Квадратурный делитель поверхностного монтажа

Квадратурные делители применяются:

• в цепях возбуждения антенн. Позволяют уменьшить габариты устройства, одновременно выполняя две функции: разделение/суммирование сигнала и добавление необходимого фазового сдвига;
• в смесителях с подавлением зеркальной частоты, математически подавляя сумму или разность сигналов на выходе;
• в сумматорах для усилителей мощности. Сложение модулей усилителей мощности в квадратуре подавляет третью гармонику на выходе, а также некоторые нечетные продукты интермодуляции [1].

В научной литературе описаны различные схемы квадратурных делителей. В статье выбрана схема, представленная на рис. 1.

Схема содержит три одинаковые секции, каждая из которых представляет собой фильтр, настроенный на свою частоту, что позволяет расширить частотный диапазон работы схемы. Совместную работу секций I, III и IV как квадратурного делителя обеспечивает наличие секции II — трансформатора, добавляющего набег фазы 180° [2]. Меняя номиналы емкостей и индуктивностей в каждой из секций I, III и IV, возможно перестраивать частоту работы и коэффициент ответвления квадратурного делителя.

В качестве связанных индуктивностей использовались два провода, намотанные на ферритовый сердечник, — связанные катушки. Подбор магнитной проницаемости и габаритов ферритового сердечника позволяет менять индуктивность катушек в каждой из секций и получать достаточно компактные решения схем квадратурных делителей. Для секций I, III и IV были выбраны тороидальные сердечники в связи с удобством наматывания на них проводов и большой вариации габаритов. Для секции II использовались двухотверстные сердечники (балуны).

 

Теоретическое моделирование

Для изучения влияния параметров схемы на работу квадратурного делителя было проведено теоретическое моделирование. В качестве связанных индуктивностей выбраны катушки на ферритовом сердечнике с заданным коэффициентом связи K, отражающим количество передаваемой мощности от одной катушки к другой.

Номиналы индуктивностей L и емкостей C рассчитывались согласно формулам, представленным ниже [2]:

L = Z₀/(2πƒ₀),  C = 1/(2πƒ₀Z₀),

где Z₀ — волновое сопротивление источника; ƒ₀ — частота резонанса. Для демонстрации работы схемы, показанной на рис. 1, был выбран диапазон 3–30 МГц. Графики частотных зависимостей модели квадратурного делителя даны на рис. 2 пунктирными линиями.

Теоретическая модель демонстрирует характеристики в широком диапазоне частот, соответствующие требованиям работы схемы квадратурного делителя. Схема делителя вносит минимальные отражения, ответвляет половину мощности в каждое из выходных плеч практически на всем диапазоне работы.

 

Экспериментальный макет и его измерение

Для подтверждения истинности теоретической модели был собран макетный образец квадратурного делителя с габаритными размерами 21,34×13,21×7,3 мм. На рис. 3 показана его 3D-модель в двух проекциях.

Квадратурный делитель собран на плате из стеклотекстолита. На оборотной стороне платы вырезаны площадки, предназначенные для поверхностного монтажа. Для защиты схемы от механических воздействий добавлена металлическая крышка, которая также служит экраном от внешних полей.

На следующем этапе были проведены измерения макетного образца квадратурного делителя на векторном анализаторе цепей. Результаты экспериментальных измерений совместно с теоретическими зависимостями, подтверждающие качественное повторение теоретических частотных характеристик, представлены на рис. 2. Расхождение в зависимостях обусловливается погрешностью магнитных свойств и геометрических размеров ферритовых сердечников, погрешностью электрических свойств конденсаторов, а также погрешностью диэлектрических свойств стеклотекстолита.

На основе предложенной модели разработана линейка модулей в одном корпусном исполнении, охватывающая диапазон 3–500 МГц. Характеристики данных модулей представлены в таблице.

 

Заключение

В статье рассмотрена схема квадратурного делителя, отличающаяся компактностью исполнения и шириной частотного диапазона. Представлена методика расчета компонентов схемы квадратурного делителя, позволяющая получить необходимые характеристики в заданном рабочем диапазоне. Описан разработанный макетный образец, характеристики которого близки к теоретическим расчетам. Предложена линейка квадратурных делителей, охватывающих диапазон 3–500 МГц и позволяющих закрыть существующие пробелы в линейке отечественных электронных компонентов в указанном частотном диапазоне.