Крижановський В.Г., Рассохина Ю.В. Донецький національний ун-т, України, 83055 Донецьк, вул. Університетська, 24 тел: +380 622 91 92 61, e-mail: radio@dongu.donetsk.ua

Анотація Представлені результати розрахунку спектру власних хвиль екранованої несиметричною щілинної лінії (НЩЛ), що містить елементи, розв’язані по постійному струму. Як приклад розрахунку матриці розсіяння пристроїв, спроектований перехід для аттенюатора на базі НЩЛ в діапазоні частот 12-і5 ГГц.

I. Вступ

Дослідження електродинамічних характеристик структур на основі щілинних ліній передачі (ЩЛ, finline structures) в СВЧ діапазоні хвиль набуває все більшого значення для проектування компактних інтегральних схем. Для реалізації ланцюгів на базі ЩЛ широко використовується Е-площинна технологія, що робить ці ланцюги сумісними зі стандартними хвилеводними конструкціями і забезпечує переходи між ними [1].

Для реалізації активних пристроїв потрібні лінії передачі, що допускають подачу постійних потенціалів. Цю проблему можна вирішити для СВЧ атенюаторів на односторонніх ЩЛ, з підключенням діодів безпосередньо на щілину і подачею харчування окремими провідниками [2], але ситуація ускладнюється при використанні підсилювачів. Для несиметричної ЩЛ (НЩЛ) виявилося можливим вирішити цю проблему і, плюс до цього, мінімізувати конструкцію в цілому за рахунок того, що довжина хвилі в НЩЛ з «перекриттям» металізованих частин набагато менше, ніж в односторонньої ЩЛ.

II. Основна частина

Основна лінія передачі, НЩЛ, показана на рис.

1. Тут діелектрична пластина проникністю ег розташована симетрично в Е-площині хвилеводу, металізація виконана по обидві сторони пластини з протилежних сторін широкої стінки. На малюнку показані часткові області 1-3, на які розбивається досліджувана структура.

Рис. 1. Поперечний перетин НЩЛ для постановки крайової задачі Fig. 1. Cross-section of antipodal finline

Рішення хвильового рівняння в часткових областях 1-3 шукається у вигляді рядів Фур’є, при цьому коефіцієнти розкладання виражені через складові поля в площинах х =-t / 2 і x = t / 2. Поле в цих площинах, в свою чергу, розкладається по базисів з поліномів Чебишева 1 і 2 роду, що забезпечує швидку збіжність і стійкість алгоритму [3].

Спектр власних хвиль НЩЛ (нормовані постійні поширення рj / k0,k0 = Зі / с), розрахований за допомогою даного алгоритму, зображений на рис. 2. Тут вищі типи хвиль не поширюються ((3 = – j • у чисто уявне), а пунктиром, для порівняння, показана дисперсійна характеристика основної хвилі класичної односторонньої ЩЛ з розміром щілини 0.2 мм. Різниця в характеристиках пояснюється відмінністю в типах зв’язку між металевими ребрами: в ЩЛ має місце бічна зв’язок, а в НЩЛ лицьова зв’язок між ребрами. Тобто концентрація поля в області «перекриття» в НЩЛ набагато вище, ніж в щілинної лінії.

Рис. 2. Спектр перших чотирьох хвиль НЩЛ і основна хвиля односторонньої щілинної лінії. Розміри (в мм): А = 16, В = 8, t = 0.5, ег =9.8, hi=h2=3

Fig. 2. Spectrum of the first four waves of a screened antipodal finline and the fundamental wave of the finline.

Dimensions (mm): A=16, B=8, t=0.5, er =9.8, h1=h2=3

Для створення ділянок лінії, розв’язаних по постійному струму, була обрана конструкція, показана на рис. 3 (поздовжнє перетин, пунктиром показана металізація зворотного боку).

За теорією дифракції, поле на кожній з ділянок однорідних ліній представляється у вигляді суперпозиції їх власних хвиль. «Зшиваючи» поперечні компоненти поля на кордонах областей, отримуємо систему лінійних алгебраїчних рівнянь щодо невідомих амплітуд власних хвиль в кожній їх областей, звідки отримуємо узагальнену матрицю розсіювання хвиль на неоднорідності в лінії. Області 1,11 аналізуються за описаним вище алгоритмом, а в області III за аналогічним алгоритмом для НЩЛ з двома щілинами з одного боку (що й забезпечує необхідну розв’язку). В цьому випадку в області III існує хвиля квазі-ТИМ типу, проте, як показав подальший аналіз, коефіцієнти перетворення в неї хвилеводних мод області II досить малі. Аналіз проведено з урахуванням перших трьох реактивних хвиль вищого типу.

Рис. 3. Топологія ділянки НЩЛ з розв’язкою по постійному струму. Вказані вектор-амплітуди падаючих і відбитих хвиль, пов’язаних через Sматріцу

Fig. 3. Layout of antipodal finline section with DCdecoupling elements. Shown is vector-amplitude scattering wave, described by S-matrix

На рис. 4. показані характеристики розсіювання для структури на рис. 3, оптимізованої на максимальну передачу потужності основної хвилі НЩЛ в смузі частот. При цьому для області III на звороті НЩЛ ширина щілини (Лг) збільшена для того, щоб вивести вищі типи хвиль за межі робочого діапазону частот. Пунктиром показана характеристика каскадного з’єднання з трьох таких секцій через полуволновий відрізки НЩЛ /.

З цієї ж методикою розраховані переходи з прямокутного хвилеводу на НЩЛ.

Рис. 4. Характеристики розсіювання відрізка НЩЛ з розв’язаними елементами, 1 = 1.28 мм

Fig. 4. Reflection coefficient of a section with antipodal finline, 1=1,28 mm

III. Висновок

Розроблено алгоритми для розрахунку спектра власних хвиль НЩЛ і НЩЛ з Полосковим включенням і отримання узагальненої матриці розсіювання на неоднорідностях в цих лініях. Отримані характеристики показують, що, на відміну від звичайної ЩП, НЩЛ має більш низьке хвильовий опір, (що забезпечує гарне узгодження з активним елементом) і меншу довжину хвилі. На основі НЩЛ оптимізований перехід для СВЧ аттенюатора, що забезпечує розв’язку по постійному струму основної лінії від місця розташування діода.

[1] К. Solbach, The Status of Printed Millimeter-Wave E-Plane Circuits. IEEE MTT-31. 1983, No. 2, pp. 107-121.

[2] Бузлов А. А., Парліков В. І., Сосков Ю. А. PINаттенюатор на хвилеводно-щілинної лінії. – В кн.: 12-я Міжнародна Кримська конференція «СВЧ техніка і телекомунікаційні технології» (КриМіКо’2002). Матеріали конференції [Севастополь, 9-13 вересня 2002 р.]. – Севастополь: Вебер, 2002, с. 387-388. ISBN 966-7968-12-Х,

IEEE Cat. Number 02ЕХ570.

[3] Крижанівський В. Г., Рассохина Ю. В. микрополосковая лінія передачі з інверсним тришаровим діелектричним заповненням в фільтруючих ланцюгах СВЧ, Радіотехніка та електроніка, 2001, т. 46,

№ 10, с. 1206-1211.

BROADBAND MICROWAVE TRANSITION WITH DC-DECOUPLING ON THE BASIS OF A SCREENED ANTIPODAL FINLINE

Krizhanovski V. G., Rassokhina Ju. V.

Donetsk National University, Radiophysics Dept. Universitetskaya str., 24, 83055 Donetsk, Ukraine tel: +380 622 91 92 61, e-mail: radio@dongu.donetsk.ua

Abstract The bare mode spectrum of a screened antipodal finline with DC-decoupling elements was investigated. Transition for attenuator in 12-15 GHz band was designed on the basis of this finline.

I. Introduction

The E-plane finline (slot line), which allow to easy construct transitions to rectangular waveguide, are used in VHF for active device design [1,2].

In this case, the problem of DC-decoupling of certain elements in transmission line arises. In this work, the broadband DC-decoupled transition was developed.

II. Main part

Wave equation for line in fig.1. is solved according to partial region method by expansion in Fourier series. Decomposition coefficients is expressed in terms of field components in planes x = —t/2 and x = t/2. The field in these planes was expanded in terms of Chebyshev polynomial of 1st and 2nd type

[3]    . Proper wave spectrum of the line is shown in fig. 2. For design of transmission line section with DC-decoupling the layout shown in fig.3 was selected (longitudinal view, dotted line marks the back side metal plate).

Field in each uniform section of transmission line is represented as a sum of its proper wave. Using mode-matching technique, the system of linear algebraical equation with respect to unknown amplitudes of proper wave in each line section is obtained. From this system the generalized S-matrix for discontinuity in line is obtained. Region / and II are analyzed using the algorithm described above, region III by analogous algorithm for the case of two slots from one side. Analysis takes into account the first three reactive high type wave.

Fig. 4. shows the scattering characteristic for structure in fig. 3, which was optimized for maximum power transfer on main wave of antipodal finline in the frequency band. Dotted line shows the reflection characteristic for three sections connected through halfwave antipodal finline.

III. Conclusion

The algorithm for calculation of proper wave spectrum in finline and antipodal finline with stripline insertion was developed. Based on antipodal finline, transition for VFH attenuator with DC-decoupling between the main line and diode insertion place was designed.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.