслойных подложек (металлизация, подложка, металлизация) является ограничение площади внутри ответвителя. Поскольку окончательное уменьшение размеров ответвителя будет достигнуто, когда емкостные элементы звеньев займут всё свободное пространство внутри устройства, и дальнейшее увеличение степени миниатюризации возможно, например, за счет уменьшения габаритов используемых конденсаторов. Однако этот подход не освящен в литературе и можно считать, что он неочевиден для специалистов.
[12]Известен компактный направленный ответвитель, который содержит диэлектрическую подложку, одна поверхность которой металлизирована, а на другой, первый вход первого фильтра нижних частот соединен с первым входом устройства и вторым входом четвертого фильтра нижних частот, второй вход первого фильтра нижних частот соединен со вторым входом устройства и первым входом второго фильтра нижних частот, второй вход второго фильтра нижних частот соединен с третьим входом устройства и первым входом третьего фильтра нижних частот, второй вход третьего фильтра нижних частот соединен с четвертым входом устройства и первым входом четвертого фильтра нижних частот (патент РФ №177305, класс МПК Н01P 5/18).
[13]Недостатком такого подхода к миниатюризации ответвителей является ограничение свободного пространства внутри устройства, которое активно используется при уменьшении его габаритов. В связи с этим дальнейшая миниатюризация ответвителя не может быть осуществлена, если свободное пространство внутри него используется полностью.
[14]Технической проблемой изобретения является расширение арсенала миниатюрных диаграммо-образующих схем, а также в уменьшении размеров, направленных ответвителей и расширении возможностей миниатюризации таких устройств без использования многослойной технологии печатных плат.
[15]Технический решение достигается тем, что компактный направленный ответвитель, включающий диэлектрическую подложку, одна поверхность которой металлизирована, а на другой, первый вход первого фильтра нижних частот соединен с первым входом устройства и вторым входом четвертого фильтра нижних частот, второй вход первого фильтра нижних частот соединен со вторым входом устройства и первым входом второго фильтра нижних частот, второй вход второго фильтра нижних частот соединен с третьим входом устройства и первым входом третьего фильтра нижних частот, второй вход третьего фильтра нижних частот соединен с четвертым входом устройства и первым входом четвертого фильтра нижних частот, отличающийся тем, что со стороны металлизированной поверхности под емкостными элементами фильтров, выполнены полости, с глубиной не превышающей толщину подложки, при этом стенки полостей имеют металлизированный слой.
[16]Полости под емкостными элементами выполнены следующим образом: после получения компактного направленного ответвителя (в котором четвертьволновые отрезки заменены фильтрами нижних частот), например, с помощью фотолитографии. В местах установки емкостных элементов со стороны металлизированной поверхности (экрана) снимается металлизированный слой и толщина подложки определённой величины в зависимости от решаемой задачи. Это позволяет уменьшить толщину подложки под емкостными элементами и тем самым увеличить номинал емкости для той же площади элемента на печатной плате. В результате это позволяет дополнительно увеличить степень миниатюризации (уменьшение площади ответвителя относительно площади его традиционной конструкции) ответвителя, когда его элементы реализованы в одном проводящем слое. Такой подход позволяет в некоторых случаях избежать использования многослойных печатных плат, что упрощает конструкцию устройства.
[17]После уменьшения толщины подложки выполняется операция по нанесению металлизации (металлизирующего слоя) для восстановления электрического контакта с общим экраном. Металлизацией покрывается вся внутренняя площадь полости, что позволяет восстановить сплошную металлизацию под топологией устройства.
[18]Такой подход позволяет расширить возможности миниатюризации квадратурных направленных ответвителей, в которых свободное пространство внутри устройства используется в полной мере за счет уменьшения размеров емкостных элементов.
[19]Таким образом, предлагаемый квадратурный направленный ответвитель с полостями в экране обеспечивает достижение технического результата, выражающегося в расширении арсенала миниатюрных диаграммо-образующих схем и расширении возможностей миниатюризации направленных ответвителей без использования многослойной технологии печатных плат.
[20]На прилагаемых чертежах представлен компактный направленный ответвитель, где:
[21]на фиг. 1 – диэлектрическая подложка, вид сверху (топология ответвителя);
[22]на фиг. 2 – диэлектрическая подложка, вид снизу (металлизированная поверхность с полостями А1, А2, А3 и А4);
[23]на фиг. 3 – диэлектрическая подложка, вид сбоку;
[24]на фиг. 4 – частотные характеристики компактного ответвителя полученные в программе Ansys HFSS – график разности фаз между выходными сигналами от частоты.
[25]на фиг. 5 – частотные характеристики компактного ответвителя полученные в программе Ansys HFSS - график S-параметров от частоты.
[26]На диэлектрической подложке, с одной стороны (фиг.1) расположена топология компактного ответвителя состоящая из четырех подводящих линий и четырех фильтров нижних частот, а с другой стороны металлизированная поверхность (фиг.2), где под емкостными элементами выполнены полости с глубиной, не превышающей толщину подложки, при этом стенки полостей имеют металлизированный слой. Специальные полости в экране под емкостными элементами фильтров позволяют уменьшить габариты последних за счет уменьшения расстояния между обкладками. Рассмотренна реализация компактного ответвителя (фиг.1-3) у которого расстояния между плоскопараллельными конденсаторами уменьшены с 1 мм до 0,8 мм за счет полостей А1, А2, А3 и А4, стенки которых имеют металлизированный слой для восстановления контакта с металлизированной поверхностью. Предлагаемая конструкция направленного ответвителя на 81% меньше традиционной конструкции. Относительная полоса частот по уровню развязки 20 дБ составляет 7% (фиг.4). Разность фаз между выходными сигналами составляет 90 градусов (фиг. 5).
[27]На практике конструкцию ответвителя, представленная на фиг. 1, может быть получена путем фрезерования подложки под конденсаторами в слое экрана и последующей металлизации для восстановления электрического контакта с экраном.
[28]Другим вариантом реализации является использование двух СВЧ подложек, одна из которых имеет сквозные отверстия в форме конденсаторов (емкостных элементов). Эти подложки объединяются, после чего наносится дополнительный слой металлизации для восстановления экрана с нижней стороны. Недостатком такого подхода является необходимость в формировании полостей и металлизации их стенок. Однако при нынешнем уровне технологического развития этот недостаток не является существенным.
