Σχεδιασμός μικροκυμματικού διαιρέτη διπλής ζώνης συχνοτήτων με συζευγμένες γραμμές Πτυχιακή Εργασία: Γκεριτζής Σταύρος (2315) Τσακαλάκης Απόστολος (1416) Επιβλέπων Καθηγητής: Δρ. Τσίτσος Στυλιανός ΣΕΡΡΕΣ ΜΑΪΟΣ 2015

Γραμμές Μεταφοράς Η μεταφορά μικροκυματικής ενέργειας από ένα σημείο σε ένα άλλο,δεν είναι δυνατή μέσω απλών καλωδίων, Συνεπώς απαιτούνται ειδικού τύπου γραμμές που ονομάζονται γραμμές μεταφοράς Μια γραμμή μεταφοράς είναι ένα ζευγάρι αγωγών που συνδέουν δύο ηλεκτρικά συστήματα. στοιχεία ή συσκευές. Οι γραμμές μεταφοράς, μπορούν συνήθως να αναλυθούν από τη γνώση των χαρακτηριστικών της τάσεως, του ρεύματος και της αντιστάσεώς τους.

Μικροκυματικός διαιρέτης ισχύος Μικροκυματικός διαιρέτης ισχύος Οι μικροκυματικοί διαιρέτες ισχύος: Είναι διατάξεις που χρησιμοποιούνται για την κατανομή ισχύος από μία θύρα εισόδου σε διάφορες θύρες εξόδου. Χρησιμοποιείται ευρέως σε πολλές μικροκυματικές εφαρμογές στο σχεδιασμό δικτύων διανομής για συστοιχίες κεραιών, σε μικροκυματικούς ενισχυτές και ταλαντωτές Έχει σχεδιαστεί για λειτουργία σε συγκεκριμένες συχνότητες. Χρησιμοποιείται στην σύγχρονη ασύρματη βιομηχανία όπου οι εφαρμογές έχουν την ικανότητα να λειτουργούν στην πολλαπλή ζώνη. Η λειτουργία διπλής ζώνης ελέγχεται από τις παραμέτρους των συζευγμένων γραμμών.

Διαιρέτης ισχύος τύπου WILKINSON Αυτός ο διαιρέτης μπορεί να υλοποιηθεί με μικροταινιακές γραμμές ή ταινιογραμμές. Ο διαιρέτης ισχύος Wilkinson μπορεί να παρέχει αυθαίρετη διαίρεση ισχύος

Διαιρέτης ισχύος τύπου WILKINSON

Διαιρέτης ισχύος τύπου WILKINSON Ημικυκλώματα (a) άρτιου και (b) περιττού ρυθμού διάδοσης του διαιρέτη

Άρτιος ρυθμός διέργεσης Στην διέγερση άρτιου ρυθμού δεν υπάρχει ροή ρεύματος διαμέσου των αντιστάσεων r/2 ή διαμέσου του βραχυκυκλώματος μεταξύ των εισόδων των δύο γραμμών μεταφοράς στη θύρα 1. Κατά συνέπεια μπορούμε να διχοτομήσουμε το δίκτυο του παραπάνω σχήματος, με ανοιχτά κυκλώματα σε αυτά τα σημεία.

Περιττός ρυθμός διέργεσης Στον περιττό ρυθμό διέγερσης υπάρχει μηδενική τάση κατά μήκος του κέντρου του κυκλώματος. Επομένως μπορούμε να διχοτομήσουμε το κύκλωμα αυτό, γειώνοντάς το σε δύο σημεία στο μέσο του.

Οι εξισώσεις των χαρακτηριστικών αντιστάσεων των συζευγμένων γραμμών Χαρ. Αντιστ. Αρτ. ρυθ. Χαρ. Αντιστ. Αρτ. ρυθ. Χαρ. Αντιστ. Περ. ρυθ. Εξίσ. Ηλεκτρικού μήκους

Υπολογισμός χαρακτηριστικων αντιστάσεων Για το ηλεκτρικό μήκος των συζευγμένων γραμμών Οι χαρακτηριστικές αντιστάσεις άρτιου ρυθμού Ζ1e κ Ζ2e των συζευγμένων γραμμών

Θεωρώντας ως χαρακτηριστική αντίσταση των θυρών την Ζ0=50 Ω προκύπτει: Ζ1e = 1,585 ∙ 50 = 79,34 Ω Ζ2e = 1.261 ∙ 50 = 63,09 Ω Οι χαρακτηριστικές αντιστάσεις περιττού ρυθμού Ζ1ο κ Ζ2ο των συζευγμένων γραμμών Έχοντας επιλέξει z1o=0,32 και θ=60ο z2ο = z1o tan2θ = 0,32 tan2 60ο = 0,96 Συνεπώς: Z1o = 0,32 ∙ 50 = 16 Ω Ζ2ο = 0,96 ∙ 50 = 48 Ω

Σχεδίαση διαιρέτη διπλής ζώνης με ιδανικές γραμμές για F=2GHz

Μεταβολή παραμέτρων σκέδασης του διαιρέτη σε σχέση με την συχνότητα.

Συχνότητα S11(dB) S22(dB) S33(dB) S21(dB) S31(dB) S32(dB) 2 GHz -65,711 -73,150 -3,010 -70,373 4GHz Συχνότητα S11 S22 S33 S21 S31 S32 2 GHz 0,5 4GHz

Υπάρχει προσαρμογή σε κάθε θύρα του διαιρέτη S11=S22=S33=0 Oι τιμές των παραμέτρων σκέδασης τείνουν στο μηδέν, σημαίνει ότι σε κάθε θύρα επιστρέφει σήμα πολύ χαμηλής ισχύος Υπάρχει ισόποση κατανομή ισχύος στις θύρες εξόδου S21= S31=0,5 Η ροή ισχύος από την θύρα 1 προς τις θύρες 2 και 3, είναι 0.5 Υπάρχει απομόνωση μεταξύ των θυρών εξόδου S32=0 Tο ποσό της ισχύος που ρέει μεταξύ των θυρών 2 και 3 είναι πολύ μικρό και επομένως υπάρχει μεγάλη απομόνωση

Σχεδίαση διαιρέτη διπλής ζώνης με ιδανικές γραμμές για F=4GHz

Μεταβολή παραμέτρων σκέδασης του διαιρέτη σε σχέση με την συχνότητα.

Συχνότητα S11(dB) S22(dB) S33(dB) S21(dB) S31(dB) S32(dB) 2 GHz -65,711 -73,150 -3,010 -70,373 4GHz Συχνότητα S11 S22 S33 S21 S31 S32 2 GHz 0,5 4GHz

Σχεδιασμός τροποποιημένου διαιρέτη ισχύος Wilkinson με μικροταινιακές γραμμές για συχνότητα F=2GHz Το διηλεκτρικό υπόστρωμα των μικροταινιακών γραμμών χαρακτηρίζεται από τις ακόλουθες παραμέτρους Διηλεκτρική σταθερά: Er = 9,6 Μαγνητική διαπερατότητα: Mur = 1 Πάχος υποστρώματος: Η = 2,54 mm Πάχος μεταλλικού αγωγού: T = 0,04 mm Αγωγιμότητα μετάλλου (χαλκού): Cond = 5,813 ∙ 107 Siemens/m Απώλειες διηλεκτρικού: Tand = 0,003 Λειότητα μετάλλου (χαλκού) = 0 Συχνότητα λειτουργίας: f 1= 2 GHz

Διαστάσεις των μικροταινιακών γραμμών για F=2GHz Οι διαστάσεις των μικροταινιακών γραμμών, μπορούν να υπολογιστούν μέσω ενός του υποπρογράμματος LineCalc. Εισάγοντας τις τιμές των χαρακτηριστικών αντιστάσεων άρτιου και περιττού ρυθμού, το ηλεκτρικό μήκος (60ο) και την συχνότητα f = 2 GHz όπου τα ζεύγη των μικροταινιακών γραμμών έχουν τις εξής διαστάσεις: Πρώτο ζ εύγος Δεύτερο ζεύγος W = 1,926 mm L = 13,375 mm S = 2,867 mm   W = 1,913 mm L = 14,615 mm S = 0,027 mm

Διάγραμμα κυκλώματος Διαιρέτης ισχύος διπλής ζώνης με μικροταινιακές γραμμές, για συχνότητα σχεδιασμού 2 GHz

Μεταβολή παραμέτρων σκέδασης του διαιρέτη σε σχέση με την συχνότητα. Μεταβολή παραμέτρων σκέδασης του διαιρέτη σε σχέση με την συχνότητα.

Βελτιστοποίηση του διαιρετή ισχύος τύπου WILKINSON διπλής ζώνης συχνοτήτων με μικροταινιακές γραμμές και F=2GHz Οι βελτιστοποιημένες διαστάσεις των γραμμών του διαιρέτη μετά τη χρήση των συναρτήσεων βελτιστοποίησης random και gradient. Πρώτο ζεύγος MCLIN1 Δεύτερο ζεύγος MCLIN2 W = 1,965 mm L = 11,293 mm S = 0,058 mm W = 1,408 mm L = 9,177 mm S = 19,275 mm

Μεταβολή παραμέτρων σκέδασης του διαιρέτη του σχήματος σε σχέση με την συχνότητα, μετά την βελτιστοποίηση.

Συχνότητα S11(dB) S22(dB) S33(dB) S21(dB) S31(dB) S32(dB) 2 GHz -24,659 -24,860 -3,064 -31,191 4GHz -25,031 -24,642 -3,096 -31,602 Συχνότητα S11 S22 S33 S21 S31 S32 2 GHz 0,0034 0,0032 0,49 0,00076 4GHz 0,0031 0,00069

Υπάρχει καλη προσαρμογή σε κάθε θύρα του διαιρέτη Υπάρχει καλη προσαρμογή σε κάθε θύρα του διαιρέτη Για F=2GHz Για F=4GHz S11 = 0,0034 S11 = 0,0031 S22 = 0,0032 S22 = 0,0034 S33 = 0,0032 S33 = 0,0034 Oι τιμές των παραμέτρων σκέδασης τείνουν στο μηδέν, σημαίνει ότι σε κάθε θύρα επιστρέφει σήμα πολύ χαμηλής ισχύος Ισόποση κατανομή ισχύος στις θύρες εξόδου S21 = 0,49 S21 = 0,49 S31 = 0,49 S31 = 0,49 Η ροή ισχύος από την θύρα 1 προς τις θύρες 2 και 3, είναι 0.49 και 0.49 για τις δύο συχνότητες Υπάρχει απομόνωση μεταξύ των θυρών εξόδου S32 = 0,00076 S32 = 0,00069 Tο ποσό της ισχύος που ρέει μεταξύ των θυρών 2 και 3 είναι πολύ μικρό και επομένως υπάρχει μεγάλη απομόνωση

Διαστάσεις των μικροταινιακών γραμμών για F=4GHz Οι διαστάσεις των μικροταινιακών γραμμών, μπορούν να υπολογιστούν μέσω ενός του υποπρογράμματος LineCalc. Εισάγοντας τις τιμές των χαρακτηριστικών αντιστάσεων άρτιου και περιττού ρυθμού, το ηλεκτρικό μήκος (120ο) και την συχνότητα f = 4 GHz όπου τα ζεύγη των μικροταινιακών γραμμών έχουν τις εξής διαστάσεις: Πρώτο ζεύγος Δεύτερο ζεύγος W = 2,015 mm L = 10,57 mm S = 0,027 mm W = 2,030 mm L = 9,62 mm S = 3,246 mm  

Διάγραμμα κυκλώματος Διαιρέτης ισχύος διπλής ζώνης με μικροταινιακές γραμμές, για συχνότητα σχεδιασμού 4 GHz Διαιρέτης ισχύος διπλής ζώνης με μικροταινιακές γραμμές, για συχνότητα σχεδιασμού 4 GHz.

Μεταβολή παραμέτρων σκέδασης του διαιρέτη σε σχέση με την συχνότητα

Βελτιστοποίηση του διαιρετή ισχύος τύπου WILKINSON διπλής ζώνης συχνοτήτων με μικροταινιακές γραμμές και F=4GHz Οι βελτιστοποιημένες διαστάσεις των γραμμών του διαιρέτη μετά τη χρήση των συναρτήσεων βελτιστοποίησης random και gradient. Πρώτο ζεύγος MCLIN1 Δεύτερο ζεύγος MCLIN2 W = 1,965 mm L = 11,293 mm S = 0,058 mm W = 1,408 mm L = 9,177 mm S = 20,985 mm

Μεταβολή παραμέτρων σκέδασης του διαιρέτη σε σχέση με την συχνότητα, μετά την βελτιστοποίηση.

Συχνότητα S11(dB) S22(dB) S33(dB) S21(dB) S31(dB) S32(dB) 2 GHz -24,739 -24,910 -3,064 -31,209 4GHz -25,007 -24,732 -3,096 -31,583 Συχνότητα S11 S22 S33 S21 S31 S32 2 GHz 0,0033 0,0032 0,49 0,00075 4GHz 0,0031 0,00069

Υπάρχει καλη προσαρμογή σε κάθε θύρα του διαιρέτη Για F=2GHz Για F=4GHz S11 = 0,0033 S11 = 0,0031 S22 = 0,0032 S22 = 0,0033 S33 = 0,0032 S33 = 0,0033 Oι τιμές των παραμέτρων σκέδασης τείνουν στο μηδέν, σημαίνει ότι σε κάθε θύρα επιστρέφει σήμα πολύ χαμηλής ισχύος Ισόποση κατανομή ισχύος στις θύρες εξόδου S21 = 0,49 S21 = 0,49 S31 = 0,49 S31 = 0,49 Η ροή ισχύος από την θύρα 1 προς τις θύρες 2 και 3, είναι 0.49 και 0.49 για τις δύο συχνότητες Υπάρχει απομόνωση μεταξύ των θυρών εξόδου S32 = 0,00075 S32 = 0,00069 Tο ποσό της ισχύος που ρέει μεταξύ των θυρών 2 και 3 είναι πολύ μικρό και επομένως υπάρχει μεγάλη απομόνωση

Διάταξη φυσικής τοποθέτησης (layout) του διαιρέτη ισχύος διπλής ζώνης, για συχνότητα σχεδιασμού 2 GHz.

Διάταξη φυσικής τοποθέτησης (layout) του διαιρέτη ισχύος διπλής ζώνης, για συχνότητα σχεδιασμού 4 GHz.

Συμπεράσματα Οι θύρες του διαιρέτη που μελετήσαμε είναι προσαρμοσμένες, δεδομένου του ότι σε κάθε θύρα επιστρέφει σήμα πολύ χαμηλής ισχύος έως και καθόλου. Επιτυγχάνεται μεγάλος βαθμός απομόνωσης μεταξύ των δυο εξόδων του διαιρέτη (θύρες 2 και 3), αφού η ποσότητα ισχύος που ρέει μεταξύ των θυρών 2 και 3 είναι πολύ μικρή. Επιτυγχάνεται ισόποση κατανομή ισχύος στις θύρες. Από τις γραφικές παραστάσεις που παρουσιάστηκαν, παρατηρήθηκε καλή συμφωνία μεταξύ των ζητούμενων και των αποτελεσμάτων προσομοίωσης. Κατά τον σχεδιασμό με χρήση μικροταινιακών γραμμών, παρατηρήθηκαν αποκλίσεις από τις επιθυμητές τιμές των παραμέτρων σκέδασης. Αυτό είναι αναμενόμενο λόγω της πεπερασμένης αγωγιμότητας του χαλκού και λόγω των απωλειών που εισάγει το διηλεκτρικό υπόστρωμα. Επιπλέον, η απόσταση που απαιτείται μεταξύ των συζευγμένων γραμμών, είναι πολύ μικρή. Εφαρμόζοντας τεχνικές βελτιστοποίησης, οι διαιρέτες ισχύος επιτυγχάνουν βελτιωμένα αποτελέσματα.