Здравствуйте.
Сразу прошу прощения, если проблема тривиальная и решение её самоочевидно. Просто получил такое задание, сталкиваюсь с "серьёзной" работой впервые, предоставлен самому себе и боюсь напортачить.
Для контроля падающей и отражённой волн в вч-тракте требуется разработать направленный ответвитель. Предлагается микрополосковая реализация (Duroid, T = 35 мк, Н = 0,64 мм, Er = 6.15) и следующая конструкция: фактически два ответвителя с общей первичной линией, с рабочих плеч вторичных линий сигналы поступает на детекторы соответственно падающей и отражённой волн. То есть при поступлении прямого сигнала часть его ответвляется в детектор падающей волны, при этом детектор отражённой для него оказывается теоретически развязанным. Симметричный случай и для отражённой волны. Первичная линия имеет волновое сопротивление 50 Ом, вторичная 75 Ом. Ослабление 40 дБ.
При моделировании в MWO экспериментально были получены габариты: ширина 50-омной полоски w1=0.9 mm, 75-омной w2=0.6 mm, зазор s=3.6 mm, длина области связи L=38.6 mm.

Вопросы такие: при моделировании получил частотную зависимость параметра C14 (развязка или направленность), которая показывает, что его величина в децибелах гораздо меньше, чем величина С12 (ослабление). На центральной частоте при C12 = 40 дБ величина C14 = 33 дБ.
Может быть, я неверно провожу опыт? Вообще, может быть такое, что в развязанное плечо поступает большая мощность, чем в рабочее? Я читал, что в МПЛ ответвителях при ослаблении связи значительно уменьшается направленность, но не до такой же степени. Ведь величина направленности в теории вообще бесконечна.

И второй вопрос - это конструкция. Можно ли разместить все три полоска подряд или ответвители нужно разносить друг от друга вдоль общей первичной линии?

Заранее благодарю!

Устроено всё должно быть так:

Emp-файл - в студию!

Можно. А еще можно попробовать вообще сделать с одним связанным участком, т. е. в качестве согласованной нагрузки использовать сами детекторы (при условии, что они будут выполнять эти функции для Ваших режимов) - для ответвителя на падающую волну функцию нагрузки в канале, ответвляющем отраженнную волну, будет выполнять детектор отраженной волны и наоборот.
А вообще, посмотрите по расчету полосковых ответвителей, например, справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств Вольмана или другую литературу, которой по данной теме достаточно много.

Верно для ТЕМ, но не для квази.
Посмотрите A New Directional Coupler Design with High Directivity for PCS and IMT-2000 , любопытно.

Прикрепил к сообщению. Там, собственно, ничего особенного. Исследовал я лишь одну половину двунаправленной системы, чтобы проверить, какова будет частотная зависимость коэффициента передачи из плеча 1 в плечо 4 (ведь это и есть направленность? или это развязка? признаться, запутался я в терминах уже).



Спасибо. Этот вариант рассматривался, но тут очень важно обеспечить хорошее согласование нагрузки в развязанном плече, а если туда поставить детектор, согласование будет хуже.
Книжек действительно полно, но таких, чтобы была хорошо изложена практическая часть, мне почти не встречалось. Вольмана, признаться, ещё не читал.


Большое спасибо, интересная статья. Я сейчас спрошу, наверное, ужасную вещь, но правильно ли я понял, что 45 градусные срезы предлагается авторами как способ улучшения направленных свойств ответвителя?

Нет, не срезы. Основная идея - это введение компенсирующих емкостей (при_пОсредстве triangle grounding area) на обоих концах связанных линий в отличии от практически одноэлементной мотороловской классики:
M. Dydyk, “Microstrip directional couplers with ideal performance via single-element compensation,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 47, no. 6, pp. 956–964, 1999.

В индексах портов S-параметров на первом месте конечный порт, на втором месте - начальный порт, например коэффициент передачи от порта 1 до порта 4 - S41. Для Ваших обозначений портов и при подаче основного сигнала на порт 1 должно быть:
S21 - коэффициент связи (coupling);в децибелах без минуса;
S41 - коэффициент развязки (isolation); в децибелах без минуса;
Разность (S41-S21) в децибелах - коэффициент направленности (direction);
S31 - затухание (insertion loss); в децибелах без минуса.
В нормальном ответвителе S41 всегда должно быть больше S21.
Я тут поигрался с вВашим файлом и получилось, что для получения коэффициента направленности 20dB и более зазор между линиями должен быть не более 0,2mm. Современная технология изготовления печатных плат (не домашняя) может обеспечить такой зазор с приемлемой точностью.
Для того, чтобы одновременно получать сигнал прямой и отраженной волны, совсем не обязательно делать два ответвителя, можно одновременно снимать прямую волну с порта 2 и отраженную - с порта 4 (при направлении основного сигнала от порта 1 к порту 3). При этом важно, чтобы порты 2 и 4 были нагружены на 75 ом. Это легко обеспечить, применяя в качестве детекторов специализированные микросхемы, например двухканальный LTC5583. Кстати, микросхемные детекторы больше подходят для измерительных целей, потому как обеспечивают по сравнению с дискретными диодами намного лучшую температурную стабильность, чувствительность и линейность.

Попробовал смоделировать в EM ответвитель с такими треугольниками. Не заметил никакого их влияния на характеристики . Да и "пихать" их в конструкции некуда, так как в секцию ещё нужно уместить детекторы, а ответвители по сути представляют собой параллельные полоски без всяких ухищрений, то есть я хочу сказать, что они не являются самостоятельными конечными устройствами.


Так в приложенном Вами файле коэффициент связи 11 дБ. Входной сигнал имеет мощность 1 кВт, на детектор необходимо подать 0,1 Вт. Связь 40 дБ. Если варьировать величиной зазора, можно получить нужные 40 дБ при S = 3.6 мм. При этом развязка S41 будет составлять 34 дБ. Я просто не могу понять, это что значит, что в развязанное плечо поступит даже больше мощности, чем в рабочее? Я прошу прощения, если не понимаю чего-то очевидного, это оттого, что я который день уже безвылазно сижу с этим ответвителем и в голове никакой ясности. И если это утверждение насчёт развязки верно, то работать будут оба детектора при падающей волне и при отражённой (а в реальности ещё и контрольное устройство полетит).





Спасибо за совет. К сожалению, не уверен, что это реально, поскольку разработка не "домашняя", а используются тут повсеместно обычные импульсные детекторы на диодах 2Д922, и о их замене вопрос не стоит.

Вообще-то не назван диапазон (MWO на работе пришлось снести - не могу посмотреть приложение) по прикидке на бумажке ~940МГц, и мощность появилась достаточно поздно. 1кВт сразу из почти только электрической задачи превращает в конструктивную. Особенно, если возможны обрывы в нагрузке. Такие вещи в бортовой самолетной аппаратуре (960-1250МГц) делали покаскадно - сначала ответвитель на минус 20дБ, потом аттенюатор 20дБ. Или еще один ответвитель на 15-20дБ. Первый ответвитель, как правило, был на симметричной полосковой линии в хорошем диэлектрике (керамика или ФАФ), причем, не всегда в одной плоскости - иногда через слой диэлектрика. Если делали на микрополоске - блок закачивался элегазом. Иначе возможны пробои при кратковременных рассогласованиях нагрузки.

Да, частоты и мощность я упустил. Диапазон 870...1000,5 МГц и второй ещё 1215...1280 МГц.
Да уж, задача из простого пересчёта топологии с ФАФ на Дюройд (открою ещё один секрет ) превращается в нечто совсем выходящее за рамки... В существующем виде на ФАФ это точно такой же, как и хочется получить, двунаправленный ответвитель на несимметричной линии без всяких ухищрений.
Спасибо за ответ. Но, увы, ограничение на габариты (сам ответвитель контроля с детекторами входит в усилительный модуль) не позволит "городить огород"...

Ну дык если Вы уверены в своей нагрузке, и если объединить мое предложение с аттенюаторами (вроде Анарены делали достаточно компактные) и Proffessora (только что заметил и EUrry) по съему с обеих сторон - может получиться меньше, чем Вы планировали.

Чтобы обеспечить S41>S21, надо сделать зазор 0,2mm, а чтобы ничего не сгорело, к портам 2 и 4 надо подключить резисторные или емкостные аттенюаторы на 30dB.

Большое спасибо за помощь!
Я всё понял насчёт S41>S2 и аттенюаторов.
Похоже, что скоро будут вопросы по ним .

К сожалению, не видел на русском языке литературы, описывающей улучшение направленных свойств ответвителей выравниванием фазовых скоростей, хотя на большинстве разобранных советских ответвителей это использовалось - здесь неоднократно приводились англоязычные ссылки на Wiggly (sawtooth) Coupled Microstrips - например, http://electronix.ru/forum/index.php?showt...st&p=972843

Есть идея.
При большом зазоре S21>S41 говорит о том, что Ваш НО становится обращенным, т.е. с порта 2 снимается отраженный сигнал, с порта 4 - прямой. Тогда S41 это коэфф.связи, а S21 - развязка. Посмотрите на графиках S-параметров, что получилось при зазоре 5,2mm. Во всем Вашем диапазоне частот разность S21-S41(коэфф.направленности) не менее 19dB, что для целей измерения вполне достаточно.

Статьи я посмотрел. Но важно понять, с чем борешься. Как я понял, такой эффект, как и всё плохое в МПЛ, вызван именно разностью фазовых скоростей чётного и нечётного типов волн? Вопрос изначально стоял так: бывает ли такое, что развязка сильнее, чем связь.



Интересная идея! Надо обдумать. Спасибо.

Обоснованно возразить не могу, но всегда считал, что НО на связанных ПЛ противонаправленный. Сонаправленным является НО в канале прямоугольного волновода. Может быть какая-то некорректность закралась? Это так, для бдительности. Может быть более опытные прояснят, было бы интересно.

Я тоже так считал, но больше верится результатам моделирования в AWR Design Environment, он же MWO. Попробуйте и Вы промоделировать. Исходный EMP-файл прикреплен к посту #5

Я больше верю реальным фактам, а намоделировать можно всё что угодно - ограничения моделей никто не отменял. К сожалению, удовлетворять любопытство сам не имею сейчас возможности - более чем хватает своих задач.

Правильно. Рассудить нас может только практическая реализация, макетирование, лабораторный эксперимент. Я лично к этому пока не готов, может быть в будущем жизнь подкинет такую же задачку.

Попробовал сегодня моделировать в AXIEM и в EMSight. Результаты во вложенном файле, они несколько разные, но тенденция сохраняется. Посмотрел и в Sonnet, результаты совпадают с EMSight. Неужто все врут? Я с ответвителями с таким большим ослаблением дела не имел. Но может быть кто-то делал что-нибудь подобное, может быть на других материалах, на других частотах?

Да, тенденция превращения НО в обратный классическому налицо. Попробуйте сделать зазор 5,2mm. Конечно, оптимизировать в электромагнитном симуляторе - длительно и недушевно, но играя в схемном симуляторе, заметил, что направленность в таком режиме очень сильно зависит от зазора. Уход от оптимального 5,2mm на 0,1mm в плюс или минус уменьшает направленность сразу на несколько dB. Кстати, чисто формально надо бы задавать на графиках вывод параметров S21, S41, а не S12, S14, ведь мы как бы имитируем подачу сигнала на порт 1 и снимаем с портов 2, 4. Хотя конечно в пассивном устройстве все они обратимы, то есть S21=S12, S41=S14.

Надеюсь, вы моделировали симметричную полосковую линию?


Есть идея, что это традиционный глюк МВО.
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Это что, схемный симулятор ADS? Ну допустим, схемный симулятор MWO глючит. Но вот Вам результат электромагнитного симулятора MWO. Хорошее совпадение с Вашими графиками налицо. Надеюсь, Вы не будете возражать, что наш НО начиная примерно с частоты 680MHz (на Вашем графике 750MHz), где пересекаются кривые S21 и S41, превращается из обратнонаправленного классического в прямонаправленный. И, заметьте, коэффициент направленности S41-S21 растет с ростом частоты, что позволяет надеяться на то, что с увеличением геометрической длины НО можно обеспечить приемлемый коэффициент направленности в заданном диапазоне частот 830-1280MHz.

А как там насчет остальных то параметров? Может остальные завалены не туда, куда надо. Все эти инструменты совсем атрофируют мозг человеческий в конце концов, который будет не способен решить проблемы в критической ситуации в отсутствие "помощников". Прошу прощение за пессимизм.
P. S. Может быть при слабой связи четные и нечетные волны как-то и по-другому могут накладываться, надо бы почитать, что умные люди писали в старых книжках, а уж потом "тыкать в кнопки".

Что ж, Вы в чем-то правы. В наше время процесс разработки превратился в компьютерную игру. Метод тыка становится основным, а умные книжки с пожелтевшими страницами пылятся на полках. Но в нашей конкретной ситуации достаточно получить нужное сочетание S-параметров и задача будет решена.

Наш НО с ростом частоты плавно превращается из четвертьволнового в полуволновый. И на полуволновой частоте благодаря квазиТЕМовости изоляция будет вообще бесконечной. Теоретически. В одной точке. Реально в полосе 40% .. ну, возможно удастся выжать 10-15dB. Ценой удвоения длины, увеличения потерь вдвое и росту неравномерности связи в диапазоне.
Любопытно другое, у автора есть рабочий НО на ФАФе. Неужели при простом переносе его на дуроид он превращается в полный хлам?

Действительно, при удлинении НО до 63mm (на дюроиде) на частоте приблизит 980MHz наблюдается глубокий провал S21. Приемлемый коэффициент направленности (>20dB) наблюдается в узкой полосе частот (приблиз. 940-1060MHz), это , наверное и есть тот самый полуволновый резонанс.
Перенос с ФАФ на дюроид эквивалентно увеличению электрической длины в корень(6,15/2,2) = 1,7 раз, что и приводит к нарушению соотношения S21 и S41.
Скорее всего нашему автору придется ради широкополосности применить четвертьволновый вариант со связью 10dB и 100-ваттными балластными резисторами и решать проблему отвода тепла. 1 кW - это не шутка.

Кстати, ну уж ежели любым путем, то не могу не упомянуть о старой дедовской методе увеличения направленности именно МПЛ ответвителей.
На классический НО в нужном месте приклеивается кусок нужного диэлектрика нужного размера. Для примера перетер старый проект 20dB-ответвителя. Из которого видно, что таким ненаучным методом можно поднять направленность с практически 0 до тех самых заветных 20 в полосе около 80%. На рисунке классический НО на RO4003, розовая банбошка - кусок поликора 7x7 толщиной 1мм. Все, что штрихами - это до того, сплошные линии - это после (с мизерной коррекцией зазора). Практически проверено за 30 лет много-много-кратно, все работает. Расчету не поддается но для штучных изделий вполне.
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Похоже, что придётся мне всё-таки позже отчитываться о том, как сработала идея о превращении противонаправленного НО в сонаправленный на практике. Что-то мне исключительно интуитивно подсказывает, что она верна. По крайней мере в схемном редакторе MWO (при всём при том, какие сомнения были высказаны выше + опыты. которые подтверждают её правильность) я получил для своих полос нужное затухание и хорошую направленность (графики, к сожалению, остались на работе). Я изменял длину области связи, которая в результате получилась чуть больше четверти длины волны, при этом добился в полосах своеобразного резонанса S21-параметра. Подчеркну, что речь идёт о двух разных НО для разных полос.

Книжки с жёлтыми страницами описывают МПЛ-технологии как надёжные, перспективные и т.д. и на этом, к сожалению, по большей части все сведения о них и заканчиваются. Примерно то же касается и НО со слабой связью. Мне, признаться, было бы гораздо спокойнее и приятнее, если бы всё было сделано по науке, а не тыком. Конечно, сначала будет макет, посмотрим, что там к чему... волнительно.

А разве нельзя посчитать, например, в Sonnet? Правда считать с банбошкой будет наверное долго.