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

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

 

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 собой параллельную 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.

Фильтры

Фильтры предназначены для подавления одних частотных составляющих некоторого сложного сигнала и передачи других.

Рис. 19. Частотная характеристика ППФ. ПП – полоса пропускания, ПЗ - полоса запирания, а – поглощение.

Полосно-пропускающий фильтр (ППФ) или просто полосовой фильтр, не пропускает сигналы ниже некоторой частоты  ω3 (рис.19).

Полосовые фильтры могут быть реализованы на связанных линиях, на одиночной линии с зазорами, на встречных стержнях, в виде гребенки, на связанных резонаторах и т.д.

На рис.20а в качестве примера показана конструкция двухзвенного фильтра в виде гребенки и его частотная характеристика (рис.20б).

Рис. 20 Двухзвенный фильтр (а) и его частотные характеристики поглощения (б): 1 - S = 0,18; 2 - S = 0,28; 3 - S = 0,40

 

На рис.21 приведена принципиальная электрическая схема полосового СВЧ фильтра на связанных резонаторах. СВЧ фильтры на связанных резонаторах обычно выполняются на L, С элементах с распределенными параметрами, поскольку в диапазоне СВЧ технологически трудно изготовить элементы с сосредоточенными параметрами.

 

 

Рис. 21. Полосовой СВЧ фильтр на связанных резонаторах. Схема электрическая принципиальная 1 – вход; 2 – выход.

 

Генератор СВЧ колебаний на лавинно-пролетном диоде (ГЛПД)

В ЛПД генерация СВЧ колебаний в режиме лавинного пробоя p-n перехода объясняется тем, что возникающее под влиянием переменного поля изменение потока носителей заряда через диод запаздывает относительно напряжения настолько, что большая часть их движется во время действия тормозящей полуволны СВЧ поля и отдает ему часть энергии, полученной от постоянного поля, созданного источником питания. Преобразование энергии источника питания в энергию переменного СВЧ поля обусловлено двумя основными физическими процессами: лавинным умножением носителей заряда в p-n переходе при высокой напряженности электрического поля, превышающей пробивное напряжение и пролетом этих носителей обедненного слоя диода за определенное время. Отсюда и название – лавинно-пролетный диод.

На рис.22 приведена принципиальная электрическая схема ГЛПД.

Трансформатор Тр1 (фильтр низких частот) служит для согласования сопротивления ЛПД и сопротивления нагрузки. Под обычным согласованием понимается такое преобразование сопротивления нагрузки, при котором в линии передачи устанавливается режим чисто бегущей волны.

Под сопряженным согласованием понимают такую нагрузку для генератора, в которую от генератора поступает максимальная мощность.

Для обеспечения сопряженного согласования служат подстроечные емкости Сп. Полосовой фильтр служит для выделения двух гармоник ω1 и ω2 собран на элементах L1, C1; L2, C2; L3, C3; L4, C4 и L5, C5.

Рис. 22. Генератор на ЛПД. Схема электрическая принципиальная.

 

Фильтр по питанию на элементах R1, С_пит предназначен для предотвращения опасных скачков напряжения в цепи питания, которые могут вывести схему из строя.

На рис.23 приведена схема крепления (соединения) ЛПД с микрополосковой платой ГЛПД.

Рис. 23. Симметричная (а) и ассиметричная (б) конструкции крепления электрического соединения ЛПД с микрополосковой СВЧ ГИС, 1 – ЛПД; 2 – основание ЛПД; 3 – контактные проводники; 4 – микрополосковая линия; 5 – диэлектрическая подложка СВЧ ГИС; 6 – экран; 7 – корпус; 8 – фиксирующая гайка.

⇐ Предыдущая37383940414243444546Следующая ⇒

Поделиться: