2.3 Свч устройства на основе сосредоточенных элементов

В современных СВЧ устройствах широкое применение находят индуктивные и емкостные элементы, используемые в частотозадающих цепях, цепях питания, коррекции и т.д. При этом требования, предъявляемые точности и стабильности параметров индуктивностей и емкостей, используемых в частотно-избирательных цепях существенно выше, чем в остальных случаях. Прежде всего, это объясняется тем, что при реализации частотных фильтров требуется высокая точность номиналов элементов и их волновых параметров.

При традиционных технологиях для получения необходимых значений элементов фильтров, как правило, используются элементы подстройки и регулировки, которые зачастую крайне затруднительно реализовать в малогабаритных устройствах СВЧ диапазона.

Поэтому из-за того, что аналоговые электрические фильтры являются наилучшим индикатором рассмотрим вопросы их реализации на основе жидкокристаллических полиров.

2.3.1 Фильтры нижних частот

Электрические LC фильтры, состоящие из катушек индуктивности и конденсаторов являются одними из самых распространенных устройств частотной селекции сигналов. Наиболее простыми из этих фильтров с точки зрения практической реализации являются ФНЧ. Теоретические вопросы синтеза этих фильтров достаточно полно рассмотрены в ряде работ отечественных и зарубежных ученых [2, 10, 15, 23, 29, 30, 32].

Поэтому исследование возможностей создания устройств частотной селекции сигналов на основе жидкокристаллических полимеров начнем именно с них. Для исследования был выбран фильтр Чебышева 5 порядка с неравномерностью в полосе пропускания 0,1 дБ (рисунок 2.13) и частотой среза 2ГГц.

Рисунок 2.13 - ФНЧ Чебышева 5 порядка

Расчет элементов этих фильтров, проведенный по известным методикам [2, 10, 15, 23, 29, 30, 32], показал, что фильтра с частотой среза 2 ГГц значения индуктивностей составляют порядка 5 нГн, а емкостей от 1,5 до 3 пФ. В связи с тем, что значения элементов ФНЧ с частотой среза оказались достаточно большими, а диэлектрическая проницаемость выбранных жидкокристаллических полимеров составила 2,9, то конденсаторы и индуктивности выполнялись в виде стековых структур, расположенных в нескольких внутренних слоях.

Общий вид этого фильтра приведен на рисунке 2.14 а, а его расчетная характеристика, полученная методами компьютерного электромагнитного моделирования – на рисунке 2.14 б.

а	б
Рисунок 2.14 – ФНЧ с частотой среза 2 ГГц (а), расчетная АЧХ (б)

Как видно из представленных рисунков, частотные характеристики исследуемого ФНЧ являются вполне приемлемыми, что позволяет говорить о возможности его реализации на основе жидкокристаллических полимеров.

2.3.2 Полосовые фильтры

Полосовые LC-фильтры на сосредоточенных элементах предназначенные для выделения полезного спектра сигнала и ослабления помех, лежащих за пределами полосы пропускания также находят широкое применение. Однако, несмотря то, что в настоящее время известно достаточно большое число схем LC фильтров, лишь немногие из них оказываются пригодными для реализации в виде многослойных структур, выполненных по LCР технологии. Прежде всего, это связано с трудностями реализации как отдельных элементов схем, так и их номиналов, так как поскольку значения емкостей и индуктивностей с ростом частоты уменьшаются и становятся соизмеримыми с монтажными. Проведенный предварительный анализ показал, что только ограниченное число схем электрических фильтров, выполненных на сосредоточенных элементах пригодны для практической реализации на основе жидкокристаллических полимеров.

Одна из таких схем изображена на рисунке 2.15. На основе этой схемы и известных методик были рассчитаны два полосовых фильтра Чебышева3 порядка с неравномерностью в полосе пропускания 0,1 дБ на частоты 2,5 ГГц и 15 ГГц с полосами пропускания 500 МГц и 2500 МГц соответственно.

Рисунок 2.15 – Полосовой фильтр Чебышева 3 порядка

Результаты расчетов показали, что для фильтра на частоту 2,5 ГГц значения индуктивностей составляют около 3 нГн, а емкостей от 1 до 2 пФ. Для реализации таких номиналов элементов схемы, как показали предварительные расчеты, наиболее приемлемыми оказались плоскопараллельные конденсаторы и петлевые катушки индуктивности. Конструкция этого фильтра изображена на рисунке 2.16 а, а его расчетная характеристика, также полученная методами компьютерного электромагнитного моделирования – на рисунке 2.16 б.

Расчет элементов полосового фильтра на 15 ГГц, проведенный аналогичным образом, показал, что значения индуктивностей составляют около 0,5 нГн, а емкостей от 0,2 до 0,5 пФ. Такие номиналы элементов даже при небольшой диэлектрической проницаемости материалов оказываются трудно реализуемыми.

а	б
Рисунок 2.16 – Полосовой фильтр на частоту 2,5 ГГц (а), расчетная АЧХ (б)

Поэтому роль индуктивностей короткие отрезки линии передачи с высоким волновым сопротивлением, а конденсаторы были реализованы в виде плоскопараллельных с большим расстоянием между обкладками, как это показано на рисунке 2.17 а. Расчетная частотная характеристика этого фильтра, приведенная на рисунке 2.17 б, также показывает возможность создания полосовых фильтров СВЧ диапазона на сосредоточенных элементах с использованием жидкокристаллических полимеров.

а	б
Рисунок 2.17 - Полосовой фильтр на частоту 15 ГГц (а), расчетная АЧХ (б)