WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Кроме того, удобный при расчетах на относительно высоких частотах, когда сдвиг фазы поля между соседними штырями достаточно велик, метод многопроводных линий оказывается слишком сложным на относительно низких частотах, когда приходится учитывать взаимное влияние большого количества штырей.

Метод эквивалентных длинных линий основан на замене реальной структуры импедансной поверхностью. Это позволяет воспользоваться вместо волновой проводимости одного штыря проводимостью в направлении поперечной координаты, рассчитанной на единичной длине системы. Замена основана на рассмотрении картины силовых линий электрического поля в продольном сечении. При этом упрощается картина поля, что, в свою очередь, позволяет уточнить электрическую схему эквивалентной линии. Пользуясь тем, что часть силовых линий электрического поля волны заканчивается на экране, а часть возвращается на импедансную поверхность (рис.1), эквивалентная емкость может быть представлена в виде суммы емкостей, каждая из которых обратно пропорциональна проходящим через них токам смещения.

X Z Рис. 1. Распределение напряжённости электрического поля волны в продольном сечении штыревой гребёнки.

Эквивалентная погонная индуктивность складывается из индуктивностей основания гребенки и планки, а также погонной индуктивности импедансной поверхности, образованной штырями. Нагрузка на концах штырей, соединенных основанием гребенки, предполагается близкой к нулю (равной индуктивности основания).

В результате применения такого комбинированного метода для штыревой гребенки с емкостной планкой (рис.2) получено дисперсионное уравнение - 2B - C = 0, (1) k k Wptg(Hk) где - поперечная постоянная, k – волновое число, 2B = ;

2bT Wp 4H C = ln - коэффициенты, W – ширина основания гребенки, равная ширине bT W планки, Н - длина штырей, b – расстояние между гребенкой и планкой, р – ширина штырей, Т – период расположения штырей. Изначально предполагалось, что W << H; b << p,W.

Рис.2. Штыревая гребенка с планкой и заменяющая ее эквивалентная длинная линия.

Здесь С1 и L1 – эквивалентные погонные емкость и индуктивность гребенки, С’- эквивалентная емкость между основанием гребенки и планкой, L’- погонная индуктивность импедансной поверхности, образованной штырями.

Из полученного дисперсионного уравнения (1) видно, что на относительно низких частотах, когда 2B << Ck /, решение уравнения имеет следующий приближенный вид / k C. Таким образом, условием относительно низких частот для рассматриваемой системы является следующее неравенство 4H Wptg (Hk) << 4bT ln. (2) W 10,9,8,7,6,Эксперимент 5,Эксперимент 4,3,2,0 0,2 0,4 0,6 0,Hk Рис. 3. Расчетные и экспериментальные зависимости замедления n от параметра Нк для штыревой гребенки с планкой. Кривая 1 – С=15, B=4tgHk, Кривая 2 – С=95, B=2tgHk На рис. 3 приведены результаты расчёта коэффициента замедления n, полученные с помощью уравнения (1) для различных значений Н/W и W/p и отношения р/Т равного 0,5. Здесь же показаны экспериментальные точки, полученные на макетах со следующими размерами: Н = 45 мм, W = 10 и 5 мм, b = 0,3 мм, р = 5 мм, Т = 10 мм.

n Аналогичным комбинированным методом проведен расчет связанных штыревых гребенок (рис.4), с той лишь разницей, что емкость между штырями представлена в виде двух идентичных емкостей С1 и С2, разделенных индуктивностями L1 каждого из штырей.

Рис.4. Связанные штыревые гребенки и заменяющая их эквивалентная длинная линия.

Дисперсионное уравнение рассматриваемых связанных штыревых гребенок отличается от уравнения (1) только коэффициентами В и С, приобретающими в этом случае вид H pk Hp 4H B = ; C = ln (3) 4bT bT W Результаты решения уравнения (1) с учетом формул (3), полученных для коэффициентов В и С, которые считались равными 14 и 160, приведены на рис. также в виде зависимостей замедления n от пропорционального частоте параметра Hk.

Здесь же приведены результаты измерений замедления волны в гребёнках, нанесённых на противоположных сторонах диэлектрической пластины. Диэлектрическая проницаемость материала пластины равна 7, Н = 48 мм, W = 2 мм, b = 2 мм, р/Т = 0,75.

При расчёте значение b выбиралось с учётом эффективной диэлектрической проницаемости материала пластины, то есть равным 0,75.

20,19,18,17,16,15,14,13,12,0 0,2 0,4 0,6 0,Hk Расчет Эксперимент Рис. 5. Расчётная зависимость замедления n от параметра Hk для связанных штыревых гребенок.

n В третьей главе "Компьютерное моделирование микрополосковых СВЧ устройств на резонансных отрезках одиночных и связанных штыревых замедляющих систем" рассмотрены особенности численного моделирования электродинамических структур с помощью программы AWR Design Environment, основанной на методе моментов.

Решение электродинамической задачи в этой программе проводится для трехмерного устройства, находящегося в прямоугольном корпусе, с идеально проводящими стенками, заполненном планарными слоистыми средами (рис.6).

Рис. 6. Модель СВЧ-устройства в программе AWR в виде многослойной среды, содержащей магнитодиэлектрические и проводящие объекты.

Модуль электромагнитного расчета EMSight разбивает структуру на базисные треугольные функции, геометрия которых согласована с узлами однородной прямоугольной сетки и позволяет получить обобщенную форму интегрального уравнения электрического поля для неизвестного тока. Используемый метод моментов, являющийся сочетанием треугольных базисных функций и метода Галеркина, преобразует интегральное уравнение в систему алгебраических уравнений, которая решается численно. Матрица моментов формируется на основании комбинации базисных и весовых функций. Размер задачи, которая может быть решена EMSight, определяется только общим объемом физической памяти компьютера, доступной для хранения матрицы моментов.

С использованием программы AWR Design Environment проведено моделирование фильтра низких частот (ФНЧ) на штыревой гребенке с ломаной планкой. Для электромагнитного расчета была создана структура, расположенная в двух слоях (рис.7). Слой 1 – воздух, высотой 10мм. Такая высота была выбрана для исключения влияния металлической крышки. Слой 2 – гетинакс толщиной 1 мм, с диэлектрической проницаемостью 5, без учета диэлектрических потерь, что позволило существенно сократить время расчета.

Рис.7. Модель структуры ФНЧ на штыревой гребенке с ломаной планкой в программе AWR.

Структура фильтра низких частот была расположена во втором слое. При первоначальном расчете она была разбита на 72 ячейки по вертикали и горизонтали (рис.8). Размер ячейки получился 0,5*0,5 мм. После этого, с учетом плотности тока было проведено последующее разбиение на ячейки для расчета. В областях с высокой плотностью тока размер ячейки соответствовал заданному, в областях с низкой плотностью тока размер расчетной ячейки был больше.

Рис.8. Топология ФНЧ и ее разбиение на ячейки для моделирования.

Результаты моделирования ФНЧ на штыревой гребенке с ломаной планкой в виде зависимостей амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) от расстояния от штырей до планки и от количества согласующих штырей представлены на рис. 9, 10.

Рис. 10. Зависимости АЧХ ФНЧ от количества Рис.9. АЧХ ФНЧ в зависимости от расстояния от согласующих штырей.

штырей до ломаной планки.

Далее проведено моделирование АЧХ корректора, представляющего собой две связанные штыревые гребенки, расположенные на двух сторонах платы из стеклотекстолита (рис.11). Относительно друг друга гребенки расположены зеркально.

Рис. 11. 3D- вид АЧХ корректора на связанных штыревых гребенках.

Для моделирования такой структуры в AWR Design Environment было необходимо использовать три слоя. Слой 1 представлял собой воздух (=1) толщиной 10мм. Слой - стеклотекстолит толщиной 1 мм. В слое 2 находилась верхняя сторона платы, затем слой диэлектрика, в слое 3 – нижняя сторона платы. В качестве диэлектрического заполнения слоя 3 использовался воздух. Это было сделано, чтобы исключить влияние нижней границы металлизации. Результаты численного моделирования представлены на рис.12-13 в виде зависимостей АЧХ от толщины подложки и зависимостей коэффициента передачи от степени аподизации (перекрытия гребенок).

Рис. 12. Зависимости коэффициента передачи АЧХ Рис.13. Зависимости АЧХ от степени аподизации корректора от толщины подложки.

(перекрытия гребенок).

Также с помощью программы AWR Design Environment было проведено моделирование микрополоскового резонатора на копланарных штыревых гребенках с емкостными связками, который может быть использован как чувствительный элемент измерительного преобразователя для контроля зазоров или толщины металлизации на диэлектрических подложках. По результатам моделирования была создана матрица рассеяния, результаты расчета которой показаны на рис.15. Для моделирования противофазного включения были использованы противофазные порты. При моделировании микрополоскового резонатора было проведено исследование зависимости его амплитудно-частотной характеристики от расстояния между гребенками. При проведении анализа АЧХ микрополоскового резонатора было установлено, что за счет связи между гребенками, а также использования емкостных связок возникают две характеристические частоты, положение которых зависит от расстояния между гребенками.

Рис.15. Топология микрополоскового резонатора на копланарных штыревых гребенках с емкостными связками и его амплитудно-частотные характеристики.

В четвертой главе “Экспериментальное исследование микрополосковых СВЧ устройств на резонансных отрезках одиночных и связанных штыревых замедляющих систем” выполнены и проанализированы экспериментальные исследования предложенных частотно-селективных СВЧустройств, которые подтвердили ранее полученные теоретические зависимости.

Схема стандартной измерительной установки на основе измерителя комплексных коэффициентов передачи Р4-37, работающего в поддиапазоне 0,МГц, приведена на рис.16. Макет ФНЧ на гребенке с ломаной планкой включался в схему на проход, что позволило измерить его коэффициент передачи. Измеренные значения модуля коэффициента передачи в полосе рабочих частот, находятся в пределах 0,51,0 дБ, а крутизна спада характеристики составляет более 20дБ/100МГц (рис.17).

Рис. 16. Схема экспериментальной установки на базе панорамного измерителя Р4-37.

Рис. 17. Внешний вид и амплитудно-частотные характеристики макета ФНЧ на штыревой гребенке с ломаной планкой.

Макет АЧХ-корректора также включался в схему на проход, с противофазной нагрузкой входа и выхода, что позволило измерить его коэффициент передачи (рис.18).

В качестве фазосдвигающей цепи использовался фазовращатель. Измеренная ширина рабочей полосы частот корректора составила 1 ГГц. Потери в полосе пропускания не более 10дБ.

Рис.18. Схема включения АЧХ корректора, и его амплитудно-частотные характеристики.

Экспериментальный макет микрополоскового резонатора на связанных штыревых гребенках с емкостными связками изготовлен на основе двух пластин из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5мм (рис. 19). Ширина р штырей и полосок – 5 мм, период Т их расположения – 10 мм, ширина W основания гребёнок – 5 мм, длина Н (гребешок плюс основание) – 46 мм, расстояние между гребёнками – 3 мм, длина емкостных связок – 100мм, общая длина структуры - 75мм, относительное значение диэлектрической проницаемости материала пластин - 5.

1,p T 1,p T H Рис. 19. Экспериментальный макет резонатора на копланарных штыревых гребенках с емкостными связками.

Дисперсионные характеристики, измеренные на описанном макете при различных зазорах между гребёнками и полосками, представлены в виде зависимостей замедления n от параметра Нk на pис.20. Полученные кривые характеризуют влияние емкостной связи между гребёнками на величину коэффициента замедления. Изменение зазора b между полосками и гребёнками от 2 мм до расстояния, превышающего зам сопровождается, как это видно из рис.20, существенным уменьшением замедления.

Возможность применения рассматриваемого резонатора в качестве чувствительного элемента для измерения расстояния до металлической поверхности, а также для измерения толщины металлизации на диэлектрической подложке, демонстрируется зависимостями замедления n от величины зазора d между емкостными полосками и металлической пластиной, установленной параллельно гребешкам со стороны полосок (рис.21). Расстояние между емкостными полосками и гребёнками порядка 0,2 мм.

10,n 9,00 11,8,10,7,9,5 6,00 8,5,7,4,4 8 16 24 32 0,15 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,Hk d, мм 1 2 3 Рис. 20. Экспериментальные зависимости замедления n Рис.21. Экспериментальные зависимости замедления n от расстояния между от параметра Hk при различных расстояниях b между металлической поверхностью и ЧЭ d для 1-го гребенками и связками. Кривая 1- b=2мм, кривая 2- (кривая 1), 2-го (кривая 2) и 3-го (кривая 3) резонансов.

b=3мм, кривая 3- b=5мм, кривая 43- b=.

Экспериментальные исследования влияния отношения ширины штырей р к периоду Т показали, что при их изменении от 0,75 до 0,5 и расстоянии между противолежащими штырями 1...2 мм, изменение замедления не превышает 5...10%. Это подтверждает хорошее соответствие результатов теории и эксперимента и указывает на возможность использования при расчётах импедансного приближения, сводящегося к замене реальных штырей импедансной поверхностью.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ Основным итогом диссертационной работы является решение актуальной задачи, заключающейся в разработке новых микрополосковых СВЧ устройств на основе исследования физических особенностей электродинамических структур на резонансных отрезках одиночных и связанных замедляющих систем. Особенностью работы является ее прикладная направленность, позволяющая использовать полученные теоретические и экспериментальные результаты для решения конкретных научно-практических задач. Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Проведен анализ современного состояния и тенденций развития микрополосковых СВЧ устройств на резонансных отрезках штыревых замедляющих систем, включающий аналитические и численные методы расчета и проектирования, их n физические и конструктивно- технологические особенности. На основе анализа установлено, что для практических конструкций микрополосковых СВЧ устройств на резонансных отрезках штыревых замедляющих систем эффективно применение методики комбинированного использования приближенно-аналитических (метод эквивалентных длинных линий, метод многопроводных линий) и численных (метод моментов) методов, позволяющей исследовать распределение напряженностей составляющих электромагнитных полей и дисперсионные характеристики исследуемых структур.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»