Миниатюрные конструкции микрополосковых мостовых устройств

не всегда удается. В этой работе предложен метод, основанный на замене отрезка линии передачи на фильтр нижних частот (ФНЧ), обладающий тем же фазовым сдвигом, что и заменяемый отрезок. Такой метод позволяет сохранить характеристики устройства в достаточно широкой полосе частот.

Мост – устройство с четырьмя входами, предназначенное для деления мощности поровну между двумя его выходами, притом, что оставшийся выход является развязанным. Используемые во всем мире микрополосковые мосты разнообразны по используемым в них конструктивным решениям. Стандартные конструкции двух- и трехшлейфных мостов состоят из двух отрезков полосковых линий передачи, соединенных между собой с помощью двух или трех шлейфов, длины которых равны 1/4 длины волны в линии. Использование распределенных микро-полосковых отрезков линии передачи приводит к весьма значительным размерам устройства, особенно при работе на низких частотах.

Цель работы : сравнение предлагаемого метода миниатюризации с одним из самых эффективных способов снижения габаритов мостовых конструкций за счет использования изгибов микрополосковой линии типа «змейка» вместо прямых отрезков микрополосковых линий.

Такие изгибы позволяют не только сократить расстояние между входами моста, но и эффективно использовать пространство внутри него. В разработанной конструкции материалом подложки был выбран стеклотекстолит с диэлектрической проницаемостью ε=4,4, тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ=0,02 и толщиной h=1

мм. Перед началом исследований были спроекти- помощью программы AWR Design Environment рованы мостовые устройства традиционной кон- 12. Все результаты численного моделирования струкции. Электродинамическое моделирование этих образцов сведены в табл. 2.

процессов в мостовых устройствах производится с

Таблица 1. Сравнение методов миниатюризации

Источник	Технология миниатюризации	Относительный размер	Рабочая частота
	обычная микрополосковая линия	100%	-
[1]	изгиб микрополосковой линии	56%	3,25 ГГц
[2]	специально   спроектированная линия передачи	27%	0,9 ГГц
[3]	шлейф ХХ	42%	1,8 ГГц
[4]	прерывистая структура	40%	1 ГГц
[5]	высокоомные линии передачи и распределенные конденсаторы	38%	3,45 ГГц
	Фильтр нижних частот	27,6%	1 ГГц
[6]	высокоомные линии передачи и встречноштыревые конденсаторы	27%	0,9 ГГц
[7]	асимметричная Т-структура	12%	0,9 ГГц
[8]	замедляющая структура	8,5%	0,9 ГГц
[9]	π–эквивалентная схема на основе специальных линий передачи	8,0%	0,9 ГГц

Таблица 2. Сравнение размеров обычных конструкций мостов

Конструкция	Полоса развязки по уровню -20 дБ, МГц	Площадь, мм2
двухшлейфный мост	114	2051
трехшлейфный мост	331	3925

Можно заметить, что при увеличении количества шлейфов происходит увеличение полосы рабочих частот (определяемая по уровню развязки -20 дБ) с увеличением продольных размеров. Затем, используя изогнутые микрополоско-вые линии, были спроектированы аналогичные конструкции в миниатюрном исполнении. На рис. 1 приведено сравнение фазовых электрических длин четвертьволновой линии и соответствующего ей микрополоскового ФНЧ, а также их геометрических размеров.

Изгиб микрополосковых линий позволяет значительно сократить расстояние между входами моста, а внесение изгибов внутрь позволило эффективно использовать пространство внутри самого моста. Топологии полученных конструкций и их частотные характеристики представлены на рис. 2-3. Все результаты численного моделирования сведены в табл. 3.

Рис. 1. Электрические длины отрезка микро полосковой линии (сплошная линия) и ФНЧ (пунктирная линия)

Таблица 3. Сравнение конструкций мостов при изгибе МПЛ

Конструкция	Полоса развязки по уровню -20 дБ, МГц	Площадь, мм 2	Уменьшение размеров, %	Уменьшение полосы пропускания, %
двухшлейфный мост с изогнутой МПЛ	110	1143	44,3	3,5
трехшлейфный мост с изогнутой МПЛ	324	1990	49,3	2

Рис. 2. Топология двухшлейфного моста и его численные результаты проектирования

Рис. 3. Топология трехшлейфного моста и его численные результаты проектирования

Площади мостовых конструкций: двухшлейфного и трехшлейфного, были уменьшены на 44,3% и 47,3% соответственно. Метод миниатюризации мостовых конструкции с помощью изгиба микрополосковой линии (МПЛ) в виде меандра, в отличие от остальных методов, не обеспечивает существенное уменьшение размеров устройства, однако является оптимальным с точки зрения компактности и времени проектирования. Для того, чтобы повысить эффективность миниатюризации, приступаем к проектированию компактных конструкции с применением фильтров нижних частот. Применение ФНЧ существенно повысило эффективность миниатюризации. Топология двухшлейфного моста и его частотные характеристики представлены на рис.4-5.

Рис. 4. Компактная топология двухшлейфного моста

Исходя из полученных результатов определяем, что центральная частота устройства составляет 1000 МГц. Диссбаланс коэффициентов передачи составляет 0,1 дБ на центральной частоте. Полоса рабочих частот, определяемая по уровню развязки -20 дБ, равняется 90,5 МГц. Также результаты моделирования показывают, что коэффициент отражения на центральной частоте имеет значение равное -29 дБ. Геометрические размеры устройства составляют 24,3 х 23,3 = 566,2 мм2, это на 72,4% меньше по сравнению со стандартной конструкцией. Топология трехшлейфного моста и его частотные характеристики представлены на рис. 6-7.

Рис. 5. Численные результаты проектирования компактного двухшлейфного моста

Рис. 6. Компактная топология трехшлейфного моста

Рис. 7. Численные результаты проектирования компактного трехшлейфного моста

Диссбаланс коэффициентов передачи составляет 0,1 дБ на центральной частоте. Полоса рабочих частот, определяемая по уровню развяз- ки -20 дБ, равняется 307 МГц. Также результаты моделирования показывают, что коэффициент отражения на центральной частоте имеет значение, равное -31,5 дБ. Геометрические размеры устройства составляют 23,3 х 56,9 = 1325,8 мм2, это на 66,2% меньше по сравнению со стандартной конструкцией. Все полученные результаты численного моделирования сведены в табл.4. Исходя из полученных результатов численного моделирования видно, что данный метод позволяет существенно уменьшить габариты мостовых устройств. Также можно отметить, что данный способ миниатюризации отличается своей простой и быстротой проектирования компактных конструкций.

Таблица 4. Сравнение компактных конструкций мостов

Конструкция	Полоса развязки по уровню -20 дБ, МГц	Площадь, мм2	Уменьшение размеров, %	Уменьшение полосы пропускания, %
двухшлейфный мост с изогнутой МПЛ	90,5	566,2	72,4	20,6
трехшлейфный мост с изогнутой МПЛ	307	1325,8	66,2	7,25

Выводы: исследован простой и быстрый способ миниатюризации микрополосковых мостовых устройств. Уменьшение геометрических ^3. размеров мостов основано на использовании фильтров нижних частот, имеющих такой же фазовый сдвиг на центральной частоте. Были получены компактные топологии двухшлейфного, трехшлейфного мостов, работающих на центральной частоте 1 ГГц и отличающихся компактными размерами по сравнению с обыч- 5. ными конструкциями и конструкциями с изогнутой микрополосковой линией в виде меандра. Площади мостовых конструкций: двухшлейфного, трехшлейфного мостов были уменьшены на 72,4% и 66,2% соответственно. При уменьшении ^. геометрических размеров получилось сохранить характеристики устройства в широкой полосе частот.