|
Professor Seleznov
|
В своем классическом исполнении гибридный ответвитель это четырехполюсное устройство, которое разделяет входную мощность пополам между двумя выходными портами. При этом между выходными сигналами поддерживается строго определенный фазовый сдвиг — обычно 90 градусов. Гибридные ответвители часто используются в системах с IQ модуляцией где для переноса цифрового сигнала на радиочастоту, нам нужны две несущие: одна в фазе (In-phase, I), а другая со сдвигом 90° (Quadrature, Q).
Гибридный ответвитель разделяет входной сигнал на два плеча. На выходе мы получаем
и
Если фазовый сдвиг будет не точно 90°, возникнет «квадратурная ошибка», что приведет к искажению созвездия сигнала и росту битовых ошибок (BER).
Кроме того, его часто используют для разделения сигнала в системах где не важна разница фаз между плечами. Ведь в отличии от делителя мощности Уилкинсона гибридный ответвитель можно реализовать без резисторов, что упрощает процесс разработки.
Внизу приведен рисунок классического гибридного ответвителя.
Рисунок 1 - Классический гибридный ответвитель
Рассчитать его размеры довольно просто - нужно только определить длины и ширины линий исходя из волнового сопротивления системы Z0 (как правило 50 Ом).
Давайте рассчитаем для примера такой ответвитель на центральной частоте 2,4 ГГц. Подложку выберем из тех что есть в наличии у "Резонита" - WL-CT-338, толщиной 0,813мм. Тогда ширина 50-омной линии - 1,78мм, 35-омной - 3мм. Длина линий - 18,7мм. Создадим модель в программе ADS Keysight (Рис. 2).
Рисунок 2 - Вид модели ответвителя в ADS Keysight
Запустив расчет получим следующие результаты:
Рисунок 3 - S-параметры классического ответвителя
На центральной частоте 2,4 ГГц мы получили хорошие результаты по согласованию и коэффициентам передачи, но здесь же становится очевидным главный недостаток классического исполнения - узкополосность. Необходимо чтобы дисбаланс между двумя выходными портами составлял не более 1дБ, при этом общие потери на каждом выходе не более 4дБ. В таком случае полоса пропускания 2,16-2,83 ГГц (670 МГц или 28%).
Что делать если нам нужна более широкая полоса? Тогда необходимо разработать многосекционный гибридный ответвитель.
В таком случае расчет волновых сопротивлений линий будет гораздо сложнее, но к счастью нам не нужно считать все самим. Обратимся к литературе [1]. Здесь мы найдем таблицу с нужными нам значениями (Рис. 5) для двухсекционного ответвителя и соотнесем ее со схемой из Рис. 4.
Рисунок 4 - Схема многосекционного ответвителя из [1]
Рисунок 5 - Таблица значений для многосекционного ответвителя из [1]
После того как мы подставим начальные значения из Рис. 5 в нашу модель (Рис. 6) необходимо провести оптимизацию модели. В результате получим следующие графики (Рис. 7).
Рисунок 6 - Вид модели двухсекционного ответвителя в ADS Keysight
Рисунок 7 - S-параметры двухсекционного ответвителя
Из Рис. 7 видно, что рабочий диапазон расширился, теперь он составляет 1 ГГц или 42% (1,95-2,95 ГГц)
Повторим расчеты для частоты 5,8 ГГц (Рис. 8)
Рисунок 7 - S-параметры двухсекционного ответвителя с центральной частотой 5,8 ГГц
Здесь ширина диапазона составила 2,464 ГГц или 42%. Значения такие же как с вариантом на 2,4 ГГц
Продолжим расчеты для трёх и четырёх секций, взяв значения из [1] и [2].
Рисунок 8 - Таблица значений для многосекционного ответвителя из [1] и [2]
Рисунок 9 - Вид модели трех (слева) и четырех (справа) секционного ответвителя в ADS Keysight
Проведем расчет нарисованных моделей (Рис. 10)
Рисунок 10 - S-параметры трех (слева) и четырех (справа) секционного ответвителя
Ширина диапазона для трехсекционного ответвителя составила 1,38 ГГц или 58% (2,125 - 3,507 ГГц), для четырехсекционного 1,715 ГГц или 71% (3,727 - 2,012 ГГц).
Сравнительная таблица приведена ниже:
| Количество секций |
Ширина диапазона по коэффициенту передачи, МГц |
Ширина диапазона по коэффициенту передачи, % |
Ширина диапазона по коэффициенту отражения, МГц |
Ширина диапазона по коэффициенту отражения, % |
| 1 |
0,67 |
28 |
0,9 |
38 |
| 2 |
1 |
42 |
1,284 |
54 |
| 3 |
1,38 |
58 |
2,226 |
92 |
| 4 |
1,715 |
71 |
2,85 |
117 |
Убедившись, что теория верна можно заказать прототип платы. Делать будем в "Резоните" - двухсекционный гибридный ответвитель на плате WL-CT-338 0,813 мм на центральных частотах 2,4 и 5,8 ГГц
Рисунок 11 - Фото готового двухсекционного гибридного ответвителя на 2,4 (слева) и 5,8 (справа) ГГц
Проведем измерения коэффициентов отражения и передачи на векторном анализаторе цепей (ВАЦ) и импортируем результаты в ADS Keysight. ВАЦ работает только до 6,3 ГГц, поэтому измерить в полном диапазоне не получилось.
Рисунок 12 - S-параметры измеренного двухсекционного ответвителя на 2,4 ГГц.Слева вверху - коэффициенты передачи (S21, S31); справа вверху - коэффициент отражения (S11); слева внизу - разность фаз; справа внизу - изоляция (S41)
Из Рис. 12 видно, что мы получили отличные результаты. Теперь сравним результаты эксперимента с расчетными
Из Рис. 12 и 13 видно что ширина рабочего диапазона модели и прототипа точно совпали.
Рисунок 13 - Сравнение коэффициентов отражения (S11) передачи (S21, S31) модели (красный цвет) и реального прототипа (синий цвет) на 2,4 ГГц
Теперь проведем аналогичные измерения для прототипа на 5,8 ГГц (Рис. 14).
Рисунок 14 - S-параметры измеренного двухсекционного ответвителя на 5,8 ГГц.Слева вверху - коэффициенты передачи (S21, S31); справа вверху - коэффициент отражения (S11); слева внизу - разность фаз; справа внизу - изоляция (S41)
Сравним измеренные и рассчитанные результаты
Рисунок 15 - Сравнение коэффициентов отражения (S11) передачи (S21, S31) модели (красный цвет) и реального прототипа (синий цвет) на 5,8 ГГц
Как видно из Рис. 14 и 15 результаты для этого частотного диапазона тоже хорошими. Сравнение показывает, что ширина диапазона как и в прошлом случае полностью совпала с расчетами в рамках диапазона ВАЦ.
Вывод: Были проведены расчеты моделей гибридного ответвителя на центральных частотах 2,4 и 5,8 ГГц с количеством секций 1, 2, 3 и 4. Показаны сравнения S-параметров для данных моделей. После чего были изготовлены двухдиапазонные гибридные ответвители на центральных частотах 2,4 и 5,8 ГГц на СВЧ-подложке. Проведены измерения S-параметров, приведены сравнения расчетных и экспериментальных результатов. Видно, что результаты совпали и показано что подобную структуру можно использовать для задач передачи/приема СВЧ сигналов.
Литература
[1] - Optimum Design of 3-dB Branch-Lhe Couplers Using Mlcrostrip Lines MASAHIRO MURAGUCHI, STUDENT MEMBER, IEEE, TAKESHI YUKITAKE, AND YOSHIYUKI NAITO, SENIOR MEMBER, IEEE
[2] - Microstrip branch-line couplers for crossover application. IEEE Trans Microw Theory Tech
[3] - A MULTISECTION BROADBAND IMPEDANCE TRANSFORMING BRANCH-LINE HYBRID-Источник
|
