Характеристика затухания в полосе заграждения

Согласующее устройство СВЧ для комплексных нагрузок на неоднородных трехступенчатых шлейфах

№ 3’2018
PDF версия
В статье представлены результаты исследования потенциальных характеристик согласующих устройств СВЧ на трехступенчатых неоднородных шлейфах. Исследования выполнены на математической модели устройства.

Используемые сегодня в приемо-передающих трактах различные фильтрующие устройства не только позволяют решать задачи электромагнитной совместимости (ЭМС), но и вызывают ухудшение технических характеристик приемных и передающих систем, которое выражается в увеличении потерь во время фильтрации и увеличении массо-габаритных характеристик. Поэтому требуется разработка новых подходов к совершенствованию технических мероприятий обеспечения ЭМС.

Для подавления внеполосных полос излучения и паразитных каналов приема предлагается использовать [1–3] широкополосные согласующие устройства СВЧ для комплексных нагрузок, входящие в состав усилителей. Широкополосные согласующие устройства строятся на неоднородных ступенчатых шлейфах. Схема такого устройства на трехступенчатом шлейфе представлена на рис. 1.

Схема согласующего устройства СВЧ на неоднородном трехступенчатом шлейфе

Рис. 1. Схема согласующего устройства СВЧ на неоднородном трехступенчатом шлейфе

На рисунке приняты следующие обозначения: RГ — сопротивление источника сигнала; Y3, Y4 — проводимость однородных шлейфов согласующего устройства; Y23, Y34 — проводимость соединительных линий согласующего устройства; R — активная составляющая комплексного сопротивления нагрузки; X — реактивная составляющая комплексного сопротивления нагрузки; Y’1, Y’2, Y’3 — проводимость ступеней неоднородного шлейфа. Следует отметить, что при расчетах реактивное сопротивление нагрузки принимается за первый шлейф согласующего устройства, поэтому Y1 = 1/X [4].

Цель статьи — исследовать характеристики согласующего устройства СВЧ с увеличенной разрядкой полос согласования на примере математической модели трехрезонаторного согласующего устройства на трехступенчатом шлейфе для выбора оптимального режима работы данного устройства.

Исходными данными для реализации математической модели согласующего устройства примем следующие значения: резонансная частота f0 = 1 ГГц, сопротивление источника сигнала Rг = 100 Ом, активная часть комплексного сопротивления нагрузки R = 33 Ом, реактивная составляющая сопротивления нагрузки X = 100 Ом, КСВ в полосе согласования не хуже 1,5, требуемая разрядка полос согласования 1:7.

На рис. 2 представлены графики КСВ в полосе согласования при различных значениях относительной ширины полосы согласования w. Видно, что максимальное значение КСВ не превышает заданное значение (КСТ ≤ 1,5). Увеличение ширины полосы согласования приводит к увеличению значения максимального КСВ на краях полосы согласования, что объясняется основными ограничениями, накладываемыми на возможности согласования сопротивлений, имеющих реактивную составляющую в широкой полосе частот.

КСВ в полосе согласования

Рис. 2. КСВ в полосе согласования

Характеристика затухания в полосе заграждения при разных значениях относительной ширины полосы согласования w представлена на рис. 3. Из графиков следует, что с увеличением относительной ширины полосы согласования w в полосе заграждения наблюдается уменьшение затухания. Так, на кратных полосах согласования 3f0 и 5f0 затухание уменьшается с 41 дБ при w = 10% до 21 дБ при w = 30%. При этом обеспечивается разрядка полос согласования 1:7.

Характеристика затухания в полосе заграждения

Рис. 3. Характеристика затухания в полосе заграждения

Рассмотрим, как влияет величина КСВ в полосе согласования на затухание в полосе заграждения. На рис. 4 представлены графики КСВ для значений 1,1; 1,5 и 2 при относительной полосе согласования w = 10%.

КСВ в полосе согласования

Рис. 4. КСВ в полосе согласования

На рис. 5 отображена характеристика затухания в полосе заграждения при разных значениях КСВ в полосе согласования. При этом видно, что улучшение согласования в полосе приводит к уменьшению затухания в полосе заграждения, например при Кст = 2 величина затухания на кратных полосах согласования составляет 42 дБ, а при Кст = 1,1 затухание равно 34 дБ.

Характеристика затухания в полосе заграждения

Рис. 5. Характеристика затухания в полосе заграждения

Таким образом, результаты анализа характеристик согласующего устройства на неоднородных шлейфах показали, что улучшение характеристик согласующего устройства в полосе согласования (КСВ, w) вызывает уменьшение затухания в полосе заграждения.

Проанализируем теперь, как влияет на характеристики структура согласующего устройства. Для этого изменим количество резонаторов, а также место включения неоднородного шлейфа.

На рис. 6 показана характеристика затухания согласующего устройства на неоднородном шлейфе при различных количествах резонаторов (шлейфов).

Характеристика затухания при изменении количества резонаторов

Рис. 6. Характеристика затухания при изменении количества резонаторов

На основе полученных графиков можно сделать вывод, что увеличение количества резонаторов N в согласующем устройстве, рассчитанном при w = 0,1 и КСВ в полосе согласования не хуже 1,5, увеличивает затухание в полосе заграждения от 40 дБ при количестве резонаторов N = 3 до 130 дБ при N = 5. Следует заметить, что увеличение резонаторов до нечетного количества позволяет увеличить затухание на нечетных полосах согласования 3f0, 5f0, а до четного количества резонаторов на четных полосах согласования 2f0, 4f0, 6f0.

Характеристика затухания в полосе заграждения

Рис. 7. Характеристика затухания в полосе заграждения

Теперь изменим положение неоднородного шлейфа. На рис. 7 представлена характеристика затухания трехрезонаторного согласующего устройства, когда неоднородный трехступенчатый шлейф (НШ) включен рядом с нагрузкой или с источником сигнала, а на рис. 8 КСВ в полосе согласования.

КСВ в полосе согласования

Рис. 8. КСВ в полосе согласования

Полученные результаты показывают, что в случае, если неоднородный шлейф включен рядом с источником сигнала, затухание на нечетных кратных полосах согласования 3f0 и 5f0 больше на 6 дБ, чем когда неоднородный шлейф установлен рядом с нагрузкой. Однако настолько же снижается затухание и на четных гармониках. В полосе согласования, когда неоднородный шлейф включен рядом с источником сигнала, КСВ на краю полосы меньше на 0,05, чем при включении рядом с нагрузкой. Таким образом, изменяя место включения неоднородного шлейфа, можно управлять затуханием на кратных полосах согласования и КСВ в полосе согласования.

На основе полученных результатов исследования характеристик широкополосного согласующего устройства СВЧ на неоднородных шлейфах, проведенных на математической модели, можно сделать следующие выводы:

  1. Увеличение относительной ширины полосы согласования w приводит к снижению затухания в полосе заграждения.
  2. Уменьшение КСВ в полосе согласования КСТ снижает затухание в полосе заграждения.
  3. Повышение количества шлейфов согласующего устройства способствует увеличению затухания в полосе заграждения. Причем увеличение числа шлейфов до нечетного количества позволяет увеличить затухание на нечетных кратных полосах согласования, а до четного количества — на четных кратных полосах согласования.
  4. При размещении неоднородного шлейфа рядом с источником сигнала затухание на нечетных кратных полосах согласования увеличивается, а на четных уменьшается. При этом КСВ на краю полосы согласования уменьшается. В случае, когда неоднородный шлейф включен рядом с нагрузкой, наблюдаются обратные зависимости.
  5. Во всех случаях разрядка полос согласования обеспечивается 1:7. Таким образом, подтверждается положение, что разрядка полос согласования определяется количеством ступеней неоднородного шлейфа.

Результаты исследования позволяют сделать вывод, что, изменяя характеристики в полосе согласования и структуру согласующего устройства, можно управлять величиной затухания в полосе заграждения.

Литература
  1. Литвиненко О. Н., Сошников В. И. Теория неоднородных линий и их применение в радиотехнике. М.: Советское радио, 1964.
  2. Литвиненко О. Н., Сошников В. И. Колебательные системы из отрезков неоднородных линий. М.: Советское радио, 1972.
  3. Мазепова О. И., Мещанов В. П., Прохорова Н. И., Фельдштейн А. Л., Явич Л. Р. Справочник по элементам полосковой техники. Под ред. Фельдштейна А. Л. М.: Связь, 1979.
  4. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств. Под ред. Вольмана В. И.. М.: Радио и связь, 1982.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.