теория

9. ПАССИВНЫЕ СВЧ ЭЛЕМЕНТЫ В СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

9.1. ЕМКОСТИ

Наиболее распространенные конструкции емкостных элементов, формируемых на базе МПЛ, приведены на рис. 9.1. – 9.3. Их характерной особенностью является наличие в топологической схеме зазора в верхнем, сигнальном проводнике. Такие элементы просты в реализации (не требуют дополнительных технологических операций). Зазор может иметь различную форму – прямолинейную, пилообразную, форму меандра и т.п.

Рис. 9.1. Конструкция пленочной емкости

Величина емкости таких планарных конструкций ограничена технологическими возможностями получения малых зазоров S, что позволяет реализовывать емкости с небольшим номинальным значением. Так, например, при ширине зазора около 50 мкм величина емкости составляет не более 4 пФ.

Рис. 9.2. Конструкция пленочной емкости с меандровым зазором

Параллельная емкость образуется между заземленной пластиной и проводником микрополосковой линии и выполняется в виде одинарного или сдвоенного (рис. 9.3) шлейфа с низким волновым сопротивлением или виде прямоугольного плоского конденсатора (рис. 9.4).

111

Сосредоточенные индуктивные элементы могут быть реализованы в одно- и трехслойном варианте. Однослойные индуктивности с малой величиной индуктивности (менее 1 нГн) представляют собой один плоский виток (рис. 8.6), а трехслойные – спираль круглой или прямоугольной (квадратной) формы (рис. 4.7), у которой центральный вывод пропускается над катушкой и изолируется от нее диэлектрической пленкой.

Рис. 9.6. Конструкция пленочной индуктивности

Существующая технология позволяет получить индуктивные спирали с добротностью Q ≈ 100 и номинальными значениями L= 1 – 100 нГн. При расчете индуктивности влиянием заземленного основания можно пренебречь, если высота подложки более чем в 10…20 раз превышает ширину проводника спирали.

Рис. 9.7. Конструкция пленочной индуктивности

Параллельная индуктивность может быть выполнена в виде короткозамкнутого или разомкнутого параллельного шлейфа длиною l < λв /8

(рис. 9.8).

113

С целью получения больших значений затухания при ограниченных габаритах устройства проводник нагрузки «свертывается» в спираль или меандровую линию. Сосредоточенные резисторы в ИС СВЧ используются в качестве согласованных нагрузок, в СВЧ-сумматорах и делителях мощности, в цепях управления и питания. Резисторы, как правило, имеют прямоугольную форму. Сопротивление пленочного резистора

где l и W – длина и ширина резистора, п – число квадратов резистивной пленки или коэффициент формы, характеризующий степень отличия формулы резистора от квадратной.

Поверхностное сопротивление пленочного резистора (или сопротивление квадрата пленки) равно

В СВЧ-резисторе имеет место распределенная шунтирующая емкость, которая снижает номинал полного сопротивления на высоких частотах по сравнению со значением сопротивления на постоянном токе. Для устранения этого недостатка экранную поверхность под резистором удаляют.

Помимо пленочных резисторов в ИС СВЧ используются различные типы малогабаритных навесных резисторов сосредоточенного типа, типов С2-12, СЗ-3 и т.д.

9.4.РЕЗОНАТОРЫ

Винтегральных микросхемах СВЧ-фильтров, генераторов, усилителей используются полосковые (печатные) и объемные резонаторы.

Полосковый резонатор, как правило, представляет собой отрезок

полосковой линии передачи длиной λв / 4,λв / 2 или λв , разомкнутый или

короткозамкнутый на концах. Короткозамкнутый резонатор обладает более высокой добротностью и значительно меньшим концевым излучением по сравнению с разомкнутым резонатором. Так, например, 50-омный разомкнутый на конце микрополосковый резонатор на подложке толщиной 1 мм в 10сантиметровом диапазоне волн имеет потери на излучение около 0,5 % и добротность 185, а аналогичный короткозамкнутый резонатор обладает пренебрежимо малыми потерями на излучение и добротностью порядка 480.

Наиболее серьезным недостатком короткозамкнутых резонаторов является необходимость замыкания проводника на основание с помощью вышеописанных элементов заземления, что усложняет технологический процесс изготовления.

В замкнутых конструкциях полосковых резонаторов, выполненных в виде кольца или прямоугольника (квадрата) (рис. 9.10), краевой эффект устраняется. В дисковом микрополосковом резонаторе (рис. 9.11) при h / rср ≤ 0,1 возможно

существование только колебаний типа Emn0 (E010, E110, E210, E310 ) , когда

115

отсутствуют вариации поля вдоль оси Z и могут быть вариации поля по азимуту и радиусу.

Рис. 9.10. Конструкция микрополоскового резонатора

Чем больше радиус диска, тем более высокие типы колебаний могут возбуждаться и поддерживаться. В резонаторе кольцевого типа (рис. 9.12), как и в предыдущей конструкции, возбуждается волны Emn0 - типа.

Объемные резонаторы имеют форму параллелепипеда, стержня или сферы из диэлектрика или феррита с высоким значением εr . Принцип

действия диэлектрического резонатора основан на явлении полного внутреннего отражения от границы раздела диэлектрик – воздух.

Рис. 9.11. Конструкция микрополоскового резонатора

При этом электромагнитное поле концентрируется в объеме резонатора и потери на излучение оказываются небольшими. Практическое использование диэлектрических резонаторов стало возможным благодаря появлению новых

материалов, обладающих высоким значением (εr ³ 30), малым tgδ ≤10-3 и

116

высокой термостабильностью (ТТε ≈10−5 −10−6 1/oC) .

Рис. 9.12. Конструкция микрополоскового резонатора

По сравнению с волноводными диэлектрические резонаторы имеют гораздо меньшие размеры при одинаковых величинах добротности. Так, например, фильтр на диэлектрических резонаторах из материала TiO2 (εr ≈ 85) в экранирующем корпусе имеет в 3…5 раз меньший объем по сравнению с аналогичным волноводным фильтром. Величина собственной добротности диэлектрических резонаторов, обусловленная тепловыми потерями, может достигать значения 104. Объемные резонаторы, как правило, конструктивно и электрически хорошо сочетаются с микрополосковой линией передачи и могут быть с успехом использованы в ИС СВЧ. Их крепление к общей подложке осуществляется с помощью пенопласта или диэлектриков полистирольного типа, взятых в минимальных количествах с целью исключения их влияния на параметры микросхемы. Дисковый резонатор укрепляется с помощью проходящего через его ось (в минимуме электрического поля резонатора) стержня небольшого диаметра, что обеспечивает минимальное возмущающее действие.

Широкое применение находят объемные резонаторы из монокристаллов железо-иттриевого феррит-граната (ЖИГ), чаще всего сферической формы, имеющие узкую резонансную кривую, высокую нагруженную добротность (порядка нескольких тысяч) при малых геометрических размерах. Собственная частота колебаний в феррите связана линейной зависимостью с напряженностью поля подмагничивания, что позволяет осуществить также электрическую перестройку частоты резонатора.

9.5. ПОЛОСКОВЫЕ ФИЛЬТРЫ

На основе вышеописанных простейших элементов (емкостей, индуктивностей) и резонаторов проектируются интегральные микросхемы СВЧ. Поскольку полосковые линии не имеют нижней частоты отсечки, то на их основе могут быть реализованы практически все типы фильтров, включая фильтры нижних частот.

117

9.5.1. ФИЛЬТРЫ НИЖНИХ ЧАСТОТ

Фильтры нижних частот (ФНЧ) используются в качестве выходных фильтрующих цепочек смесителей, в цепях питания СВЧ ИС и др. Одна из схем фильтра нижних частот на элементах с распределенными параметрами представлена на рис. 9.13. Здесь отрезки линий с высоким волновым сопротивлением Zв1 эквивалентны последовательной индуктивности L, а

возможности высокими, а Zв2 – как можно более низкими.

Рис. 9.13. Конструкция микрополоскового фильтра

Отрезки однородных линий передачи должны быть как можно короче по сравнению с наименьшей длиной волны в полосе пропускания. Это позволяет избежать частотной зависимости параметров отдельных элементов фильтра, усложняющей расчеты и затрудняющей создание фильтров с нужными характеристиками. На стыках двух соседних секций возникает краевая емкость, обусловленная скачком волновых сопротивлений, поэтому минимальная длина индуктивных отрезков линий ограничена величиной, при которой еще не сказывается влияние двух соседних краевых емкостей.

Наименьшие габариты имеют ФНЧ с сосредоточенными параметрами. Простейший трехэлементный фильтр (рис. 9.14), выполненный по Т-образной схеме на двух одновитковых индуктивностях (L = 1,9 нГн) и емкости встречноштыревой структуры (С = 1,5 пФ).

118

показан на рис. 9.16. Расстояние между центрами зазоров равно λв0 / 2 , а

величина зазора определяет полосу пропускания фильтра. Для получения широкой полосы пропускания соседние резонаторы должны быть сильно связаны между собой, что возможно при больших емкостях в зазорах (очень малых S). Ввиду технологических ограничений на величину зазора реализуемые полосы пропускания не превосходят 20 %. Длина такого фильтра получается очень большой.

Рис. 9.16. Конструкция микрополоскового фильтра

Более компактная конструкция ППФ со связью полуволновых полосковых резонаторов через боковые поверхности показана на рис. 9.17. Простейшим элементом такого фильтра является звено, состоящее из пары связанных линий, работающее в режиме четырехполюсника. Каждая из связанных линий разомкнута на конце. Фильтр формируется в виде каскадного соединения таких звеньев. Параметры фильтра находятся из его матрицы передачи. Как отмечалось ранее, разомкнутые отрезки полосковых линий выполнить проще, чем короткозамкнутые, поэтому первым отдается предпочтение.

Достоинствами полосковых фильтров на параллельно связанных резонаторах являются малые габариты, относительно большие расстояния между резонаторами (что облегчает выполнение полосковой схемы, а также повышает электрическую прочность), большая крутизна характеристики затухания.

Рис. 9.17. Конструкция микрополоскового фильтра

Еще одна разновидность топологии полосового фильтра представлена на рис. 9.18. Это так называемый фильтр на встречных стержнях. Он состоит из

120