МхПИМ лекция 9. Лекция 9 8 микроволновые фильтры 1 Общие сведения
 Скачать 0.98 Mb.
|
|
8.8.6 Полоснозапирающие фильтры К большинству устройств микроволнового диапазона, предъявляются требования передачи определённых частот сигнала от одного участка тракта к другому с минимальным затуханием. При этом нежелательные частоты дос- таточно надёжно подавляются полоснопропускающими фильтрами обычного типа. Однако, если на какой-нибудь определённой частоте, помеха особенно велика, для её подавления должны быть приняты специальные меры. Часто, один или несколько полоснозапирающих фильтров, подавляющих только оп- ределённые нежелательные частоты, оказываются более эффективными по сравнению с полоснопропускающим фильтром, рассчитанным на подавление широкого диапазона частот вне требуемой полосы пропускания. Схема режекторного фильтра получается путём перемены местами па- раллельных контуров в схеме полосового фильтра (рис. 8.30). Однако, более удобной для реализации оказываются схемы, показанные на рис. 8.31, то есть схемы ПЗФ с четвертьволновыми связями. Они может быть получены из схе- Рисунок 8.30 − Схема ПЗФ 1 L 1 C 3 C 2 C 2 L 3 L 5 L 4 L 6 L 5 C 4 C 6 C н R 21 мы, изображённой на рис. 8.30, точно таким же образом, как получается схема ППФ с четвертьволновыми связями. Цепь, приведённую на рис. 8.31а, удобно реализовывать в микрополос ковом или коаксиальном виде с помощью шлейфов, не имеющих контакта с основной линией, как показано на рис. 8.32а. При этом сами шлейфы играют роль индуктивностей, а зазоры между шлейфами и основной линией, образуют емкости, согласно схеме, приведенной на рис. 8.31. На другом конце шлейфы могут быть короткозамкнутыми, тогда их электрическая длина должна быть чуть меньше 90 0 ; либо разомкнутыми, тогда их электрическая длина чуть меньше 180 0 . Шлейфы располагаются на расстоянии четверти длины волны на средней частоте полосы затухания друг от друга. Такого типа фильтры подхо- дят больше всего, когда требуется полосе запирания 20% или меньше. При реализации волноводного варианта фильтра (рис. 8.32.б), использу- ется схема 8.31б, так как реализация последовательного контура , включенного параллельно затруднительна. В нём применяются объёмные резонаторы, длина которых чуть меньше половины длины волны в волноводе на резонансной час- тоте, и связанные с основным волноводом индуктивными диафрагмами. Для 2 Q а) Λ 4 Λ 4 Λ 4 Λ 4 1 Q 3 Q н R б) Рисунок 8.31 − Схемы ПЗФ, эквивалентные схеме рис. 8.30 2 Q Λ 4 1 Q 3 Q н R Λ 4 22 того, чтобы избежать взаимодействия между краевыми полями в различных диафрагмах, резонаторы располагаются на расстоянии 3 4 Λ друг от друга. 8.9 Современные технологии микроволновых фильтров Современные микроволновые фильтры разрабатываются на основе трех технологий: высокотемпературной сверхпроводимости, сегнетоэлектриков и LTCC (рис. 8.33). Детальное рассмотрение этих технологий позволяет выявить их преимущества и недостатки, а также области применения. Рисунок 8.32 − Микрополосковая и волноводная структуры для узкополосных ПЗФ Рисунок 8.33 – Современные технологии микроволновых фильтров Микроволновые фильтры Сегнето- электрические перестраиваемые фильтры Сверх- проводниковые фильтры LTCC фильтры 23 8.9. 1 Фильтры на основе высокотемпературных сверхпроводников Использование высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) совре- менных микроволновых фильтров является одной из передовых технологий, которая, возможно в недалеком будущем, завоюет значительное место при из- готовлении фильтров для коммуникационных и электронных системах, меди- цинской аппаратуре и военной промышленности. Уже сейчас во многих базо- вых станциях мобильной связи устанавливаются фильтры на основе ВТСП, что говорит о перспективности исследований в данной области. Как известно, сверхпроводники – это материалы, которые обладают нуле- вым сопротивлением постоянному току ниже некоторой (ненулевой по Кельви- ну) температуры. Эта температура, при которой собственное сопротивление резко изменяется, называется критической температурой или температурой пе- рехода. Для переменного тока сопротивления не достигает нуля, и растет с уве- личением частоты (рис. 8.34). Тем не менее, на частотах от 1 ГГц до 10 ГГц со- противление сверхпроводника примерно в тысячу раз меньше сопротивления обычного проводника. Этого вполне достаточно для того, чтобы значительно улучшить характеристики микроволновых фильтров. Из (8ю34) видно, на частоте 2 ГГц поверхностное сопротивление ВТСП при температуре 77 К в ты- сячу раз меньше, чем у меди при температуре 300 К. Для примера рассмотрим медный резонатор с добротностью Q =250 на частоте 2 ГГц при температуре 300 К. Так как добротность обратно про- порциональна поверхност- ному сопротивлению, то ес- ли сделать такой же резона- тор на основе ВТСП, оче- видно, что его добротность будет примерно 3 10 250 ⋅ Трудности при созда- нии фильтров на основе ВТСП связаны с подложкой. Рисунок 8.34 – Зависимость поверхностного сопротивления сверхпроводника YBCO и меди от частоты при различных температурах П ове рхн ос тн ое с оп рот вл ен ие , м О м f, ГГц 24 Для того чтобы вырастить хороший кристалл, необходимо, чтобы кристалличе- ская решетка подложки совпадала на поверхности стыка с кристаллической решеткой сверхпроводника. В противном случае в пленке будет происходить некоторое напряжение, которое в свою очередь может приводить к деформаци- ям и смещениям. В некоторых случаях, подложка может вступать в химиче- скую реакцию со сверхпроводником, «загрязняя» последний и ухудшая его ка- чество. До сих пор не найдено идеальной подложки для ВТСП пленок. Но, тем не менее, в настоящее время уже есть множество достаточно хороших подло- жек, которые обеспечивают достаточно хорошие характеристики (алюминат лантана ( 3 LaAlO или LaO ), оксид магния ( MgO ), сапфир (Al2O3)). Еще одним недостатком ВТСП является то, что данные материалы начи- нают проявлять нелинейность диэлектрической проницаемости при достиже- нии некоторой критической величины магнитного поля. Нелинейность поверх- ностного сопротивления не только увеличивает потери в фильтре, но и является причиной появления побочных гармоник. Это особенность ВТСП является главной причиной ограничения мощности сигнала, с которой может работать фильтр. Для многих устройств, работающих с малыми мощностями (например, приемники), нелинейные эффекты ВТСП не проявляются. Для устройств, ра- ботающих с большими мощностями, границу допустимой мощности можно поднять тремя способами: совершенствование материалов, уменьшение рабо- чей температуры и уменьшение максимумов плотности тока, распределяя её более равномерно вдоль большей поверхности. (Типичная допустимая рабочая мощность ВТСП фильтра – 100 Вт). 8.9 .3 Керамика с низкой температурой обжига Технология низкотемпературного обжига керамики позволяет создавать монолитные, объемные, достаточно недорогие СВЧ устройства. Суть её состоит в том, что требуемое устройство распределяется на нескольких слоях керамики, которая потом прессуется и подвергается обжигу. Её отличительная особен- ность состоит в том, что обжиг производится при температуре ниже 1000 гра- дусов по Цельсию. Таким образом, керамика обжигается при температуре, ко- торая ниже точки плавления большинства хорошо проводящих материалов (та- ких как золото, серебро или медь). Появилась возможность использования ме- таллизации с низкими потерями, что является значительным преимуществом перед технологией обжига высокотемпературной керамики (в ней используют 25 более огнестойкую металлизацию, в которой присутствуют большие потери – вольфрам и марганец). Данная технология предоставляет разработчику возможность проектиро- вания во всех трех измерениях, процесса изготовления компонентов является достаточно простым и недорогим, а количество слоев – практически неограни- ченным. Именно поэтому фильтры, рассматриваемые в данной работе, проек- тировались для изготовления на основе LTCC технологии, которая более под- робно будет рассмотрена далее. Многослойные схемы могут включать в себя элементы с распределенны- ми параметрами, использующиеся в традиционных (однослойных) гибридных схемах, а также квазисосредоточенные RLC-элементы, которые могут выпол- няться в одном или нескольких слоях. Многослойная керамическая структура с размещенными внутри пассивными элементами может выступать в роли под- ложки, на которую монтируются другие, в том числе активные, элементы СВЧ тракта, преобразователь частоты (смеситель) и отдельные схемы цифровой об- работки сигналов. Это позволяет создавать малогабаритные многофункцио- нальные приемопередающие модули для средств беспроводной и мобильной связи, выполненные на единой подложке. Рассмотрение основных технологий современного производства фильт- ров показывает, что каждая из них обладает своими преимуществами. Рассмот- рим далее более детально технологию LTCC, так как именно она дает возмож- ность в большей степени удовлетворить всем требованиям, предъявляемым к современным фильтрам, а именно: высокое качество, малые размеры и деше- визна. 26 8.9.4 Технология LTCC LTCC (англ. Low Temperature Co-fired Ceramic – низкотемпературная со- вместно обжигаемая керамика) – это технология, которая позволяет создавать многослойные схемы с помощью отдельных слоев, на которые нанесены про- водящие, диэлектрические и/или резистивные пасты (Рис. В.7). Эти отдельные листы подвергаются ламинарии и затем все вместе обжигаются. Это экономит время, деньги и уменьшает размеры устройства. Преимуществом данной техно- логии является то, что каждый отдельный слой может быть проверен (на нали- чие неточностей и повреждений) и заменен до обжига и таким образом преду- преждается повторное производство нового устройства. Так как обжиг произ- водится при температуре около 850 C ° , то стало возможным использование хорошо проводящих материалов (серебра или золота) вместо молибдена и вольфрама (используемых в HTCC). В производстве LTCC на заводе компании EPCOS AG возможно исполь- зование керамики NEG MKE-100, со значением относительной диэлектриче- ской проницаемости 7.8. Возможные толщины слоев керамики − 38 мкм, 55 мкм, 72 мкм и 98 мкм. Рисунок 8.40 − Технологический процесс изготовления многослойных ИС на LTCC 27 Положительным свойством использования более тонкого слоя диэлек- трика является то, что, например, для одинакового значения емкости при уменьшении толщины слоя, прямо пропорционально уменьшается площадь пластин конденсатора. То есть можно реализовать конденсаторы меньшего размера. Также при уменьшении толщины слоя, возрастает разрешающая спо- собность расположения элементов по вертикали. По этим причинам для производства выбрана толщина слоя −38 мкм. На производстве применяется набор серебряных паст, (AgPd) фирмы DuPont. Про- водимость паст − 6 10 4 4 ⋅ См/м. Номинальная толщина слоя печатных провод- ников 10 мкм. Элементарная база многослойных схем на основе LTCC В однослойных гибридных ИС СВЧ основную часть площади подложки занимают пассивные компоненты. Одним из основных преимуществ много- слойных ИС является очень высокая плотность компоновки пассивных компо- нентов за счет их размещения в нескольких слоях LTCC. Благодаря увеличению степени интеграции можно значительно уменьшить габариты СВЧ устройств. Технология LTCC. предоставляет возможности для реализации пассив- ных компонентов в виде отрезков линий передачи (элементов с распределенны- ми параметрами) и квазисосредоточенных LC-элементов. Как и в планарных (однослойных) ИС СВЧ, в многослойных структурах Рисунок 8.41 – Симметричная полосковая линия передачи ‒ а), связанные полосковые линии: б) ‒ с боковой, в) ‒ лицевой связью 28 могут использоваться отрезки полосковых, микрополосковых и копланарных линий передачи. На практике наиболее часто применяется симметричная по- лосковая линия передачи (рис. 8.41а). Наличие экранов сверху и снизу струк- туры исключает потребность в дополнительном корпусировании устройства. В отличие от планарных ИС СВЧ, размещение элементов в нескольких слоях позволяет реализовывать связанные линии передачи не с боковой (рис. 8.41б), а с более сильной лицевой связью (рис. 8.41в), предоставляя тем самым дополни- тельную степень свободы, необходимую для создания направленных ответви- телей с сильной связью и широкополосных фильтров. Преимуществом элементов с распределенными параметрами — отрезков линий передачи, шлейфов, резонаторов и т. д. является сравнительно высокая добротность. Главный недостаток — значительные габариты устройств, выпол- ненных на таких элементах, которые тем больше, чем ниже рабочая частота. Поэтому для нижней части микроволнового диапазона (1–5 ГГц) целесо- образно реализовывать устройства на квазисосредоточенных LC-элементах ( квазисосредоточенными принято называть элементы, геометрические размеры которых меньше 1/8 длины волны в линии), что позволяет обеспечить малые габариты устройств даже при использовании керамики с невысокой диэлектри- ческой проницаемостью 7 10 ε = − Еще одним преимуществом таких устройств является отсутствие паразитных резонансов высших гармоник, которые харак- терны для устройств на элементах с распределенными параметрами. Квазисосредоточенные емкостные элементы выполняются в виде плоско- параллельных (рис. 8.42а) или встречно-штыревых конденсаторов. Встречно- штыревые конденсаторы могут быть однослойными (рис. 8.42б) или много- слойными (рис. 8.42в). Квазисосредоточенные индуктивные элементы выполняются в виде от- резков линий передачи, входной импеданс которых носит индуктивный харак- тер. В простейшем случае индуктивность представляет собой прямой отрезок линии передачи (рис. 8.43а). Такие элементы используют для реализации высо- кодобротных индуктивностей небольших номиналов (до 2 нГн). С целью эф- фективного использования площади подложки отрезкам линии придают форму петли (рис. 8.43б) или меандра (рис. 8.42в). Спиральная индуктивность (рис. 8.43г) позволяет получить большие по сравнению с петлевой и меандровой реа- лизациями номиналы за счет положительной взаимной индуктивности между витками. Это связано с тем, что в спиральной индуктивности направление 29 тока одинаково для всех витков, в то время как в соседних проводниках меанд- ровой или петлевой индуктивности ток течет в противоположных направлени- ях, вследствие чего взаимная индуктивность отрицательна. Номинал спираль- Рисунок 8.43 – Квазисосредоточенные индуктивные элементы Рисунок 8.42 – Квазисосредоточенные емкостные элементы 30 ных индуктивностей может достигать 50 нГн в зависимости от геометрии структуры: количества витков, ширины полосковых проводников и расстояний между ними. В многослойных схемах на основе LTCC также возможна реализация трехмерных индуктивных элементов, расположенных в нескольких слоях, так называемых «стековых» и «соленоидных» индуктивностей. «Стековая» индуктивность представляет собой комбинацию из несколь- ких спиральных индуктивностей, расположенных друг над другом в разных слоях и соединенных при помощи межслойных соединений. В простейшем случае одновитковых спиралей «стековая» индуктивность приобретает вид, по- казанный на рис. 8.43д. За счет магнитной связи между витками, расположен- ными друг над другом, «стековая» индуктивность позволяет получить большие номиналы и высокую добротность при малой занимаемой площади. Другой вариант многослойного индуктивного элемента — «соленоидная» индуктивность (рис. 8.43е) — представляет собой пространственную спираль, витки которой перпендикулярны слоям керамики. Подобная конструкция по- зволяет реализовывать наибольшие значения номиналов индуктивности (до 200 нГн) при высокой добротности. Недостатком «соленоидной» индуктивности является сложность реализации. Квазисосредоточенные индуктивные элементы могут быть включены как последовательно, так и параллельно. Для обеспечения параллельного включе- ния индуктивного элемента один его конец соединяется с заземленным экраном посредством межслойного соединения. Разные способы соединения квазисосредоточенных индуктивных и емко- стных элементов позволяют реализовывать колебательные контуры различных типов. Многослойные схемы на LTCC могут содержать дискретные навесные резистивные элементы или выполняемые по толстопленочной технологии инте- гральные резисторы, для изготовления которых применяются специальные пас- ты на основе металлов с высоким удельным сопротивлением. Поверхностно- монтируемые резисторы, как правило, имеют большой номинал. Резисторы ма- лого номинала (до 100 Ом) предпочтительнее делать интегральными. Преиму- щество интегральных резисторов состоит в том, что они могут не только распо- лагаться на поверхности ИС, но и быть встроенными между слоями керамики как обычные слои металлизации. 31 Помимо резисторов на изготовленную многослойную схему могут уста- навливаться другие навесные компоненты, среди которых пассивные и актив- ные СВЧ компоненты и ИС, микроэлектромеханические системы, антенны, микро- процессоры и т. п. Техноло- гия LTCC поддерживает различные способы уста- новки и коммутации навес- ных компонентов: пайку, сварку, технологию по- верхностного монтажа и др. На рис. 8.441 показана 3D модель схемы, реализованной на LTCC. 8.9.5 Фильтры на основе LTCC На основе LTCC реализуются СВЧ фильтры как на элементах с распре- деленными параметрами, так и на квазисосредоточенных элементах, а также фильтры, исполь- зующие их комбина- цию. Накопленный опыт проектирования планарных фильтров на отрезках линий передачи был успеш- но перенесен разра- ботчиками на фильт- ры, реализуемые на LTCC . Такие фильт- ры, как правило, яв- ляются аналогами традиционных планар- ных конструкций, рас- ширенных специфическими возможностями технологии многослойных ИС, на- пример использованием связанных линий передачи с лицевой связью. На LTCC одинаково удобно реализуются фильтры в полосковом, микрополоско- вом и копланарном исполнениях. Тем не менее, на практике наиболее часто ис- Рисунок 8.44 − 3D модель схемы, выполненной на LTCC Рисунок 8.45 − Конструкции фильтров на LTCC 32 пользуется структура полосковой линии передачи, имеющей заземленные экра- ны сверху и снизу. Фильтры на распределенных элементах наиболее целесооб- разно применять в миллиметровом диапазоне длин волн, где размеры устройств получаются достаточно малыми даже при использовании полуволновых резо- наторов. Контрольные вопросы 1 . Провести классификацию СВЧ частотных фильтров. Изобразить экви- валентные схемы НЧ, ВЧ, ПП, ПЗ фильтров. 2 . Объяснить общую схему проектирования СВЧ фильтров, назвать ос- новные этапы проектирования. 3 . Привести примеры конструкций ППФ и ПЭФ с непосредственными и четвертьволновыми связями. Изобразить их эквивалентные схемы. 4. В чем суть условия физической реализуемости АЧХ Рекомендованная литература 1 . Сазонов Д.М., Гридин А.И., Мишустин Б.А. Устройства СВЧ. Учебное пособие / Под ред. Д.М. Сазонова.. - М.: Высш. школа, 1981 - 295 с., ил. 2 . Фельдштейн А.А., Явич Л.Р., Смирнов В.П. Справочник по элементам волноводной техники - М., Сов. радио, 1967, 651с. 3 . Неганов В.А, Яровой В.П. Теория и применение СВЧ устройств. М.:Радио и Связь, 2006 - 720 с. 4. R. E. Collin. Foundations for Microwave Engineering. 2-nd ed. McGraw- Hill, Inc. 1992. З924 p. 5. D. M. Pozar. Microwave Engineering. 2-nd. еd. John Willey&Sons, Inc. 1998, 716 p. |