Разработка многосекционного гибридного СВЧ-ответвителя

О гибридных ответвителях

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).

Моделирование односекционного ответвителя

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.

Моделирование многосекционного ответвителя

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

Изготовление реального образца. Сравнение расчетов с измерениями

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.

Выводы

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