caO76D6RYL

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

–––––––——————————–––––––––––––––––––––––––

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

—————————————————–––———

Н. Г. КОВШИКОВ А. В. ДРОЗДОВСКИЙ

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАДИОФОТОННЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ ГИГАГЕРЦОВЫХ И ТЕРАГЕРЦОВЫХ ЧАСТОТ

Учебно-методическое пособие

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2016

УДК 621.3.049.776(07) ББК З844.15-02я7

К56

Ковшиков Н. Г., Дроздовский А. В.

К56 Современные методы проектирования радиофотонных интегральных схем гигагерцовых и терагерцовых частот: учеб.-метод. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2016. 27 с.

ISBN 978-5-7629-1862-6

Рассмотрены основные этапы выполнения лабораторных работ по курсу «Современные методы проектирования радиофотонных интегральных схем гигагерцовых и терагерцовых частот». Приводится описание методов расчета основных элементов, используемых в устройствах радиофотоники.

Предназначено для студентов дневного отделения, обучающихся по направлению 210100.68 – «Электроника и наноэлектроника».

УДК 621.3.049.776(07) ББК З844.15-02я7

Рецензент канд. физ.-мат. наук, зам. ген. директора по науке В. В. Васильев (ОАО «Планета-ИРМИС»)

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебно-методического пособия

2

Лабораторная работа 1 ИССЛЕДОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ СИГНАЛА ПРИ ПОМОЩИ

МОДУЛЯТОРА МАХА– ЦЕНДЕРА

Цель работы: изучение принципов работы модулятора излучения, использующего в основе своей работы интерферометр Маха– Цендера; исследование передаточных характеристик модулятора основе интерферометра Маха– Цендера.

1.1. Основные положения

Одной из основных задач радиофотоники и сверхвысокочастотной техники является передача полезного сигнала. Для этого несущий сигнал оптического или сверхвысокочастотного диапазона модулируется полезным сигналом. Промодулированная несущая переносит сигнал к оконечному устройству, где он и демодулируется. Различают следующие типы модуляции излучения: амплитудную, частотную, фазовую.

В аналоговых системах для осуществления амплитудной модуляции в качестве модулятора целесообразно использовать модулятор, построенный по схеме Маха– Цендера. Такой модулятор представляет собой двухпортовое двухплечевое устройство, блок-схема которого изображена на рис. 1.1.

I01, φ1 = const

Рис. 1.1

Основу конструкции модулятора представляет волновод, по которому может распространяться сигнал на несущей частоте, часть которого разветвляется на два плеча, разделяя волну на две. Одно из плеч волновода содержит фазосдвигающее, как правило, электрически управляемое устройство. На выходе модулятора оба плеча сводятся в один волновод. Интерференция между волнами, распространяющимися в плечах модулятора, приводит к модуляции амплитуды интенсивности излучения и описывается выражениями, приведенными далее.

Комплексные амплитуды излучения запишем в виде Iin

I1 = I01 exp(iφ1) ; I2 = I02 exp(iφ2 ) , где I1, I2 и φ1 , φ2 – амплитуды и фазы

3

волн на выходе интерферометра. Полная комплексная амплитуда поля на выходе равна сумме комплексных амплитуд отдельных волн. Результирующая интенсивность в точке наблюдения

Iout2 = I1I2* = I012 + I022 + I01I02 [exp(i(φ2 − φ1) + exp(−i(φ2 − φ1)],

где знак * обозначает комплексно– сопряженную величину. Данное выражение можно преобразовать к виду

В случае, если I01 = I02 , выражение для интенсивности упрощается до

Iout2 = 2I01[1 + cos( φ)], тогда контраст полос максимален.

Iout

Рис. 1.2

Пример выходной характеристики интенсивности сигнала интерферометра Маха– Цендера для случая φ1(ω) ¹ φ2 (ω) приведен на рис. 1.2. Управляя фазой одного из плеч ( φ2 (ω) ), можно менять частотное положение максимумов и минимумов интенсивности выходного сигнала.

1.2. Описание лабораторной установки

Лабораторный макет представляет собой интерферометр Маха– Цендера, выполненный в микрополосковом исполнении (рис. 1.3). Одно из плеч интерферометра выполнено в виде микрополосковой линии, в которой фазой сигнала можно управлять. По указанию преподавателя в лабораторной работе мо

4

гут быть использованы следующие виды управляемых плеч: 1) плечо, управляемое за счет изменения эффективной магнитной проницаемости; 2) плечо, управляемое за счет изменения эффективной диэлектрической проницаемости.

В случае использова-

ной магнитной проницаемости, часть подложки микрополосковой линии выполня-

ется из феррита – магнит-

Рис. 1.3

ного диэлектрика. Магнит-

ная проницаемость феррита зависит от значения магнитного поля µ(H). Поскольку длина волны в микрополосковой линии передачи определяется соотношением λ = λ0 / εef µef (здесь λ0 – длина волны в свободном пространстве, εef и µef – эффективные диэлектрическая и магнитная проницаемости соответственно), то изменение магнитной проницаемости феррита ведет к изменению длины волны и как следствие к изменению фазового набега по закону

φ2 (ω)=k2 (ω)L = 2π L (здесь физическая длина плеча – L). Для управления λ(ω)

фазовым набегом за счет изменения эффективной диэлектрической проницаемости в одно из плеч интерферометра вносят пластину диэлектрика с большим значением диэлектрической проницаемости.

1

4

Блок-схема измерительной экспериментальной установки представлена на рис. 1.4. В ее состав входят следующие основные элементы: 1 – индикаторный блок; 2 – генератор качающейся частоты; 3 – направленный ответвитель

5

падающей волны; 4, 5– детекторы падающей и прошедшей волн соответственно; 6 – исследуемый модулятор.

1.3.Порядок выполнения работы

1.Изучить устройство и принцип действия панорамного измерителя коэффициента стоячей волны (КСВ) и ослабления (см. инструкцию по эксплуатации измерителя).

2.Включить панорамный измеритель КСВ и ослабления, и подготовить его к работе согласно инструкции.

3.Провести калибровку схемы на измерение КСВ.

4.Измерить размеры микрополоскового модулятора.

5.Собрать измерительную установку согласно рис. 1.4.

6.Измерить частотную характеристику прошедшей волны и записать положение и значение каждого максимума и минимума характеристики передачи (в децибелах) по визиру индикаторного блока.

7.Повторить п. 6 для различных значений воздействия, указанного преподавателем.

1.4.Содержание отчета

1.Цель работы.

2.Краткие теоретические сведения.

3.Исходные параметры.

4.Графики полученных зависимостей коэффициента передачи от частоты

( S21(ω) ).

5.Графикизависимостей коэффициента передачи от воздействия ( S21(U) ), измеренные на фиксированных частотах, указанных преподавателем.

6.Зависимость ∆ϕ(ω), построенная для различных значений управляющего воздействия.

7.Выводы по полученным результатам.

Контрольные вопросы

1.Принцип работы модулятора на основе интерферометра Маха– Цендера.

2.Какие способы управления фазой сигнала возможны?

3.Поясните полученные зависимости.

4.Как влияют размеры модулятора на передаточную характеристику?

6

Лабораторная работа 2 ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРАВЛЕННОГО ОТВЕТВИТЕЛЯ

НА ОСНОВЕ СВЗАННЫХ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ

Цель работы: изучение принципов работы направленного ответвителя на основе связанных линий передачи; исследование передаточных характеристик направленного ответвителя.

2.1. Основные положения

Направленным ответвителем называется устройство (элемент СВЧ или радиофотонного тракта), предназначенное для ответвления части электромагнитной энергии из основного канала передачи во вспомогательный. Направленный ответвитель (НО) представляет собой два (иногда более) отрезка линий передачи, связанных между собой. Основная линия называется первичной, вспомогательная — вторичной. Для нормальной работы НО один из концов вторичной линии (нерабочее плечо) должен быть заглушён согласованной нагрузкой, со второго (рабочего плеча) снимается ответвлённый сигнал; в зависимости от того, какую волну в первичной линии надо ответвить, – падающую или отражённую, выбирается, какое плечо вторичной линии будет рабочим.

В зависимости от вида связи между основными и дополнительным каналами НО подразделяют на три основных типа: а) с распределенной электромагнитной связью; б) со связью шлейфного типа; в) с емкостной связью. По степени связи полосковые НО можно разделить на НО с сильной ( S31≤ –10 дБ) и со слабой ( S31≥ –10 дБ) связями. Две линии передачи, между которыми существует распределенная по длине электромагнитная связь, реализуют функции НО, если длина области связи составляет нечетное число четвертей длины волны, определенной для данных линий на центральной частоте, и выполняется условие согласования по всем входам. Такой направленный ответвитель называется ответвителем на связанных линиях передачи. В простейшем случае в качестве НО выступают две одинаковые однородные связанные линии длиной λ/4 (см. схематическое изображение направленного ответвителя на рис. 2.1), представляющие собой восьмиполюсную структуру.

НО выполняют как на симметричных, так и на несимметричных полосковых линиях (ПЛ). НО на симметричных ПЛ обладают меньшими потерями, но

7

Направленные ответвители принято характеризовать передаточными ха-

коэффициентом стоячей волны.

Коэффициент связи между линиями может быть получен из следующего выражения

где l=λ/4 – конструктивная длина области связи (рис 2.3).

По полученной зависимости S31 = f (Θ f ) определяют граничные значе-

ния электрической связи Θ f 1 и Θ f 2 , в которых S31 изменяется на S31.Ши-

Для четных Z0e и нечетных Z0o волн

Z0e и Z0o – волновое сопротивление четного и нечетного видов возбуждения. Знание Z0e и Z0o позволяет вычислить геометрические размеры l и s для конкретного вида волновода:

Z0e = 30π K (k 'e ) ;

εr K (ke )

Z0o = 30π K (k 'o ),

εr K (ko )

где отношения K (k ') / K (k ) определяются формулами

Для синтеза связанных полосковых линий могут быть использованы следующие формулы

10