Genişbandlı mikroşerit güç bölücü tasarımı

Abstract

Yüksek Frekanslı sistemlerde, bir giriş işaretini eş genlikli ve eş fazlı çıkış işaretlerine bölme problemi temel problemlerden biridir. Bu amaç için kullanılan güç bölücülerde, uygulamaya bağlı olarak çıkış işaretlerinin eş faz ve eş genlik koşulunu frekanstan bağımsız olarak sağlaması istenir. Bunu gerçekleştirebilmenin en temel metodu tasarlanan güç bölücülerde simetrik yapılar kullanmaktır. Eş faz ve eş genlik koşulunun yanı sıra, bir güç bölücünün sahip olması beklenen diğer özellikler, belli bir frekans bandında araya girme kaybının düşük olması ve çıkış kapılan arasındaki izolasyon değerinin yüksek olmasıdır. Bu çalışmadaki esas amaç yukarıda belirtilen, istenen özellikleri sağlayan genişbandlı mikroşerit güç bölücü tasarımıdır. Wilkinson, giriş gücünü bölerek N çıkış kapısına gönderen ve aynı zamanda bu N çıkış kapısı arasındaki izolasyonu da sağlayan N yollu bir güç bölücü geliştirmiştir. Wilkinson güç bölücüsünün kendine has özelliklerinden biri, izolasyon amacıyla çıkış kapıları arasına bağlanan dirençlerdir. Çıkış kapılan uygun yük empedanslan ile sonlandınldıklannda bu dirençlerden akım akmayacaktır. Böylece dirençlerde güç harcanmayacaktır. Eğer tek kapı uygun olmayan bir empedansla sonlandırılırsa, o kapıdan yansıyan güç kısmen dirençler tarafından harcanır, kalan kısmı ise girişe geri döner ama diğer çıkış kapılan uygun sonlandırılmış kaldıkları sürece bu kapılara güç yansımaz. Genişbandlı tasanmlar da dahil olmak üzere Wilkinson güç bölücüsünün bir çok çeşidi geliştirilmiştir. Çalışmanın ikinci bölümünde, bu güç bölücünün yapısı, özellikleri ve tasanm eşitlikleri üzerinde aynntılı olarak durulmuştur. Tasanmı yapılacak olan güç bölücülerde mikroşerit hatlar kullanılacaktır. Mikroşerit hatlar, transmisyon hat yapılan içinde en popüler olanıdırlar. Fotolitografik teknikler ile üretimlerinin kolaylığının yanı sıra iyi bir empedans ve kuplaj değer aralığına vıı sahip olmaları, bu yapıların çok sayıda devre elemanında kullanılmalarını sağlamıştır. Bu çalışmanın üçüncü bölümünde, mikroşerit hatların tasarım eşitlikleri, mikroşerit hatlardaki kayıplar ve süreksizlikler üzerinde ayrıntılı olarak durulmuştur. Çalışmanın amacı olan genişbandlı mikroşerit güç bölücü tasarımında, önceki bölümlerde üzerinde ayrıntılı olarak durulan Wilkinson güç bölücüsünden farklı olarak, değişken genişlikli mikroşerit hatlar kullanılmıştır. Bu fikrin temelini oluşturan bilgi, empedans uydurmada, değişken genişlikli hatların, çeyrekdalga dönüştürücülerine oranla çok daha genişbandda sonuç vermekte olduklarıdır. ZO ve ZL karakteristik empedanslanna sahip iki hattı birbirlerine genişbandda uydurmak amacıyla birden fazla çeyrekdalga dönüştürücüsü kullanılması yoluna da gidilebilir. Ancak bu dönüştürücüler tasarım frekansının iki katma karşılık gelen frekansta yarım dalga uzunluğuna karşılık geleceğinden, empedans uydurma performansı, hatları direkt olarak birbirlerine bağlama durumu ile eşdeğer hale gelecektir. Daha genişbandlı bir tasarım yapmak istiyorsak, karakteristik empedansı ZO'dan ZL'ye aktaracak şekilde, hattın kesitalanı boyutlarının kademeli olarak değişeceği bir transmisyon hattı yapısı kullanılabilir. Hattın yapısını, karakteristik empedansının uzunluğa göre nasıl değiştiği belirleyecektir. Bir dalgaboyu ya da daha fazla uzunluktaki değişken genişlikli dönüştürücü hatların çoğu, hatların direkt birleştirilmesi durumundaki yansıma katsayısından %20 daha iyi sonuç verecektir. Dönüştürücü uzunluğundaki artış, iki empedans arasındaki uygunluğu daha genişbandlı hale getirme eğilimindedir. Bu çalışmanın dördüncü bölümünde değişken genişlikli hatlarla empedans uydurma, değişken genişlikli hatların yansıma katsayıları ve değişken genişlikli hat tiplerinin empedans uydurma performanslarının karşılaştırılması konulan üzerinde ayrıntılı olarak durulmuştur. Bu çalışmanın beşinci bölümünde, önceki bölümlerde verilen bilgiler doğrultusunda Wilkinson güç bölücüsü ve değişken genişlikli hat kullanılan güç bölücü devrelerinden ikili ve dörtlü yapıda olmak üzere ikişer örnek devre tasarlanmış ve bu devrelerin performansları karşılaştınlmıştır. Bu işlemi yapmak için izlenen yöntem, önce herbir devrenin belirli tasarım eşitlikleri ile tasarımlarının yapılarak kullanılacak mikroşerit hatların geometrilerinin ve boyutlarının belirlenmesi, daha sonra da elde edilen bu verilerin HP ADS (Hewlett-Packard Advanced Design Systemj-yazılımma girilerek devrelerin simulasyonlannm yapılması ve elde edilen simulasyon sonuçlarının karşılaştınlmasıdır. Beşinci bölümde herbir devrenin yapısı, viii HP ADS modeli ve simulasyon sonuçlan verilmiş ve bu sonuçların karşılaştırılması yapılmıştır. Sonuç olarak beklendiği üzere değişken genişlikli hat kullanılan güç bölücülerin, istenen özellikleri Wilkinson güç bölücüsünden daha genişbandda sağladığı görülmüştür.

The problem of dividing up an input signal into a number of equiphase equiamplitude output signals is a fundamental one in high frequency systems. It is often desired that the equiphase equiamplitude condition be obtained in a manner which is fundamentlly independent of frequency, depending on the application for which the power divider is being used. The basic method to preserve the above condition is to use symmetric structures. Besides the equiphase equiamplitude condition, there are other requirements that a power divider should meet such as a low insertion loss and a fairly high degree of isolation between the output terminals over a specified frequency band. The aim of this project is to make a broadband microstrip power divider design, which preserve the described conditions above. Wilkinson, developed an N-way power divider that would split the input power into output power at N ports and that would also provide isolation between the output terminals. A unique feature of the Wilkinson power divider is the use of resistors connected between the various output ports to provide isolation between them. When the output ports are terminated in the correct load impedance, there is no current in the resistors; so they do not absorb any power. If one port is not matched properly, then the reflected power from that port is partly absorbed by the resistors and partly returned to the input, but no power is coupled into the other output ports as long as they remain properly terminated. Many different versions, including broadband designs, of the Wilkinson power divider have been developed. In the second section of this project, the structure, properties and design equations of the Wilkinson power divider are studied in detail. x Microstrip lines will be used in the power divider designs in this project. Microstrip line may well be the most popular transmission line structure. Ease of fabrication by photolithographic techniques and a good range of impedances and couplings allow it to be used for a wide variety of circuit components. In the third section of this project, the design equations of microstrip lines, the losses in microstrip lines and the discontinuities in microstrip lines are studied in detail. In the design of broadband microstrip power divider, which is the aim of this project, tapered microstrip lines are used which differs from the classical Wilkinson power divider structure. The information which has built the fundamentals of this idea is as follows; tapered lines provide impedance matching on a much broader frequency band than the quarter-wave transformers. Broadband matching between two transmission lines with characteristic impedances ZO and ZL may be achieved to some extent by using multiple-section quarter-wave transformers. However, it will always be the case that at twice the design frequency, the sections become A/2 long and the matching performance is no better than that obtained by joining the two lines directly together. For a broader bandwidth, a length of transmission line in which the cross-sectional dimensions gradually change from the characteristic impedance ZO to one of ZL may be used. The manner in which the characteristic impedance of the tapered line changes with distance gives the type of the taper structure. Most tapered transmission line transformers that are one wavelength or more long will reduce the reflection coefficient to less than 20% of that from a step transition between the two lines. An increase in transformer length will tend to improve the broadband match between the two impedances. In the fourth section of this project, impedance matching using tapered lines, reflection coefficient of tapered lines and comparison of the matching performances of various types of tapered lines are studied in detail. In the fifth section of this project, with the help of the information provided in the previous sections, two way and four way example power dividers of both of the structures of Wilkinson power divider and the power divider with tapered line are designed and their performances are compared. The method to realize this process is as follows: first, each power divider is designed with the help of the given design equations and the geometries and the dimensions of the microstrip lines that will be used are determined. Then the provided data are entered to the HP ADS (Hewlett- XI Packard Advanced Design System) software and the power divider circuits are simulated. Finally the simulation results of the power divider circuits are compared. In the fifth section of this project, the structure, HP ADS model, simulation results and the comparison of these simulation results for each power divider circuit are given. As a conclusion, as expected it is seen that the power divider structure with tapered lines, preserve the expected conditions on a much broader frequency band than the Wilkinson power divider.