На правах рукописи

Лебедева Татьяна Андреевна

МИКРОПОЛОСКОВЫЕ СВЧ УСТРОЙСТВА НА

РЕЗОНАНСНЫХ ОТРЕЗКАХ ШТЫРЕВЫХ

ЗАМЕДЛЯЮЩИХ СИСТЕМ

Специальность: 05.12.07

"Антенны, СВЧ устройства и их технологии"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2006 2

Работа выполнена на кафедре «Лазерные и микроволновые информационные системы»

Московского государственного института электроники и математики (Технического университета)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Елизаров Андрей Альбертович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Петров Александр Сергеевич, кандидат физико-математических наук, доцент Байков Андрей Юрьевич Ведущее предприятие – Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН

Защита состоится «_» _ 2006г. в _ часов на заседании Диссертационного Совета Д.212.133.06 Московского государственного института электроники и математики по адресу: 109028, г. Москва, Большой Трехсвятительский пер., 3/12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭМ Автореферат разослан «» 2006г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета Д.212.133. профессор Грачев Н.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Одним из перспективных направлений развития современной СВЧ-техники является создание новых малогабаритных частотно-селективных устройств и их функциональных элементов – резонаторов, фильтров, направленных ответвителей, делителей мощности, фазовращателей и многих других, разрабатываемых на отрезках полосковых, микрополосковых, щелевых, копланарных и т.п. линий передачи СВЧдиапазона [1- 3].

Применение перечисленных отрезков линий требует значительных площадей подложек для разрабатываемых устройств. Например, на частоте 10 ГГц четверть длины волны на подложке с относительной диэлектрической проницаемостью 12, приблизительно равна 2,5 мм. Понятно, что разместить на площади 1…10 мм несколько отрезков микрополосковой линии такой длины затруднительно. Поэтому, закономерен интерес к замедляющим системам (ЗС), которые позволяют повысить отношение фазовой скорости электромагнитной волны в свободном пространстве к фазовой скорости в электродинамической структуре, или, что эквивалентно, отношение длин волн в тех же средах, до нескольких десятков раз. Такое уменьшение позволяет в несколько раз сократить размеры функциональных элементов СВЧ-устройств и разрабатывать их малогабаритные конструкции [4].

Состояние вопроса Исторически развитие техники и технологии передачи информации с помощью микрополосковых линий началось в конце 40-х начале 50-х г. прошлого века. В результате работ целого ряда отечественных и зарубежных научных школ оказалось, что микрополосковые линии могут найти свою область применения, поскольку по сравнению с волноводными и коаксиальными линиями, им присущи как определенные достоинства (существенно меньшие габариты и вес, возможность с помощью единой технологии нанесения на подложки целых узлов и модулей, дешевизна изготовления и т. п.), так и недостатки (более высокие погонные потери, открытый характер линий и возможность электромагнитных связей между ними, трудности точного расчета и проектирования и др.) [1- 3, 5].

Использование эффекта замедления волны, позволяющего осуществить пространственное разделение областей концентрации энергии электрического и магнитного полей, делает возможным создание малогабаритных СВЧ-устройств на основе периодических последовательных соединений отрезков линий, обладающих разными волновыми сопротивлениями и малыми потерями. Такие устройства, конструктивно выполненные в большинстве случаев на отрезках спиральных ЗС и их модификаций, можно использовать в качестве миниатюрных элементов радио- и микроволновых трактов, малогабаритных устройств электромагнитного нагрева и физиотерапии, первичных преобразователей для измерения физических величин и контроля параметров технологических процессов [6]. Однако применение подобных устройств наиболее эффективно в длинноволновой части сантиметрового диапазона.

На более высоких частотах использование отрезков спиральных ЗС не оправдано из-за сильной дисперсии и значительного роста реактивных потерь [7].

электродинамических структур на резонансных отрезках различных линий передачи позволяет сделать вывод о перспективности дальнейших исследований и разработки частотно-селективных СВЧ-устройств на основе микрополосковых отрезков штыревых ЗС, обладающих возможностью уменьшения геометрических размеров при заданной рабочей частоте и сохранении высокой собственной добротности.

Цель диссертации микрополосковых структурах на резонансных отрезках одиночных и связанных штыревых ЗС для создания функциональных элементов, узлов и модулей, обеспечивающих миниатюризацию частотно-селективных устройств СВЧ-техники.

Для достижения указанной цели необходимо решение следующих задач:

• исследование штыревых электродинамических систем с разделенными в пространстве электрическим и магнитным полями, в том числе, при близком к равномерному распределению для выбранного поля;

электродинамических систем требуемых коэффициентов замедления, затухания и волновых сопротивлений;

• обеспечение условий согласования распространения медленных волн в штыревых электродинамических системах с условиями их распространения в окружающих средах при заданном распределении электромагнитного поля.

Методы исследования электродинамики и теории электромагнитного поля; теории электрических цепей и сигналов; численных методов и компьютерного моделирования; изготовленных экспериментальных макетов и устройств.

подтверждается корректностью используемых и опубликованных математических опубликованными в отечественной и зарубежной печати; результатами компьютерного моделирования, экспериментальных исследований и внедрением разработанных элементов и устройств в производство.

Научная новизна, основные научные положения и результаты На защиту выносятся перечисленные ниже новые результаты, полученные в работе:

1. Методика расчета и компьютерного моделирования микрополосковых СВЧустройств на резонансных отрезках одиночных и связанных штыревых ЗС, основанная на комбинированном использовании приближенно-аналитических (метод многопроводных линий, метод эквивалентных длинных линий) и численных (метод моментов) методов, позволяющая исследовать распределение напряженностей составляющих электромагнитных полей и дисперсионные характеристики таких систем.

2. Исследованные физические и конструктивные особенности микрополосковых СВЧ-устройств на резонансных отрезках одиночных и связанных штыревых ЗС, позволяющие обеспечить:

- уменьшение габаритных размеров устройств прямо пропорциональное величине коэффициента замедления;

- дополнительное увеличение коэффициента замедления за счет использования емкостных связок при противофазном возбуждении копланарных штыревых гребенок.

3. Результаты экспериментальных исследованиий микрополосковых СВЧустройств на отрезках одиночных и связанных штыревых ЗС, подтверждающие результаты аналитического и численного моделирования :

- фильтра низких частот на штыревой гребенке с ломаной планкой, обеспечивающего отсутствие высших полос пропускания (затухание более 25 дБ) и максимальную крутизну АЧХ вблизи частоты отсечки (частота среза на уровне - 3 дБ составляет 1,5 ГГц, а на частоте 1,55 ГГц затухание более 25 дБ);

- АЧХ-корректора на связанных штыревых гребенках для транзисторного СВЧусилителя, обеспечивающего монотонность характеристики с линейным участком и практически постоянным затуханием (– 12) дБ в диапазоне 0,3 – 0,6 ГГц;

резонатора на копланарных штыревых гребенках, обеспечивающего дополнительное увеличение коэффициента замедления при противофазном возбуждении за счет электродинамическую структуру в качестве чувствительного элемента измерительного преобразователя для измерения и контроля зазоров или толщины металлизации на диэлектрических подложках (1…40) мкм при замедлениях (7…12) на подложке размером 100х75 с относительной диэлектрической проницаемостью равной 5.

Указанные выше конструктивные и физические особенности микрополосковых СВЧ устройств на отрезках одиночных и связанных штыревых ЗС и подтверждающие их экспериментальные результаты позволяют использовать такие структуры в качестве частотно-селективных элементов радио- и микроволновых трактов и чувствительных элементов измерительных преобразователей.

Апробация работы докладывались и обсуждались на 8 российских и зарубежных конференциях, школахсеминарах и симпозиумах:

• Конференции молодых специалистов «Пульсар-2002», Москва, 2002. Доклад:

«Разработка пассивных устройств твердотельной электроники на связанных замедляющих системах»;

• LVIII Научной сессии, посвященной Дню радио, Москва, 2003. Доклад:

«Компьютерное моделирование радио- и микроволновых излучателей на радиальных замедляющих системах»;

• LVIII Научной сессии, посвященной Дню радио, Москва, 2003. Доклад:

«Пассивные устройства твердотельной СВЧ электроники на связанных замедляющих системах»;

• IV Межвузовской научной школе молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине», Москва, 2003. Доклад: «Применение связанных замедляющих систем для пассивных элементов СВЧ трактов и устройств твердотельной электроники»;

• LX Научной сессии, посвященной Дню радио, Москва, 2005. Доклад:

«Исследование микрополосковых фильтров низких частот на отрезках штыревых замедляющих систем»;

информатика, естествознание в экономике и в обществе», Москва, 2005. Доклад:

«Программный продукт для проведения лабораторных работ по расчету микрополосковых устройств СВЧ»;

• Конференции молодых специалистов «Пульсар-2005», Москва, 2005. Доклад:

«Микрополосковые СВЧ устройства на резонансных отрезках штыревых замедляющих систем»;.

• LXI Научной сессии, посвященной Дню радио, Москва, 2006. Доклад:

«Компьютерное моделирование микрополосковых частотно-селективных устройств на отрезках штыревых замедляющих систем»;

Практическая ценность и внедрение результатов Основные результаты диссертации получены при выполнении научноисследовательских и инициативных работ, выполненных в МГИЭМ при участии автора за период 2001-2005 гг.

Научные и практические результаты работы используются в ФГУП НПП «Пульсар»; в учебном процессе МГИЭМ при подготовке инженеров по специальности "Электронные приборы и устройства".

Использование результатов подтверждено соответствующими актами и заключениями.

Публикации По материалам диссертации опубликовано 14 работ, включая 10 статей в российских журналах и трудах российских и международных конференций, 2 патента РФ на полезную модель, 1 свидетельство РФ об официальной регистрации программ для ЭВМ, 1 учебно-методическое пособие.

Структура диссертации Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложения. Общий объем диссертации составляет страниц, включая 77 рисунков и 2 таблицы, библиографический список из отечественных и зарубежных источников на 10 страницах, приложения с актами использования результатов на 2 страницах.

Во введении к диссертации обоснована ее актуальность, рассмотрено состояние вопроса, сформулированы цели, задачи и методы исследований, научная новизна, основные положения, выносимые на защиту, вопросы практической ценности, внедрения результатов, апробации и публикаций. Приводится краткое содержание каждой из глав.

В первой главе «Анализ методов расчета, проектирования и конструктивнотехнологических особенностей микрополосковых СВЧ устройств на резонансных отрезках штыревых ЗС» проведен обзор современного состояния и перспектив применения частотно-селективных СВЧ устройств и их функциональных элементов на отрезках микрополосковых линий и ЗС. Рассмотрены физические и конструктивные особенности таких структур, показаны возможности их дальнейшего развития. Сделан вывод об актуальности поставленной научной задачи.

На основе выполненного обзора показано, что применение СВЧ устройств на основе использования отрезков спиральных ЗС наиболее эффективно в длинноволновой части сантиметрового диапазона. На более высоких частотах их использование затруднено из-за сильной дисперсии и значительного роста реактивных потерь. В этом случае наиболее перспективным является создание микрополосковых СВЧ устройств на основе неоднородных отрезков одиночных и связанных штыревых ЗС, отличающихся малыми габаритными размерами по сравнению с длиной волны возбуждения и высокой собственной добротностью.

Проанализированы аналитические и численные методы расчета и особенности конструктивно-технологического выполнения СВЧ устройств на неоднородных резонансных отрезках микрополосковых линий. Показано, что их выбор определяется физическими и конструктивными особенностями конкретной электродинамической структуры, представляемой в виде комбинации неоднородностей.

Во второй главе "Аналитический расчет микрополосковых СВЧ устройств на резонансных отрезках штыревых ЗС комбинированным методом многопроводных и эквивалентных длинных линий" предложен приближенноаналитический метод расчета, являющийся комбинацией метода многопроводных линий и метода эквивалентных длинных линий.

Используемый ранее для расчета штыревых ЗС метод многопроводных линий практически не пригоден для анализа микрополосковой гребенчатой структуры, поскольку в этом случае нагрузка на концах штырей оказывается неоднозначной.

Кроме того, удобный при расчетах на относительно высоких частотах, когда сдвиг фазы поля между соседними штырями достаточно велик, метод многопроводных линий оказывается слишком сложным на относительно низких частотах, когда приходится учитывать взаимное влияние большого количества штырей.

Метод эквивалентных длинных линий основан на замене реальной структуры импедансной поверхностью. Это позволяет воспользоваться вместо волновой проводимости одного штыря проводимостью в направлении поперечной координаты, рассчитанной на единичной длине системы. Замена основана на рассмотрении картины силовых линий электрического поля в продольном сечении. При этом упрощается картина поля, что, в свою очередь, позволяет уточнить электрическую схему эквивалентной линии. Пользуясь тем, что часть силовых линий электрического поля волны заканчивается на экране, а часть возвращается на импедансную поверхность (рис.1), эквивалентная емкость может быть представлена в виде суммы емкостей, каждая из которых обратно пропорциональна проходящим через них токам смещения.

Рис. 1. Распределение напряжённости электрического поля волны в продольном сечении Эквивалентная погонная индуктивность складывается из индуктивностей основания гребенки и планки, а также погонной индуктивности импедансной поверхности, образованной штырями. Нагрузка на концах штырей, соединенных основанием гребенки, предполагается близкой к нулю (равной индуктивности основания).

В результате применения такого комбинированного метода для штыревой гребенки с емкостной планкой (рис.2) получено дисперсионное уравнение где C= ln - коэффициенты, W – ширина основания гребенки, равная ширине планки, Н - длина штырей, b – расстояние между гребенкой и планкой, р – ширина штырей, Т – период расположения штырей. Изначально предполагалось, что