Элементы, узлы и устройства

СВЧ ГИС и МПЛ могут быть выполнены на элементах с распределенными и сосредоточенными параметрами. Элементы с сосредоточенными параметрами имеют максимальные размеры , значительно меньшей, чем длина волны λ (< 0,1λ). В этом случае можно пренебречь фазовым сдвигом по длине элемента. При большом объеме производства элементы с сосредоточенными параметрами дешевле, чем с распределенными, однако на частотах выше 10 ГГц, ввиду малых размеров, они имеют более высокие потери и низкую добротность. Поэтому на этих частотах применяют главным образом элементы с распределенными параметрами, хотя не исключена возможность комбинации тех и других элементов. Наиболее распространенные элементы с распределенными параметрами приведены на рис.6-11.

Отрезок МПЛ в электрической цепи проявляет себя как индуктивность или емкость.

Рис. 6. Эквивалентная схема последовательной индуктивности (а) и ее топология (б)

Рис. 7. Эквивалентная схема параллельной индуктивности (а) и ее топология в виде короткозамкнутого (б) и разомкнутого (в) шлейфов.

Последовательная индуктивность (рис.6) может выполняться в виде отрезка МПЛ длиной = λ/8 с высоким волновым сопротивлением. Значение индуктивности можно определить по формуле:

,

где Z₁ – волновое сопротивление узкого отрезка МПЛ; ω – круговая частота.

Короткозамкнутый (соединенный с землей по постоянному току) на конце отрезок МПЛ (шлейф) длиной = λ/8 представляет собойпараллельную индуктивность (рис.7). Если нужно избежать короткого замыкания, применяют разомкнутый на конце шлейф длиной λ/4 < < λ/2. Малые индуктивности (единицы нГн.) могут быть представлены в виде отрезка МПЛ (рис.8) либо петли. Современная технология позволяет получать пленочные индуктивности от единиц до сотен мкГн (рис.9).

Рис. 8. Эквивалентная схема (а) и топология отрезка МПЛ (б) при l = λ/2; 1 – проводник МПЛ; 2 – элементы подстройки; 3 – подложка; 4 – экран.

Рис. 9. Преобразование спирали индуктивности (а) в виток индуктивности (б), в индуктивный элемент (в) и его эквивалентная схема (г). 1 – проводник МПЛ; 2 – спираль индуктивности; 3 – подстроечные элементы; 4 – индуктивный элемент.

Наибольшая последовательная емкость (единицы пФ.) может быть образована зазором в линии передачи (рис.10). Увеличение емкости (до 10 пФ.) можно получить на основе гребенчатой структуры.

Рис. 10. Эквивалентная схема последовательной емкости (а) и варианты ее реализации (б, в).

Рис. 11. Параллельная емкость (а) и примеры ее выполнения (б - г).

Параллельную емкость (рис.11а) можно реализовать в виде короткого отрезка МПЛ длиной = λ/8 с малым волновым сопротивлением (рис11.б), либо в виде шлейфа (рис11.в).

В общем случае емкость определяется по формуле:

При необходимости подстройки емкости применяются сетчатая структура из отдельных ячеек (рис.11г). Достоинствами таких элементов являются высокая добротность, большое пробивное напряжение, высокая точность.

Тонкопленочные конденсаторы (рис.12) обладают большой емкостью.

Рис. 12. Тонкопленочный конденсатор большой емкости: 1 – основной конденсатор; 2 – элементы подстройки.

Резисторы широко применяются в цепях питания, в схемах сумматоров и делителей в качестве согласованных нагрузок. Распределенные резисторы выполняют на основе МПЛ с большим вносимым затуханием, которое создается за счет высокого сопротивления. МПЛ изготавливают либо из материала с низкой проводимостью, либо малой толщины (меньше скин-слоя). Для уменьшения размеров такие линии сворачивают в меандр или спираль. Сосредоточенные резисторы, выполненные по тонкопленочной технологии, включают в качестве согласованной нагрузки между проводящей линией и короткозамыкателем для предотвращения отражения в линии. Им может быть разомкнутый шлейф длинной = λ/4 (рис.13). Короткое замыкание может осуществляться также через металлизированное отверстие в подложке или плоской перемычкой через торец подложки с экраном.

Рис.13. Согласованная нагрузка в виде резистора со шлейфом.

Резонаторы являются основными элементами фильтров, генераторов и т.д. Конструктивно резонатор может быть выполнен короткозамкнутым или разомкнутым на конце. Короткозамкнутый резонатор в виде отрезка МПЛ имеет малые потери и высокую добротность, но не всегда удобен в технологическом отношении. Существенным недостатком разомкнутого резонатора является наличие значительных потерь на излучение. Изгибая резонатор в виде подковы, потери излучение можно уменьшить сведением вместе противофазных концов резонатора (рис.14). Находят применение другие типы резонаторов, топология которых представлена на рис.15.

Рис. 14. Зависимость подковообразного резонатора от величины зазора.

Рис.15. Топология резонаторов в виде комбинации шлейфов.

Направленные ответвители являются наиболее распространенными элементами смесителей, модуляторов, усилителей и т.д.

По виду связи различают направленные ответвители с электромагнитной и шлейфной связью. На рис.16 показана топология направленного ответвителя на связных линиях с электромагнитной связью. Связь определяется величиной зазора между линиями.

Рис.16. Фрагмент топологии направленного ответвителя с электромагнитной связью.

Рис.17. Трехдецибельный встречно-штыревой направленный ответвитель (ответвитель Ланге).

Трехдецибельный направленный ответвитель. Для получения сильной связи в направленном ответвителе необходимо иметь очень малый зазор Ѕ, который технологически трудно реализуем. Поэтому предложено несколько модификаций данной конструкции, позволяющих получить сильную связь при увеличенном зазоре между линиями. К их числу относится показанная на рис.17 встречно-штыревая конструкция ответвителя на 3 дБ (ответвитель Ланге). Мощность, поступающая в плечо 1, делится поровну между плечами 2 и 3. Плечи 1 и 4 являются развязанными. В мосте Ланге на основе данного направленного ответвителя фазовый сдвиг между соответствующими плечами составляет π/2. Недостатком таких конструкций является наличие проволочных перемычек. Для уменьшения паразитных индуктивностей они образуются из нескольких проволочек.

Шлейфный направленный ответвитель представляет собой два отрезка линии передачи соединенных между собой шлейфами, длина которых равна четверти длины волн в линии.

Двухшлейфный направленный ответвитель (рис.18а) позволяет осуществить развязку плеч, которая заключается в следующем.

Рис. 18. Варианты топологии двухшлейфного направленного ответвителя.

При подаче сигнала в плечо А он частично попадает в плечо Б первичной линии (пунктир), где поглощается без отражения, а частично ответвляется в плечо В и Г вторичной линии (сплошная стрелка). Таким способом можно достичь высокой степени развязки генераторов, включенных на входы плеч А и Б первичной линии.

В длинноволновой части диапазона СВЧ, геометрическая длина отрезов линии передачи велика, для уменьшения размеров четвертьволновые линии выполняют в виде меандра (рис.18б). Возникающие при этом неоднородности в линии учитывают при расчете.