Конструкции варикондов. 1. Основные свойства
 Скачать 6.93 Mb.
|
 Для лучших образцов керамики ВК-7 tgб имеет следующие значения.
Сочетание достаточно низких потерь ВК-7 в области частот от мегагерц до СВЧ и хорошей управляемости диэлектрической проницаемости K‗≥2 позволяет рекомендовать вариконды из материала ВК-7 для применения в области частот от единиц до тысяч мегагерц. Параметры варикондов из материала ВК-7 достаточно сильно меняются при изменении температуры. При нагревании образцов от комнатной температуры в сторону высоких значений уменьшается ε, tgб и коэффициент управляемости, это является одним из наиболее серьезных недостатков материала ВК-7. Поэтому в практических схемах образцы должны быть термостатиро-ваны. В случае создания планарных конструкций варикондов температурная зависимость ε существенно снижается, а управляемость сохраняется. Из материала ВК-7 изготовляются как дисковые, так и пленочные вариконды. В случае дисков толщиной 0,3—0,5 мм емкость может составлять от нескольких десятков до нескольких тысяч пикофарад. Для пленок управляющие напряжения могут быть небольшими. Начато изготовление пленок ВК-7 толщиной 200— 100 мкм и меньше. Свойства пленок соответствуют свойствам объемных образцов. Под руководством О.Г.Вендика на основе варикон-да ВК-7 разработана конструкция параметрического усилителя и впервые получено усиление на СВЧ. Все рассмотренные здесь материалы являются хорошими диэлектриками (у стандартных образцов при 100°С рv≥1012 ом·см) и сохраняют высокие нелинейные свойства в широком интервале температур — от точки Кюри до глубоких отрицательных значений (измерения проводились вплоть до —170°С). Их параметры изучаются в различных условиях в зависимости от требований рабочей схемы. Например, для оценки нелинейности свойств варикондов из материалов ВК-1, ВК-2 помимо зависимости ε от E рассматривают форму напряжения или тока в простейшей цепи, содержащей нелинейный элемент. напряжения имеет вид пиков, при емкостном сопротивлений— вид колокола (рис.1.11).  1.2 Частотные характеристики Исследование варикондов в широком спектре частот, от низких до СВЧ, в слабых полях позволило установить, что все типы варикондов из материалов ВК-1 ВК-4, так же как и титанат бария, в сегнетоэлектриче-ском состоянии имеют диэлектрическую дисперсию в диапазоне СВЧ: величина снижается, a tg6 возрастает. В параэлектрической фазе при значительном удалении от точки Кюри СВЧ дисперсия отсутствует. В области фазового перехода дисперсия проявляется по-разному для разных составов керамики, в зависимости от степени размытия фазового перехода. Для материалов с острым фазовым переходом выше точки Кюри дисперсия е не наблюдается. Исследования были проведены до 37 Ггц. Для материалов с размытым фазовым переходом дисперсия заметна в параэлектрической фазе: для керамики ВК-2 в температурном интервале до 20°С, а для керамики ВК-3 —до 100°С от точки Кюри. При повышении частоты от низких значений технической частоты до радиочастот 107—108 гц наблюдается незначительное и плавное уменьшение е сегнетокерами-ки; заметная дисперсия ε наступает в диапозне частот 108—1010 гц, диэлектрическая проницаемость снижается в 2—2,5 раза при изменении частоты от 1 Мгц до 9,4 Ггц. Величина tgб при изменении частоты от промышленной до 105—106 гц снижается незначительно, а при более высокой частоте резко возрастает; tgб при частоте 9,4 Ггц более чем на порядок превышает свое значение при частоте 1 Мгц. В работе при частоте 40 Ггц было обнаружено снижение tgб керамического ВаТiO3, некоторых типов варикондов и сегнетоэлектриков. Этот экспериментальный результат является весьма важным, на основе его могут быть рассмотрены новые применения сегнетоэлектриков на миллиметровых волнах. Дальнейшими исследованиями должны быть установлены области частот, при которых возможно снижение tg6 и сохранение управляемости ε. На рис.18,а приведены зависимости диэлектрической проницаемости и tgб от частоты для ВаТiO3, ВК-2 и ВК-4, измеренные в слабом тюле. В качестве примера для материала ВК-2 показано влияние постоянного смещающего поля на величину в в широком спектре частот (рис. 18,6). Если при низких и радиочастотах наложение смещающего поля Е‗=2кв/мм может вызвать изменение диэлектрической проницаемости в 2—2,5 раза, то при частоте 1010 гц это изменение становится меньше, однако управляемость е все еще сохраняется. Другие нелинейные материалы также обладают высокими коэффициентами управления вплоть до сантиметрового диапазона волн. Особенно сильно проявляется изменение е от величины постоянного поля для керамики ВК-3. При комнатной температуре е изменяется от 8000 до 1500 при 106 гц и от 4000 до 1500 при 1010 гц, если постоянное поле возрастает от нуля до 2 кв/мм. И.В.Ивановым проведено измерение динамической нелинейности сегнетокерамики в полях СВЧ. Им показана возможность удвоения частоты с помощью варикондов от 500 до 1000 гц. Динамическая нелинейность обнаружена как в пара-, так и в сегнетоэлектрической фазе; максимальное значение коэффициента динамической нелинейности, так же как и статической (реверсивной), наблюдается при температуре Кюри . Начаты исследования варикондов в сильных полях при высоких и сверхвысоких частотах. Поскольку в сильных полях поляризация связана с переориентацией доменов, имеется резко выраженная зависимость ε и tgб от частоты. При увеличении переменного поля в керамике ВК-2 е от начального до максимального значения возрастает в 30 раз при частоте 50 гц, и в 15 раз при частоте 0,3 Мгц, εнач в этом интервале частот практически не изменяется. Несмотря на значительное снижение смаке при увеличении частоты, нелинейные свойства материала проявляются вплоть до СВЧ.  Для практических целей важно знать характеристики варикондов при одновременном воздействии двух или нескольких напряжений, отличающихся по амплитуде, частоте и форме. Помимо хорошо изученных реверсивных зависимостей, когда к вариконду прикладывается постоянное и переменное напряжение, исследуются свойства варикондов при воздействии нескольких синусоидальных напряжений, отличающихся то частоте и амплитуде, в том числе при использовании высокочастотной подкачки. Такие исследования чаще всего проводятся по специально разработанной методике в схемах, где вари-конд служит активным управляемым элементом. Совокупность электрических характеристик варикондов определяет выбор оптимальных режимов их практического использования. 1.3 Конструкции варикондов Наиболее распространенной конструкцией варикондов является дисковая с диаметром от I до 25 мм и толщиной 0,4—0,8 мм; для малых номинальных значений емкости варикопды делаются в виде шарика, для средних—в виде диска, для больших — в виде блока, состоящего из нескольких параллельно включенных дисков. При изготовлении варикондоп из материалов ВК-1÷БК-7 в виде дисков получают значения номинальной емкости в следующих пределах: ВК-1…….10 пф— 0,15 мкф ВК-2…….10 пф— 0,22 мкф ВК-3…….100 пф—1,0 мкф ВК-4…….10 пф— 0,1 мкф ВК-5…….10 пф— 0,01мкф ВК-6…….10— 1000 пф ВК-7…….1— 1000 пф Из материалов ВК-2 и ВК-4 вариконды изготовляются в серийном производстве по техническим условиям УБО.460.038ТУ, из материалов ВК-З, ВК-5, ВК-6, ВК-7— в условиях опытного производства. По конструктивному оформлению вариконды из ВК-2 и ВК-4 не отличаются друг от друга; из материала ВК-2 изготовляется 9 видов варикондов, а из ВК-4 — семь. Для варикондов, обозначенных ВК2-ЗШ и ВК2-БШ, используется только материал ВК-2. В табл.1.1 приведены вид, номинальная емкость, форма и размеры варикондов, изготовляемых в серийном производстве из материалов ВК-2 и ВК-4.Сокращенное наименование вида вариконда складывается из сокращенного слова «вариконд» (ВК), цифры, обозначающей тип массы (2 или 4) с температурой Кюри +75±10°С и 110±10°С соответственно, и цифры (или буквы), указывающей тип вариконда. Таблица 1.1  Вариконды ВК2-М и ВК4-М являются малогабаритными; они оформляются в виде шарика диаметром 1,5— 2 мм; изделия изготовляются на два номинальных значения емкости — 10 и 22 пф. Вариконды ВК2-ЗШ и ВК2-БШ предназначены для использования в качестве шунтов индуктивности. По размерам и номинальным значениям емкости вариконды ВК2-ЗШ соответствуют варикондам ВК2-3, а вариконды ВК2-БШ — варикондам ВК2-Б и отличаются от них только тем, что имеют две пары выводов от каждой металлической обкладки. Вариконды остальных видов имеют форму дисков диаметром от 4 до 25 мм. Коэффициент нелинейности варикондов по напряжению переменного тока K= Смакс/Снач не менее 7 для ВК2-Б, ВК2-БШ и ВК4-Б и не менее 8 — для всех остальных видов варикондов. Интервал рабочих температур для варикондов из материалов ВК-2 от —40 до +60° С; ВК-4 от —40 до + 85°С при относительной влажности воздуха до 98%. Сопротивление изоляции в нормальных условиях для серии варикондов от ВК2-0 и ВК4-0 до ВК2-4 и ВК4-4 не менее 5 000 Мом и для ВК2-М, ВК4-М, ВК2-ЗШ, ВК2-Б, ВК2-БШ и ВК4-Б не менее 500 Мом. Все типы варикондов выдерживают без повреждения, пробоя и поверхностного разряда кратковременное воздействие постоянного испытательного напряжения 400 в и длительное воздействие напряжения 160 в при частоте 1 000 гц, рабочее напряжение 100 в для варикондов ВК-2 и 160 в для варикондов ВК-4. В табл.1.2 приведены основные характеристики варикондов ВК-2 и ВК-4. Таблица 1.2  Номинальная емкость у всех видов варикондов, кроме блоков, измеряется при напряжении 2 в и частоте 1 000 гц; а у варикондов-блоков — при напряжении 5 в и частоте 50 гц. Допустимое отклонение емкости от номинала составляет от —20 до +50%. При дополнительной отбраковке допуски могут быть снижены. Для предохранения поверхности варикондов от загрязнения последние покрываются защитным лаком или компаундом красного цвета. Отдельные типы варикондов, как, например, вариконд ВК2-М, ВК4-М, покрываются эпоксидной смолой белого цвета. При увеличении напряжения емкость варикондов возрастает. ак для материала ВК-2 при напряжении Uмакc=60÷100 в и ВК-4 при напряжении 80—120 в она достигает максимального значения, которое в 8— 10 раз превышает номинальное значение. Кроме таких варикондов разрабатываются и другие виды на более высокое рабочее напряжение, более резкую зависимость емкости от напряжения, а также с повышенной температурной стабильностью характеристик. 2. Изготовление керамических конденсаторов 2.1 Изготовление конденсаторных элементов Технология изготовления может иметь определенные отличия при получении дисковых или пластинчатых плоских, трубчатых, многослойных керамических конденсаторов, крупных конденсаторов высокого напряжения и т.п.. В табл.2.1 приведены составы шихты, предназначенной для изготовления керамических конденсаторов с высокой εs. Если использовать эти материалы, то, очевидно, исключается операция составления шихты. Таблица 2.1. Составы шихты для керамических конденсаторов с высокой диэлектрической проницаемостью  Т рубчатые малогабаритные керамические конденсаторы обычно имеют толщину стенки 0,2—0,5 мм, поэтому формование сухим способом затруднительно, и обычно их изготовляют протяжкой мокрым способом. При изготовлении изоляторных трубок из обычной керамики исходные компоненты содержат определенное количество глинистых материалов и поэтому для придания пластичности достаточно лишь добавить соответствующее количество воды. Кроме того, толщина стенок у изоляторных трубок больше, что также облегчает протяжку. В случае же керамических диэлектриков исходные компоненты сами по себе абсолютно не пластичны, поэтому в них вводят 7—10 масс. % связки. В качестве связки используют клейстер из пшеничной муки, сахар и другие материалы, их необходимо тщательно смешать с исходными компонентами, так как плохое смешивание становится причиной образования пор типа булавочных уколов. Кроме того, в связи с попаданием в смесь пузырьков воздуха для их удаления желательно использовать вакуумную массомялку, позволяющую при том же количестве связки получать более высокую пластичность. Из трубчатого мундштука масса выдавливается так же, как при изготовлении макарон. В мундштуке создается довольно значительное трение, поэтому со временем стенки трубки возрастает. Это оказывает влияние на емкость конденсатора. Полученные протяжкой трубки содержат определенное количество связки и воды, поэтому необходима медленная сушка. Интенсивная сушка приводит к искривлению трубок, образованию трещин. По прошествии определенного времени разрезают в соответствии с заданными размерами. Затем тщательно высушивают, помещают в капсели и обжигают. При изготовлении трубок таким способом необходимо уделять бое внимание процессам сушки и удаления связки, поскольку количество связки в данном случае значительно больше, чем при изготовлении дисков и пластин сухим способом. Кроме того, иногда удобно пластины толщиной 0,2 мм и меньше (в обожженном виде) формовать рассмотренным выше способом тяжки, а для придания желаемой формы (пластины или диска) использовать метод штамповки. 2.2 Электроды для конденсаторов В качестве электродов для керамических конденсаторов, начиная с того времени, когда подобные конденсаторы получили практические применение большей частью используют серебро, наносимое методом вжигания. В Европу эта техника возможно попала из Японии, где она издревле применяется для декодирования бытовой керамики. Этот традиционно применяемый способ вжигания серебра, под каким бы углом зрения его ни рассматривать, несомненно, остается одним из лучших, которому и сегодня, кажется, не видно замены. В последнее время в отдельных случаях пытаются использовать безэлектролизное гальваническое покрытие и другие способы, однако это, скорее, имеет целые понизить стоимость. Что же касается характеристик, то метод вжигания серебра не имеет себе равных. Кроме того, многие также считают хорошим метод напыления, однако ни по адгезии, ни по электрическим характеристикам электродов с методом вжигания серебра сопоставит, его нельзя. В последнее время также получили практическое применение многослойные конденсаторы, у которых электроды из драгоценных материалов, например из платины создаются между слоями керамики во время спекания. Для проведения вжигания серебра черный порошок окиси серебра (Ag2O) смешивают с 5—10 масс. % стеклянного порошка, называемого фриттой и содержащего боросиликат свинца, замешивают в связке, основными компонентами которой могут быть растворитель, смола, масло, и наносят на поверхность; при этом консистенция полученной пасты должна позволять мазать ее, как тушь. В массовом производстве для нанесения электродов на керамику используют технику печати. Если после нанесения пасты керамику нагреть до 500—800°С, то органические материалы разложатся и улетучатся, окись серебра восстановится и образует зерна серебра, фритта расплавится, создав плотное соединение зерен серебра с поверхностью керамики. Возможности конденсаторов в очень большой степени зависят от техники нанесения электродов. Иногда характеристики диэлектриков определяются характеристиками электродов. Таблица 2.2. Составы фритт, %  В табл.2.2 приведены несколько составов фритт. Для изготовления фритты такие смеси загружают в керамические тигли, нагревают, полностью расплавляют, затем расплав охлаждают, выливая его из тигля вводу, полученный продукт измельчают в ступке. Помимо окиси серебра, иногда примешивают немного металлического или коллоидного серебра. Кроме того, нужно тщательно следить, чтобы в серебре не было хлористого серебра (AgCl) и натрия, так как эти материалы оказывают отрицательное влияние на влагостойкость конденсаторов.  При малом количестве образцов для экспериментов серебряную пасту можно наносить кисточкой, а при массовом производстве используют метод печати через трафарет и метод пульверизации. Если при вжигании серебра в период разложения органических материалов резко повышать температуру, то это окажет отрицательное влияние, в частности, на tg6 конденсаторов, что объясняется эффектом восстановления в процессе вжигания. На рис.2.1 показан пример режима подъема температуры при вжигании серебра. В последнее время серебряная паста, а также проводящая паста из драгоценных металлов (Au, Pt, Pd), применяемых для многослойных конденсаторов, появились в продаже. При слишком малой толщине электродов емкость конденсатора падает. Данное явление, очевидно, вызвано неровностями поверхности керамического диэлектрика, а также неодинаковым ее состоянием. В случае керамических конденсаторов на основе TiO2 это явление наблюдалось при толщине серебра менее 0,03 мкм и толщине алюминия менее 0,1 мкм. Эта разница, определяемая металлом, также, очевидно, может колебаться в зависимости от трудности напыления и умения пользоваться техникой, но, несомненно, следующее: если толщина электродов меньше некоторого предела, определяемого состоянием поверхности керамики и условиями напыления, то емкость снизится. 3. Основные применения 3.1 Возможные применения импульсных схем, управляемых с помощью варикондов Применение варикондов для управления параметрами хронирующих цепей в импульсных схемах позволяет более полно использовать потенциальные возможности схем по расширению диапазона управления и увеличению чувствительности к управляющему напряжению. В результате применения варикондов характеристики схем приобретают реверсивные свойства и допускается телеметрическое и безваттное управление параметрами импульсов по различным законам во времени. Особенно эффективны схемы с двойным управлением (и тройной регулировкой). В связи с этими преимуществами становятся возможными и некоторые новые применения импульсных схем. Электронные схемы задержки импульсов типа спусковых схем и фантастропных генераторов могут быть использованы, например, в качестве: 1)преобразователей постоянного или медленно изменяющегося напряжения в импульсное, длительность импульсов которого соответствует заданным уровням напряжения. При этом чувствительность преобразования может достигать величины SU = 80÷2700 мксек/в; 2) приборов для непосредственного измерения, сравнения или отбраковки нелинейных емкостей по реверсивным характеристикам методом эквивалентной задержки; 3)приборов для осциллографического наблюдения, исследования, измерения нестабильности пли пределов изменения постоянного пли медленно изменяющегося напряжения методом эквивалентной задержки и модуляции длительности импульсов, т.е. в качестве высокочувствительных малогабаритных датчиков систем допускового контроля; 4)схем функциональной задержки «с реверсом» после максимума по закону, близкому к линейному, экспоненциальному или параболическому, в зависимости от выбранного участка характеристики вариконда и т. д. Импульсные генераторы, хронирующие цепи которых управляются с помощью варикондов, могут найти применение в качестве: а)делителей частоты следования импульсов с переменным коэффициентом деления, управляемым по любому закону во времени; б)чувствительных преобразователей времени в схемах шифраторов при импульсно-кодовой модуляции и схемах цифровых преобразователей времени счетных машин и, очевидно, во многих других случаях. Простейшие цепи rCв типа дифференцирующих, интегрирующих и переходных при включении вместо линейной емкости варикондов, управляемых по заданному закону электрическим напряжением смещения, могут найти повое и широкое применение в астатических следящих системах каналов управления и в различных цепях обратной связи, где требуется изменение постоянной времени цепей в ходе слежения, или там, где необходимы управляемые коэффициенты передачи звеньев в цепях обратной связи, в каналах следящих систем и т. л. Следует отметить, что исследование свойств и разнообразных применений варикондов подтверждает перспективность их использования в различной электрорадиотехнической аппаратуре, в том числе и в импульсных схемах. При этом несомненными оказываются возможности получения качественно новых характеристик в схемах с варикондами, как в ламповом, так и в полупроводниковом исполнении. 3.2 Возможности построения кодирующих устройств — шифраторов В современных импульсных шифраторах, использующих кодово-импульсную модуляцию с квантованием, преобразование мгновенных значений (уровней) напряжения, несущего информацию, или модулирующего напряжения в необходимый набор импульсов (код) осуществляется весьма сложными электронными схемами. Для кодирования способам время-импульной модуляции требуются: делителе частоты следования импульсов, линии задержки, селекторные каскады совпадения, суммирующие усилители и нормирующие каскады, как правило, по числу n-значности кода, двоичного в простейшем случае. В таких шифраторах смена кода осуществляется механическим переключением ячеек линий задержки. Для кодирования способом число-импульсной модуляции применяют преобразователи времени, основанные на методе сравнения напряжения входного сигнала, несущего информацию, c опорным. Обычно опорное напряжение вырабатывается фантастронными схемами, а сравнение выполняется на специальных схемах сравнения уровней — временных модуляторах. В состав таких шифраторов входят генераторы измерительного (опорного) напряжения, схемы сравнения, вентили, каскады совпадения, вспомогательный и основной счетчики импульсов, преобразующие ряды импульсов в двоичный код. Используя свойство варикондов изменять диэлектрическую проницаемость ε, а значит, и емкость Cв под действием внешнего электрического поля, можно предложить новый способ преобразования непрерывного сигнала Uвх (t) в группы импульсов, параметры которых будут однозначно соответствовать мгновенным уровням входного сигнала. Ступень квантования в таком преобразователе будет определяться чувствительностью схемы к управляющему напряжению сигнала, т.е. крутизной характеристики преобразования и стабильностью работы устройства. Высокая управляемость импульсных реверсивных характеристик варикондов и пленочном исполнении обеспечивает большую чувствительность схем с варикондами" к управляющему напряжению вместе с возможностью управления емкостью Cв = f(Uв) по любому закону во времени. Например, если на вариконд, включенный в схему блокинг-генератора (или в спусковую схему), подавать дополнительно к постоянному напряжению смещения управляющее напряжение, переменное во времени, то можно получить модуляцию длительности импульсов или периода их следования по закону изменения емкости вариконда, определяемому характеристикой Cв = f(Uв) для данного действующего напряжения. Схема (рис.3.1) позволяет получить модуляцию импульсов спусковой схемы по длительности п соответствии с управляющим пилообразным напряжением, подаваемым на вариконд (в точку а схемы рис.3.1) от фантастронного генератора. В зависимости от величины начального постоянного смещения на вариконде, определяющего выбор рабочей точки на восходящей или нисходящей ветви характеристики tи=f(Eсм) можно получить нарастающую или убывающую по длительности серию импульсов спусковой схемы. |