Фильтры СВЧ на диэлектрических резонаторах

Скачать DjVu (2,21 МБ)

Описание

Систематизированы вопросы разработки и проектирования СВЧ миниатюрных диэлектрических резонаторов (ДР) и частотных фильтров на их основе. Даны классификация и параметры диэлектрических материалов для резонаторов, обладающих совокупностью уникальных свойств: малых габаритов, массы, значительной собственной добротности, температурной стабильности электрических характеристик и др.

Приведены основные характеристики, методы расчета и конструкции полосовых фильтров на ДР. Рассмотрены технология настройки и возможности применения частотных фильтров СВЧ на ДР в радиоэлектронной аппаратуре.

Рассчитана на инженерно-технических работников, занимающихся проектированием и разработкой аппаратуры СВЧ, а также может быть полезна студентам вузов.

ВВЕДЕНИЕ

Курс на интенсификацию экономики нашей страны предусматривает ускоренное внедрение достижений научно-технического прогресса на основе развития фундаментальных исследований и разработок. В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года» подчеркивается необходимость «более полно использовать при разработке новой техники и технологии возможности материалов с заранее заданными свойствами, особенно прогрессивных конструкционных, в том числе синтетических, композиционных, сверхчистых и других, обеспечивающих высокий экономический эффект в народном хозяйстве».

Использование в СВЧ-микроэлектронике резонансных явлений в диэлектриках с большой диэлектрической проницаемостью способствует созданию высокоэффективных частотно-избирательных устройств с диэлектрическими резонаторами, применение которых существенно снижает стоимость, массо-габаритные показатели и улучшает энергетические характеристики аппаратуры.

Под частотно-избирательными устройствами (ЧИУ) понимают частотные фильтры нижних частот (ФНЧ), фильтры верхних частот (ФВЧ), полосно-пропускающие (ППФ), полосно-заграждающие (ПЗФ) фильтры и фильтры гармоник. Они предназначены для подавления одних частотных составляющих сложного сигнала и обеспечения хорошей передачи других. Фильтры используют для разделения частот в двухканальных (диплексеры) и многоканальных (мультиплексеры) разделительных устройствах. Диплексеры и мультиплексеры применяют также для суммирования сигналов различных частот. Кроме того, на основе фильтров создаются устройства для одновременной работы на одну антенну передатчика и приемника, настроенных на различные частоты. Такие устройства называют дуплексерами, поскольку они обеспечивают дуплексную работу связной радиоаппаратуры. Следует иметь в виду, что дуплексеры, в отличие от диплексеров, могут и не содержать ЧИУ, их выполняют на основе циркуляторов, поляризационных селекторов, коммутаторов. Диплексеры, мультиплексеры и дуплексеры на основе частотных фильтров объединяют в один класс — частотно-разделительных устройств (ЧРУ). Под частотно-избирательными устройствами на диэлектрических резонаторах (ДР) будем понимать широкий класс устройств СВЧ-диапазона, включающий в себя СВЧ-фильтры и ЧРУ, выполненные на основе ДР.

Работы по исследованию резонансных эффектов в диэлектриках с большой диэлектрической проницаемостью начались более 40 лет назад Эксперименты с титанатом стронция и рутилом показали возможность создания миниатюрных диэлектрических резонаторов, которые благодаря внутреннему отражению почти не расходуют энергию на излучение, а их собственная добротность может достигать 10 ООО и более. Однако очень скоро обнаружилось, что такие диэлектрические резонаторы даже с очень высокой добротностью невозможно использовать для создания высокоэффективных малогабаритных радиоэлектронных систем вследствие температурной нестабильности. Для их стабилизации необходимы термостаты и криостаты.

Для современных СВЧ-микроэлектронных устройств наиболее подходят диэлектрики, обладающие высокой диэлектрической проницаемостью (ед = 100), минимально возможным температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости (10-6 град-1) и малыми потерями (tg б <= 10-3). Были созданы первые отечественные материалы, удовлетворяющие современным требованиям и пригодные для построения высокодобротных диэлектрических резонансных элементов СВЧ-микроэлектроники. Появилось новое направление СВЧ функциональной электроники—СВЧ-диэлектроника.

В настоящее время миниатюризация волновых и колебательных систем СВЧ основывается, главным образом, на использовании в качестве среды распространения электромагнитных колебаний диэлектриков с большой диэлектрической проницаемостью ед > 10). Из таких систем наибольшее распространение получили микропо-лосковые линии (МПЛ) передачи и элементы на их основе, конструкция которых позволяет применять интегральную технологию. СВЧ-схемы на МПЛ обладают высокой надежностью, хорошими электрическими характеристиками, малыми размерами и массой, низкой стоимостью. Однако они уступают в большинстве случаев по электрическим характеристикам аналогичным устройствам на полых волноводных, коаксиальных или полосковых системах вследствие низкой собственной добротности колебательных систем.

Более перспективны с точки зрения миниатюризации электродинамические системы с медленными волнами, волноведущие и колебательные свойства которых возникают благодаря явлению внутреннего отражения на границе диэлектриков с различными значениями диэлектрических проницаемостей. К ним относятся диэлектрические волноводы (ДВ) и ДР. Для распространения электромагнитных волн в ДВ и длительного существования колебаний в ДР не требуется металлических направляющих или отражательных поверхностей — основного источника потерь в СВЧ волноводных и колебательных системах. Увеличивая диэлектрическую проницаемость материала ДР, можно уменьшить их габариты в 100—1000 раз без увеличения потерь мощности и снижения собственной добротности.

ДР представляют собой образец произвольной формы из диэлектрика с большой относительной диэлектрической проницаемостью ед (обычно ед >= 40), вызывающий резонансное рассеяние падающей на него электромагнитной волны СВЧ. Основной особенностью ДР является наличие внешнего поля за границами диэлектрического тела. Эта особенность облегчает включение резонатора в СВЧ-цепь. Однако она определяет и основные потери энергии на излучение и в окружающих металлических поверхностях. Поэтому устройства СВЧ на ДР экранируются, что вызывает увеличение их габаритов.

Разработка высокодобротных термостабильных диэлектрических материалов с более высоким значением ед >= 100 связана со значительными трудностями, а получение диэлектриков с ед > 200-300 является весьма актуальной задачей. Это позволит решить задачу микроминиатюризации устройств СВЧ без ухудшения их электрических характеристик, так как устранит необходимость экранировки устройств на основе диэлектрических волновых и колебательных систем.

Наличие внешнего поля значительно усложняет анализ собственных колебаний и расчет частот ДР. Трудности анализа, связанные с наличием открытых границ, усугубляются необходимостью учета влияния внешних тел, окружающих ДР в реальных устройствах. Точное решение задачи о колебаниях ДР имеется лишь для резонаторов сферической формы в свободном пространстве. Для расчета резонансных частот ДР в форме, отличной от сферы, используют различные приближенные электродинамические модели, как простые, позволяющие быстро рассчитать частоты с ошибкой 15—20 %, так и сложные, более точные, но требующие для расчета применения ЭВМ.

Построение устройств с ДР невозможно без установления и математического моделирования важнейших закономерностей взаимодействия используемых диэлектрических материалов с электромагнитными полями в различных электродинамических структурах.

В настоящее время ДР используют в качестве колебательных систем различных функциональных устройств в частотных фильтрах, твердотельных генераторах, переключающих устройствах, параметрических усилителях, смесителях, умножителях, дискриминаторах, в качестве частотно-избирательных излучающих элементов антенн.

Существующие устройства СВЧ на ДР по совокупности габаритных параметров и электрических характеристик занимают промежуточное положение между устройствами на полых металлических волноводах и коаксиальных линиях и гибридно-интегральными устройствами на МПЛ, т. е. по габаритам они меньше первых, но больше вторых, а по электрическим характеристикам лучше вторых, но хуже первых. Сравнительно небольшой выигрыш ДР в габаритах по сравнению с традиционными полыми волноводами и коаксиальными системами объясняется тем, что диэлектрическая проницаемость материалов, применяемых в настоящее время, невелика. Наиболее подходящими являются поликристаллические диэлектрики типа АЛТК (ед = 39) и ТБНС (ед = 80). Устройства на таких ДР требуют экранировки, что увеличивает их габариты и приводит к возникновению противоречия между габаритными и энергетическими показателями. Несмотря на это, частотные полосно-пропускающие фильтры на ДР имеют наилучший показатель качества (наименьший габаритный индекс потерь).

Дальнейший прогресс в создании устройств на ДР связан с увеличением диэлектрической проницаемости материала. Особый интерес в этом отношении представляют параэлектрики, диэлектрическая проницаемость которых достигает нескольких тысяч. Важным их свойством является нелинейная зависимость поляризации от напряженности приложенного к ним электрического поля. Пара-электрические устройства СВЧ существуют пока на уровне лабораторных исследований, вследствие сильной температурной зависимости диэлектрической проницаемости и высоких диэлектрических потерь существующих материалов при нормальных температурах.

Проводимые в течение последних лет интенсивные исследования и разработка новых составов диэлектриков с большой диэлектрической проницаемостью позволили создать и внедрить в технику СВЧ целый ряд высокоэффективных твердотельных частотно-избирательных устройств СВЧ на диэлектрических резонаторах.

Введение, гл. 3 и 6 написаны авторами совместно, гл. 1 — Т. Н. Нарытником и В. Б. Федоровым, гл. 2, 4 и 5 — Ю. М. Безбородовым и В. Б. Федоровым, гл. 7 — Ю. М. Безбородовым.