Диссипативные потери в многоканальных делителях мощности .... <...> Stepped directional couplers with smoothly changing parameters............ 64
Chapter 3. <...> При подаче радиосигнала в одно из плеч (например, в первое)
и подключении любых нагрузок Z2 , Z3 , Z4 к трем оставшимся восьмиполюсник можно рассматривать как три четырехполюсные цепи
1 2, 1 3 , 1 4 , между которыми имеется электромагнитное
взаимодействие, причем, как минимум, одна из трех цепей может иметь
передаточную функцию с нулями в правой половине плоскости комплексной частоты p . <...> ОБЪЕКТ И ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЙ
вые направленные ответвители и фильтры, фильтры гармоник и дифференциальные фазовращатели, содержащие отрезки одиночных и связанных линий передачи с постоянными и плавно изменяющимися погонными параметрами. <...> В полосковых линиях энергию переносит волна Т-типа (ТЕМ волна), у которой отсутствуют ориентированные параллельно направлению основного движения энергии продольные составляющие векторов
напряженности электрического и магнитного полей [147]. <...> В регулярных симметричной и несимметричной полосковых линиях Т-волна
является основной при однородном идеальном диэлектрическом заполнении и бесконечной проводимости металлических элементов конструкции. <...> Все другие высшие (волноводные) типы волн полосковых и микрополосковых линий помимо поперечной имеют и продольную составляющую, обусловливающую перенос энергии в направлении, отличном от осевого (продольного). <...> При этом используются базовые элементы (отрезки одиночных и
связанных линий; скачки волнового сопротивления; зазоры, повороты,
сочленения полосковых линий и т. п.), параметры которых определяются методами электродинамики. <...> (1.5)
есть матрица рассеяния верхнего (или нижнего) четырехполюсника,
образовавшегося после мысленного рассечения восьмиполюсника по
горизонтальной оси симметрии XX «магнитной» или «металлической» плоскостью соответственно. <...> 1.3) проходит через точку f f0 , где
f0 – так называемая «опорная» частота, при которой <...>
Синтез_микроволновых_устройств_на_связанных_линиях_передачи.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
__________________________________________________________________________
А.П. ГОРБАЧЕВ
СИНТЕЗ
МИКРОВОЛНОВЫХ УСТРОЙСТВ
НА СВЯЗАННЫХ ЛИНИЯХ ПЕРЕДАЧИ
Монография
НОВОСИБИРСК
2010
Стр.3
УДК 621.372.8.029.6
Г 672
Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. В.П. Разинкин,
д-р техн. наук, проф. Г.Н. Девятков,
д-р техн. наук, проф. Ю.А. Пальчун,
канд. техн. наук, доц. Н.Э. Унру
Работа выполнена на кафедре
радиоприемных и радиопередающих устройств
Горбачев А.П.
Синтез микроволновых устройств на связанных линиях передачи : монография
/ А.П. Горбачев. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2010.
– 414 с. (Серия «Монографии НГТУ»).
ISBN 978-5-7782-1296-1
Монография посвящена синтезу новой элементной базы антенн и
микроволновых устройств. Основой этих элементов являются электромагнитно
связанные полосковые и микрополосковые линии передачи.
Синтез элементов и узлов ведется с позиций современных тенденций
и воззрений, включая использование систем трехмерного
электродинамического моделирования электромагнитного излучения
антенн в дальней зоне Фраунгофера. Все результаты, полученные в
работе, поддерживаются печатными работами и патентами автора в
соавторстве с коллегами и учениками. Каждый раздел работы содержит
табулированные и графические результаты, пригодные для непосредственного
использования в проектировании антенн и микроволновых
устройств с соблюдением отечественных норм конструкторскотехнологических
требований микроэлектроники.
Работа предназначена для радиоинженеров, ведущих разработку
антенн и микроволновых устройств различного назначения. Она будет
полезна студентам старших курсов, а также магистрантам, специализирующимся
в области антенн и микроволновых устройств.
УДК 621.372.8.029.6
ISBN 978-5-7782-1296-1
© Горбачев А.П., 2010
© Новосибирский государственный
технический университет, 2010
Стр.4
Ministry of Education and Science of the Russian Federation
NOVOSIBIRSK STATE TECHNICAL UNIVERSITY
_________________________________________________________________________
A.P. GORBACHEV
SYNTHESIS
OF MICROWAVE DEVICES BASED
ON COUPLED TRANSMISSION LINES
Monograph
NOVOSIBIRSK
2010
Стр.5
UDC 621.372.8.029.6
G 672
Reviewers:
Prof. V.P. Razinkin, D.Sc. (Eng.),
Prof. G.N. Devyatkov, D.Sc. (Eng.),
Prof. Yu.A. Palchun, D.Sc. (Eng.),
Assoc. Prof. N.E. Unru, PhD (Eng.)
Research has been done at the department of radio
receivers and radio transmitters
Gorbachev A.P.
G 672
Synthesis of microwave devices based on coupled transmission
lines : monograph / A.P. Gorbachev. – Novosibirsk : NSTU Publisher,
2010. – 414 pp. (“NSTU Monographs” series).
ISBN 978-5-7782-1296-1
The monograph deals with the synthesis of a new elemental circuitry of
antennas and microwave devices. Electromagnetically coupled strip and
microstrip transmission lines are the basis of these elements. The synthesis
of elements is carried out based on up-to-date tendencies and concepts,
including the use of 3D systems of electrodynamic modelling of antenna
electromagnetic radiation in the Fraunhofer far-field zone. All the results
obtained in the research are supported by published papers and patents
taken out by the author jointly with his colleagues and pupils/doctoral
students. Every section of the book contains tabulated and graphic results
available for direct use in designing antennas and microwave devices in
conformity with Russian design and engineering standards used in
microelectronics.
The book is intended for radio engineers involved in designing antennas
and microwave devices for various purposes. It will be of use for senior
students as well as for graduate students specializing in antennas and
microwave devices.
UDC 621.372.8.029.6
ISBN 978-5-7782-1296-1
© Gorbachev A.P., 2010
© Novosibirsk State Technical
University, 2010
Стр.6
Оглавление
Введение ................................................................................................................ 15
Глава 1. Объект и предмет исследований ....................................................... 17
Глава 2. Синтез направленных ответвителей с неминимально фазовыми
свойствами ................................................................................. 26
2.1. Ступенчатые направленные ответвители ............................................. 26
2.2. Ступенчатые направленные ответвители с тандемной секцией ......... 53
2.3. Направленные ответвители с плавно изменяющимися параметрами
.......................................................................................................... 64
Глава 3. Синтез направленных фильтров бегущей волны .......................... 84
3.1. Направленные фильтры бегущей волны в диапазоне СВЧ ................. 84
3.2. Синтез однопетлевых направленных фильтров ................................... 88
3.2.1. Несимметричные направленные фильтры с неминимально
фазовыми характеристиками ........................................................ 88
3.2.2. Направленные фильтры на основе тандемных секций .............. 94
3.2.3. Однопетлевые фильтры с электромагнитной связью противоположных
сторон резонатора ................................................. 106
3.2.4. Направленные фильтры с повышенной селективностью ........ 111
3.3. Синтез двухпетлевых направленных фильтров ................................. 117
3.3.1. Несимметричные направленные фильтры с неминимально
фазовыми свойствами ................................................................. 117
3.3.2. Направленные фильтры из тандемных секций ......................... 124
3.3.3. Фильтры с эллиптическими частотными характеристиками 127
3.3.4. Направленные фильтры со связью резонаторов по двум
противоположным сторонам ...................................................... 132
Стр.7
8
3.3.5. Направленные фильтры сокращенных габаритов с эллиптическими
частотными характеристиками ................................ 138
3.4. Исследование влияния допусков на рабочие параметры направленных
фильтров ................................................................................... 146
3.4.1. О необходимости учета влияния допусков ............................... 146
3.4.2. Влияние конструкторско-технологических погрешностей
размеров на параметры полосковых фильтров и ответвителей
................................................................................................. 149
3.4.3. Влияние конструкторско-технологических погрешностей
на параметры микрополосковых направленных фильтров ...... 154
Глава 4. Симметрирующие и разделительно-суммирующие устройства
дипольных активных фазированных антенных решеток
......................................................................................................... 159
4.1. Печатные дипольные интегрированные излучающие модули .......... 159
4.1.1. Симметрирующие устройства .................................................... 159
4.1.2. Разделительно-суммирующие устройства ................................ 169
4.2. Делители мощности, выполненные цепочечным соединением
несимметричных ответвителей ............................................................ 174
4.3. Делители мощности, выполненные по бинарной схеме соединения
несимметричных ответвителей ..................................................... 187
4.4. Диссипативные потери в многоканальных делителях мощности .... 195
4.5. Развязка между каналами делителей ................................................... 202
4.6. Разделительно-суммирующие устройства для сложения мощностей
усилителей ..................................................................................... 204
4.7. Несимметричные направленные ответвители и делители мощности
с несогласованными нагрузками ................................................... 212
Глава 5. Диаграммообразующие устройства фазированных антенных
решеток на ответвителях .................................................................. 226
5.1. Диаграммообразующие устройства в диапазоне СВЧ ....................... 226
5.2. Диаграммообразующие устройства на неминимально фазовых
ступенчатых ответвителях ................................................................... 229
5.2.1. Структурные схемы диаграммообразующих устройств и
анализ их потенциальных возможностей .................................. 229
5.2.2. Синтез каскадных дифференциальных фазовращателей ......... 235
Стр.8
9
5.2.3. Дифференциальные фазовращатели новой структуры на
основе четвертьволновых ответвителей .................................... 252
5.3. Диаграммообразующие устройства с плавно изменяющимися
погонными параметрами ответвителей ............................................... 280
Глава 6. Синтез эллиптических фильтров СВЧ на основе направленных
ответвителей ............................................................................... 291
6.1. Постановка задачи ................................................................................ 291
6.2. Эллиптические фильтры на четвертьволновых ответвителях .......... 292
6.3. Эллиптические фильтры на основе неминимально фазовых ступенчатых
ответвителей ......................................................................... 307
6.4. Эллиптические фильтры с полубесконечной полосой заграждения
.......................................................................................................... 319
Глава 7. Особенности конструктивной реализации устройств. Результаты
их исследования и внедрения ......................................... 328
7.1. Основные способы реализации связанных полосковых и микрополосковых
линий ................................................................................. 328
7.2. Микрополосковый ступенчатый неминимально фазовый ответвитель
..................................................................................................... 331
7.3. Трехэлементный полосковый направленный ответвитель ................ 333
7.4. Микрополосковые направленные фильтры ........................................ 338
7.5. Четырехканальный полосковый мультиплексер ................................ 342
7.6. Широкополосные делители мощности ............................................... 346
7.6.1. Четырехканальный делитель на двухсекционных направленных
ответвителях ................................................................... 346
7.6.2. Четырехканальный делитель с плавно изменяющимися погонными
параметрами линий ..................................................... 348
7.6.3. Пятиканальный микрополосковый делитель ............................ 350
7.6.4. Делитель мощности с корректирующим звеном ...................... 354
7.7. Четырехлучевое диаграммообразующее устройство ......................... 357
7.8. Функциональные узлы СВЧ для мобильных радиосредств .............. 359
7.9. Направленные ответвители и сумматор с электрической регулировкой
параметров ................................................................................ 364
Стр.9
10
7.10. Микрополосковое бинарное разделительно-суммирующее устройство
................................................................................................... 366
7.11. Фазовые контуры первого порядка на отрезках трехпроводных
линий ...................................................................................................... 368
Библиографический список ............................................................................... 375
Приложение 1. Синтез двухступенчатого ответвителя ................................... 397
Приложение 2. Синтез двухэлементного ответвителя .................................... 401
Приложение 3. Формирование равнопульсирущих полиномов ..................... 409
Стр.10
Contents
Introduction ............................................................................................................. 15
Chapter 1. The Object and Subject of the Research. A Brief Description
of Initial Propositions ......................................................................... 17
Chapter 2. The Synthesis of Directional Couplers with Nonminimal Phase
Properties ............................................................................................. 26
2.1. Stepped directional couplers ..................................................................... 26
2.2. Stepped directional couplers with a tandem section .................................. 53
2.3. Stepped directional couplers with smoothly changing parameters............ 64
Chapter 3. The Synthesis of Traweling-wave Directional Filters ....................... 84
3.1. The traweling-wave directional filters in the microwave region ............... 84
3.2. The synthesis of one-loop directional filters ............................................. 88
3.2.1. Asymmetric directional filters with nonminimal phase characteristics
............................................................................................. 88
3.2.2. Directional filters based on tandem sections ................................... 94
3.2.3. One-loop filters with electromagnetic coupling of the resonator
opposite sides ................................................................................. 106
3.2.4. Increased selectivity directional filters .......................................... 111
3.3. The synthesis of two-loop directional filters ........................................... 117
3.3.1. Asymmetric directional filters with nonminimal phase characteristics
........................................................................................... 117
3.3.2. Directional filters based on tandem sections ................................. 124
3.3.3. Filters with elliptic frequency characteristics ................................ 127
Стр.11
12
3.3.4. Directional filters with resonator coupling along the two opposite
sides ......................................................................................... 132
3.3.5. Reduced size directional filters with elliptic frequency characteristics
........................................................................................... 138
3.4. A study of an influence of allowances on working parameters of directional
filters ........................................................................................ 146
3.4.1. A need to take into account an influence of allowances ................ 146
3.4.2. An influence of design and engineering resolutions on parameters
of strip directional filters and couplers .................................... 149
3.4.3. An influence of design and engineering resolutions on parameters
of microstrip directional filters ............................................... 154
Chapter 4. Balance Units and Dividing-Summating Devices of Dipole Active
Phased Arrays ............................................................................ 159
4.1. Printed dipole integrated radiating modules ............................................ 159
4.1.1. Balance units ................................................................................. 159
4.1.2. Dividing-summating devices ......................................................... 169
4.2. Power dividers based on chain connection of asymmetric
couplers ................................................................................................... 174
4.3. Power dividers based on the binary connection of the asymmetric
couplers ................................................................................................... 187
4.4. Dissipation losses in multichannel power dividers ................................. 195
4.5. Divider channel isolation ........................................................................ 202
4.6. Dividing-summating devices for adding amplifier powers ..................... 204
4.7. Asymmetric directional couplers and power dividers with unmatched
loads ........................................................................................................ 212
Chapter 5. Coupler Beam Formers of Phased Arrays ...................................... 226
5.1. Microwave Beam Formers in the microwave region .............................. 226
5.2. Beam Formers based on nonminimal phase stepped
couplers ................................................................................................... 229
5.2.1. Block diagrams of beam formers and an analysis of their potentialities
........................................................................................... 229
5.2.2. The synthesis of cascade differential phase shifters ...................... 235
Стр.12
13
5.2.3. Differential phase shifters of a new structure based on quarterwave
couplers ................................................................................ 252
5.3. Beam formers with smoothly changing coupler linear parameters ......... 280
Chapter 6. The Synthesis of Elliptic Filters Based on Directional
Couplers ............................................................................................. 291
6.1. Characteristics of previous models and problem statement .................... 291
6.2. Elliptic filters based on quarter-wave directional couplers ..................... 292
6.3. Elliptic filters based on nonminimal phase stepped couplers .................. 307
6.4. Elliptic filters with a semi-infinite stop band .......................................... 319
Chapter 7. Peculiarities of design implementation of devices. Results
of their study and introduction ........................................................ 328
7.1. Major ways of implementation of coupled strip and microstrip lines ..... 328
7.2. Microstrip two-step nonminimal phase couplers .................................... 331
7.3. Three-element strip directional couplers ................................................. 333
7.4. Microstrip directional filters.................................................................... 338
7.5. Four-channel strip multiplexers .............................................................. 342
7.6. Broadband power dividers ...................................................................... 346
7.6.1. Four-channel dividers based on two-section directional couplers
................................................................................................. 346
7.6.2. Four-channel dividers with smoothly changing linear parameters
of lines .................................................................................... 348
7.6.3. Five-channel microstrip dividers ................................................... 350
7.6.4. Power dividers with a correcting element ..................................... 354
7.7. Four-channel beam former ...................................................................... 357
7.8. Microwave functional modules for mobile radio sets ............................. 359
7.9. Directional couplers and a totalizer with electrical parameter
control ..................................................................................................... 364
7.10. Microstrip binary dividing-summating device ...................................... 366
7.11. First-order phase contours in three-wire line sections ........................... 368
Стр.13
14
References ............................................................................................................. 375
Supplement 1. The synthesis of a two-step coupler .............................................. 397
Supplement 2. The synthesis of a two-element coupler ........................................ 401
Supplement 3. The formation of equi-ripple polynomials .................................... 409
Стр.14