Телефон: 8-800-350-22-65
WhatsApp: 8-800-350-22-65
Telegram: sibac
Прием заявок круглосуточно
График работы офиса: с 9.00 до 18.00 Нск (5.00 - 14.00 Мск)

Статья опубликована в рамках: Научного журнала «Студенческий» № 16(144)

Рубрика журнала: Технические науки

Секция: Радиотехника, Электроника

Скачать книгу(-и): скачать журнал часть 1, скачать журнал часть 2, скачать журнал часть 3, скачать журнал часть 4, скачать журнал часть 5, скачать журнал часть 6

Библиографическое описание:
Киселев Н.К., Прошин И.М. РАЗРАБОТКА ТРЁХКАНАЛЬНОГО ДЕЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ // Студенческий: электрон. научн. журн. 2021. № 16(144). URL: https://sibac.info/journal/student/144/210585 (дата обращения: 29.03.2024).

РАЗРАБОТКА ТРЁХКАНАЛЬНОГО ДЕЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ

Киселев Никита Константинович

студент, кафедра радиоэлектронных систем управления, Балтийский государственный технический университет “ВОЕНМЕХ” им. Д.Ф. Устинова,

РФ, г. Санкт-Петербург

Прошин Иван Максимович

студент, кафедра радиоэлектронных систем управления, Балтийский государственный технический университет “ВОЕНМЕХ” им. Д.Ф. Устинова,

РФ, г. Санкт-Петербург

DEVELOPMENT OF A THREE-CHANNEL POWER DIVIDER

 

Nikita Kiselev

student, Department of Electronic Control Systems Baltic State Technical University "VOENMEH",

Russia, St. Petersburg

Ivan Proshin

student, Department of Electronic Control Systems Baltic State Technical University "VOENMEH",

Russia, St. Petersburg

 

АННОТАЦИЯ

В данной статье представлены результаты расчета и моделирования электрических и геометрических параметров устройства для деления мощности электромагнитных волн сверхвысокой частоты. Конструкция данного устройства базируется на делителе Вилкинсона. Данная работа была написана посредством моделирования структуры устройства в специализированных САПР. Разработка устройства велась для диапазона частот 1,2 – 1,6 ГГц.

ABSTRACT

This article presents the results of calculation and modeling of electrical and geometrical parameters of the device for dividing the power of electromagnetic waves of ultrahigh frequency. The construction of this device is based on the Wilkinson divider. This work was written by modeling the structure of the device in specialized CAE. Development of the device was conducted for the frequency range of 1.2 - 1.6 GHz.

 

Ключевые слова: делитель мощности Вилкинсона, СВЧ, моделирование, САПР, AWR, CST Studio.

Keywords: Wilkinson power divider, microwave, modeling, CAЕ, AWR, CST Studio.

Введение

Делители мощности - это основные элементы при разработке различных устройств и систем СВЧ-диапазона, а именно разделения мощности в требуемых пропорциях на несколько каналов. Делители мощности нередко разрабатываются с применением симметричных полосковых линий (СПЛ) передачи. Основная особенность конструкции СПЛ – полоски из проводников, помещенные в диэлектрическую среду определенной толщины. СПЛ – СВЧ-тракт, по которому могут распространяться волны разной структуры Т-, Е- и Н-типов.

В представленной работе рассматривается вариант разработки СВЧ-устройства, который сводится к тому, что первоначальный расчет ширины проводников устройства выполняется по формулам, а далее, при помощи САПР, оптимизируются как геометрические параметры, так и конструкция в целом (для получения необходимых значений характеристик устройства).

Разработка СВЧ-устройства производилась по следующему алгоритму:

1. На первом этапе был произведен теоретический расчет электрических характеристик и геометрических параметров по представленным в данной части работы формулам.

2. На втором этапе, основываясь на упрощенных методах анализа, проводился расчет и последующая оптимизация структуры устройства. Также была сформирована топология разрабатываемого устройства, которая создавалась посредством программы AWR Microwave Office;

3. На третьем этапе разработанная топология подвергалась электродинамическому анализу, который позволил поднять точность расчетов параметров и оптимизировать конструкцию устройства. Данный этап был проведен посредством САПР CST Studio.

Двухканальные делители мощности применяются в СВЧ-трактах не только как отдельные узлы, но и как основные структурные составляющие многоканальных разветвителей. В роли составной части СВЧ-устройства использовался двухканальный делитель мощности с балансным резистором (делитель Вилкинсона) [2]. Выходные плечи делителя – это отрезки линии передачи длиной в четверть волны, подключенные к активным сопротивлениям (рис. 1) [3].

 

Рисунок 1. Схема кольцевого делителя мощности с балансным резистором

 

Особенно важные характеристики устройства:

- согласование между входами и выходами во всей полосе частот (КСВн<1,2);

- изоляция выходов (25 дБ);

- распределение мощности по всем выходам с заданным коэффициентом деления.

Задача реализована посредством последовательного подключения двух делителей мощности друг к другу. Чтобы создать три канала в делителе сперва мощность со входа делится и в один канал поступает  входной мощности, в другой оставшиеся  мощности. Далее в следующем делителе, который располагается во втором канале первого делителя, было произведено равное деление мощности по двум оставшимся выходам. Чтобы создать деление в неравной пропорции, полоски в первом делителе сделаны несимметричными (рис. 2) [4].

 

Рисунок 2. Топология несимметричного делителя мощности с балансным резистором

 

Теоретический расчет и оптимизация структуры устройства

Основываясь на более простых методах анализа, были проведены расчет и оптимизация топологии делителя.

В качестве диэлектрического заполнения был выбран воздух, потому как тангенс угла диэлектрических потерь в слабых полях у него имеет самое низкое значение, а именно tgδ ~ 10-8. Диэлектрическая проницаемость среды ε = 1.00059, толщина полоска t = 1 мм, расстояние между экранами B = 8 мм. Топология разрабатывалась в программе AWR Microwave Office (рис. 3). Данным способом можно произвести оценку характеристик проектируемого устройства в кратчайшие сроки, а также осуществить оптимизацию геометрии устройства для достижения желаемых результатов.

В ходе оптимизации была разработана топология делителя мощности, с характеристиками, изображенными на рис. 5.

О том насколько точно мощность, приходящая на вход устройства, делится пополам можно судить по максимальной разнице между коэффициентами передачи всех выходов. В разработанном устройстве расхождение не превышает 0,01 дБ. Значение КСВн во всей полосе частот <1,2. Изоляция выходов выше 25 дБ. Полученные параметры говорят о высоком качестве рассчитанного устройства.

 

Рисунок 3. Схема трехканального делителя мощности в САПР AWR Microwave Office

 

а)                                                                б)

в)

Рисунок 4. Характеристики делителя мощности, основанного на расчетах по формулам, в САПР AWR Microwave Office: а – деление мощности между выходами; б – развязка выходов; в – КСВн входа и выходов

 

                             а)                                                                б)

в)

Рисунок 5. Характеристики делителя мощности после ручной оптимизации в САПР AWR Microwave Office: а – деление мощности между выходами; б – развязка выходов; в – КСВн входа и выходов

 

Электродинамический расчет характеристик делителя

Чтобы увеличить точность расчетов, а также повысить достоверность результатов расчета над топологией делителя, созданного на основании приближенной модели, был проведен электродинамический анализ, учитывающий волновые процессы. Моделирование, расчет и оптимизация геометрии, массогабаритных характеристик и электрических параметров проводились с посредством САПР CST Studio.

На рис. 6 изображены полученные характеристики разрабатываемого устройства. Развязка между выходами не превышает -20 дБ. Требуемое значение КСВн<1,2 достигается для выходных каналов только по краям полосы частот. Для входного канала ближе к центру рассматриваемого диапазона частот возрастает до уровня КСВн<1,43.

 

Рисунок 6. Внешний вид модели трехканального делителя мощности

 

Распространение электромагнитного поля, а значит и значения характеристик делителя во многом зависят от величины расстояния между экранами. Если ранее рассматривались параметры при В=8 мм, то теперь рассмотрим изменение характеристик при изменении конструкции, а именно при уменьшении расстояния между экранами до В=7 мм. Максимальная разница коэффициентов передачи для трех выходов составляет не более 0,2 дБ (рис. 7, а), развязка между выходными каналами – не более 22 дБ у нижней частоты (рис. 7, б). Требование КСВн <1,2 достигается для первого и второго выводов устройства. Отклонение коэффициента стоячей волны от требуемого значения для входа и третьего выхода составляет 0,05 (рис. 7, в).

После сравнения результатов расчета электрических характеристик делителей с разными значениями расстояния между экранами, можно сделать вывод о достижении лучшего результата при В=7 мм. Деление мощности на выходах более точное и значение коэффициента стоячей волны ближе к требуемому (КСВн<1,2) при сохранении достаточной развязки между выходами.

 

а)

б)

в)

Рисунок 7. Характеристики делителя мощности с воздушным заполнением линии толщиной 7 мм: а – деление мощности между выходами; б – развязка выходов; в – КСВн входа и выходов

 

Заключение

В представленной работе приведены результаты расчета модели трехканального делителя мощности для частот СВЧ-диапазона. Для проектирования устройства использованы такие СПР как: AWR Microwave Office и CST Studio. Отработан система, позволяющая быстро и эффективно производить расчеты параметров трехканального делителя мощности, а также моделировать и оптимизировать другие возможные варианты СВЧ-устройства с параметрами, превышающими существующие аналоги.

 

Список литературы:

  1. Устройства сложения и распределения мощностей высокочастотных колебаний / В. В. Заенцев, В. М. Катушкина, С. Е. Лондон, З. И. Модель; Под ред. З. И. Моделя, -М.: Сов. Рпдио, 1980. – 596 с.
  2. Справочник по расчету и конструированию полосковых устройств / С. И. Бахарев, В. И. Вольман, Ю. Н. Либ и др.; Под ред. В. И. Вольмана. – М.: Радио и связь, 1982. – 328с., ил.
  3. Конструкции СВЧ устройств и экранов: учеб. пособие для вузов / А.М. Чернушенко [и др.]. – М.: Радио и связь, 1983. – 400 с.
  4. Малорпцкий Л. Г., Явич Л. Р. Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях. М., «советское радио». 1972, 232 стр.

Оставить комментарий

Форма обратной связи о взаимодействии с сайтом
CAPTCHA
Этот вопрос задается для того, чтобы выяснить, являетесь ли Вы человеком или представляете из себя автоматическую спам-рассылку.