Файл: Реферат пояснительная записка содержит 60 страниц, 14 таблиц.pdf

34
2.3 Схема коммутатора с параллельным соединением выходов и
изменённой цепочкой питания
Следующим шагом стояла задача, по возможности, как можно больше уменьшить размеры устройства, а также создать условия, при которых высокочастотная мощность не проходила бы через pin диоды, обеспечив тем самым более длительный срок работы диодов, а также исключить влияние, вносимое диодами на коэффициент передачи, т.е. уменьшить затухание в линии. Это удалось получить благодаря созданию новой цепочки, в которой pin диод одним концом с отрицательным потенциалом подключен к линии передачи, а другим концом с положительным потенциалом последовательно подключен к заземлённому конденсатору. В данном варианте источник управляющий диодом подключен параллельно конденсатору.
Благодаря этим нововведениям изменился принцип управления pin диодом: при включении источника диод открывается и одновременно заряжается конденсатор, а в выходной цепочке образуется КЗ, т.е. можно сказать, что выходной порт «закрыт»; при отключении источника диод остаётся открытым до тех пор, пока не разрядится конденсатор, и как только это происходит – диод закрывается, таким образом, коротко замыкающая цепочка становится изолированной, а выходной порт «открыт». Полученная модель коммутатора приведена на рисунке 2.7, топология на рисунке 2.8, а его характеристика – на рисунке 2.9.
Отметим, что недостатком такой схемы является необходимость непрерывной подачи напряжения на pin диоды, в результате чего постепенно рабочий ресурс конденсаторов и диодов будет исчерпываться.

35
Рисунок 2.7 – Схема переключателя с параллельным соединением выходов
Рисунок 2.8 – Топология коммутатора
В данном варианте диаметр устройства составил 260 мм, что, значительно, лучше предыдущих версий коммутатора. В дальнейшем эта схема использовалась для создания реального макета и снятия экспериментальных характеристик.

36
Рисунок 2.9 – График частотной зависимости коэффициентов передачи с первого порта на остальные
Все приведённые выше результаты получены при идеальных параметрах pin диодов. Поэтому следующим шагом стал выбор реального pin диода СВЧ диапазона, обеспечивающего функционирование коммутатора без серьёзных ухудшений характеристик.
На кафедре в достаточном количестве имелись pin диоды типа
КА517А-2, которые имеют следующие размеры (рисунок 2.10) и характеристики (таблица 2.2):
Рисунок 2.10 – Топология с указанием размеров pin диода КА517А-2

37
Таблица 2.2 Паспортные данные pin диода КА517А-2
Гибкий вывод положительный
Жёсткий вывод отрицательный
Общая ёмкость диода, пФ от 0,15 до 0,3
Прямое сопротивление потерь, Ом не более 5
Обратное сопротивление потерь, кОм не более 3
При использовании данного типа pin диода в разрабатываемых схемах после проведения подстройки параметров коммутатора получили характеристики, приведённые на рисунке 2.11:
Рисунок 2.11 – Коэффициенты передачи по всем портам при одном открытом выходе
По графику видно, что реальные параметры pin диода привели к дополнительному затуханию, но эти значения не критичны. Далее все схемы спроектированы с применением данного типа pin диода.
В следующем этапе модель претерпела некоторые изменения:
1) схема разветвления линий от центрального порта по сравнению с предыдущей версией (рисунок 2.7) получила вид типа «созвездие»
(рисунок 2.12). Данное преобразование позволило исключить из всей схемы коммутатора дополнительные линии. К тому же, сама реализация ответвлений в «старой» версии имеет больше минусов, чем плюсов, так, например, в такой схеме имеются прямые углы, из-за которых возникают

38 ненужные переотражения, что приводит к ухудшению коэффициента передачи S
21
;
2) К pin диодам в точке подключения к ним конденсаторов были добавлены дополнительные шлейфы длиной λ
л
/4 и последовательно подключенные конденсаторы (рисунок 2.13). Полученная цепочка является колебательным контуром, по сути, выполняющим роль фильтра
1-ого порядка. Данный фильтр было решено добавить в схему для развязки источника питания с линией передачи.
Рисунок 2.12 – Модель разветвления шлейфов коммутатора вида «созвездие»
Такой тип разветвления был промоделирован в программной среде
Ansys HFSS в заданном частотном диапазоне: (383-423) МГц. Далее с помощью экспорта был создан файл формата, подходящего для импорта в AWR DE, с рассчитанной матрицей рассеяния. В AWR DE данная модель была загружена как порт с одним входом и восемью выходами, к которому, с учётом размеров линий передачи, были добавлены линии, промоделированные в AWR DE, изображённые на рисунке 2.13:
Рисунок 2.13 – Схема линии передачи коммутатора

39
Топология приведённой выше линии изображена на рисунке 2.14:
Рисунок 2.14 – Топология линии передачи коммутатора
Данная линия имеет длину L = λ
л
/4+5 мм = 101 (мм).
Объединив разработанные элементы, в AWR DE была получена схема, изображённая на рисунке 2.15, а её топология на рисунке 2.16:
Рисунок 2.15 – Схема коммутатора
Рисунок 2.16 – Топология коммутатора

40
Далее приведены частотные зависимости коэффициентов передачи при одном «открытом» выходном порте и остальными «закрытыми» на рисунке 2.17, а также на рисунке 2.18
- положение точки согласования устройства на номограмме Вольперта-Смита:
Рисунок 2.17 – Частотная зависимость коэффициентов передачи на все порты коммутатора
Рисунок 2.18 – Положение точки согласования на номограмме Вольперта – Смита
По характеристикам видно, что обеспечивается хорошая развязка между закрытыми портами при необходимом значении коэффициента передачи на открытый порт, а входной порт коммутатора согласован на заданной частоте.
По полученным данным можно сделать вывод, что проектирование выполнено успешно, и данную схему можно реализовать в виде

41 полноценного рабочего макета. В таблице 2.3 приведены размеры коммутатора.
Таблица 2.3 Размеры коммутатора
Диаметр D
2
, мм
260
Ширина линии W, мм
3,85
Длина лини L, мм
115
Перейдём к следующему этапу разработки, в котором удалось уменьшить коммутатор до минимальных размеров.

42
2.4 Схема коммутатора с подключенными pin диодами в линию
Полученная ранее схема коммутатора удовлетворяет заданию, а конечные размеры удалось уменьшить по сравнению с предшествующими вариантами с 1400 мм до 260 мм, т.е. в 5,4 раза, а характеристики устройства сохранились на прежнем уровне. Но у данной схемы имеются конструктивные особенности: подключение pin диода в линию возможно только на расстоянии λ
л
/4 от входного порта, чтобы в данной точке подключения диода образовалось КЗ. В связи с этими обстоятельствами не представляется возможным уменьшить размеры коммутатора больше, чем это получилось сделать.
По этим причинам было решено создать второй вариант коммутатора, в котором pin диоды всё же будут подключены в разрыв линии и будут работать на проход. Так как подаваемая мощность мала, то можно сделать предположение, что рабочий ресурс диодов останется на неизменном уровне.
На рисунке 2.19 приведена промоделированная схема:
Рисунок 2.19 – Схема второго варианта коммутатора
Благодаря такому исполнению подключения линий и pin диодов размеры коммутатора уменьшились с 260 мм до 50 мм в диаметре,

43 следовательно, удалось получить миниатюрные размеры устройства, сохранив характеристики устройства на прежнем уровне, что видно на рисунке 2.20.
Рисунок 2.20 – Коэффициент передачи по всем портам при одном открытом выходе
Управление pin диодами осуществляется иным способом, нежели в предыдущей схеме (рисунок 2.15): теперь для открытия pin диода необходимо подать напряжение на нужный диод, в то время как на остальные напряжение не подаётся и они остаются в закрытом состоянии.
Рисунок 2.21 – Положение точки согласования на номограмме Вольперта-Смита
По номограмме (рисунок 2.21) видно, что устройство согласованно на заданной частоте.

44
Рисунок 2.22 – Частотная зависимость КСВ по входу
Полученное значение КСВ во всём заданном диапазоне не превышает уровня 1.5.
В конечном итоге, получилось решить основные поставленные задачи по разработке коммутатора, а, значит, данный тип коммутатора является наилучшим из всех ранее предложенных и его можно реализовать в виде рабочего макета. В таблице 2.4 приведены основные размеры коммутатора.
Таблица 2.4 Размеры коммутатора
Диаметр D
2
, мм
50
Ширина линии W, мм
1,8
Длина лини L, мм
23

45
3. РЕЗУЛЬТАТЫ МАКЕТИРОВАНИЯ И
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ АНТЕННЫХ
СИСТЕМ
В ходе моделирования АС были определены оптимальные модели коммутаторов и антенн. В итоге, было решено провести макетирование и дальнейшее исследование трёх элементов АС: два варианта коммутатора с разными способами подачи напряжения на pin диод и секторную антенну с восемью излучателями, но в усеченном виде: вместе восьми один сектор, т.к. они полностью идентичны.
Далее приведено подробное описание хода работы с полученными, экспериментальным путём характеристиками.

46

3.1 Макетирование и исследование первого варианта коммутатора
Для реализации рабочего макета использовалась технология травления металла подложки специальным раствором. По окончании процесса разработки была реализована схема, изображённая на рисунке 2.7. Для этого в работе были использованы чип-конденсаторы ёмкостью 1000 пФ, ограничительные резисторы номиналом 1 кОм и pin диоды типа КА517А-2. В результате был изготовлен макет, изображённый на рисунке 3.1:
Рисунок 3.1 – Макет коммутатора
После добавления в схему всех необходимых элементов
(конденсаторы, пин – диоды и т.д), проводились измерения коэффициентов передачи S
N1
по каждому порту. Для этого на 7 диодов из 8 непрерывно подавалось постоянное напряжение U номиналом 12 В (от блока питания
ЛИПС 2-10), в результате чего образовывалось КЗ на шлейфах. Благодаря этому не потребовалось нагружать все выходные порты согласованной
50-омной нагрузкой, т.к. вся мощность уходила через КЗ цепочку на «землю», что было подтверждено экспериментальным путём.

47
Все измерения проводились с помощью векторного анализатора цепей
«OBZOR TR1300/1» [5], изображённого на рисунке 3.2 и имеющего основные характеристики, приведённые в таблице 3.1.
Рисунок 3.2 – Векторный анализатор цепей «OBZOR TR1300/1»
Таблица 3.1 Основные характеристики «OBZOR TR1300/1»
Диапазон частот, МГц
0,3-1300
Измеряемые параметры
S
11
, S
21
Динамический диапазон измерения модуля коэффициента передачи, дБ более 130
Минимальное время измерения на одной частоте, мкс
150
Диапазон регулирования выходной мощности, дБм от -55 до +3
В таблице 3.2 приведены измеренные коэффициент передачи S
21
и КСВ коммутатора при различных состояниях pin диодов.
Таблица 3.2 Измеренный коэффициент передачи S
21
Коэффициент передачи
S
21
при одном открытом порте
Коэффициент передачи
S
21
при всех закрытых портах
КСВ на входном порте
-3,2 дБ
-17,3 дБ
1,62
По результатам можно сказать, что макетирование выполнено успешно, т.к. коммутатор выполняет свою прямую функцию. Однако коэффициент передачи на открытый порт отличается от расчётного на -2,3 дБ. Такой результат нельзя назвать удовлетворительным. Учитывая реальные потери, вносимые подложкой и диодами, можно предположить, что действительно, экспериментальный коэффициент передачи должен был

48 получиться несколько хуже расчётного, но после проведения небольшого исследования используемого pin диода, стало очевидно, что вносимые им потери незначительны, а именно -0,3 дБ. Для этого небольшого исследования был собран макет, изображённый на рисунке 3.3, в котором исследуемый pin диод был запаян в месте разрыва линии.
Рисунок 3.3 – Исследование используемого диода
Следующим шагом стало исследование одной линии коммутатора на вносимые ей затухания коэффициента передачи S
21
. Для этого один из восьми шлейфов был отрезан в месте разветвления, и в точке разреза припаян разъём (рисунок 3.4):
Рисунок 3.4 – Исследование шлейфа коммутатора
Полученные коэффициенты передачи при открытом и закрытом порте приведены ниже в таблице 3.3.