Параллельный пятиканальный сумматор мощности на МПЛ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования «Полоцкий государственный университет»

Кафедра Радиоэлектроники

Курсовой проект

по дисциплине “Антенны и устройсва СВЧ”

Параллельный пятиканальный сумматор мощности на МПЛ

Разработал:

Терзян А.А.

Группа 11-РТ

Проверил:

Янушкевич В.Ф.

Новополоцк

2013 г.

Содержание

пятиканальный сумматор электрический

Введение

1. Анализ исходных данных

2. Общий выбор конструкции и структуры построения проектируемого устройства

3. Выбор материалов основных и вспомогательных конструктивных элементов

4. Электрический и геометрический расчет элементов и устройства в целом. Расчет параметров и характеристик спроектированного устройства

Введение

Микрополосковые устройства широко используются в современных телекоммуникационных и технологических системах, в радиолокации, радиоастрономии, экспериментальной физике, медицинской и биологической аппаратуре. Миниатюризация аппаратуры, создание новых типов электронных приборов для генерации, усиления и преобразования сигналов микроволнового диапазона привели к созданию микроволновых гибридных и монолитных интегральных схем, в которых на одной подложке сконцентрировано множество элементов и узлов. В этих условиях специалисту в области электронных приборов и устройств необходимо владеть современными методами описания, анализа и синтеза микроволновых устройств, ориентированными на использование достаточно сложного математического аппарата и современных программных средств. Данные методические указания предназначены для приобретения практических навыков в области проектирования и конструирования микроволновых устройств с широким использованием компьютерных технологий.

При разработке устройств СВЧ различного назначения широкое применение находят делители и сумматоры мощности. Делители мощности распределяют мощность. Сумматоры обеспечивают сложение мощностей, поступающих на несколько входных каналов, в общей нагрузке. Делители и сумматоры мощности являются, как правило, взаимными устройствами, т.е. могут выполнять и деление, и суммирование мощности.

Делители могут быть выполнены на основе последовательных или параллельных схем. Выбор схемного решения производится исходя из технических требований к устройству и технологических возможностей для их реализации.

1. Анализ исходных данных

Целью данной курсовой работы является теоретический расчет и сборка параллельного пятиканального сумматора мощности на МПЛ. Основными параметрами, на основе которых будет производиться расчет устройства, являются:

Рабочая частота, f₀……………………………………….3 ГГц;

Сопротивление ………………………...……………..50 Ом;

Равное деление мощностей;

2. Общий выбор конструкции и структуры построения проектируемого устройства

Наиболее полно требованиям интегральной технологии удовлетворяют планарные многоканальные сумматоры, содержащие незамкнутые цепочки балластных резисторов.

Применение многоступенчатых структур такого типа позволяет получать хорошее согласование и необходимую развязку. Пятиканальный четырехступенчатый сумматор с незамкнутой цепочкой балластных резисторов имеет октавную полосу рабочих частот(полоса частот, в которой верхняя граничная частота в два раза больше нижней).

Конфигурация микрополосковой линии (МПЛ) показана на рисунке:

Микрополосковая линия является неоднородной линией передачи, так как не все силовые линии поля между полосковым проводником и заземленной пластиной проходят через подложку. Поэтому волна, распространяющаяся вдоль микрополоскового проводника, является не чистой Т-волной (является «квази - Т-волной»). Эффективная диэлектрическая проницаемость цэф меньше диэлектрической проницаемости подложки, так как она учитывает поле вне подложки.

Наглядное представление о структуре электромагнитного поля в любой линии передачи дает его графическое изображение.

Распределение электромагнитного поля, тока, мощности в поперечном сечении воздушной микрополосковой линии показано на рисунке:

Собственные волны экранированной микрополосковой линии классифицируют по типу двухслойного провода с добавлением слова «квази», так как собственная волна двухслойного провода имеет пять компонент, а экранированная МПЛ - шесть компонент.

Для защиты от механических и климатических воздействий микрополосковые платы размещают в металлическом или пластмассовом корпусе. В корпусе крепятся также высокочастотные и низкочастотные соединители, необходимые для связи устройства с внешними цепями. Корпус обеспечивает жесткое закрепление платы, ее экранировку от внешних электромагнитных излучений, предотвращение излучения платы во внешнюю среду и при необходимости ее герметизацию. Корпус должен также обеспечивать необходимый теплоотвод от тех участков платы, в которых выделяется значительное количество тепловой энергии. Кроме того, он должен быть технологичным, иметь низкую стоимость, обеспечивать возможность настройки и контроля параметров схемы, ремонтопригодность и длительный срок службы.

Таблица 1. Основные типы корпусов

3. Выбор материалов основных и вспомогательных конструктивных элементов

Проектируемое устройство будет работать в СВЧ диапазоне (о чем свидетельствует рабочая частота 3 ГГц), следовательно, будут предъявляться жесткие требования как к подбору материала, так и к расчету параметров данного устройства.

Материал, толщина и качество поверхности подложки микрополосковой платы оказывают определяющее влияние на конструкцию устройства в целом, поэтому выбор этих параметров необходимо сделать в начале процесса проектирования. При выборе подложки учитывают: значение ее диэлектрической проницаемости ег и тангенса угла диэлектрических потерь tgд, стабильность этих параметров в пределах подложки, в партии подложек, от партии к партии и их зависимости от частоты и температуры; имеющиеся значения габаритных размеров подложки и допустимые отклонения ее длины, ширины и толщины от номинальных значений; шероховатость поверхности подложки, устойчивость ее материала к климатическим и технологическим воздействиям, механическую прочность материала, стабильность его характеристик в процессе эксплуатации, а также его стоимость. Таким образом, выбор материала подложки происходит на основе многофакторного критерия оптимальности, и процедуру выбора трудно формализовать. Часто решающую роль в этом играет опыт разработчика и доступность тех или иных материалов.

Для подложек микрополосковых устройств СВЧ используются как органические, так и неорганические материалы. Они изготавливаются в виде листов или пластин с размерами от 10 х 10 до 500 х 500 мм² и толщиной 0.25... 6 мм. В качестве органической основы для подложек используются неполярные полимеры - фторопласт, полиэтилен, полифениленоксид, полипропилен, полистирол, стирол и их сополимеры. Эти материалы, как правило, подвергают армированию, наполнению, плакированию (термомеханическому покрытию металлическим слоем) и другим видам модификации для направленного изменения физико-технических свойств. Наполнение органических диэлектриков производят мелкодисперсным порошком из радиочастотной керамики, армирование - стекловолокном, стеклотканью, плакирование - листами легких сплавов, имеющих хорошую электропроводность. Органические материалы для подложек могут иметь покрытие в виде медной или алюминиевой фольги (фольгированные материалы) либо не иметь этого покрытия (нефольгированные). К диэлектрическим материалам на неорганической основе относятся ситалловые стекла, оксидная керамика, высокоомные полупроводники (кремний и арсенид галлия), используемые для создания монолитных интегральных схем СВЧ. Свойства самых распространенных материалов подложек приведены в таблице.

Фторопласт-4 фольгированный марки ФФ-4 - ненаполненный органический диэлектрик, относящийся к карбоцепным полимерам и получаемый полимеризацией тетрафторэтилена. Цвет - молочный, при обработке под склейку - коричневый. Пластины из ФФ-4 изготовляют прессованием порошка в закрытых пресс-формах при высокой температуре. Одновременно производится металлизация медной оксидированной или хромированной фольгой толщиной 30... 50 мкм. ФФ-4 выдерживает все виды механической обработки, химически стоек, допускает пайку при нагреве до 260 °С в течение 10 с, не поглощает влаги, может использоваться в диапазоне температур от -50 до +150 °С. Основные недостатки - деформация под нагрузкой, после удаления фольги изменяются размеры материала (до 0.7 %). Наблюдается также деформация при длительном воздействии повышенной температуры и в процессе эксплуатации.

Фторопласт-4 армированный марки ФАФ-4 - прессованный материал, состоящий из нескольких слоев стеклоткани, пропитанных суспензией фторопласта-4Д до содержания связующего вещества не менее 75 %. Пластины из ФАФ-4 изготовляют прессованием пачки листов пропитанной стеклоткани, облицованной медной фольгой толщиной 30...50 мкм. Материал допускает все виды механической обработки, устойчив к действию агрессивных сред, обладает, в отличие от ФФ-4, высокой механической прочностью, выдерживает пайку при температуре до 260°С в течение 10 с. Основной недостаток - большое водопоглощение, особенно с торцов пластин.

Сополимер стирола с б - метилстиролом, наполненный диоксидом титана (СТ-3 -- СТ-16), - наполненный прессованный диэлектрик. Диэлектрическая проницаемость изменяется от 3 до 16 по мере увеличения содержания наполнителя. Цвет - слоновой кости (СТ-3), оранжевый (СТ-5), светло-зеленый (СТ-7), розовый (СТ-10), молочный (СТ-16). Металлизируется медной фольгой в процессе прессования или электрохимическим способом. Материал допускает все виды механической обработки, хорошо склеивается с материалами своей группы и с металлами. Допускает пайку при температуре 140°С в течение 4 с. Водопоглощение незначительно, диапазон рабочих температур - -60... +95 °С. Основные недостатки - низкая ударная прочность, невысокая теплостойкость, растворимость в ароматических и хлорированных углеводородах.

Полистирол марок ПТ-3 - ПТ-16 - органический диэлектрик на основе полистирола, наполненный диоксидом титана. Изготавливается методом прессования. Диэлектрическая проницаемость растет от 3 до 16 при увеличении содержания наполнителя. Цвет светло-коричневый (ПТ-3), сиреневый (ПТ-5), голубой (ПТ-7), желтый (ПТ-10), серый (ПТ-16). Материал покрывается медной фольгой в процессе прессования или металлизируется электрохимическим способом. Допускает все виды механической обработки, выдерживает технологические воздействия при изготовлении полосковых схем, хорошо склеивается с материалами своей группы и с металлами. Допустимая температура пайки - 140 °С в течение 4 с, низкое водопоглощение, высокая стабильность размеров. Недостатки - низкая ударная прочность, невысокая теплостойкость.

Таблица 2. Основные свойства материалов подложек

Стеклотекстолит - слоистый прессованный материал, изготовленный из листов стеклоткани, пропитанных термореактивным связующим (эпоксидной смолой, отверждаемой смолой новолачного или резольного типа). Получают прессованием пачки пропитанных листов, облицованной медной фольгой. Материал допускает все виды механической обработки, выдерживает технологические воздействия при изготовлении полосковых схем, хорошо склеивается с аналогичными диэлектриками и металлами. Допустимая температура пайки - 260°С в течение 10 с. Водопоглощение значительное. Диапазон рабочих температур: -60... +85°С, нагревостойкий стеклотекстолит допускает эксплуатацию при температуре до 200 °С в течение 50... 100 ч.

Основные марки стеклотекстолита: СФ-1-35, СФ2И-50 (нагревостойкий), СФГ230-1-35 (с гальваническим покрытием), СФГ230-2-50 (с покрытием гальваностойкой фольгой).

Недостатки - высокие диэлектрические потери и разброс значений диэлектрической проницаемости от партии к партии.

Арилокс марок ФЛАН-2.8 - ФЛАН-16 - органический диэлектрик на основе полифениленоксида, наполненный алундом или диоксидом титана. Диэлектрическая проницаемость меняется от 2.8 до 16 по мере увеличения содержания наполнителя. Пластины из этого материала изготовляют прессованием с одновременной металлизацией медной фольгой. Цвет материала меняется от черного до зеленого по мере увеличения диэлектрической проницаемости. Материал обладает высокой механической прочностью, требует использования твердосплавного инструмента при механической обработке, выдерживает технологические воздействия при изготовлении полосковых схем, устойчив к действию кислот и щелочей. Допустимая температура пайки - 260 °C (до 10 с), водопоглощение незначительно. Основной недостаток - низкая химическая стойкость к ароматическим и хлорированным углеводородам.

В качестве материалов подложек СВЧ-схем с высокой степенью интеграции используются неорганические диэлектрики, преимущественно керамические материалы. Одним из основных методов получения высококачественных керамических материалов для подложек является горячее прессование при температуре выше 1200 °C . Наиболее распространены подложки из глиноземистой керамики с высоким содержанием оксида алюминия. При этом наилучшими характеристиками (повторяемость параметров в партии, потери на СВЧ, теплопроводность) обладают подложки из материалов, содержащих 98... 100 % Al₂O₃: поликор (99.7 %), сапфирит (98 %), ГМ (99.6 %), А-995 (99.8 %). Эти материалы, однако, имеют и наибольшую стоимость. Получили также распространение керамики с меньшим содержанием оксида алюминия, такие как 22ХС (94.4 %), ВТ1 (95.3 %) и другие. При несколько худших электрических параметрах они имеют существенно меньшую стоимость.

Для изготовления подложек с повышенной диэлектрической проницаемостью используется высокочастотная конденсаторная керамика марок ТМ и ТЛ. Эксплуатационные характеристики (малое водопоглощение, широкий диапазон рабочих температур) незначительно отличаются от характеристик глиноземистой керамики.

Подложки гибридно-интегральных СВЧ-схем изготавливают также из ситаллов - продуктов кристаллизации стекол особых составов, способных при обработке превращаться в микрокристаллический материал, по объему которого равномерно распределены мельчайшие кристаллы, соединенные тонкой пленкой остаточного стекла. Ситаллы имеют незначительную пористость, очень малое водопоглощение и низкую газопроницаемость, высокую термостойкость, возможность получения поверхностей с очень высоким качеством обработки. По твердости они превосходят стекло, обычную керамику и металлы. К недостаткам ситаллов следует отнести малую теплопроводность.

Толщину подложки выбирают из ряда стандартных значений (0.25, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 мм) исходя из требований к прочности, стоимости и габаритам. Толщина органических подложек, как правило, больше, чем неорганических, вследствие их сравнительно малой прочности. Толщину подложки затем уточняют исходя из электрических характеристик ответвителя.

Материал подложки и ее толщина во многом определяют габариты и стоимость микрополоскового устройства, величину потерь энергии в нем, степень соответствия параметров спроектированного устройства заданным, климатические характеристики и надежность схемы. Выбор подложки производят на основе многофактроного критерия оптимальности, учитывающего все требования ТЗ. В условиях неполной информации о предъявляемых требованиях при выборе материала подложки следует руководствоваться следующими соображениями:

* На сравнительно низких частотах (до 3 ГГц) обычно используют органические подложки (стеклотекстолит, арилокс, фторопласт). При этом стеклотекстолит, как самый дешевый материал, используется в тех случаях, когда затухание волны в диэлектрике не имеет решающего значения.

* На более высоких частотах используют материалы с малыми потерями (фторопласт, поликор, плавленый кварц и т. д.).

* Более высокая степень миниатюризации получается при использовании материалов с высокой диэлектрической проницаемостью.

* На частотах выше 10 ГГц с целью увеличения размеров элементов и облегчения изготовления устройства целесообразно использовать материалы с малой диэлектрической проницаемостью и малыми потерями (например, фторопласт).

Проводящее покрытие на обе стороны подложки наносят как во время ее изготовления (фольгирование прессованием), так и после изготовления (электрохимическое покрытие, вакуумное напыление). Очень важную роль играет прочность сцепления покрытия с диэлектриком, которая колеблется в зависимости от материала подложки и способа нанесения покрытия от 150 до 1000 Н/м.

На подложки из органических материалов проводящее покрытие, как правило, наносится горячим прессованием (плакированием). При этом наименьшая прочность сцепления получается для фторопласта ФФ-4, а наибольшая - для стеклотекстолита. Материал покрытия органических диэлектриков, как правило, - медная фольга толщиной 30 ... 50 мкм. Материал фольги для покрытий - медь электролитическая ФМЭ, ФМЭО (оксидированная), ФМЭОШ (оксидированная повышенной шероховатости). Одна поверхность фольги выполняется шероховатой, вторая (наружная) - гладкой (не ниже 8-го класса чистоты обработки).

На неорганические диэлектрики покрытие наносится, как правило, методом вакуумного испарения, электрохимическим методом или приклейкой фольги.

Таблица 3. Электрофизические свойства некоторых металлов

Прочность сцепления покрытия с подложкой зависит от способа его нанесения и находится в пределах от 2 МПа при электрохимическом нанесении до 15 МПа при вакуумном напылении. Для увеличения прочности сцепления покрытия с подложкой используются адгезионные слои из хрома, нихрома, ванадия, титана, тантала, которые наносят на подложку перед нанесением основного покрытия. Толщина адгезионного слоя должна быть много меньше глубины проникновения поля в металл с тем, чтобы основная часть тока протекала по медному покрытию, не увеличивая существенно затухание в полосковой линии.

Для защиты медных проводников от окисления под воздействием атмосферы их иногда покрывают тонким (0.25... 0.5 мкм) слоем серебра, золота или олова (лужение). В табл. 3 указаны основные электрофизические параметры некоторых металлов: их проводимость <т, поверхностное сопротивление слоя толщиной 600 нм Rs, теплопроводность K_t , температура плавления ?о: твердость по Бринелю H_B и плотность с.

Дискретные элементы крепятся к полосковой схеме с помощью пайки. Сама подложка может крепиться к корпусу устройства также с помощью пайки, специальными проводящими клеями (контактолами) или механически (винтами). Различают две группы припоев - твердые (с температурой кристаллизации более 300 °С) и мягкие (с меньшей температурой кристаллизации). Предел прочности твердых припоев при растяжении -100... 500 МПа, мягких - 16... 100 МПа.

4. Электрический и геометрический расчет элементов и устройства в целом. Расчет параметров и характеристик спроектированного устройства

Волновое сопротивление четвертьволнового отрезка выбирается равным Ом, где N - число выходов. Развязка выходов определяется по формуле:

Мощность распределяется между каналами в соотношении

Теперь произведем топологический расчет микрополоскового устройства.

Методика расчета МПЛ заключается в следующем:

а) выбирается диэлектрик подложки МПЛ с параметрами h и .

Для отсутствия паразитных типов волн необходимо выполнить условие:

_где - выражена в ГГц., h - в мм.

б) при определении размеров по заданному значению Z_в следует пользоваться формулами:

здесь

0.41

г) толщина проводников t выбирается из условия:

где - глубина скин-слоя

Параметр А определяется из таблицы:

Таблица 4

д) длинна волны в МПЛ определяется по формуле:

здесь - длинна волны в воздухе.

е) потери в МПЛ определяются

,

- потери в диэлектрике,

- потери в металле,

- потери на излучение.

В формулах - тангенс диэлектрических потерь,

,

где параметр В определяется из таблицы.

Размещено на Allbest.ru