Элементы микрополоскового тракта

 

ПЛЕНОЧНЫЕ РЕЗИСТОРЫ

 

Тонкопленочные резисторы проектируются в виде полосок различной конфигурации. Электрический контакт с проводниками обеспечивают перекрытием соответствующих участков резистивной и проводящей пленок.

Исходными данными для расчета геометрических размеров резистивных элементов являются номинальное значение их сопротивления R и рабочая мощность рассеяния Р. Резистивный материал выбирают с учетом удельного сопротивления единицы поверхности пленки р₀, ее толщины 1, допустимой удельной мощности рассеяния Р₀. Необходимое удельное сопротивление должно обеспечиваться при толщине пленки не менее 0,05 мкм, в противном случае надежность резисторов при повышенных электрических и тепловых нагрузках не гарантируется. Следует учитывать также, что допустимая удельная мощность рассеяния для конкретного резистивного материала определенной толщины зависит от теплопроводности материала подложки и класса чистоты обработки ее поверхности. Поэтому при конструировании микросхем, работающих при повышенной мощности рассеяния, допустимую мощность целесообразно рассчитывать по температуре локального перегрева в зоне резистора, которая не должна превышать 100⁰ С.

Перекрытие резистивной пленки и проводящего элемента в зоне их контактирования (рис.17) должно обеспечивать надежный контакт независимо от способов формирования элементов и придания им заданной конфигурации.

Геометрические размеры резистивных элементов СВЧ микросхем рассчитывают по формулам, применяемым для расчета низкочастотных резисторов:

где S, 1, b— площадь, длина и ширина резистора; N— число квадратов; Р₀ и R_ — удельные мощность рассеяния и сопротивление.

При вычерчивании топологии резистивного слоя к расчетной длине резистивной полоски прибавляют не менее 100... 200 мкм с каждой стороны на перекрытие с проводником.

 

ПЛЕНОЧНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ

 

Конденсаторы СВЧ микросхем могут быть выполнены как в виде трехслойной пленочной структуры, содержащей обкладки и диэлектрический слой, так и в виде планарной конструкции, формируемой в едином технологическом цикле с другими проводящими элементами (микрополосковая линия передачи, индуктивная катушка и др.). Планарные конденсаторы имеют малые значения емкости (не более 2 пФ), а пленочные— емкости больших номиналов. Емкость планарных конденсаторов зависит от ширины зазора, толщины пленок и диэлектрической постоянной материала подложки или наполнителя. Если использовать наполнители с большим значением диэлектрической постоянной, то можно увеличить ее емкость между электродами на порядок.

Пленочные конденсаторы рассчитывают исходя из требуемого номинального значения емкости с учетом удельной емкости структуры. Площадь перекрытия обкладок определяют по формуле Sc = С/Со, где С — номинальное значение емкости, а Со — удельное. Затем вносят технологическую поправку на выводы для контактирования. Для повышения надежности конденсаторов длина линии пересечения нижней и верхней обкладок, разделенных диэлектрическим слоем, должна быть минимальной. С другой стороны, для снижения потерь за счет сопротивления обкладок рекомендуется прямоугольная форма конденсатора с выводом по широкой стороне. Конструкцию конденсатора выбирают на основе компромиссного решения с учетом его рабочих характеристик в составе микросхемы.

 

Рисунок 18 - Варианты выполнения конденсаторов: (а) – планарный; (б), (в) – с

напылением диэлектрика; (г) – поперечное сечение конденсатора с напылением

диэлектрика (1, 3 – металл, 2 – диэлектрик, 4 – подложка)

 

ПЛЕНОЧНЫЕ КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ

 

Катушки индуктивности с сосредоточенными параметрами могут быть получены из отрезков металлических полосок прямоугольного сечения – так называемые полосковые одновитковые катушки индуктивности (рис. 19) – или полосок, изогнутых в виде меандра или в виде спирали рис. 20.

Полосковые одновитковые катушки индуктивности (рис. 19,б) имеют индуктивности от 0,5 до 4 нГн.

Рисунок 19 - Полосковые катушки индуктивности

 

Большие индуктивности (до 100 нГн) обеспечивают плоские спиральные катушки, причем квадратные спиральные катушки (рис. 20,в) позволяют получить большую индуктивность по сравнению с круглыми (рис. 20,б) на заданной площади печатной платы катушек. Индуктивность катушек в форме меандра (рис. 20,а) достигает 100 нГн.

Рисунок 20 - Катушки индуктивности: (а) – меандр; (б), (в) – спиральные

 

Однако в этих катушках наблюдаются паразитные резонансы на частотах существенно более высоких, чем рабочая, благодаря линейным участкам s и b катушки, которые на высоких частотах ведут себя уже как отрезки линий с распределенными параметрами.

Добротность полосковых одновитковых и спиральных катушек на частотах свыше 1 ГГц составляет 50…100. Спиральные катушки индуктивности по сравнению с одновитковыми имеют большую добротность, но и большую межвитковую емкость. Добротность катушек при фиксированном значении индуктивности возрастает пропорционально f до частот 5…6 ГГц, затем с ростом частоты снижается.

Индуктивность и добротность катушки зависит от ее геометрических размеров, а также от наличия металлизации с нижней стороны диэлектрической подложки, в том числе и тогда, когда металлизированная сторона диэлектрической подложки удалена от плоскости расположения катушки достаточно далеко. Для исключения влияния металлизации на индуктивность катушки расстояние до металлизированной поверхности под катушкой при подложке с ε @10 более чем в 20 раз должно превышать ширину проводника катушки W. В тех практических случаях, когда по технологическим причинам это требование не выполняется, расчет индуктивности катушек необходимо вести с учетом наличия металлизированной поверхности. Металлизация в той же плоскости, где

находится катушка индуктивности, мало влияет на ее индуктивность, и практически достаточно выполнить расстояние от катушки до соседнего металлизированного слоя равным пятикратной ширине проводника катушки.

Определение геометрических размеров плоских спиральных катушек по заданной индуктивности L производится методом последовательных приближений, при котором по конструктивным и технологическим соображениям задают некоторые геометрические размеры катушки и по формулам для L и D определяют недостающие размеры. По технологическим соображениям выбирают ширину проводника W и, используя формулы для D, находят шаг катушки s.

 

НЕОДНОРОДНОСТИ

 

К основным типам неоднородностей, встречающихся в микроэлектронных устройствах СВЧ, относятся изгибы, скачкообразное изменение волнового сопротивления линий, разомкнутые и замкнутые концы линий, Т-образное соединение, пересечение линий, зазор в линии.

Такие неоднородности, как зазор в линии, вводятся специально для достижения определенных функций устройства. Другие неоднородности называют паразитными, т.к. они не вводятся намеренно, и их пытаются снизить или скомпенсировать. Паразитные неоднородности вызывают отражения основной волны, являются источниками высших типов волн и паразитного излучения. Их влияние на электрические характеристики микросхем СВЧ усиливается с повышением рабочей частоты, когда геометрические размеры неоднородностей становятся соизмеримыми с длиной волны в линии передачи. Присущая всем неоднородностям резкая вариация формы полосковой линии приводит к искажению электрического и магнитного полей в ее объеме, что может быть учтено в эквивалентной схеме неоднородности соответственно дополнительной емкостью и индуктивностью. Если в неоднородности протекает ток, то этот факт отражается включением неоднородности с индуктивным элементом. А если концентрируется электрическое поле - то включается емкость. Когда размеры неоднородностей очень малы по сравнению с длиной волны в линии передачи, их эквивалентные схемы состоят только из одного реактивного сопротивления, расположенного в точке неоднородности.

Рисунок 21 - Неоднородности, которые описываются как отдельные блоки в СВЧ структуре

Рисунок 22 - Неоднородности и их эквивалентные схемы

 

РЕЗОНАТОРЫ

 

В интегральных схемах СВЧ-фильтров, генераторов, усилителей используются печатные и объемные резонаторы (таблица 1).

 

 

Таблица 1

 

 

Печатные резонаторы чаще всего выполняются в виде отрезков полосковой линии передачи длиной λ_в/4, λ_в/2, λ_в, разомкнутых (рис. 2 табл. 1) или короткозамкнутых (рис. 1 табл. 1) на конце. Короткозамкнутый резонатор обладает более высокой добротностью и значительно меньшим концевым излучением по сравнению с разомкнутым резонатором. Так, 50-омный разомкнутый на конце микрополосковый резонатор на подложке из поликора толщиной 1 мм в 10-сантиметровом диапазоне волн имеет добротность 185, а аналогичный короткозамкнутый резонатор – добротность 480. Наиболее серьезным недостатком короткозамкнутых резонаторов является необходимость замыкания проводника на основание с помощью специальных короткозамыкателей, что значительно усложняет технологический процесс их изготовления.

В конструкциях фильтров часто используют резонаторы из последовательно (рис. 3 табл. 1) или параллельно (рис. 4 табл. 1) соединенных между собой индуктивных или емкостных элементов, которые к линии передачи подключают параллельно.

В конструкциях печатных резонаторов, выполненных в виде кольца или прямоугольника (квадрата) (рис.5, 6 табл.1) длиной n λ_в, краевой эффект устраняется. Если толщина диэлектрической подложки мала (h£0,2 см; h/R£0,1), то в кольцевом резонаторе (рис. 5 табл. 1) возможно существование колебаний типа квази-Е (Е_m10), при которых практически отсутствует зависимость полей от координаты z, перпендикулярной плоскости подложки. Чем шире кольцо, тем более высокие типы колебаний могут возбудиться и поддерживаться в данных структурах. При ширине кольца больше λ_в/2 в резонаторе возникают высшие типы колебаний Е_mn0 (n>1). При увеличении ширины W кольцевой резонатор в пределе (W/R®1) преобразуется в дисковый (рис. 7 табл. 1). Чем больше радиус диска, тем более высокие типы колебаний возбуждаются и поддерживаются в резонаторе. При малой толщине подложки распределение вектора электрического поля вдоль оси z близко к равномерному; при этом имеют место колебания квази Е_mn0.

Связь резонаторов с полосковой линией может быть реализована, например, за счет регулярных полосковых линий (рис. 5 табл.1), диаметрально подключенных к кольцевому резонатору через зазоры связи. Зазор S выбирается таким, чтобы, с одной стороны, не искажалось поле резонатора, а с другой – обеспечивалась необходимая величина связи.

При проведении расчетов следует иметь в виду, что при определенных условиях структуры (рис. 5-7 табл.1) могут превратиться из резонаторов в излучатели.

 

ФИЛЬТРЫ

Электрическим фильтром называется пассивная линейная цепь с резко выраженной частотной избирательностью. Фильтры широко применяются в радиотехнических системах для частотной селекции нужного сигнала на фоне других сигналов или помех.

В диапазоне СВЧ фильтр представляет собой линию передачи, включающую неоднородности, согласованные в определенной полосе частот и резко рассогласованные вне этой полосы. В этом смысле работа фильтра похожа на работу широкополосного согласующего устройства (иногда фильтр используется для широкополосного согласования.) Для уменьшения потерь в полосе пропускания фильтр должен выполняться из реактивных элементов. Главным параметром фильтра является его частотная характеристика (рис.23).

Рисунок 23 – Типы фильтров

 

Главным назначением фильтров является подавление одних частотных составляющих сигнала и пропускание других. Частотная характеристика фильтра есть кривая зависимости затухания в нем от частоты. Фильтры различают: ФНЧ – фильтр нижних частот; ФВЧ – фильтр верхних частот; ППФ – полоснопропускающий фильтр; ПЗФ – полоснозаграждающий фильтр. При построении гибридных и интегральных схем СВЧ обычно используют несимметричные полосковые линии. Фильтры из отрезков несимметричной полосковой линии очень технологичны и почти не нуждаются в настройке при использовании достаточно точной методики расчета конструкции.

По типу частотной характеристики фильтры подразделяют: с максимально плоской характеристикой и с Чебышевской характеристикой.

При выборе рабочей характеристики в качестве исходной следует принять во внимание, что Чебышевская характеристика удобнее, т.к. дает некоторый выигрыш в количестве необходимых реактивных элементов, обеспечивающих требуемую характеристику затухания, однако фильтры с максимально плоской характеристикой вносят меньшие фазовые искажения.

 

ФИЛЬТРЫ НИЖНИХ ЧАСТОТ

 

Наиболее распространенным типом фильтров нижних частот на полосковых линиях является фильтр, выполненный из набора чередующихся участков линии с высоким и низким сопротивлением, что достигается изменением ширины внутреннего проводника полосковой линии. При этом высокоомный участок линии служит последовательной индуктивностью, а низкоомный – параллельной емкостью.

Фильтр нижних частот из отрезков микрополосковой линии показан на рис. 24

Секции фильтра нижних частот имеют одинаковую фазовую длину, но разные волновые сопротивления. Типовая частотная характеристика вносимого затухания приводится на рис. 26. Фильтры подобного типа используются в диапазоне частот от 1 до 10 ГГц.

 

 

 

 

Рисунок 24 - Фильтр нижних частот

 

 

Рисунок 25 - Эквивалентная схема нормированного фильтра-прототипа нижних частот

 

Рисунок 26 - Чебышевская характеристика

 

Фильтры нижних частот обеспечивают прохождение сигнала до некоторой граничной частоты f₁, но полоса запирания имеет конечный верхний предел, обусловленный паразитными полосами пропускания. Тем не менее полоса пропускания ФНЧ довольно. Это позволяет использовать фильтры нижних частот в сочетании с полосно-пропускающими фильтрами, чтобы исключить дополнительные полосы пропускания полосового фильтра на гармониках относительно высоких частот.

 

 

ФИЛЬТРЫ ПОЛОСОВЫЕ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ

СВЯЗЬЮ МЕЖДУ РЕЗОНАТОРАМИ

 

Для обеспечения требуемой крутизны рабочей характеристики необходимо применять многозвенные фильтры, содержащие каскадновключенные СВЧ резонаторы. В зависимости от способа включения резонаторов фильтры делятся на фильтры с непосредственными связями и фильтры с четвертьволновыми связями, т.е. фильтры, у которых резонаторы соединены через отрезки линии длиной λ/4.

При практическом выполнении поплосно-пропускающих фильтров иногда их удобно делать из одинаковых элементов (либо из последовательных сопротивлений, либо из параллельных проводимостей). Это осуществляется при помощи идеальных инверторов сопротивления или проводимости.

Инверторы обеспечивают фазовый сдвиг . В связи с этим последовательная индуктивность с инвертором на каждой стороне будет выглядеть как параллельная емкость, если смотреть от внешних зажимов инвертора. Соответственно параллельная емкость с инверторами на обеих сторонах окажется последовательной индуктивностью.

Структура фильтра на полуволновых разомкнутых на конце резонаторах с четвертьволновыми электромагнитными связями изображена на рис. 27

Типовые частотные характеристики вносимого затухания фильтров с максимально-плоской и чебышевской характеристиками представлены на рис.28,а-б.

 

 

Рисунок 27 - Фильтр на полуволновых разомкнутых резонаторах с четвертьволновыми

электромагнитными связями

 

 

Рисунок 28 - Типовые характеристики фильтров: (а) – максимально плоская

характеристика, (б) – Чебышевская характеристика

МОСТЫ И ДЕЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ

В технике СВЧ мостовые схемы обычно используются как делители мощности на два канала (в равных отношениях при высокой развязке между ними) и как балансные смесители с высокой развязкой между входными каналами. Разновидности топологии мостовых схем представлены на рис. 29, 30.

При использовании мостовой схемы в качестве делителя, энергия подается в плечо 1, распределение мощности энергии происходит в равном соотношении между плечами 2 и 4, а при подаче мощности в плечо 2 энергия распределяется между плечами 1 и 3. В первом случае в плече 3, а во втором – в плече 4 устанавливается оконечная нагрузка.

При использовании мостовой схемы в качестве смесителя энергия подается в плечи 1 и 3, выходными плечами будут 2 и 4.

 

КОЛЬЦЕВЫЕ ГИБРИДНЫЕ МОСТОВЫЕ СХЕМЫ

 

Мостовые схемы в виде кольца (рис.29) характеризуются следующими основными параметрами:

– развязкой между каналами, которая определяется по формуле

где Р2 и Р4 – величины мощностей на выходных каналах (при подаче мощности в 1 канал);

- делением мощности по выходным каналам.

 

Расчет мостовой схемы сводится к определению среднего диаметра d_ср и ширины кольца b_к при заданных значениях волнового сопротивления Z₀ основной полоски и рабочей длине волны λ ₀. Расстояние между осями должно быть , а по длинной стороне . Длина средней линии кольца определяется из формулы

из этой формулы

Волновое сопротивление кольца Z_к определяется из соотношения

 

Рисунок 29 - Кольцевая гибридная схема мостовая

 

Ширина полоски кольца Wк определяется аналогично ширине основной полоски. Для большей компактности мостовую схему выполняют в виде прямоугольника (рис.28)

 

Рисунок 30 - Прямоугольная гибридная схема мостовая

Размеры прямоугольника определяются по формуле

Волновое сопротивление полосок прямоугольной мостовой схемы определяется из выражения Ширина полоски кольца Wк определяется аналогично ширине основной полоски.

 

НАПРАВЛЕННЫЕ ОТВЕТВИТЕЛИ ШЛЕЙФНЫЕ

 

Направленные ответвители шлейфные применяются в аппаратуре СВЧ: в разветвителях и сумматорах мощности, в фазовращателях, переключателях, балансных смесителях, для изоляции передающих и приемных устройств, работающих на одну общую нагрузку. Шлейфные направленные ответвители имеют большие габариты и узкую рабочую полосу частот. Топологическая и электрическая схемы изображены на рис. 31.

Основные частотные характеристики следующие:

– связь (переходное ослабление) –

– направленность –

– коэффициент стоячей волны, КСВ.

где Рi – мощность в i –м плече направленного ответвителя.

Величина связи С определяется волновой проводимостью шлейфов Yшi,

ширина рабочей полосы частот – числом шлейфов n. На практике не

проектируют направленные ответвители с числом шлейфов n больше 3 – 4.

В двухшлейфном направленном ответвителе волновые проводимости шлейфов Yш1 и отрезка линии между шлейфами Y1 определяются однозначно.

В направленном ответвителе с тремя и более шлейфами выбор Yшi и Yi определяются неоднозначно. Направленные ответвители бываютнескольких типов.

Направленный ответвитель типа-1 имеет все проводимости Yi равными волновой проводимости тракта .

Такие направленные ответвители просты в проектировании и изготовлении, но частотные характеристики их не оптимальны.

Рисунок 31 - Шлейфовый направленный ответвитель: (а) – электрическая схема; (б) –

топологический чертеж

Направленный ответвитель типа-2 имеет различные значения проводимостей Yi.

 

СМЕСИТЕЛИ

 

Смеситель-устройство, содержащее нелинейный элемент и элементы связи с выходом режекторного фильтра и гетеродина (генератора переноса спектра).

Главное предназначение смесителей - перемножение двух сигналов, входной частоты и частоты гетеродина с целью получения на выходе сигнала более низкой (промежуточной) частоты.

В идеальном случае, на выходе смесителя присутствовали бы только желаемые частоты со значениями (f_н - f_г) и (f_н + f_г), где f_н –частота принимаемого сигнала, f_г –частота гетеродина. Но идеальных устройств в природе не существует. В реальном случае смесители вырабатывают на выходе ПЧ целый набор продуктов преобразования ± m f_н ± n f_г, где m = 0, 1, 2,... и n = 0, 1, 2,..., после чего нежелательные из них (паразитные) отфильтровываются. Преобразование частоты сигнала происходит за счет нелинейности характеристик смесительного элемента. В смесителях можно использовать обращенные туннельные диоды (ОД), варикапы, точечно-контактные диоды (ТКД) и диоды с барьером Шотки (ДШ), транзисторы.

Реальные смесители сложны для анализа, и поэтому их эксплуатационные качества определяются множеством характеристик. Ниже приводится список главных технических требований, предъявляемых к смесителям, в порядке убывания их важности:

1)Диапазон рабочих частот

Смесители обладают широким диапазоном частот, от очень низких (практически от нулевой частоты) до десятков ГГц. Диапазон рабочих частот является основным критерием, который в значительной степени определяет конечный выбор типа смесителя.

2) Динамический диапазон (относится к линейному участку амплитудной характеристики смесителя). Нижний предел динамического диапазона смесителя определяется его коэффициентом шума, в то время как верхний предел определяется уровнями компрессии коэффициента передачи, интермодуляционных составляющих и теплового разрушения.

Динамический диапазон вычисляется следующим образом:

где Рmах — максимальная мощность входного сигнала, не вызы­вающая разрушения диода и не приводящая к амплитудному ис­кажению сигнала; Pmin — минимальная мощность подводимого сигнала, различаемая на уровне шумов (определяет пороговую чувствительность смесителя).

3)Коэффициент шума

где Рш.вх, -Рш.вых — мощность шумов на входе и выходе смесителя со стороны входного преобразуемого сигнала;

Как правило, смесители имеют коэффициент шума в пределах от 6 до 20 дБ. Коэффициент шума пассивных смесителей численно равен потерям преобразования. Коэффициент шума активных смесителей зависит от конфигурации схемы и типов применяемых в ней элементов.

4)Коэффициент передачи

Активные смесители обеспечивают коэффициент передачи в диапазоне от 1 до 4,17дБ, в то время как пассивные смесители имеют типовое значение потерь преобразования от 5,5 до 8,5 дБ.

5)Гетеродинный сигнал

Идеальный смеситель был бы нечувствителен ни к уровню гетеродинного сигнала, ни к соответствующим параметрам смесителя. Пассивные двойные балансные диодные смесители требуют уровень гетеродина от +7 до +23.

6)Развязка

Развязка представляет собой параметр, характеризующий степень подавления паразитного прохождения сигнала, приложенного к одному из входов на оставшиеся выводы смесителя. Единственный сигнал, который должен присутствовать на выходе смесителя - сигнал промежуточной частоты. Величина развязки зависит от того, является ли смеситель небалансным, простым балансным или двойным балансным. Небалансные смесители вообще не имеют развязки между портами. Двойные балансные смесители обеспечивают наилучшую развязку между всеми тремя выводами.

7)Согласование импедансов

Все входы-выходы смесителя должны быть тщательно согласованы в тракте приема-передачи. В активных смесителях в результате рассогласования обычно снижается коэффициент усиления. Пассивные смесители особенно чувствительны к рассогласованию по выходу промежуточной частоты, в результате чего получаются большие потери преобразования и больший уровень паразитных продуктов преобразования. Независимо от того, какой смеситель применяется в системе, активный или пассивный, для получения оптимальных его параметров должно быть выполнено тщательное согласование его портов с соответствующими трактами.

8)Простота

Важной характеристикой любой схемы является простота разработки и реализации. Достаточно сложные системы трудно как разрабатывать, так и изготавливать. Применение меньшего числа компонентов снижает стоимость, увеличивает надежность, облегчает техническое обслуживание и требует меньшего количества запасных частей.

 

В зависимости от принципиальной схемы смесители делятся на небалансные (НБС) и балансные (БС). В качестве гетеродина используются отражательные клистроны, лампы обратной волны и генераторы на полупроводниковых электронных приборах. Все эти генераторы отличаются возможностью электронной или электрической перестройки.

Конструктивно НБС представляют собой детекторную головку с дополнительным элементом связи с гетеродином, к которой подводится преобразуемый сигнал Р_с и сигнал гетеродина P_г;элемент связи с гетеродином выполняется в виде штыря, тройника, направленного ответвителя и др. Детекторная головка имеет два входа для СВЧ-сигналов. На один из входов подается радиосигнал

U_c = U(t)cos (ω_ct)

на другой сигнал гетеродина

Uг=Umгcosω t.

Таким образом, в промежуточную частоту могут преобразоваться два радиосигнала, один —с частотой ω_с— ω , а другой – ω_г-ω . Один из них всегда является помехой, зеркальной частотой (названной так из-за “зеркального” расположения по отношению к частоте сигнала относительно частоты гетеродина). Однако, если на входе смесителя поместить соответствующие фильтры, то колебания зеркальной частоты будут отражаться обратно в смеситель для преобразования в колебания промежуточной частоты ω_пч=ω_г-ω_з. И если образованный таким образом ток промежуточной частоты находится в фазе с током основной промежуточной частоты ω_пч=ω_с-ω_г, то получается дополнительная выходная мощность, т.е. увеличивается коэффициент передачи преобразователя.

Для облегчения задачи подавления зеркальной частоты канала необходимо выбирать значение ω по возможности больше, в связи с чем, с целью обеспечения высокой селективности по соседнему каналу возникает необходимость повторного преобразования частоты в более низкую промежуточную частоту.

Конструкция БС обеспечивает вычитание шумов гетеродина при соответствующем включении диодов. В качестве элементов связи в конструкциях БС используются мостовые соединения. Помимо указанного достоинства схемы БС имеют и другие преимущества: возможность использования маломощных гетеродинов и др.

На рисунке 32,а приведена топологическая схема небалансного смесителя, которая содержит направленный фильтр с кольцевым резонатором 1 для развязки входов полезного сигнала и сигнала гетеродина, диод 2, фильтр промежуточной частоты 3 для выде­ления сигнала промежуточной частоты, режекторный фильтр 4 для подавления зеркального канала. На рисунке 32,б показана топо­логическая схема балансного смесителя, в которой четвертьвол­новая секция, включенная перед диодом Д обеспечивает синфазность сигналов, поступающих на диоды Д и Д₂, и повышен­ную развязку между сигнальным и гетеродинным входами.

Посто­янная составляющая тока диода заземляется через цепочку, состоящую из двух высокоомных четвертьволновых отрезков L₂, соединенных четвертьволновым параллельным низкоомным шлей­фом. Преобразованные сигналы проходят через фильтры нижних частот L₁, С , С на общий выход.

Рисунок 32 - Смесители: а-небалансный с подавлением зеркального канала;

б-балансный; в-двойной балансный.

 

При очень высоких требованиях к развязке между входами; сигнала и гетеродина и к подавлению в выходном спектре всех гармоник, комбинационных частот и зеркального канала исполь­зуются двойные балансные смесители (ДБС). В этом случае по­давление зеркального канала имеет особое значение, так как по­следний увеличивает шумы смесителя и создает возможность про­никновения помех большой амплитуды от радиосистем, работаю­щих на частотах этого канала.

В схеме ДБС (рис.32, в) направленный ответвитель 1 делит входные сигналы на две равные части с фазовым сдвигом π/2 радиан. Одна часть этих сигналов подводится к балансному сме­сителю 2, а другая через фазовращатель 4 идет на балансный смеситель 3. Фазовращатель 4, используемый только при необходи­мости подавления зеркального канала, поворачивает фазу полезного сигнала относительно фазы сигнала зеркального канала на угол π радиан. Сигнал гетеродина подается на смесители через разветвитель 5. В результате фазовых сдвигов сигналов в схеме ДБС сигналы промежуточной частоты, полученные от преобразования полезного сигнала, в гибридном направлении ответвителя 6 на выходе А складываются, а сигналы зеркального канала на этом выходе — вычитаются. На выходе В, наоборот, полезные сигналы вычитаются, а сигналы зеркального канала складываются. Этот выход нагружается на согласованную нагрузку.

Двойной балансный смеситель обеспечивает: уменьшение плот­ности гармоник входных сигналов и комбинационных частот в вы­ходном спектре; увеличение динамического диапазона и макси­мально допустимой мощности; снижение требований к напряже­нию пробоя диодов; исключение или ограничение требований к фильтрам благодаря развязке между всеми парами полюсов. Не­достатками ДБС является возрастание требуемой мощности гете­родина на 3 дБ по сравнению с балансными смесителями, неудоб­ное расположение диодов, трудность реализации в интегральном исполнении.

В настоящее время наибольшее применение в смесителях сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн получили точечно-контактные диоды (ТКД) и диоды с барьером Шотки (ДШ). В дециметровом диапазоне иногда применяются обращенные туннельные диоды, у которых используется обратная ветвь вольт-амперной характеристики (BAX). ДШ требует большей мощности гетеродина (2...10 мВт для диодов из арсенида галия и 0,5...1 мВт для кремниевых диодов) в отличие от туннельных диодов (0,1…0,2 мВт).

В отличие от транзисторных смесителей, для которых наиболее существенен лишь эффект прямого преобразованиячастоты, в диодных смесителях наблюдается также эффект обратного npеобразования. Действительно, напряжение промежуточной частоты ω =ω -ω , появившееся на выходе смесителя в результате взаимодействия напряжений сигнала и гетеродина, снова взаимодействует с напряжением гетеродина, что приводит к образованию на входе смесителя напряжения с частотой сигнала ω = ω + ω .Таким образом, эффект обратного преобразовании обусловлен наличием сильной обратной связи в диодном смеси­теле, так как он канализирует энергию в обоих направлениях, т. е. представляет собой взаимное устройство.

Кроме того, в диодных смесителях существует эффект вторичного обратного преобразования частоты.При действии на выходе смесителя напряжения промежуточной частоты возможно появление на входе смесителя, как рассмотрено выше, зеркальной частоты(рис. 33).

 

Рисунок 33 - Спектральный состав колебаний частоты в преобразователе частоты.

 

Возникновение колебаний зеркальной частоты возможно также в результате взаимодействия между напряжением сигнала и второй гармоникой гетеродина, так как ω₃=2 ω —ω_с.

УСТРОЙСТВА НА ФЕРРИТАХ

В технике СВЧ широко применяются ферритовые устройства. Это объясняется тем, что феррит является практически единственной освоенной в производстве средой с управляемым параметром m, обладающей невзаимными свойствами. Попытки создать аналогичные приборы на магнитной плазме и сегнетоэлектриках хороших результатов пока не дали.

Переход к интегральному исполнению этих устройств представляет большой интерес. Трудность построения ферритовых приборов на микрополосковой линии связана с тем, что в ней магнитное поле линейно поляризовано. Для создания же невзаимных приборов требуется круговая или близкая к ней поляризация магнитного поля. Потому не все ферритовые СВЧ приборы можно выполнить в микрополосковой конструкции.

В диапазоне СВЧ ферриты не подчиняются принципу взаимности, т.е. их магнитные свойства «несимметричны» по отношению к направлениям распространения СВЧ-энергии. Это свойство носит фундаментальный характер и находит объяснение в «несимметричном» поведении зависимости магнитной проницаемости от СВЧ-поля для различных направлений постоянного подмагничивающего поля и его величины.

Используя эту «несимметричность» свойств ферритов, можно конструировать различные невзаимные СВЧ устройства, основанные как на поглощении СВЧ-энергии различном для разных направлений поля, так и на невзаимном фазовом сдвиге, связанном с несимметричным изменением магнитной проницаемости. Наиболее универсальными из устройств на ферритах являются циркуляторы и вентили (нагруженные циркуляторы).

Обычно, при выборе ферромагнитного материала в качестве подложки для полосковой системы, рассматривают следующие параметры.

1. Намагниченность насыщения. Это та точка, в которой общий магнитный момент перестает нарастать при дальнейшем увеличении внешнего поля. Величину намагниченности насыщения необходимо учитывать при выборе материала для приборов, поскольку она определяет низшую рабочую частоту фильтров и ограничителей. Приблизительно можно считать, что низшая рабочая частота в (мегагерцах) равна намагниченности насыщения в (гауссах).

2. Ширина линии ферромагнитного резонанса ∆ H – определяет относительные потери в феррите. Ширина линии, измеряемая при ферромагнитном резонансе, аналогична ширине полосы пропускания по уровню 3 дБ обычного однозвенного фильтра. Ширина линии ферромагнитного резонанса сильно зависит от степени обработки поверхности материала: чем лучше полировка, тем уже линия ферромагнитного резонанса.

3. Анизотропия – это свойство магнитных материалов, благодаря которому магнитные моменты стремятся выстроиться вдоль определенной кристаллической оси. Она обуславливает направление преимущественного намагничивания ферромагнитного образца.

4. Температура точка Кюри Т – величина, определяющая границу, за которой намагниченность образца обращается в нуль. При расчете таких устройств как циркуляторы и фазовращатели материал подложки выбирается при выполнении условия

где ω – рабочая частота; γ – гиромагнитное отношение, равное для ферритов 2,8 МГц/эрст; 4 πµ S – намагниченная насыщенность (гаусс).

 

ЦИРКУЛЯТОРЫ

 

Циркулятор выполняет функцию управления движением потока энергии.

Основная часть циркулятора – пассивное трехплечие сочленение, в котором и происходит управление СВЧ-энергией. На рис. 34. представлен циркулятор с направлением циркуляции по часовой стрелке. В трехплечном циркуляторе (рис.34) энергия входящая в плечо 1, пройдет без ослабления в плечо 2, если плечо 2 согласовано с плечом 1. Аналогично, т.к. циркулятор симметричен, энергия, входящая в плечо 2, с очень малым ослаблением выйдет из плеча 3, но будет сильно ослаблена в плече 1, причем степень ослабления будет зависеть от качества согласования других плеч. Обычно развязка между плечами составляет 20 дБ при КСВн равным 1,25.

Поэтому основными параметрами, определяющими качество циркулятора, являются потери в прямом направлении, обратные потери и КСВн.

Потери в прямом направлении называются вносимыми потерями, выражаются в децебеллах (это степень ослабления сигнала при распространении от одного плеча к следующему в направлении пропускания).

Рисунок 34 - Трехплечный циркулятор

 

Обратные потери – это ослабление сигнала при распространении от одного плеча к следующему по направлению, противоположному направлению пропускания.

КСВн – это значение коэффициента, которое будет наблюдаться в любом из плеч циркулятора, если остальные плечи будут нагружены на согласованные сопротивления. В настоящее время построены циркуляторы и вентили, работающие в диапазоне от 100 МГц и выше с шириной полосы от 5 до 35 %.

В настоящее время ферритовые циркуляторы классифицируют по следующим признакам.

1. По принципу действия:

− резонаторные циркуляторы – в области ферритового вкладыша имеет место электродинамический резонанс с невзаимным распределением поля, что обеспечивает режим циркуляции;

− циркуляторы на краевых волнах – работают в режиме бегущей волны, режим циркуляции обеспечивается невзаимным смещением поля;

− циркуляторы смешанного типа – работают в широкой полосе частот (октава и более) и в них могут существовать оба режима как бегущей, так и стоячей волны.

2. По типу фидера:

− волноводные циркуляторы;

− циркуляторы на симметричной полосковой линии;

− циркуляторы на несимметричной полосковой линии;

− циркуляторы на щелевой линии;

− циркуляторы на компланарной линии.

3. По уровню мощности:

− циркуляторы низкого уровня мощности (не требующие охлаждения);

− циркуляторы среднего уровня мощности (с воздушным охлаждением);

− циркуляторы высокого уровня мощности (с жидкостным или комбинированным охлаждением).

4. По длине волны:

− циркуляторы «миллиметрового» и «сантиметрового» диапазонов длин волн – работают на полях меньших резонансного значения и называются дорезонансные;

− циркуляторы «дециметрового» и «метрового» диапазонов длин волн работают в полях за ферромагнитным резонансом и называются зарезонансными.

5. По диапазону рабочих температур:

− циркуляторы работающие в лабораторных условиях (без системы термостабилизации);

− циркуляторы, работающие в диапазоне температур 150–450 °К системой термостабилизации);

− криогенные циркуляторы, работающие при температурах кипения жидкого гелия, азота, воздуха.

6. По типу схем, в которых используются циркуляторы:

− циркуляторы для обычных трактов СВЧ;

− циркуляторы для печатных схем СВЧ;

− циркуляторы для интегральных схем СВЧ;

− циркуляторы для замедляющих систем электромагнитных приборов.

Наиболее разработаны мостовые трехплечие микрополосковые Y -циркуляторы. Одна из конструкций микроциркулятора выглядит следующим образом. На заземленное основание укладывается ферритовая подложка толщиной 0,6 мм. Центральная полоска шириною 0,064 мм напыляется на феррит. В центре 120°-ного разветвления полосковой линии напыляется металлический диск диаметром 0,58 мм. Постоянный магнит имеет диаметр, несколько больший диаметра центрального металлического диска. Таким образом, намагничивается только часть феррита непосредственно в области разветвления. Прямые потери в таком циркуляторе Х - диапазона не превышают 0,6 дБ, развязка плеч не менее 20 дБ.

При включении в одно плечо циркулятора согласованной нагрузки он превращается в вентиль.

 

ВЕНТИЛИ

 

Вентилем называется невзаимное устройство, пропускающее волну в одном направлении и поглощающее волну обратного направления. Конструктивно вентиль СВЧ представляет собой отрезок линии передачи, содержащий ферритовый элемент и помещенный в магнитное поле. Вентили широко используются для «развязки» (устранения обратной связи) генератора и нагрузки и вообще различных устройств СВЧ.

В полосковом исполнении существует два типа вентилей: вентили, использующие эффект смещения поля в полосковой линии, и вентили, использующие эффект невзаимного резонансного поглощения.

 

 

Рисунок 35 - Вентиль

 

Принцип действия вентиля на смещении поля, выполненного на полосковой линии (рис. 35) следующий. Вентиль представляет собой отрезок полосковой линии с увеличенной шириной центрального проводника 3 по сравнению с выходными линиями. В области центрального проводника располагается поперечно намагниченная ферритовая плстинка 1, заполняющая (частично или полностью) пространство между полоской и экраном. При прохождении прямой волны распределение поля такое, что максимум электрического поля оказывается смещенным к одному из краев полоски, а при прохождении обратной волны максимум поля смещается к другому краю полоски. Если у этого края полоски расположить поглотитель 2, то получится невзаимное устройство, поглощающее обратную волну.

Распределение электромагнитного поля для основной волны в поперечном сечении симметричной полосковой линии с ферритовым заполнением описывается выражением:

, где

где , - компоненты тензора магнитной проницаемости;

- диэлектрическая постоянная феррита;

λ₀ – длина волны в свободном пространстве.

Очевидно, что вентильное отношение (отношение напряженности поля прямой волны к обратной) равно

, где d – ширина центрального проводника полосковой линии.

Таким образом, вентильное отношение (отношение прямой волны к обратной) возрастает с увеличением , и ширины центрального проводника.

Свойства вентиля, основанного на эффекте смещения поля в диапазоне частот, определяются зависимостью структуры электрического поля от частоты, т.е. постоянством величины β, которая полностью определяется величиной и характером изменения компонентов тензора магнитной проницаемости в данной полосе. Для большинства марок ферритов величина β в широкой полосе частот изменяется незначительно. Это позволяет конструировать вентили с постоянным внешним магнитным полем.

 

Тема 5 МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВ СВЧ

 

Требования, предъявляемые к СВЧ устройствам, обычно выражаются в виде комплекса параметров и характеристик, достаточно полно определяющих их реакцию на заданные электрические сигналы при заданных механических, климатических и температурных условиях.

Наиболее полный комплекс измерений заключается в определении распределения электрической составляющей поля с целью установления типа, а иногда и амплитуд колебаний электромагнитного поля, а также реакции измеряемого устройства на электрические сигналы.

 

ИЗМЕРЕНИЕ СТРУКТУРЫ ЭЛЕТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

 

Измерение структуры электромагнитного поля позволяет установить тип колебаний, определить относительные амплитуды полей, оценить влияние неоднородностей на структуру поля, рассчитать состав пространственных гармоник поля, выявить и затем устранить многие дефекты производства. При измерении структуры поля используются зондовые методы и методы электролитических ванн. Зондовые методы можно разделить на методы активного и пассивного зондов.

 

Метод активного зонда

При этом методе (рис. 36) в измеряемом устройстве с помощью генератора стандартных сигналов (ГСС) возбуждаются электромагнитные колебания.

Рисунок 36 - Измерение структуры поля методом активного зонда

В область измерения помешается электрический зонд. На зонде наводится СВЧ-сигнал, значение которого пропорционально значению амплитуды составляющей электрического поля, направленной вдоль зонда. Наведенный СВЧ-сигнал детектируется детектором, и затем его значение регистрируется индикатором. В качестве индикатора могут применятся гальванометры, микроамперметры, чувствительные ламповые вольтметры и др. В обсуждаемой схеме, как и во многих других, между измеряемым устройством и ГСС включается развязывающий аттенюатор с затуханием 10…15 дБ, который кроме функции развязки, согласует соединительную линию измеряемого устройства со стороны генератора, обеспечивая отсутствие повторных отражений и искажений результатов измерений. Кроме того он обеспечивает активный характер нагрузочного сопротивления и согласование нагрузки ГСС, что является необходимым условием для обеспечения стабильности его работы Зонд, представляющий собой отрезок тонкой проволоки длиной меньше длины волны исследуемых колебаний, вводится во внутреннюю полость измеряемого устройства через отверстия или щель. Размеры зонда и дополнительно прорезанных отверстий и щелей должны быть такими, чтобы структура измеряемого поля не искажалась и дополнительные потери и реактивности, вносимые в измеряемое устройство, были пренебрежимо малыми.

 

Метод реактивного зонда

 

При измерениях методом реактивного зонда (рис. 37) выводы измеряемого устройства закорачивают и оно превращается в резонатор (резонансный макет). Для того чтобы поле такого резонатора соответствовало полю устройства в рабочем режиме, необходимо, чтобы он имел достаточно большую электрическую длину (несколько дли волн).

 

Рисунок 37 - Измерение структуры поля методом реактивного зонда

 

Сущность метода реактивного зонда сводится к тому, что при введении в резонансный макет, возбужденный на резонансной частоте, металлического или диэлектрического тела, меняется его резонансная частота. Изменение резонансной частоты пропорционально квадрату напряженности электрического поля в измеряемой области: , (14)

где W_ср – средний запас энергии в резонансном макете за один период колебаний; К_з – коэффициент, зависящий от геометрии, ориентации относительно направления поля и электрических параметров материала зонда.

Чтобы не нарушать структуру измеряемого поля и получать необходимую разрешающую способность, реактивный зонд должен иметь геометрические размеры значительно меньшие длины волны и сферическую (шарик) или цилиндрическую (стержень) форму.

При измерениях резонатор возбуждается с помощью слабо связанного элемента связи. Конструкция и размещение элемента связи должны обеспечивать преимущественное возбуждение электромагнитной волны нужного типа. С помощью другого элемента связи, также слабо связанного резонатором и реагирующего преимущественно на волну нужного типа, СВЧ-колебания снимаются с резонатора и подводятся к детектору. Во время измерений реактивный зонд с помощью тонкой нити и механического приспособления перемещают внутри резонатора, что вызывает изменение его резонансной частоты. В каждом новом положении зонда ГСС настраивается на новую резонансную частоту исследуемого макета. С помощью волномера измеряют изменение резонансной частоты макета при отсутствии зонда. Полагая, что постоянная К_з не изменяется при измерениях, и поддерживая мощность генератора неизменной, по смещению резонансной частоты с помощью (14) определяют величину, пропорциональную напряженности электрического поля в измеряемой точке. Затем по измеренным точкам строят эпюр распределения электрической составляющей поля вдоль направления перемещения зонда.