Методика проектирования и расчета высокочастотных кабельных делителей мощности

Введение в проблематику проектирования ВЧ делителей

Высокочастотный (ВЧ) делитель мощности, также известный как Power Divider (PD), является одним из ключевых пассивных компонентов, лежащих в основе современных радиоэлектронных систем. Эти устройства, способные работать как на деление, так и на суммирование сигналов, находят широчайшее применение в самых разных областях: от систем радиосвязи и фазированных антенных решеток (ФАР) в радарах до измерительного оборудования и инфраструктуры сотовых сетей. Их незаменимость определяет высокую актуальность задачи их проектирования.

Несмотря на кажущуюся простоту, разработка эффективного делителя мощности сталкивается с проблемой отсутствия единой, систематизированной методики, которая бы объединяла теоретические основы, электродинамический расчет и практические аспекты моделирования в САПР. Данный материал, являющийся фрагментом курсовой работы, призван решить эту проблему. Цель работы — разработать и детально описать комплексную методику расчета и конструирования синфазного кабельного делителя ВЧ мощности, которая могла бы служить надежным руководством для выполнения учебных и инженерных задач.

Для того чтобы приступить к разработке такой методики, необходимо сначала рассмотреть теоретические основы, на которых базируется работа этих устройств.

Раздел 1. Фундаментальные принципы работы и ключевые параметры делителей

Основной принцип работы ВЧ делителей мощности основан на физических процессах распространения и интерференции электромагнитных волн. Входящий сигнал разделяется на несколько трактов, где его мощность распределяется в заданной пропорции, а фаза может либо сохраняться (синфазные делители), либо сдвигаться на определенную величину. Для корректной оценки и проектирования этих устройств используется ряд ключевых параметров:

• Диапазон частот: Интервал частот, в котором устройство сохраняет свои заявленные характеристики.
• Коэффициент деления: Определяет, какая часть входной мощности поступает на каждый из выходов. Например, для идеального делителя на два плеча (2-way) мощность на каждом выходе будет вдвое меньше входной, что в логарифмических единицах составляет -3 дБ.
• Вносимые потери: Суммарные потери мощности сигнала при прохождении через устройство, не связанные с его основным делением. В идеальном двухплечевом делителе они равны 3.01 дБ, а любое превышение этого значения указывает на потери в материалах и несовершенство конструкции.
• Изоляция (развязка) между портами: Один из важнейших параметров, показывающий, насколько выходные порты изолированы друг от друга. Высокая изоляция (типичные значения 20-30 дБ) предотвращает взаимное влияние подключенных к выходам устройств.
• КСВН (Коэффициент стоячей волны по напряжению): Характеризует степень согласования волновых сопротивлений портов делителя с подключенными к ним линиями передачи. Чем ближе КСВН к единице (типичное требование — не более 1.2), тем меньше мощность отражается от входов и выходов устройства.
• Максимальная мощность: Предельная входная мощность, которую делитель способен выдержать без деградации параметров или физического разрушения.

Понимание этих параметров позволяет перейти к анализу существующих конструктивных реализаций делителей мощности, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.

Раздел 2. Обзор и сравнительный анализ основных конструкций

В современной радиоэлектронике существует несколько фундаментальных типов делителей мощности, выбор между которыми диктуется требованиями конкретной задачи. Их можно классифицировать следующим образом:

1. Резистивные делители: Наиболее простые и компактные устройства, построенные на резисторах. Их главное преимущество — широкая полоса рабочих частот. Однако они обладают существенным недостатком: вносимые ими потери значительно выше теоретического минимума, а изоляция между выходными портами отсутствует.
2. Реактивные делители (направленные ответвители): Используют связанные линии передачи для отвода части мощности. Они обеспечивают низкие потери и хорошую изоляцию, но, как правило, имеют более узкую рабочую полосу.
3. Гибридные делители: Сочетают в себе реактивные и резистивные элементы, что позволяет достичь хорошего компромисса между широкополосностью, низкими потерями и высокой изоляцией.

Среди гибридных конструкций наибольшую известность получили делитель Вилкинсона и квадратурный делитель.

Делитель Вилкинсона обеспечивает равное деление мощности с высокой изоляцией между выходными портами и сохранением фазы сигнала. Квадратурный же делитель также делит мощность пополам, но создает между выходными сигналами фазовый сдвиг в 90 градусов, что критически важно для некоторых схем, например, в квадратурных модуляторах. Для физической реализации этих конструкций чаще всего применяются технологии печатных плат, в частности микрополосковые линии (МПЛ), которые позволяют создавать компактные и воспроизводимые устройства.

Из всех рассмотренных конструкций делитель Вилкинсона представляет наибольший интерес для учебного проектирования благодаря своей эффективности и ясности принципов работы, которые мы рассмотрим подробнее.

Раздел 3. Устройство и принципы работы делителя Вилкинсона

Классический двухплечевой (2-way) делитель Вилкинсона является эталонным решением для задач, где требуется синфазное деление мощности с отличным согласованием и высокой развязкой между выходами. Его конструкция гениальна в своей простоте и состоит всего из трех ключевых элементов:

• Две четвертьволновые линии передачи: Два отрезка линии передачи (например, кабеля или микрополосковой линии на плате), физическая длина которых равна четверти длины волны на центральной рабочей частоте. Эти линии выполняют функцию трансформаторов импеданса, согласуя входное сопротивление системы с выходными портами.
• Изолирующий резистор: Резистор, включенный между двумя выходными портами. Этот элемент не участвует в процессе деления мощности при нормальной работе. Его задача — поглощать мощность сигнала, который может отразиться от одного из выходов и попытаться «просочиться» на другой. Именно резистор обеспечивает высокую изоляцию.

Для стандартной 50-омной системы, которая является де-факто стандартом в ВЧ-технике, номиналы элементов делителя Вилкинсона строго определены:

1. Волновое сопротивление каждой из четвертьволновых линий должно быть равно 70.7 Ом (что вычисляется как Z₀ * √2).
2. Сопротивление изолирующего резистора должно быть равно 100 Ом (что равно 2 * Z₀).

При соблюдении этих условий устройство обеспечивает теоретически идеальное согласование на всех портах и бесконечную изоляцию между выходами на центральной частоте. Теперь, имея полное представление о теоретической базе и конструкции эталонного устройства, мы можем перейти к формулировке пошаговой методики его практического расчета.

Раздел 4. Формулировка исходных данных для проектирования

Любой инженерный расчет начинается с четкого определения технических требований. Процесс проектирования ВЧ делителя мощности не является исключением и требует формирования исходного технического задания. Перед началом вычислений необходимо определить и зафиксировать следующие ключевые параметры будущего устройства:

• Центральная рабочая частота (f₀): Частота, на которой характеристики делителя должны быть оптимальными.
• Требуемый коэффициент деления: Количество выходных портов и распределение мощности между ними (в нашем случае — деление на 2).
• Тип используемой линии передачи: Например, коаксиальный кабель определенной марки или микрополосковая линия на конкретном диэлектрике.
• Параметры линии передачи:
  • Волновое сопротивление (Z₀): Стандартное значение, обычно 50 или 75 Ом.
  • Относительная диэлектрическая проницаемость (εᵣ): Параметр материала изоляции кабеля или подложки платы, влияющий на скорость распространения волны.
• Допустимый уровень КСВН: Максимальное значение КСВН на всех портах в рабочей полосе частот.
• Минимально необходимая изоляция: Наименьшее допустимое значение развязки между выходными портами.
• Допустимые вносимые потери: Максимально разрешенное превышение над теоретическим значением потерь деления.

На основе этих четко определенных требований строится вся математическая модель, к расчету которой мы и переходим.

Раздел 5. Методика электродинамического расчета делителя

Имея на руках техническое задание, можно приступать к ядру работы — пошаговому расчету электрических и геометрических параметров делителя Вилкинсона. Методика включает в себя следующие этапы:

1. Расчет длины волны в линии передачи. Сначала определяется длина волны в свободном пространстве (λ₀) для центральной частоты f₀. Затем, с учетом диэлектрической проницаемости изоляции (εᵣ), вычисляется укороченная длина волны непосредственно в линии передачи (λ). Это ключевой шаг, так как именно эта длина определяет физические размеры устройства.
2. Определение физической длины четвертьволновых отрезков. Физическая длина (L) каждого из двух согласующих трансформаторов рассчитывается как одна четверть от длины волны в линии: L = λ / 4. Это основной геометрический параметр, который будет использоваться при физическом конструировании делителя.
3. Расчет параметров согласующих трансформаторов. Для стандартной 50-омной системы (Z₀ = 50 Ом) и деления мощности на два, волновое сопротивление (Zₜ) четвертьволновых отрезков должно составлять 70.7 Ом. Если используется готовый кабель, подбирается марка с ближайшим к этому значению волновым сопротивлением. При проектировании на печатной плате этот параметр определяет ширину микрополосковой линии.
4. Расчет номинала изолирующего резистора. Сопротивление (R) изолирующего резистора для двухплечевого делителя всегда равно удвоенному волновому сопротивлению системы: R = 2 * Z₀. Для 50-омной системы это составляет 100 Ом.

Эти расчеты позволяют полностью определить электрическую схему и физические размеры делителя. В теории, полученная конструкция должна обладать идеальными характеристиками, которые описываются через матрицу рассеяния, или S-параметры. Например, параметр S11 будет характеризовать отражение от входа (связан с КСВН), S21 и S31 — передачу мощности на выходы (вносимые потери), а S23 — изоляцию между выходными портами. После выполнения аналитических расчетов следующим логическим шагом является их проверка и оптимизация с помощью современных систем автоматизированного проектирования.

Раздел 6. Моделирование и верификация в САПР

Аналитический расчет дает идеализированную модель. В реальности на характеристики устройства влияют паразитные эффекты, неточности изготовления и свойства материалов. Поэтому неотъемлемой частью современного процесса проектирования является компьютерное моделирование в системах автоматизированного проектирования (САПР), или CAD/CAE системах. Этот этап позволяет верифицировать расчеты, оптимизировать конструкцию и предсказать ее реальные характеристики до изготовления физического прототипа.

Среди наиболее популярных программных пакетов для проектирования ВЧ-устройств можно выделить:

• AWR Design Environment (Microwave Office)
• CST Studio Suite
• Ansys HFSS
• Keysight ADS

Процесс моделирования делителя, например, на основе микрополосковых линий, выглядит следующим образом:

1. Создание геометрической модели: На основе рассчитанных в предыдущем разделе длин и требуемой ширины линий (для получения 70.7 Ом) в редакторе САПР создается 2D или 3D модель топологии делителя.
2. Задание свойств материалов: Модели присваиваются физические свойства используемой подложки (диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь, толщина).
3. Определение портов: На входе и выходах модели размещаются виртуальные порты для «подключения» измерительных приборов симулятора.
4. Запуск симуляции: Производится электродинамический анализ модели в заданном диапазоне частот. В результате симулятор рассчитывает S-параметры устройства (S11, S21, S31, S23).

Полученные в ходе симуляции графики зависимостей S-параметров от частоты сравниваются с ожидаемыми теоретическими значениями. Это позволяет оценить, насколько точно расчетная модель будет работать в реальности, и при необходимости внести корректировки в геометрию для достижения требуемых КСВН, потерь и изоляции.

Таким образом, пройдя путь от теории до компьютерного моделирования, мы можем подвести итоги и сформулировать окончательные выводы о разработанной методике.

Заключение

В ходе данной работы был пройден полный цикл проектирования высокочастотного делителя мощности: от фундаментальной теории до практической верификации. Были рассмотрены физические принципы работы ВЧ устройств, проанализированы и сравнены их основные конструкции, что позволило обоснованно выбрать делитель Вилкинсона в качестве прототипа для дальнейшей разработки.

Центральным результатом работы стала формулировка четкой, пошаговой методики электродинамического расчета, которая позволяет на основе исходных технических требований определить все ключевые электрические и геометрические параметры устройства. Завершающий этап, посвященный моделированию в САПР, продемонстрировал важность применения современных инженерных инструментов для проверки и оптимизации аналитических выкладок.

Можно сделать главный вывод: предложенная методика является комплексным и работающим инструментом для проектирования ВЧ делителей мощности. Она систематизирует разрозненные теоретические сведения и практические шаги в единый, логичный алгоритм. Практическая значимость работы заключается в том, что представленный материал может служить готовым, структурированным руководством для студентов и начинающих инженеров при выполнении курсовых работ и решении реальных прикладных задач в области радиоэлектроники.

Список использованной литературы

1. Ротхаммель К., Кришке А. Антенны. Том 1.: Пер. с нем. – Мн.: ОМО «Наш город», 2001. – 416 с.: ил.
2. Ерохин Г.А., Чернышев О.В., Козырев Н.Д., Кочержевский В.Г. Антенно–фидерные устройства и распространение радиоволн. – М. Радио и связь. 1996. 486с.
3. Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.В. Антенны УКВ. Ч. 1,2 – М. Связь, 1977 667с.
4. Антенны: современное состояние и проблемы/Под ред. чл.-корр. АН СССР Л.Д. Бахраха и проф. Д.И. Воскресенского. – М.: Радио и связь, 1981. – 432 с.
5. Бунин С.Г., Яйленко Л.П. Справочник радиолюбителя-коротковолновика. – 2-е изд. Перераб. и доп. — 1984 г. К.: Техника, 1984. – 264 с., ил.
6. Волгов В. А. Детали и узлы радиоэлектронной аппаратуры. Изд. 2-е, перераб и доп. М., «Энергия», 1977. – 656 с. с ил.
7. Шпиндлер Э. Практические конструкции антенн: Пер. с нем. – М.:т Мир, 1989. – 448 с., ил.
8. Гончаренко И. Расчет кабельного делителя мощности // «Радио», 2009 г. — №7 — С.56-67.