Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Проектирование умножителей частоты на диодах. Учебно-методическое пособие
.pdf
В результате получения планарной реализации значения сопротив-
R
R
лений генератора и нагрузки стали значительно больше 50 Ом. С учетом того, что относительная полоса пропускания умножителя достаточно мала, для получения заданных значений генератора и нагрузки
используем частичное включение в закороченные отрезки линий передачи (2) и (3).
Для определения точки подключения генератора с внутренним
,
Г1
4.71R
1
38.84R
в отрезок закороченной
4.71RR
1Г2
. Электриче-
. Тогда перенормиро-
нормированным сопротивлением
линии на входе принимаем
ская длина закороченного отрезка линии 45
ванные к волновому сопротивлению закороченного отрезка линии
Z
6.02
= 31.14° и 2 = 14.93°. Аналогично рассчитываем точку подключе-
1
ния нагрузки с нормированным сопротивлением 4.71
= 6.45,
Г1
= 0.78. По формулам (2) и (3) определяем
Г2
R
n
в отрезок
закороченной линии на выходе. В результате получаем схему, изображенную на рис. 48.
Рис. 48. Окончательный вид схемы умножителя в сосредоточенно-распре-
деленном электрическом элементном базисе
Для моделирования полученного умножителя частоты проводим
денормирование элементов.
Структурная схема умножителя частоты (Schematic 9) с учетом
схемы, изображенной на рис. 34, показана на рис. 49, результаты
моделирования в САПР AWR Microwave office представлены на
рис. 50–52.
51
Рис. 49. Структурная схема умножителя частоты (Schematic 9)
Рис. 50. Модули коэффициента передачи
52
Рис. 51. Коэффициенты стоячей волны напряжения по входу устройства
Рис. 52. Уровни подавления первой гармоники на выходе и второй
гармоники на входе
53
По результатам моделирования видно, что необходимо провести
подоптимизацию с целью улучшения рабочих характеристик, а также
получения технологической реализуемости полученного устройства.
Для этого при оптимизации зададимся следующими ограничениями:
10 deg 45 deg
,
30 Ом 45 Ом
4 нГн 10 нГн
Метод оптимизации –
Z ,
L .
Simplex Optimizer.
Схема в сосредоточенно-распределенном электрическом элементном базисе (Schematic 8) после оптимизации представлена на рис. 53,
а моделирование схемы – на рис. 50–52 соответственно.
Рис. 53. Окончательная схема умножителя частоты в сосредоточенно-
распределенном электрическом элементном базисе (Schematic 8)
Полученные рабочие характеристики в полной мере удовлетворяют
заданным, а элементы реализуемы в геометрическом элементном базисе.
54
4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ УМНОЖИТЕЛЯ ЧАСТОТЫ
В СОСРЕДОТОЧЕННО-РАСПРЕДЕЛЕННОМ
ГЕОМЕТРИЧЕСКОМ ЭЛЕМЕНТНОМ БАЗИСЕ
Так как тенденцией развития современных полупроводниковых
приемопередающих систем является непрерывное продвижение в
верхнюю часть СВЧ-диапазона, повышение требований к ширине полосы рабочих частот, надежности и технологичности при одновременном уменьшении веса и габаритов, необходимо разработать топологию
умножителя частоты
быть реализована с использованием тонкопленочной технологии на
основе вакуумного напыления с последующим гальваническим наращиванием. Разработка топологии устройства включает в себя: выбор
материала и геометрических размеров подложки, выбор материала,
толщины, расчет длины и ширины микрополосковых линий (МПЛ),
выбор и определение геометрических параметров навесных элементов,
укладку МПЛ
определением геометрических размеров подложки.
Выбор подложки. Подложка является элементом конструкции,
позволяющим реализовать электрическую схему с МПЛ, и в значительной мере определяет среду для распространения СВЧ-энергии.
При выборе материала подложки (табл. П1.2) учитываются в основном
следующие факторы: значение относительной диэлектрической про-
ницаемости
ла и вид используемой линии передачи, тангенс угла диэлектрических
потерь tg
подложки, устойчивость материала подложки к климатическим и тех-
нологическим воздействиям в процессе изготовления схемы, механическая прочность и стабильность материала в процессе эксплуатации.
Алюмооксидная керамика (поликор, сапфирит, 22XC, ВГ-IV и др.)
характеризуются высокой механической прочностью, параметры
стабильны в широком интервале температуры. Ситаллы (СТ32-1,
СТ38-1 и
во всем объеме, высокой твердостью и термостойкостью. Возможны ситуации, когда предъявляемым требованиям удовлетворяет
сразу несколько материалов. В этом случае для принятия окончательного решения можно учесть дополнительные факторы, например стоимость.
на подложке с минимизацией площади и окончательным
, определяющим является степень миниатюризации уз-
r
, что нередко существенно ограничивает выбор материала
др.) обладают высокой плотностью и однородностью
в микрополосковом исполнении, которая может
55
После выбора материала подложки необходимо определиться с ее
48
Z
f
геометрическими размерами. Геометрические размеры подложек из
неорганического материала приведены в табл. П1.4. Наиболее типичный размер подложки 60
ложки для низкочастотных микросхем. При необходимости подложка
разрезается на части меньшего размера. Рекомендуется предварительно выбрать размер подложки 60
подложки уточняются после определения длин и ширин МПЛ и их
укладки на подложку с учетом навесных элементов с минимизацией
занимаемой площади и в соответствии с требованиями [3]. При необходимости, изменяя толщину подложки (табл. П1.4), можно изменять
ширину МПЛ.
48 мм выбран, исходя из стандартов на под-
1 мм. Окончательные размеры
Выбор материала и определение
геометрических параметров
микрополосковых линий передачи
Для того чтобы обеспечить хорошую адгезию к подложке, малые
потери и высокую устойчивость к коррозии, МПЛ представляют собой
трехслойную структуру. Первый слой, толщиной 0.01…0.5 мкм, – высокоомный материал, обладающий хорошей адгезией (хром, нихром,
тантал и другие металлы, табл. П1.3), второй слой (основной проводник) – металл с высокой проводимостью (медь, золото и другие
лы, табл. П1.3) и третий слой, толщиной 1…10 мкм, – обеспечивает
защиту от воздействий внешней среды и возможность подпайки разъемов или радиоэлементов (по меди – золото, серебро, олово и другие
металлы, табл. П1.3). Толщина второго слоя выбирается в зависимости
от частоты (в 2…5 раз больше толщины скин-слоя): в диапазоне частот
до 0.3
не менее 6 мкм.
рины) МПЛ осуществляется с помощью ПО Microwave Office
(Window-TX Line…). Для этого сначала денормируются найденные
волновые сопротивления устройства.
материала подложки
водника МПЛ
ГГц – не менее 15 мкм; до 2 ГГц – не менее 10 мкм; до 8 ГГц –
Определение остальных геометрических параметров (длины и ши-
С помощью информации об электрических параметрах выбранного
, tg и ее толщине, материала основного про-
r
и его толщине, электрических параметрах МПЛ
, центральной частоте рабочей полосы частот
, с использованием
0
метал-
и
56
ПО Microwave Office (Window-TX Line…) находятся длины
W МПЛ. Если ширина хотя бы одной МПЛ 0.1
рины
i
W
i
L и ши-
i
мм, то нуж-
но увеличить толщину подложки (табл. П1.4), или выбрать подложку с
меньшим значением
, а если 10
r
щину подложки или выбрать подложку с большим значением
W мм, то нужно уменьшить тол-
i
, и
r
снова с помощью ПО Microwave Office (Window-TX Line…) рассчитать ширины МПЛ.
Укладка микрополосковых линий на подложке
После определения длины
L и ширины iW МПЛ необходимо про-
i
извести их укладку (размещение) на подложке. При укладке МПЛ
необходимо минимизировать занимаемую площадь подложки и одновременно удовлетворить требованиям ОСТ на микросборки СВЧ-диапазона [4]: «входы и выходы МПЛ должны оканчиваться на расстоянии не менее 0.2 мм и не более 0.5 мм от края платы (подложки)». Расстояние
от МПЛ до краев подложки должно быть не менее трех толщин, а между МПЛ – не менее шести толщин подложки. Для уменьшения площади, занимаемой МПЛ, их рекомендуется изгибать под
прямым углом с использованием так называемого «согласованного изгиба». При минимизации площади необходимо ориентироваться на
геометрические размеры подложек (табл. П1.4).
Моделирование умножителя частоты
в сосредоточенно-распределенном
геометрическом элементном базисе
Спроектированный умножитель частоты моделируется с использованием программного продукта Microwave Office. Для этого с помощью полученных на предыдущих этапах данных (электрические
параметры и толщина выбранной подложки, электрические параметры материала основного проводника и его толщина, геометрические размеры отрезков МПЛ окончательного рисунка топологии)
составляется структурная схема умножителя частоты с использованием базовых
Bends) «отрезок линии передачи (ЛП)», неоднородности «скачок
элементов библиотеки Microstrip (Lines, Junctions,
57
ширины ЛП», «согласованный изгиб ЛП», «Т-соединение», «пересечение ЛП» [4]. Для полученной схемы строятся графики зависи-
K
мости
источника сигнала в нагрузку |S
и модуля коэффициента передачи по напряжению от
стU
|, а также уровней подавления по-
21
бочных гармонических составляющих от частоты. Если выходные
характеристики умножителя частоты не соответствуют требуемым,
то проводится подоптимизация [4].
Чертеж разработанной топологии умножителя частоты в соответствии с требованиями [2, 3] выполняется в программном продукте
AutoCAD.
Пример проектирования умножителя частоты
в сосредоточенно-распределенном
геометрическом элементном базисе
Рассмотрим в качестве примера преобразование синтезированного
в сосредоточенно-распределенном электрическом элементном базисе
удвоителя частоты (см. рис. 48), значения элементов которого после
оптимизации приведены на структурной схеме, изображенной на
рис. 53.
Выбор материала подложки и микрополосковых линий, а также их
толщины производился по табл. П1.2–П1.4, определение геометрических размеров МПЛ – с помощью программы
Укладка МПЛ входной и выходной согласующе-фильтрующих цепей умножителя частоты на отдельные поликоровые подложки толщиной 1 мм с минимизацией занимаемой площади осуществлялась в со-
ответствии с ОСТ4 Г0.010.202 [4]. Части индуктивностей
(см. рис. 53) реализованы в виде отрезков микрополосковых линий пе-
редачи (рис. 54). На подложке, где уложены МПЛ входной цепи умножителя частоты, расположена также цепь смещения диода, которая
развязана от схемы путем напыления резистора с сопротивлением
200
Ом
R и двух разомкнутых на концах четвертьволновых шлей-
кв
фов на соответствующих частотах (входной и выходной). Кроме того,
выполнена металлизация края подложки с целью дальнейшей установки навесного резистора для обеспечения нужного автосмещения на
диоде.
TXLINE.
L
L
и
2
,
3
58
Подоптимизированная структурная схема топологии умножителя
частоты представлена на рис. 54, а на рис. 55–57 – полученные рабочие
характеристики.
Рис. 54. Структурная схема устройства
59
Рис. 55. Модули коэффициента передачи и коэффициента отражения
по входу умножителя частоты
Рис. 56. Коэффициент стоячей волны напряжения по входу умножителя
частоты
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]