Исследование микрополосковых структур и частотно-селективных устройств на их основе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.21, доктор технических наук в форме науч. докл. Беляев, Борис Афанасьевич

• Беляев, Борис Афанасьевич
• доктор технических наук в форме науч. докл.
• 1997

Оглавление диссертации доктор технических наук в форме науч. докл. Беляев, Борис Афанасьевич

1. Актуальность теш. Частотно-селективные устройства (полосно-пропускающие и реаек-торные фильтры, диплексеры, мультиплексоры и-др.) являются важнейшими элементами техники связи и радиолокации. Они широко применяются также в различной измерительной и специальной радиоаппаратуре. Нередко частотно-селективные устройства (ЧСУ) определяют габариты аппаратуры, а также ее качество и надежность. Как известно, в конструкциях таких устройств используются резонансы электромагнитных волн и различных твердотельных колебаний. Поэтому исследования, направленные на разработку новых миниатюрных ЧСУ, отличающихся улучшенными характеристиками являются важной и актуальной задачей.не только современной техники, но и физики.

В предлагаемой работе проведены экспериментальные и теоретические исследования распространения электромагнитных волн в сложных микрополосковых структурах на подложках из различных материалов. В частности, исследованы спектры собственных колебаний нерегулярных микрополосковых резонаторов (МПР) и поведение частотно-зависимых коэффициентов связи от параметров взаимодействующих резонаторов. Обнаруженные закономерности нашли физические объяснения и были использованы при разработке многих оптимизированных конструкций миниатюрных ЧСУ. Кроме того, проведенные исследования позволили создать оригинальные СВЧ датчики, чувствительные к диэлектрическим и магнитным проницаемостям материалов, к постоянным и высокочастотным :л чм полям, к падающей мощности СВЧ колебаний. Этот факт также лд^твает актуальность работы - как известно, задача создания . чп^ельных датчиков во все времена является одной из самых важ-тля экспериментальной физики и для техники. .основе исследованных СВЧ датчиков были разработаны методики йния диэлектрических и магнитных проницаемостей материалов в метровом и дециметровом диапазонах волн. Созданные автоматизированные высокочувствительные установки для физических исследований позволяют наблюдать неоднородности магнитных пленок методом ферромагнитного резонанса локальных участков, фиксировать изменение релаксационных процессов в жидких кристаллах при варьировании постоянных электрических, магнитных полей и температуры. Разработанные датчики позволили также изготовить оригинальные приборы: измеритель проходящей СВЧ мощности и измеритель жирности молока.

Одним из важнейших результатов настоящей работы является то, что разработанные в ней физические принципы открывают пути дальнейшего совершенствования и оптимизации конструкций многих микрополос-ковых устройств, а также открывают новые возможности в исследовании различных материалов на СВЧ.

2. Состояние вопроса к началу исследования по темв диссертации.

1) Частотно-селективные СВЧ устройства. Проблема миниатюризации частотно-селективных СВЧ устройств, в частности фильтров, в первую очередь продиктована необходимостью уменьшения габаритов бортовых радиолокационных станций и систем связи. Как известно, самыми миниатюрными фильтрами, широко используемыми в технике в настоящее время, являются фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ) [1]. К основным достоинствам этих фильтров можно отнести высокую технологичность изготовления и низкую стоимость при массовом производстве. Однако, в полной мере эти достоинства реализуются лишь на "низких" частотах, включая метровый диапазон волн. Главными недостатками фильтров на ШВ являются сравнительно большие вносимые потери и необходимость фотолитографии высокого разрешения. Изготовление фильтров на ПАВ для дециметрового диапазона волн сталкивается с проблемой электронной литографии сверхвысокого разрешения, а также с существенным возрастанием вносимых потерь [2 3. Поэтому применение фильтров на ПАВ в дециметровом диапазоне волн ограничено. Хотя, следует заметить, что возможности современной технологии позволяют изготавливать уникальные макеты фильтров на ПАВ, работающие даже в сантиметровом диапазоне волн [3].

В метровом диапазоне волн также широко используются "радиотехнические" фильтры на контурах с сосредоточенными элементами, а в дециметровом и сантиметровом диапазонах применяются "электродинамические" фильтры на различных резонаторах с распределенными параметрами. Несмотря на сравнительно большие габариты, эти фильтры бывают незаменимы в устройствах, где требуются малые вносимые потери.

Самыми миниатюрными из "электродинамических" фильтров являются фильтры на микрополосковых резонаторах (МПР) [4]. Эти фильтры получили достаточно широкое распространение в области частот, охватывающей почти полностью дециметровый й сантиметровый диапазоны волн. Они также как и фильтры на ПАВ изготавливаются методом фотолитографии. Однако, при этом требования к точности фотолитографии и к качеству обработки подложек значительно ниже.

Наибольшее распространение в технике из микрополосковых фильтров получили так называемые фильтры на параллельно связанных резонаторах [5]. Эти фильтры представляют собой цепочку линейных полуволновых МПР, сдвинутых параллельно относительно друг друга на половину длины полоски так, что протяженность области связи соседних резонаторов составляет четверть длины волны. Как правиле?., в качестве подложек этих фильтров используются пластины из поликора, диэлектрическая проницаемость которого ег = 9,6 + 9,8.

Проблема миниатюризации микрополосковых фильтров, как известно, решается несколькими путями. Один из путей, уменьшения габаритов подложки фильтра заключается в изгибах или сворачивании полосок резонаторов [6-9]. Второй путь достижения цели связан о использованием нерегулярностей, скачков волнового сопротивления в конструкциях микрополосковых резонаторов, из которых состоит фильтр [10-13]. Третий путь заключается в -использовании в качестве подложек фильтра пластин из керамик с высокой диэлектрической проницаемостью [б, 7]. Очевидно, что все перечисленные способы миниатюризации фильтров, в принципе, могут использоваться и в сочетании друг с другом.

На рис. 1 в качестве иллюстрации представлены несколько известных конструкций миниатюрных микрополосковых фильтров. Наиболее распространенными из них являются конструкции фильтров на сонаправленных (а) и встречно направленных (б) шпилечных резонаторах. Расчет характеристик таких фильтров в квазистатическом приближении [б, 7] дает достаточно хорошее совпадение с экспериментом. Отметим, что в области первой полосы пропускания между "шпильками", как правило, превалирует емкостное взаимодействие. Однако, известна конструкция фильтра на "несимметричных" сонаправленных "шпильках" [8], в которой длина области связи каждого резонатора с соседними по одну сторону существенно больше чем по другую. В этом случав на частотах первой полосы пропускания между резонаторами с большей длиной области связи превалирует индуктивное взаимодействие.

Рис, 1. Конструкции миниатюрных микрополосковых фильтров(а-д) и четвертьволнового спирального резонатора (е)

- б

Фильтр (в) (см. рис. 1) является самым миниатюрным из известных микрополосковых фильтров на полуволновых резонаторах [9]. В его конструкции используются оригинальные свернутые МНР,,у которых концы полосок образуют дополнительную взаимную емкость. Благодаря малому зазору между концами полосок резонаторов, величина образованной емкости сравнительно большая и поэтому она существенно понижает резонансную частоту первой.моды колебаний МПР. Очевидно, что в первой полосе пропускания' рассмотренной конструкции, в отличие от "шпильковых" фильтров, взаимодействие мезду резонаторами преимущественно индуктивное.

В конструкции фильтра (г) (см. рис. 1) используются четвертьволновые микрополосковые резонаторы [14]. В данном случае для уменьшения площади подложки фильтра полоски резонаторов имеют нес-, колько ломаных изгибов. Особенностью фильтра является то, что в нем в области частот первой полосы пропускания взаимодействие между парами крайних резонаторов преимущественно индуктивное, а между парой средних резонаторов преимущественно емкостное.

В миниатюрном фильтре (д) использованы нерегулярные полуволновые резонаторы - "гантельки", состоящие из трех регулярных участков с различным волновым сопротивлением [10-12]. Спектры частот собственных колебаний в таких резонаторах подробно исследованы нами -в работе [13]. Уменьшение габаритов подложки в рассматриваемом фильтре обусловлено тем, что длина "гантельки" почти в два раза меньше длины полоски регулярного резонатора, настроенного на ту же частоту. Кроме того, благодаря преимущественно индуктивной связи между резонаторами, в данной конструкции требуется существенно сблизить полоски друг с другом по сравнению с фильтром на регулярных МПР с те?л, чтобы обеспечить необходимую связь между резонаторами.

Интересна конструкция миниатюрного фильтра на плоских "квадратных" или "круглых" спиральных резонаторах (е), исследованная в работах [15, 16]. В ней каждый из четвертьволновых резонаторов изготовлен печатным способом на отдельной подложке с односторонней металлизацией. Резонаторы размещены в экранирующем корпусе с разъемами. Вход и выход фильтра имеют кондуктивную связь с крайними резонаторами.' Такая конструкция позволяет "спуститься" вниз по частоте даже в метровый диапазон волн. Однако, в работе (17) предложена более технологичная конструкция фильтра на микрополосковых спиральных резонаторах. В ней связь между резонаторами обеспечивается специальными окнами в форме эллипса, вытравленными в экране подложки.

Для миниатюризации фильтров нередко в микрополосковые резонаторы включают сосредоточенные элементы: индуктивности [18] и емкости [19]. Индуктивности подключают в разрыв точек, где располагаются пучности высокочастотного магнитного поля, - а емкости 'подключают, соответственно, к точкам, где располагаются пучности электрического поля. Причем в четвертьволновых резонаторах емкости подключают между свободным концом полоски и экраном, а в полуволновых резонаторах их можно подключать между концами полоски каждого МПР [19].

Иногда при построении миниатюрных -частотно-селективных устройств, в частности диплексеров и мультиплексоров, используют мно-гомодовые резонаторы с ортогональными колебаниями [20]. Аналогичный подход был также использован1 нами в разработке оригинальных конструкций различных микрополосковых устройств. Собственно наши работы по исследованию нерегулярных МПР и по решению проблемы миниатюризации микрополосковых ЧСУ велись параллельно с исследованиями других научных коллективов'и групп.

Как известно, щя синтеза микрополосковых фильтров в настоящее время используются даа основных метода. Первый метод основан, на преобразовании синтезированной схемы фильтра-прототипа на сосредоточенных элементах в эквивалентную Схему, состоящую из отрезков связанных или одиночных микрополосковых линий [21,22].Достоинством этого методантеза является высокая производительность. Однако, он может использоваться только для тех конструкций фильтров,кции которыхдержат не более двухязанных микрополосковых линий. Кроме того он гарантирует хорошеевпадение АЧХнтезируемого микрополоскового фильтра АЧХ эквивалентной ему цепочки насредоточенных элементах только вблизи полосы пропускания. Второй методнтеза основан на многократном расчете АЧХ мюфополосковой конструкции для. пробных значений ее параметров и использовании'андартных оптимизационных методов для уточнения значений этих ¿параметров

23]. Этот метод применим к фильтрам любой конструкции. Однако, принимая во внимание большое число параметров, требующих оптимизации, в многозвенных фильтрах, второй метод синтеза нуждается в огромном числе итераций, а это приводит к большим затратам времени. '

2) Исследование материалов на СВЧ. Изучение поведения комплексных величин магнитной и диэлектрической проницаемостей материалов в зависимости от частоты имеет важное научное и техническое значение*. Эти исследования расширяют представления о процессах взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, дают возможность получить новую информацию, необходимую для развития физики твердого тела, физики магнитных явлений, материаловедения и радиоэлектроники. Очевидно, целенаправленный синтез магнитных материалов с заданными свойствами, а также расчеты циркуляторов, вентилей, поглотителей электромагнитной энергии, фильтров и других радиоэлектронных устройств невозможны без достоверных сведений о величинах магнитной и диэлектрической проницаемостей. выбранных материалов и об их изменениях под воздействием различных факторов.

В частности, по частотным зависимостям проницаемостей определяются области. наибольшего поглощения, окна прозрачности, времена релаксации и другие важные физические характеристики магнетиков, которые достаточно трудно или невозможно получить иными методами. По спектрам магнитной проницаемости можно получить дополнительную информацию-о магнитной структуре материала [24]. Изучению поведения комплексных величин магнитной и диэлектри- ческой проницаемостей различных веществ посвящен ряд обширных обзоров и монографий, и не снижается поток публикаций оригинальных работ [25-273 . Это объясняется не только появлением новых материалов, используемых в технике, но и необходимостью уточнения развивающихся теоретических подходов и положений, а также необходимостью уточнения величин молекулярных констант.

В настоящее время особенно активно разрабатывается измерительная аппаратура для исследования электромагнитных параметров бикомп-лексных сред. При этом получают развитие как относительно новые методики, например, фурье-спектроскопия [28], так и традиционные, которые обрели "вторую жизнь" благодаря широкому внедрению вычислительной техники. Компьютеризация не только позволила автоматизировать процесс измерения, но и дала возможность применять в аппаратуре сложные структуры измерительных средств, расчеты которых ранее наталкивались на непреодолимые трудности.

Созданные установки позволяют проводить измерения в достаточно широком диапазоне частот: от долей герца до 1500 ГГц [28, 2.9]. Однако, следует отметить, что степень освоенности отдельных участков этого диапазона существенно различна. В частности, большие проблемы возникают в интервале частот 100 МГц - 1 ГТц - на стыке метрового и дециметрового диапазонов волн, где перестают работать методы,, основанные на использовании систем с сосредоточенными параметрами, а традиционные измерительные ячейки с распределенными параметрами имеют неприемлемо большие габариты. Дополнительные трудности порождает задача измерения электромагнитных характеристик материалов с большими потерями, связанная с необходимостью исследования ферромагнетиков в области естественного ферромагнитного резонанса.

Наши исследования показали большие возможности использования нерегулярных микрополосковых резонаторов для измерения диэлектрических и магнитных проницаемостей материалов как раз на стыке метрового и дециметрового диапазонов волн. Такие резонаторы успешно применялись в названном выше "трудном" диапазоне частот для исследования диэлектрических постоянных материалов с изменением диэлектрических потерь в широких пределах , а также для исследования магнитных резонансов в тонких магнитных пленках. Основными достоинствами нерегулярных микрополосковых резонаторов являются высокая чувствительность, возможность работы с червзвычайно малыми образцами, простота и удобство смены образцов в процессе измерения.

3. Основные цели и задачи работы.

Главной целью настоящей работы является разработка принципов построения миниатюрных частотно-селективных СВЧ устройств с заданными характеристиками в микрополосковом исполнении. Для этого необходимы систематические экспериментальные и теоретические исследования сложных микрополосковых структур на подложках из различных высокочастотных материалов. В ходе выполнения работы были поставлены и решались следующие основные задачи.

1. Исследование спектров собственных колебаний нерегулярных микрополосковых резонаторов.

2. Изучение частотных-зависимостей коэффициентов связи микрополосковых резонаторов на подложках, имеющих величину относительной диэлектрической проницаемости sf в пределах от 3,6 до 150.

3. Изучение поведения полюсов затухания и крутизны склонов амплитудно-частотных характеристик многозвенных фильтров при изменении параметров подложки и микрополосковой структуры.

4-, Разработка экспертной системы оптимизированного синтеза микрополосковых фильтров.

5. Разработка принципов построения и исследование новых конструкций миниатюрных частотно-селективных СВЧ устройств с заданными характеристиками.

6. Разработка новых методов измерения диэлектрических и магнитных проницаемостей различных материалов на СВЧ. Создание экспе-. риментальных установок для исследований массивных и пленочных магнитных материалов, а также жидких кристаллов в метровом и дециметровом диапазонах волн.

4. Новизна, научная ценность и практическая значимость работы. Впервые проведены систематические исследования спектров собственных колебаний и собственных добротностей резонансов нерегулярных микрополосковых резонаторов.

Впервые сформулированы и исследованы частотно-зависимые коэффициенты связи микрополосковых резонаторов, которые позволили объяснить природу полюсов затухания на АЧХ микрополосковых структур.

Разработаны принципы построения частотно-селективных устройств с заданными характеристиками, работающих в метровом, дециметровом и сантиметровом диапазонах волн., в том числе: полосовых фильтров либо с симметричной формой АЧХ, либо с увеличенной крутизной высокочастотного или низкочастотного склона; полосовых фильтров с полосой заграждения более трех октав; режекторных фильтров, фильтров нижних и верхних частот; полосовых фильтров с варакторной перестройкой частоты и электрически изменяемой шириной полосы пропускания смесителей и умножителей частоты; диплексеров и мультиплексеров.

Создан банк постоянно обновляемых оптимизированных конструкций микрополосковых фильтров и пакет программ анализа для них. Разработана экспертная система, позволяющая по заданной полосе пропускания синтезировать фильтры из банка конструкций микрополосковых фильтров новым скоростным методом оптимальной коррекции.

Разработаны методики исследования различных твердых и жидких материалов на СВЧ в метровом и дециметровом диапазонах волн. Создан автоматизированный спектрометр ферромагнитного резонанса локальных участков магнитных пленок, позволяющий регистрировать распределение магнитных неоднородаостей по площади образцов.

5. Апробация работы и публикации.

Основные результаты работы докладывались на Всесоюзных конференциях по физике магнитных явлений (Харьков-1979, Пермь-1981, Ка-ленин-1988), на Всесоюзных школах-семинарах "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (Ашхабад-1980, Саранск-1984, Рига-1986, Ташкент-1988, Новгород-1990, Москва-1996) на Всесоюзной научно-технической конференции "Радиотехнические измерения в диапазонах ВЧ и СВЧ (Новосибирск-1980), на V Международной конференции по гиромагнитной электродинамике и электронике (Москва-1980), на Краевой научно-технической конференции "Современное состояние и перспективы развития функциональной электроники" (Красноярск-1981), на Международной конференции 3rd Joint INTERMAG "Magnetism and. Magnetic Materials" (Montreal, Canada, 1982), на республиканских семинарах "Функциональная электроника СВЧ" (Киев, 1985, 1987), на Краевых семинарах по функциональной магнитоэлектронике (Красноярск, 1986, 1988, 1990), на Всесоюзном семинаре по гиромагнитной электродинамике и электронике (Томск-1986), на Краевой научно-технической конференции "Функциональная электроника СВЧ" (Красноярск-1987),' на Всесоюзной конференции "Интегральная электроника СВЧ" (Красноярск-1988), на Всесоюзной конференции по физике диэлектриков (Томск -1988), на Республиканском семинаре "Устройства интегральной и функционалыюй СВЧ электроники" (Кшзв-1989), на Республиканском семинаре Магнитоэлектронные устройства СВЧ" (Киев-1991), на Всесоюзном совещании "Метрологическое обеспечение диэлектрических измерений" (У1ркутск-1991), на Всесоюзной конференции "Методы и средства измерений электромагнитных характеристик материалов на ВЧ и СВЧ" (Ново-сибирск-1991), на 1-Крымской конференции "СВЧ техника и спутниковый прием" (Севастополь-1991), на Российской с международным участием конференции по физике диэлектриков (Санкт-Петербург, 1993).

Материалы работы изложены в статьях научных и научно-технических журналов» в тематических сборниках, в трудах Международных и Всесоюзных конференций, в тезисах докладов Всесоюзных, Республиканских, Региональных конференций и семинаров, а также в описаниях к Авторским свидетельствам и Патентам [12, 13, 30-112].

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Использованные методика расчета и измерений. Расчеты параметров нормальных волн в связанных микрополосковых линиях и теоретические исследования распространения электромагнитных волн в различных микрЬполосковых структурах проводились численными методами в квазистатическом приближении [113-114].

Экспериментальные измерения амплитудно-частотных характеристик и других параметров исследуемых микрополосковых структур, а также частотно-селективных устройств на их основе проводились либо на автоматических измерителях комплексных коэффициентов передачи типа Р4-37, Р4-38, Р4-36, охватывающих метровый, дециметровый и сантиметровый диапазоны волн, либо на специальных стендах о использованием стандартной СВЧ аппаратуры.

2. Исследуемые модели и образцы. Теоретические исследования амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик микрополосковых структур проводились на одномерных моделях, подключенных к 50-ти омным линиям передачи посредством кондуктивной, емкостной, индуктивной или смешанно^ связи. Сложные нерегулярные структуры представлялись моделями с каскадным соединением регулярных квази-одномерных отрезков одиночных и связанных микрополосковых линий. На каждом регулярном участке модели электромагнитные колебания записывались в виде суперпозиции нормальных волн основного типа. Амплитуда высших нераспространяющихся типов волн, возникающих на концах регулярных отрезков, предполагались малыми и эти волны не учитывались в расчете. При этом учитывались концевые емкости полосок [233.

Амплитуда волн нормальных колебаний находились из решения системы линейных уравнений, получающихся в результате "сшивания'' этих волн на концах регулярных отрезков. При этом накладывались граничные условия, заключающиеся в непрерывности напряжения в точке соединения регулярных отрезков и сохранении заряда. ■.'., Образцы микрополосковых структур для экспериментальных исследований и действующие макеты СВЧ устройств изготавливались на полированных с двух сторон подложках из высокочастотных керамик Т-150 (£ = 150), ТБНС (£г = 80), ТЕ-8 (ег = 38), а также на подложках из традиционных СВЧ материалов: поликора (sr = 9,6) и плавленного кварца (а = 3,6). Подложки металлизировались с двух сторон путем вакуумного напыления меди толщиной 8Си = 12-5-20 мкм через адгезионный подслой хрома толщиной 5Сг = 0,01-0,02 мкм. Микрополосковые структуры на металлизированных подложках получались химическим травлением слоев меди и хрома после нанесения рисунка полосок либо методами фотолитографии либо способом гравировки.

Слоистые структуры полупроводник-магнитная пленка изготавливались вакуумным напылением пермаллоя состава Ре-20%, N1-80% на полированные полупроводниковые подложки через изолирующий подслой Б10. В качестве подложек использовались пластины из монокристаллического кремния и германия.

3. Спектры собственных колебаний нерегулярных ШР Нерегулярные микрошлооковые резонаторы позволяют не только существенно уменьшить габариты частотно-селективных СВЧ устройств, но и улучшить их электрические характеристики [12]. В частности, правильно выбрав соотношение электрических длин и волновых сопротивлений чередующихся отрезков микроголосковых линий, образующих полуволновый МПР (рис. 2), можао существенно увеличить собственную добротность первой мода колебаний нерегулярного резонатора по сравнению с регулярным [13]. Кроме того, огромное влияние нерегулярвостей полоски на резонансные частоты МПР позволяет создавать резонаторы с заданным спектром собственных колебаний.

На рис. 3 Представлены зависимости резонансных частот первых двух мод колебаний нерегулярного МПР от относительной величины скачка ширины полоски внешнего а> 4 и внутреннего ш регулярных участков, длина которых в данном случае была одинаковой. Собственные частоты рассчитывались на одномерной составной модели резонатора в квазистатическом приближении с учетом концевых емкостей. Как видно, несмотря на простоту расчетной модели, хорошев согласие тео

Рис. 2. Нерегулярные микропо-лосковые резонаторы со скачком ширины полоски

2,4 2,0 1,

0,8 0,

Рис. 3. Зависимости резонансных частот первых двух мод колебаний нерегулярного полуволнового МПР от величины скачка ширины полоски. Точки - эксперимент, сплошная линия - расчет рии с экспериментом имеет место даже при сравнительно больших скачках ширины полоски.

Нами были исследованы спектры собственных колебаний и добротности резонансов множества конструкций нерегулярных МПР [12, 13, 59, 69, 80]. В том числе резонаторов, содержащих участки связанных микрсполосковых линий, а также с замкнутыми на экран полосками. Некоторые из конструкций представлены на рис. 4. Было показано, что при варьировании различных параметров МПР поведение резонансных частот, найденное из квазистатического анализа, по крайней мере для первых четырех мод колебаний качественно согласуется с экспериментом. Более того, для первой моды колебаний, как правило, имеет место хорошее количественное совпадение.

Ш Л II

Рис. 4. Исследованные конструкции нерегулярных МПР - IT

4. Коэффициенты связи микрополосковых резонаторов. Количественно взаимодействие двух резонаторов в случае их слабой связи характеризуют частотно-независимым коэффициентом [115] где ые и ш0 - собственные частоты четных и нечетных мод колебаний в связанных МПР, а ш1 - собственная частота уединенного резонатора. В случае произвольной связи резонаторов формула (1) имеет вид [61 ] к=(шечо0)/(Ш(?+и0).

При максимальной длине области связи параллельных микрополосковых резонаторов коэффициент К: несложно выразить через коэффициенты индуктивной К^и емкостной Кс связи микрополосковых линий [74]

В случае произвольной длины области связи МПР х $ 1 (рис. 5) формула (3) сохраняет свой вид, однако, в ней вместо коэффициентов

Рис. 5. Параллельные микрополоско-вые резонаторы с произвольной длиной области связи связи линий К^ и Кс стоят соответствующие коэффициенты связи резонаторов и кс, зависящие от длины области сйкзи х) = K^tslnixr)-« cos (ют)], k'(x) = •К[з1п(та)+7сг cos (та)]-.

Результаты наших исследований частотно-независимых коэффициентов связи от параметров двухзвенной микрополосковой структуры подробно описаны в [61, 74]. Показано, в частности, что при максимальной длине области связи МНР взаимодействие между резонаторами преимущественно индуктивное, если диэлектрическая проницаемость подложки £»1. Причем емкостное взаимодействие в этом случае действует в противофазе с индуктивным. Показано также, что характер взаимодействия существенно зависит от длины области связи МПР. Например, при относительной длине связи резонаторов 2*0.65 взаимодействие на первой моде колебаний становится "чисто" индуктивным при любых значениях е подложки. На рис. 6 представлены зависимости нормированных коэффициентов индуктивной и емкостной связи МПР от относительной длины их области связи на частотах первой и второй моды колебаний.

Как известно, частотно-независимые коэффициенты связи к, и кс характеризуют величину взаимодействия резонаторов лишь вблизи, их резонансных частот. Нами на основе энергетического подхода впервые определены и исследованы частотно-зависимые коэффициенты связи к(ю), к^ш) и кс(ш) [63 , 71, 73], которые с хорошей точностью характеризуют взаимодействие резонаторов на произвольной частоте и

1 .0 0.5 О

-0.5 т * а • к 'ч ь

• « •*

О 0.2 0.4 0.6 0.8 1.

1 .0 0.5 О

-0.5

1 • • • ^с о ч /

0 0 #/ ф / 1 /

О 0.2 0.4 0.6 0.8 1 .С

Рис. 6. Зависимость нормированных коэффициентов связи МПР от длины области связи, (а) - первая мода, (б) - вторая мода колебаний абсолютно совпадают с частотно-независимыми коэффициентами на резонансных частотах. ш) = 2Е12Ь/(Е1Ь+Е1с+Ег1+Егс), гс/ ь+Е1 с+Егь+Е2с ^ •

Здесь Е1Ь и Е1С- энергии магнитного и электрического полей, запасаемые первым резонатором и пропорциональные соответственно квадрату тока и квадрату напряжения в первой полоске; Е£Ь и Егс- энергии магнитного и электрического полей, запасаемые вторым резонатором и пропорциональные соответственно квадрату тока и квадрату напряжения во второй полоске, Е12Ь и Е12С - энергии магнитного и электрического полей, запасаемые совместно первым и вторым резонаторами и пропорциональные соответственно произведению токов в первой и второй полосках и произведению напряжений в этих же полосках. Формула для частотно-зависимого коэффициента связи к(ш) получается подстановкой выражений (5) в формулу (3): к(0» - 2^12Ь + Е,2С)(Е1Ъ+Е2Ь+ Е1С + Егс)

Е1Ь+ Егь + Е1с + Егс>2 + 4Е1гь * Е12с'

Частотно-зависимые коэффициенты связи существенно различаются при смежном и диагональном подключении микрополосковых секций к линиям передачи. Это связано, очевидно, с различием распределения высокочастотных полей по длине входной и выходной полосок. Для смежного подключения двухзвенной секции: ш) + гяе2)/(в1/со8г81 + ег/созге2)], кс(ш) =кс[1-сгее1 + г^/о/соз^ + ег/созгег)], для диагонального подключения секции при максимальной длине области связи МПР: кс«** =кс

29, - 311)29, )/созв1 созв2 (эг~6, )соз(91+9г )-з1п{е2-6) )' з1/созге1 + е2/созгег е1созгв2/созге1 + ег

29^511)28, )/С08в1 соав2 (92-е1 )со8(91+0г)+81п(02-в.1 )•] з1/соз2е1 + е2/созге2 е1созге2/созге1 + е где 01 и в2 - электрические длины участков, на которые точка кон-дуктивного подключения внешней линии делит полоску мпр, вычисленные для усредненной волны [63, 71].

На рис. 7 показан^ типичные ачх двухзвенных микрополосковых секций с максимальной длиной области связи мпр, вычисленные по частотным зависимостям коэффициентов прохождения

Ь(/) - -10 1в(^р). (9)

Для смежного подключения секции р - р

ЯцгГ -г"2—^-2"' (10)

1 + р г) (1 + р г) е о где ре = 2/ге (гев1в + гее2в), ро = + тг6), г - волновое сопртивление внешних линий передачи, Ъе и 1о - волновые сопротивления линий передачи, образующих резонаторы для четной и нечетной волн, 91<?и в2е- электрические длины участков, на которые точка кондуктивного подключения внешней линии делит полоску мпр, вычисленные для четной волны, 6 и 02о - электрические длины вычисление для нечетной волны.

На рис. 7 приведены и частотные зависимости коэффициентов связи. Видно, что частоты, на которых наблюдаются полюса затухания на АЧХ секций являются точками взаимной компенсации индуктивного и емкостного взаимодействия резонаторов. -Исследования показали, что при определенной длине области связи резонаторов и ковдуктивном подключении двухзвенной секции к линиям передачи, коэффициент связи к(/) обращается в нуль на двух частотах ниже и на двух частотах выше полуволнового резонанса МПР / . В результате на АЧХ такой секции вблизи ее первой полосы пропускания наблюдается по два полюса затухания слева и справа от полосы пропускания [74, 75].

Ь, дБ

К 1=

3 А -г

Ь, ДБ

2 ///

2 ///„ к, — V .

Д\ г X < < /

2 ///„

У / \\ ✓ '"л

Рис. 7. АЧХ и частотные зависимости коэффициентов связи двухзвенных секций при смежном и диагональном подключении их к линиям передачи

Частотно-зависимые коэффициенты связи не только позволяют изучать закономерности образования полюсов затухания на АЧХ микрополо сковых структур и их поведение при изменении различных параметров, но они черезвычайно полезны и для практических целей. В частности, при конструировании частотно-селективных устройств они помогают правильно выбрать величину смещения микрополосковых резонаторов и способ их подключения к линиям передачи, чтобы получить необходимую амплитудно-частотную характеристику. * *

5 < Многозвенные фшьтры на регулярных МПР Качество СВЧ фильтра, в первую очередь, определяется его избирательностью, т.е. формой амплитудно-частотной характеристики. Большинство известных конструкций микрополосковых фильтров, в-том числе и традиционных на параллельно связанных резонаторах (ПСР) Ш, в полосе пропускания имеют асимметричную АЧХ. и, как будет показано ниже, не обеспечивают максимально высокую избирательность устройств. В работе [116] утверждается, что асимметрия АЧХ фильтров на ПСР обусловлена различием фазовых скоростей четных и нечетных мод связанных микрополосковых линий. В ней предлагается для вырав--ниваиия фазовых скоростей, а следовательно, и для симметризации АЧХ в полосе пропускания включать между полосками резонаторов дополнительные компенсирующие емкости. В действительности же прямой связи между асимметрией АЧХ и различием фазовых скоростей четных и нечетных волн не существует, хотя с помощью компенсирующих емкостей можно симметризовать АЧХ фильтра.

Нами было показано что, коэффициент связи к. взаимодействующих микрополосковых резонаторов является сложной функцией частоты /. Положений максимумов функции к(/) главным образом определяется длиной- области связи регулярных резонаторов (63, 71]. На примере-двух-' звенной микрополосковой секции установлено [73], что, подбирая длйну области связи МПР, можно реализовать фильтры, у которых более крутым является либо высокочастотный, либо низкочастотный склон АЧХ, а также фильтр с симметричной формой АЧХ в полосе пропускания. При этом максимум коэффициента связи к(/) находится, соответственно, ниже, выше или на резонансной частоте МПР /0- Показано также, что микрополосковый фильтр имеет наибольшую избирательность только тогда, когда максимум коэффициента связи его резонаторов располагается в центре полосы пропускания.

Как выяснилось, на положение нулей и экстремумов функции к(/), а значит и на форму АЧХ микрополосковых фильтров оказывают влияние все параметры резонаторов и, прежде всего, длина области связи между ними. Однако, именно последний параметр -является фиксированным в фильтрах на ПОР, где его величина взята равной половине длины полоски МПР. Нами были проведены систематические исследования влияния параметров регулярных резонаторов в многозвенных микрополосковых фильтрах на избирательность и асимметрию АЧХ в полосе пропускания [69 , 70 , 88]. Исследовались всевозможные конструкции фильтров с количеством резонаторов от двух до шести, в которых крайние МПР были кондуктивно связаны с внешними линиями передачи. В качестве иллюстрации на рис. 8 показаны некоторые из конструкций четырехзвенных фильтров.

Рис. 8. Примеры конструкций фшьтров на регулярных МПР

Принимая во внимание тот факт, что численный расчет характеристик фильтров достаточно хорошо совпадает с экспериментом все, исследования проиводились теоретически. При этом избирательность

- гд. фильтра характеризовалась коэффициентом прямоугольности АЧХ, определяемым формулой: =Л/3/(А/30-Л/3). (11) где Д/3 и Д/30 - ширины полосы йропуекания фильтра по уровням 3 и 30 дБ от уровня минимума потерь. Этот коэффициент удобнее традиционного коэффициента прямоугольности &п= Д/30/Д/3 тем, что он более "чувствителен" к изменению крутизны склонов АЧХ, особенно для фильтров с высокой прямоугольностью характеристики и тем, что он, в отличив от &п, возрастает с повышением прямоугольности АЧХ фильтра. Очевидно, при необходимости, зная один из коэффициентов, всегда можно вычислить другой. Полезно также использовать коэффициенты прямоугольности высокочастотного и низкочастотного склонов АЧХ к^ и кг, по аналогии с (6) определяемых формулами: кн = гл/з/сгл/^-л/з), кг = 2д/3/(2д/гд/3). (12)

Здесь - ширина полосы частот от центра полосы пропускания / до высокочастотного склона АЧХ на уровне 30 ДБ, Д/г - ширина полосы частот от /0 до низкочастотного склона АЧХ на уровне 30 дБ. Так как коэффициенты кн и кг характеризуют крутизну склонов АЧХ, очевидно, по ним можно оценивать степень асимметрии характеристики фильтра в полосе пропускания.

Исследования показали, что из всех рассмотренных конструкций многозвенных фильтров на регулярных МПР максимальная крутизна склонов АЧХ достигается лишь на одной. В ней все резонаторы одинаково смещены относительно друг друга в одном направлении, а внешние линии передачи подключены к крайним резонаторам диагонально. В качестве иллюстации на рис. 9 построены зависимости коэффициентов прямоугольности к, кн и кг от величины относительного смещения резонаторов х для четырехзвенного микрополоскового фильтра на подложке из керамики ТБНС, имеющей диэлектрическую проницаемость вг = 80. Здесь направление смещения х считается отрицательным, если с увеличением раздвижки резонаторов в фильтре, расстояние между точками кондук-тивного подключения внешних линий возрастает и наоборот. • • л !

•Л / , / в. г-Л •

V ч \ у' 1 1 « е> "«•в®, К • N /

Рис. 9. Зависимость коэффициентов прямоугольности фшьтра на подложке из керамики ТБНС от относительного смещения полосок МНР

Исследования показывают, что качественный вид зависимостей к, к1 и от х сохраняется для любой фиксированной полосы пропускания рассмотренных фильтров независимо от числа звеньев в них, от величины диэлектрической проницаемости подложки, от соотношения ширины полосок МПР и толщины подложки. При этом в любом случае существует единственное значение сдвига резонаторов относительно друг .друга, которое обеспечивает симметричную форму АЧХ и максимальную прямоу-гольность характеристики. Относительная величина такого сдвига х колеблется в пределах от 0,23 до 0,33 в зависимости от параметров фильтра. Макимальну'ю крутизну высокочастотного склона АЧХ во всех исследованных моделях обеспечивает относительный сдвиг х » -0,1, а максимальная крутизна низкочастотного склона в них достигается при

11111IIIII

Рис. 12. Примеры микрополосковых фильтров из банка конструкций конструкцию, например, задать толщину и материал подложки, наличие или отсутствие корпуса у устройства и т.д.

Следует отметить, что в банке конструкций кроме некоторых традиционных микрополосковых фильтров хранится более 20 оригинальных, обладающих теми или иными достоинствами. Например, фильтр (а) (рис. 12) обладает симметричной формой АЧХ и высокой прямоугольностью характеристики. Фильтры (б) и (в) позволяют получать АЧХ с относительной шириной полосы пропускания более 20%, при этом первый имеет рекордную крутизну низкочастотного, а второй высокочастотного склона АЧХ. Конструкция фильтра (г), напротив, позволяет получать АЧХ с полосой пропускания менее 20%, а крутизной склонов АЧХ можно управлять, изменяя скачок ширины полоски резонаторов. В экспертной системе предусмотрено также пополнение и обновление банка конструкций.

После выбора конструкции синтез фильтра осуществляется методом оптимальной коррекции [82]. Этот метод отличается от известных оптимизационных методов тем, что в нем в алгоритмы оптимизации параметров конкретной конструкции фильтра заложена информация о всех физических свойствах каждого оптимизируемого параметра, полученная из предварительно проведенных исследований. Использование 'знаний о физических свойствах оптимизируемых, параметров позволяет значительно сократить число итераций и тем самым существенно ускорить процесс синтеза. В методе: оптимальной коррекции все оптимизируемые конструктивные,параметры разбиты по своим физическим свойствам на несколько групп. Для каждой группы параметров используется своя группа операций коррекции, причем число операций в группе равно числу параметров в группе. Каждая из операций группы оказывает сильное. влияние только- на один из показателей отклонения текущей АЧХ от заданной и слабо влияет на все остальные показатели отклонений. Для ускорения синтеза на каждом шаге коррекции производится уточнение коэффициентов в формулах, по которым было произведено последнее преобразование параметров, т.е. происходит самообучение программы. Благодаря разбиению оптимизируемых конструктивных параметров и операций их коррекции по грушам, эффективность метода оптимальной коррекции повышается с увеличением числа оптимизируемых конструктивных параметров.

Результаты синтеза: чертеж металлических полосок с координатами вершин, частотную зависимость прямых и обратных потерь, фаза-частотную характеристику и частотную зависимость изменения группового времени запаздывания (ДГВЗ) можно проанализировать на дисплее или распечатать на принтере. После каждого завершения работы программы параметры синтезируемого фильтра автоматически записываются в банк рекордов, если они удовлетворяют определенным критериям.

Точность изготовления микрополосковых структур, чтобы обеспечить заданное максимальное отклонения в фильтре центральной частоты полосы пропускания 0(/ )// и ширины полосы пропускания б(Л/)А/ в значительной степени зависит от конкретного рисунка структуры. В частности, "емкостные" зазоры между МПР оказывают значительно- большее влияние, на ширину полосы пропускания устройства, чем "индуктивные". Однако, экспериментальная проверка синтезированных фильтров показала, что использование традиционной фотолитографии, точность изготовления которой не хуже ±20 мкм, во всех случаях обеспечивает б(/о)//о^ 3« и «(Д/)/А/<5%.

7. Нерегулярные ШР в конструкциях частотно-селективных СВЧ устройств

Как известно, регулярные микрополосковые резонаторы имеют почти эквидистантный спектр' собственных частот для колебаний основного типа. Скачки же ширины полосок, изгибы или другие нерегулярности позволяют создавать МНР с заданным спектром резонансных частот [13, 59, 69],- а это очень важно при конструировании частотно-селективных СВЧ. устройств с высокими характеристиками. В частности, полосно-пропускащие фильтры на резонаторах со скачками волновых сопротивлений сильнее подавляют СВЧ мощность в полосе заграждения [69], при этом их габариты, как правило, в несколько раз меньше. Например, используя в фильтре даже полуволнозые резонаторы типа "гантельки" (см. рис. 2а), при равенстве в них электрических длин высокоомных и низкоомных участков, площадь подложки можно уменьшить в 4 раза. В таких фильтрах, кроме того, удается "отодвинуть" вторую паразитную полосу пропускания более чем на две октавы.

Для перестраиваемых фильтров и генераторов СВЧ мощности разработана оригинальная конструкция микрополоскового резонатора с ва-ракторной перестройкой частоты (рис. 13) [12,100]. Суть конструкции состоит в том, что варактор включается в разрыв в центре высокоом-ного участка резонатора типа "гантельки". При этом резонансная частота ШР в зависимости от емкости варактора изменяется от частоты второй моды колебаний ?г до частоты первой моды колебаний, . В результате величина перестройки МНР зависит не только от пределов изменения емкости варактора, но и о? конфигурации резонатора. Максимальная перестройка достигается в случае равенства электрических

Рис. 13. Зависимость резонансной частота МПР от емкости варактора длин низкоомных и высокоомных участков МПР и она растет с увеличе нием разности волновых сопротивлений [12]. Как показывает эксперимент, резонаторы, изготовленные на подложках ,из керамики ТБНС и из поликора перестаиваются в дециметровом диапазоне вода почти на октаву при изменении емкости варактора от 0.8 до 4 пф.

На нерегулярных микрополосковых резонаторах разработана оригинальная конструкция диплексера - двухканального частотно-разделительного устройства [59]. На рис. 14 показана одаа из конструкций, состоящая из двух резонаторов, и представлены АЧХ ее каналов. Полосы пропускания диплексера формируются с использованием в МПР резо-нансов двух первых мод колебаний основного типа. Разделение же сигналов в устройстве происходит благодаря кондуктивному подключению выхода первого канала в точку узла высокочастотного напряжения второй моды колебаний, а выхода второго канала в точку узла высокочастотного напряжения первой моды колебаний. При этом вход подключается также кондуктивно вблизи конца полоски, где высокочастотные напряжения для обеих мод колебаний имеют достаточно большую амплитуду. Несмотря на простоту и миниатюрность конструкции, она имеет сравнительно хорошие характеристики и легко настраивается. Варьируя скач

L, ДБ до 20 ю

1 \ • \ ® \ * \ « \ 'А у.' иг v * »7 \ » / \ щ Í V * • \ • 1Т7 'Я: * •х \ k \ « • 4 « / • / • / • / • / \| V i* 1 : р¿ V if \ « ] * / • / * / » В V» « и\

1.0 /, ГГц

Рис. 14. АЧХ даухрезонаторного дшхлексера на нерегулярных МПР. Сплошная линия - расчет, точки - эксперимент ки ширины полосок МПР в устройстве, можно в широких пределах регу лировать раздвижку между каналами (см. рис. 2). Изменение же зазора между полосками и параллельное смещение резонаторов относительно друг друга позволяет также в широких пределах изменять ширину полосы пропускания каждого канала в отдельности [89].

Как показывает эксперимент [69], максимальное отношение частот второй и первой мод колебаний на нерегулярном МПР без существенного изменения собственной добротности резонансов может достигать величины Fg/í1,® 7- Это обстоятельство позволяет создавать миниатюрные и достаточно простые конструкции умножителей частоты с использованием в качестве нелинейного элемента варакторных диодов [109]. Принцип работы таких устройств понятен из рис. '15. Для обеспечения "частотной" развязки между входом и выходом, вход подключается через согласующую емкость в точку узла высокочастотного напряжения U для второй моды колебаний, а выход наоборот, в точку узла высокочастотного напряжения для первой мода колебаний. При этом, очевидно, конфигурация полоски МПР выбирается такой, чтобы отношение частот Р2/Р, совпадало с требуемым коэффициентом умножения М=2, 3,.?. Точки подключения одного или двух варакторных диодов подбираются экспериментально по максимуму выходной СВЧ мощности Рвых. Благодаря отсутствию паразитных резонансов между частотами и ?2, устройство не только миниатюрно, но и обладает высоким коэфициентом преобразования Р=РВШ[/РВХ. Например, умножитель с входной частотой ГГц и №=4, изготовленный на подложке из керамики ТБНС имеет габариты 8*10 мм2, а коэффициент преобразования 0«ЗОЖ при мощности на входе Рвх=1О мВт. вых 0 Выход

Рис.15. Варакторный умножитель частоты на нерегулярном МПР и распределение высокочастотного напряжения по длине полоски для первых двух мод колебаний

Аналогичный подход, только с использованием резонансов первых трех мод колебаний в нерегулярном ШР, был реализован в конструкции преобразователя частоты входного сигнала (смесителя) [110]. В качестве нелинейных элементов в этом устройстве также использовались полупроводниковые диода. При этом конфигурация полоски резонатора подбиралась такой, чтобы резонансная частота первой моды колебаний в нем Р1 совпадала с требуемой промежуточной частотой, частота третьего резонанса Р3 совпадала с несущей частотой входного сигнала, а частота второго резонанса ?2 совпадала с частотой гетеродина. То есть, чтобы выполнялось соотношение =Р3-?2• Для обеспечения необходимой развязки выхода с гетеродином, выходной сигнал на промежуточной частоте снимался с участка полоски, где располагается узел высокочастотного напряжения гетеродина.

Нередко при конструировании СВЧ устройств очень остро стоит задача устранения паразитных резонансов. Справиться с этой задачей помогает обнаруженный и исследованный нами [80] эффект селективного демпфирования собственных колебаний в МПР адгезионным подслоем хрома, используемым в микрополосковой технологии. Известно, что этот подслой обычно толщиной 0.02 мкм после удаления с поверхности подложки почти не влияет на собственную добротность МПР. Однако, оголенные участки подслоя, находящиеся в контакте с полоской резонатора, могут понижать добротность более чем на порядок. На рис. 16 показаны зависимости добротностей первых четырех мод колебаний МПР от длины оголенных участков хрома, оставленных по краям средней части полоски. При этом ширина участков хрома в эксперименте была в 20 раз меньше ширины полоски МПР и составляла величину Д=0.25 мм.

Установлено, что наиболее эффективно подавляются резонансы только тех мод колебаний, для которых участки хрома попадают в область пучности высокочастотного напряжения. И неважно где располагаются участки хрома: снаружи или внутри контура полоски МПР. Экс

1 1 < х

Рис. 16. Зависимости добротности первых четырех резонансов МПР от длины участков хрома. Сплошные линии - расчет, точки - эксперимент

Ь, дБ

Рис. 17. АЧХ четырехзвенного микрополоскового фильтра на регулярных МПР - (а) и с оголенными участками хрома внутри полосок - (б) периментально доказано,- что обнаруженный эффект с большим успехом может использоваться для улучшения характеристик различных частотно-селективных устройств. В частности, он позволяет эффективно подавить паразитные полосы пропускания в микрополосковых фильтрах (рис. 17), тем самым, увеличивая полосу заграждения устройства более чем в 10 раз [80]. лэиие различных магнитных неоднородностей по площади пленок. толщиной до 0.01 мкм с шагом до 0.3 мм.

Как правило, используемые ММПР в качестве датчиков приборов или установок, являются задающими резонаторами СВЧ генераторов [12, 45, 53]. При этом используется резонанс первой или второй моды колебаний ММПР в зависимости от необходимости измерения диэлектрических или магнитных характеристик материалов. Определение же измеряемых величин осуществляется по изменению частоты и амплитуды генерации, после соответствующей калибровки устройства на эталонных образцах.

Проведенные нами исследования [63, 71, 74] показали, что положение и глубина полюса затухания, существующего на АЧХ двухзвенных микрополосковых секций (см. рис. 7) зависит не только от конфигурации полосок, но и от диэлектрических параметров подложки. Причем чувствительность полюса затухания значительно выше чувствительности резонансов МПР к изменению диэлектрической проницаемости подложки. Поэтому, предложенный нами способ измерения диэлектрической проницаемости подложки [102], основанный на регистрации полюса затухания двухзвенной секции, по крайней мере на порядок точнее традиционного резонаторного. Поэтому он, в частности, позволяет сравнительно просто проводить температурные исследования параметров подложек, изготовленных даже из термостабильных материалов [64].

На основе двухзвенных секций нами разработано множество конструкций датчиков, в .которых сигнал образуется в результате смещения полюса затухания или изменения его глубины под каким-либо внешним воздействием. Такие датчики по сути являются высокочастотными мостами, сбалансированными на частоте полюса затухания. На этой частоте, как уже отмечалось, индуктивное взаимодействие между полосками компенсируется емкостным. Изменение каких-либо параметров моста, например, взаимной емкости или взаимной индуктивности между полосками и-приводит к соответствующему смещению полюса затухания. Используя квазистатическое приближение [114], частоту полюса затухания / для двухзвенной секции с одинаковыми параллельными полосками несложно выразить через погонные параметры микрополосковых линий где и С,- погонные индуктивность и емкость линий, I и С 2~ погонные взаимная индуктивность и взаимная емкость, /о- резонансная частота первой моды колебаний отрезка одиночной МПЛ.

Из формулы (8) видно, что чувствительность полюса затухания к изменению того или иного параметра связанных МПЛ сильно зависит от соотношения всех остальных параметров линий. Известно [74, 76], что на "низких" частотах, включая область полюса затухания, максимум высокочастотного тока в двухзвенной секции располагается в точках подключения полосок к линиям передачи, а максимум высокочастотного напряжения находится на противоположных концах отрезков МПЛ. Поэтому, используя нерегулярности ширины полосок и величины зазора между ними на "индуктивном" и "емкостном" участках секции, величины Ъ , £ , С , С можно изменять почти независимо друг от друга. Это позволяет в каждом конкретном случае для реализации цели подобрать оптимальную конфигурацию полосок датчика.

На рис. 20(а) представлен микроПолосковый датчик, предназначенный для исследования диэлектриков на СВЧ. В частности, этот датчик позволяет снимать на образцах произвольной формы температурные зависимости диэлектрических проницаемостей материалов, в том числе особенностей поведения е' и а" вблизи фазовых переходов [90]. Благодаря простоте, несложно изготовить набор таких датчиков, перекры

МПЛ) [90].

Рис. 20. Микрополосковые датчики мостового типа, (а)- для исследования диэлектрических проницаемостей материалов, (б)- для измерения слабых магнитных полей, (в)- для измерения диэлектрических проницаемостей жидкостей вавдих диапазон частот в несколько октав, для иссследования дисперсионных свойств диэлектриков.

На рис. 20(6) показан микрополосковый датчик слабых магнитных полей, в котором используется пермаллоевая магнитная пленка, напыленная на подложку со стороны экрана [104 3. Изменение магнитной проницаемости пленки под воздействием внешнего магнитного поля приводит не только к изменению взаимодействия полосок, но и к изменению добротности МПЛ. В результате изменяется и положение полюса затухания и его глубина. Максимальная чувствительность датчика имеет место в случае совмещения частоты полюса затухания с частотой полуволнового резонанса МНР [111].

В микрополосковом датчике для исследования диэлектрических характеристик жидкостей, показанном на рис. 20в со стороны экрана, связь полосок с входной и выходной линией передачи обеспечивается посредством емкостей связи, вытравленных в экране [112]. Это позволяет разместить датчик на специальном полом щупе, внутри которого располагается 'СВЧ генератор и регистрирующее устройство. Датчик требует калибровки на эталонных образцах. При этом положение полюса затухания и его глубина характеризуют, соответственно, е' и е" исследуемой жидкости. Датчик отличается высокой чувствительностью и удобством работы, так как его. рабочая, поверхность плоская и не имеет выступов.

В конструкциях датчиков СВЧ мощности [92, 93] вместо диэлектрической подложки используется полупроводниковая пластина с омическими контактами на краях (рис. 21). Приблизительно половину поверхности подложки вблизи одного из контактов занимает магнитная пленка. Датчик размещается непосредственно в линии передачи так, чтобы вектор высокочастотного магнитного поля Н был параллелен плоскости магнитной пленки, при этом направление внешнего постоянного магнитного поля Н0 должно быть перпендикулярно направлению высокочастотного поля Я. На контактах датчика при условии ферромагнитного резонанса в пленке возникает постоянная электродвижущая сила (ЗДС), пропорциональная уровню СВЧ мощности в линии. Природа возникновения ЭДС связана с неоднородным разогревом полупроводниковой подложки поглощаемой СВЧ мощностью [30-36, 38, 39].

Очевидно, что в следствие разогрева полупроводниковой подложки изменяется и ее проводимость о. Установлено [39], что при достаточно медленной развертке магнитного шля зависимость о(Н0) с хорошей точностью повторяет кривую ферромагнитного резонанса ТМП. На основе этого эффекта нами предложен новый и очень простой метод наблюдения спектров 5МР' магнитных пленок [41]. В этом методе полупроводниковая пластина с омическими контактами на краях располагается в воздушном зазоре несимметричной полосковой линии так, что ее контакты находятся наруже по бокам полоски. Один конец линии подключается к СВЧ

Рис. 21. Датчик СВЧ мощности на структуре магнитная пленка-полупроводник контакты генератору, а другой к безотражательной нагрузке. Исследуемая магнитная пленка размещается подложкой вверх непосредственно на полупроводниковой пластине, поверхность которой защищена слоем Б10 толщиной 1-2 мкм. Сигнал, пропорциональный изменению проводимости полупроводниковой пластины, включенной в мостовую схему, полностью » повторяет спектр ферромагнитного резонанса пленочного образца. вывода

1. Экспериментально и теоретически исследованы спектры собственных колебаний и собственные добротности нерегулярных микрополос-ковых резонаторов множества различных конструкций. Использование различных нерегулярностей, в частности ширины полоски, позволяет изготавливать МПР с заданным спектром резонансных частот, повышать собственную добротность резонансов. Обнаружен и исследован эффект селективного демпфирования резонансов МПР участками адгезионного подслоя хрома.

2. Впервые сформулированы и систематически исследованы частотно-зависимые коэффициенты связи микрополосковых резонаторов. Показано, что 'полюса затухания на АЧХ микрополосковых структур являются точками компенсации индуктивного (магнитного) и емкостного (электрического) взаимодействия МПР.

3. Впервые установлены закономерности поведения крутизны склонов АЧХ вблизи полосы пропускания многозвенных микрополосковых фильтров от изменения длины области связи резонаторов. Показано, что преимущественно емкостная связь в полосе пропускания фильтра увеличивает крутизну низкочастотного склона АЧХ, а преимущественно индуктивная связь - высокочастотного склона.

4. Разработаны некоторые принципы построения частотно-селективных микрополосковых СВЧ устройств с заданными характериетикаш. Проведаны экспериментальные исследования множества оригинальных конструкций миниатюрных СВЧ устройств с высокими электрическими характеристиками, работающих в метровом, дециметровом и сантиметровом диапазонах- волн.

5. Разработана экспертная система синтеза микрополосковых фильтров, отобранных в банк оптимизированных конструкций. Синтез осуществляется по заданным характеристикам устройства новым высокоэффективным методом оптимальной коррекции.

6. Предложены и испытаны новые методики исследования электромагнитных параметров различных материалов на СВЧ, отличающиеся простотой и' высокой точностью измерений.

7. На основе исследованных микрополосковых структур разработаны оригинальные конструкции высокочувствительных миниатюрных датчиков. Изготовлены измеритель проходящей СВЧ мощности и измеритель жирности молока. Изготовлена действующая установка для исследования диэлектрических параметров жидких кристаллов на СВЧ и автоматизированный спектрометр ферромагнитного резонанса локальных участков тонких магнитных пленок.

Измерители мощности СВЧ дважды экспонировались на ВДНХ СССР, а их автор был награжден Бронзовой и Серебряной медалями ВДНХ. Миниатюрные микрополосковые фильтры на подложках с высокой диэлектрической проницаемостью экспонировались на Международной выставке "Дил~ лер-90" (г. Москва), в результате авторы были награждены Золотой и Серебряной медалями. Измеритель жирности молока со встроенным электронным термометром и процессором, автоматически производящим температурную коррекцию калибровки, показал хорошие результаты на лабораторных испытаниях.

Многие конструкции частотно-селективных СВЧ устройств, методики измерений и датчики защищены. Получено более 20 авторских свидетельств и патентов России. Некоторые конструкции микрополосковых

- ■/М фильтров внедрены на ряде предприятий России и стран СНГ, в частности в КБ Красноярского завода телевизоров, в НИИ "Полет" (г.Челябинск), на в/ч 35533 (г. Москва), в НШ "Сатурн" (г.Киев).

Результаты проведенных исследований важны для повышения качества и надежности измерений при постановке физических экспериментов на различных материалах в СВЧ диапазоне. Они необходимы для дальнейшего совершенствования конструкций микрополосковых устройств, улучшения их характеристик и надежности работы, а также для решения важной задачи миниатюризации устройств для бортовых систем связи ж радиолокации. Результаты работы полезны при конструировании сложных функциональных микрополосковых узлов, включающих не только пассивные частотно-селективные элементы, но и активные - генераторы, усилители, а также различные нелинейные устройства.

Особо следует отметить важность результатов работы для развития систем автоматизированного проектирования (САПР) СВЧ устройств. Очевидно, идея метода оптимальной коррекции, предложенного и успешно реализованного в экспертной системе синтеза микрополосковых фильтров "Р1ЬТЕХ", может быть использована для создания САПР некоторых других СВЧ устройств. Для этого необходимо, чтобы в каждом конкретном случав была решена задача анализа устройства, причем результаты расчета должны с достаточной точностью совпадать с экспериментом

Заключение диссертации по теме «Радиотехнические системы специального назначения, включая технику СВЧ и технологию их производства», Беляев, Борис Афанасьевич

ВЫВОДУ.43