книги / Микрополосковые излучающие и резонансные устройства
..pdfЕ.И.НЕФЕДОВ, В.В.КОЗЛОВСКИЙ, А.В.ЗГУРСКИЙ
М И К Р О -
П О П О С К О В Ы Е
ИЗЛУЧАЮЩИЕ
И РЕЗОНАНСНЫЕ КТРОЙСТВА
Киев
«Тэхника»
19Э0
ВБК 32.845 Н5& УДК 621.38
Рецензенты д-р техн. наук Л. Г. Гассанов, канд. техн, наук В. В. Сенченко Редакция литературы по энергетике, электронике, кибернетике и связи
8ав. редакцией 3. В. Божко
Нефедов Е. И. и др.
Н58 Микрополосковые излучающие и резонансные устройства /Е. И. Нефедов, В. В. Козловский, А. В. Згурский.— К. <Тэхника, 1990.— 160 с.
ISBN 5-335-00730-3
Изложены, методы проектирования микрополосковых излучающих и резонансных устройств, предназначенных для использования в радиоэлектронной аппаратуре, и объемных интегральных схем СВЧ и КВЧ. Приве дены данные по электродинамическим свойствам различных типов полоско вых волноведущих структур, являющихся основой для построения антенн, резонаторов, фильтров и других базовых компонентов.
Рассчитана на инженерно-технических работников радиоэлектронной промышленности, может быть полезной студентам вузов соответствующей специальности.
ББК 32.845
ISBN 5-335-00730-3
©Нефедов Е. И., Козловский В, В.» Згурский А. В,, 1990
Актуальной задачей современной радиоэлектроники и вычи слительной техники является создание быстродействующих си стем обработки информации. Один из подходов к ее решению основывается на обработке сигналов сверхвысоких частот (СВЧ). Практическая реализация радиоэлектронной аппаратуры СВЧ (РЭА СВЧ) возможна при широком использовании микро электроники и технологии интегральных схем.
Для построения СВЧ устройств используют различные полос ковые конструкции. Основой построения полосковых устройств СВЧ служат отрезки линий передачи, которые можно разделить на две большие группы. К первой группе относят полосковые ли нии, использующие поперечные или квазипоперечные волны, на-/ пример несимметричные и симметричные полосковые линии, об-, разованные плоскими тонкими проводниками, разделенными, слоями диэлектрика. Ко второй группе относят симметричные и несимметричные щелевые линии. Для этих линий характерно, присутствие продольной'составляющей электромагнитного поля., Щелевые линии применяются в объемных интегральных схемах (ОИС) СВЧ. Они реализуют электромагнитные связи в ОИС и обеспечивают требуемое включение полупроводниковых структур сосредоточенного и распределенного типов.
Совокупность полосковых линий образует элементную базу интегральных схем СВЧ, составной частью которых являются из лучающие и резонансные устройства (антенны, резонаторы, фильтры). Как показывает опыт, в одном интегральном модуле целесообразно использовать не более трех — пяти типов линий передачи. Чрезмерное увеличение числа линий передачи и коли чества связей между ними существенно усложняет технологию изготовления и не улучшает электрических характеристик моду ля. Для улучшения электрических характеристик устройств СВЧ' можно использовать неоднородные полосковые линии, в которых закон изменения распределенных параметров зависит от длины линии. Практически это осуществляется варьированием по длине линии ширимы металлических полосок и. ширины щелей. В ре зультате изменяются электромагнитные связи в линии и электри ческие характеристики-устройств СВЧ. Таким способом можно получить заданную диаграмму направленности микрополосковой антенны (МПА), требуемую амплитудно-частотную характери стику (АЧХ) фильтра, обеспечить'требуемое распределение резо нансных частот резонатора и заданную добротность.
Применение интегральной технологии позволяет создавать МПА при весьма жестких и противоречивых требованиях к элек тродинамическим, аэродинамическим, габаритным, весовым и стоимостным параметрам. Микрополосковые антенны по сравне нию с вибраторными имеют меньшую массу и габаритные разме ры (от одного до трех порядков). Кроме того, МПА способны излучать энергию с линейной, круговой и эллиптической поляри зацией, имеют удобные конструкции для работы в двух или мно гочастотных режимах, позволяют объединить многие элементар ные излучатели и фазированные антенные решетки (ФАР) и раз местить их на поверхностях сложной формы: искусственных спутниках Земли, космических кораблях и других летательных аппаратах.
Расчет микрополосковых устройств сложен и требует строго го математического моделирования, основанного на рассмотре нии трехмерных электродинамических структур. Построение ма тематических моделей, адекватных исходным физическим зада чам, представляет трудную задачу. Анализ и синтез даже про стейших полосковых устройств, как правило, возможен только с использованием приближенных методов и ЭВМ.
Наиболее широкое применение находит метод Олинера. Этот метод позволяет в одноволновом приближении найти волновое сопротивление полосковой линии. Физической основой данного метода является предположение о том, что энергия рабочей вол ны сконцентрирована в небольшой окрестности токонесущего проводника. Предполагается, что распределение полей в попереч ном сечении линии мало изменится, если на некотором расстоя нии от токонесущего проводника поместить идеальные магнитные стенки. Можно считать, что волновод, образованный магнитны ми стенками, эквивалентен полосковой линии передачи, если в волноводе и в линии соответственно равны длина волны, волно вое сопротивление и фазовая скорость. Из этих условий и опре деляют основные расчетные соотношения для полосковой линии, бная волновое сопротивление линии, для анализа и синтеза по лосковых устройств можно использовать теорию линий передачи.
Основные вопросы, затронутые в книге, обсуждались на все союзных конференциях по математическому моделированию и САПР радиоэлектронных систем СВЧ на ОИС.
Отзывы и пожелания просим направлять по адресу: 252601 Киев, 1, ул. Крещатик, 5. Издательство «Тэхника».
Глава 1
ПОЛОСКОВЫЕ АНТЕННЫ
1. КЛАССИФ ИКАЦИЯ ПОЛОСКОВЫ Х АНТЕНН
Полосковые антенны (ПА) имеют малые габаритные размеры и массу, низкую стоимость, металлоемкость и обладают конформ ностью — возможностью в наибольшей степени по сравнению с дру гими типами антенных устройств следовать за формой объекта, на котором они располагаются.
Отличительной особенностью современных ПА является их малая (по сравнению с длиной волны А) толщина d (dTk <£ 1). Из готовленные по технологии интегральных схем (ИС) ПА обеспечи вают высокую повторяемость размеров. В связи с крупными успе хами микроэлектроники СВЧ и технологии создания больших пе чатных плат значительно улучшились свойства диэлектрических подложек и металлических покрытий, из которых изготовляют излу чатели и фидерный тракт ПА (14; 271.
Простейшая ПА представляет собой участок металлической плоскости (5-излучатель), расположенный обычно на тонком ди электрическом листе (экране), который, в свою очередь, лежит на металлическом основании (рис. 1, а) *, В более сложных конструк циях излучатель располагается на многослойной магнитодиэлектри ческой структуре (рис. 1, б), а на нем сверху может размещаться защитное покрытие ЗП (рис. 1, в). Покрытие ПА может быть как спе циальным, так и несанкционированным (например, снег, лед и т. п.). Из элементарных излучателей (ЭИ) строят одно- и двухмерные (рис. 1, г) антенные решетки (АР). Сравним АР и ПА по массе и за нимаемой площади. Например, турникетная антенна на полуволно вых вибраторах с рефлектором весит 200—300 г, ПА с теми же электродинамическими характеристиками — 30 г. Стандартный по луволновой резонансный микрополосковый излучающий элемент (ЭИ) занимает площадь 0,25А,2/е (е — диэлектрическая проницае мость подложки), а более сложный по конструкции четвертьволно вой ЭИ — 0,08Я2/&. При этом схема питания занимает площадь 0,04Я2/е. Включение МП элементарного излучателя в состав фазированной антенной решетки (ФАР) требует фазовращателя, ко торый обычно занимает площадь порядка 0,1Я2/в [27; 38; 64). Поэтому для уменьшения площади, необходимой для размещения ПА и элементов согласования, управления, следует выбирать материал подложки с большими е, р. Но поскольку эффективность излучения
" В последние годи ПА и их решетки строят на одной подложке, например совместно о выходными полосовыми фильтрами, усилителями СВЧ, детекторами, усилителями промежуточной частоты и т. п. При этом подложка может быть элек трически толстой, Нередко используют подложки с большими 8, р.
зависит от интенсивности поля у кромок ЭИ, желательно брать материал с меньшими в, р.
Для уменьшения площади, занимаемой ПА (в особенности, виб раторными), в вибраторы включают реактивные элементы (нагруз ки) [381. Техника плоскостного печатного монтажа позволяет кон
струировать любые реактивности и удобно согласовывать их с кон струкцией ПА. На рис. 2 показаны топологии простейших плоскост ных (так называемых сосредоточенных) реактивных элементов и их эквивалентные схемы. Примеры реализации реактивных элементов
Рис, 2. Топология сосредоточенных элементов плоскостных интегральных схем и их эквивалентные схемы:
о — индуктивность! б — емкость (конденсатор встречно-штыревого типа); в — парал лельный резонансный контур; г — фильтр нижних частот
на основе плоских и объемных структур приведены в работах [7; 8; 251. Необходимо отметить, что размеры сосредоточенных реактив ных элементов весьма малы и составляют обычно величину, на по док меньшую А в диапазоне до 10 ГГц. Так, сосредоточенный эле мент индуктивности (рис. 2, а) величиной 1 нГн имеет ширину
0 ,15 мм и диаметр витка 0,5 мм. Конденсатор емкостью 2 пФ с диэлект риком из SiOa толщиной 0,5—1 мкм имеет размеры 0,2 X 2 мм. Конденсатор емкостью 0,01—1 пФ можно получить, используя встречно-штыревую структуру (рис. 2, б) при размерах 1 мм. Доб ротность элементов L и С в диапазоне частот до 10 ГГц составляет 50-100.
Включение реактивностей позволяет также в широких пределах изменять распределение тока по антенне, «управлять» ее диаграм мой направленности (ДН), коэффициентом направленного действия (КИД), расширять частотный диапазон ПА, резко уменьшать массу и габаритные размеры антенных устройств, совмещать функции приёма и излучения с одновременной обработкой радиосигнала в пространстве и времени. Это направление в практике конструирова ния ПА представляется весьма перспективным.
К настоящему времени па практике используется большое коли чество ПА, различающихся по назначению, конструкции, эксплуа тации, технологии и т. п. Условно ПА можно разделить следующим образом [24; 25; 38; 64]:
вибраторные — с индуктивным возбуждением, с кондуктивным возбуждением, шлейфовые, с включением реактивностей, поливибраторные антенны;
щелевые — возбуждаемые полосковыми структурами, с микрополосковым резонатором, открытый конец микрополосковой линии; плоские двухмерные — резонансные, нерезонансные, с распре
деленным возбуждением; частотно-независимые и многочастотные антенны — спиральные,
логопериодические, многочастотные; ПА с нелинейными элементами — активные, выпрямители СВЧ-
тока (ректеины). Предложенная классификация ПА является в не которой степени условной.
Элементарные излучатели (ЭИ). В ЭИ широко используется объединение разных функциональных элементов, составляющих единое целое (фидер, согласующие и симметрирующие устройства, резонансные пассивные вибраторы, фильтрующие элементы и т. п.). На рис. 3 показаны канонические формы ЭИ, на основе которые строят ПА и АР. Переход от канонических форм ЭИ к более слож ным структурным образованиям позволяет, наряду с основной из лучающей (принимающей) функцией ПА, решать задачи согласо вания активной и компенсации реактивной компонент входного сопротивлений ЭИ, расширения (сужения) полосы рабочих частот, обеспечения «чистоты» поляризации излучения, удобства составле ния АР и ЭИ. Особые требования к ЭИ и их функциональным объе динениям предъявляются при переходе от плоских к объемным интегральным схемам (ОИС) [71. При этом ЭИ (или группа ЭИ, состав ляющих АР) непосредственно соединяется с входным полосовым фильтром для разделения отдельных каналов обработки сигнала с
минимальным числом коммутационных линий. Это существенно' увеличивает степень развязки между отдельными каналами, сни жает паразитное излучение питающих излучающие элементы ли ний, позволяет регулировать полосу пропускания ПА. В работе [8] описаны компактные конструкции диаграммообразующих мат риц ФАР.
Канонические ЭИ являются слабонаправленными излучающими (принимающими) элементами ПА. Так, стандартный прямоугольный ЭИ (рис. 3, а, б) в 5-плоскости имеет ДН решетки из двух линейных излучателей (открытых концов микрополосковой линии (МПЛ));
О <эоо
|
|
|
|
|
|
Ж |
з |
и |
к |
л |
и м |
н |
0 |
Рис. |
3. Канонические формы элементарных |
излучателей |
ПА |
шиоина ДН (по уровню половинной мощности) для полуволнового вибратора равна примерно 100°, а для более сложного по конструк ции четвертьволнового вибратора — 140—150° В Я-плоскости прямоугольный ЭИ имеет ненаправленное излучение. Для создания узких ДН из ЭИ формируют АР (см. рис. I, г) 17; 8; 10; 38; 35; 40; 41].
Частным случаем прямоугольного ЭИ (рис. 3, б) является квад ратный. Направление вектора поляризации поля излучения совпа дает G направлением той диагонали квадрата, которая проходит через точку питания ЭИ. Квадратный ЭИ позволяет с помощью реак тивного шлейфа, подсоединенного к одной из его сторон, менять поляризацию поля излучения от линейной до круговой. Некоторое видоизменение формы, устройство щелей, шлейфов позволяет зна чительно расширить функциональные возможности ЭИ канониче ских форм, в частности, улучшить их диапазонные свойства 16]. В АР широко применяют дисковые (рис. 3, в), кольцевые (рис. 3, ж) ЭИ и их модификации (рис. 3, г, з, и).
Большинство представленных на рис. 3 ПА относится к резонан сным. О.ш имеют малый диапазон, неравномерность частотной харак теристики. Применение различных схем питания, шлейфов в ЭИ улучшает его электрические свойства. Например, получить в одном узле, состоящем из двух или более ЭИ, функционирующую ПА на нескольких достаточно близких частотах. Такие ПА реализо ваны на прямоугольных, дисковых ЭИ (рис. 3, б, в), а также на «полых* (рис. 3, ж, з). На место удаленной из прямоугольного или
кругового ЭИ средней части можно поместить ЭИ меньших раз меров.
В нерезонансных ПА применяют ЭИ эллиптической, ромбовид ной, треугольной и шестиугольной форм (рис. 3, д, е, к, «), а также многочисленные их модификации. Хорошими диапазонными свой ствами обладает ЭИ эллиптической формы (рис. 3, д) 177; 83]. Для создания многополосных излучателей ПА применяют многослой ные структуры, состоящие, например, из эллиптического ЭИ [6],
атакже секторные, кольцевые, треугольные (рис. 3, г, ок, к) ив виде открытого конца МПЛ (рис. 3, о) [6; 24; 25].
Щелевые антенны (ЩА) широко применяют в аэрокосмической технике наряду с излучателями вибраторного и резонаторного видов,
атакже для реализации ФАР на их основе [6; 59]. ЭИ щелевого типа показан на рис. 3, м. Для щелевого ЭИ (см. рис. 3, м), выполненно го на диэлектрической пластине с е = 2,1 и tg 6 <С 10-3, коэффи циент усиления составляет около 3 дБ.
Для миллиметровых волн начинают применять различные ди электрические антенные структуры, а также комбинации диэлектри ческих волноводов, микрополосковых структур и антенн вытекаю щих волн на основе периодических структур самого различного ти па [20; 23; 27]. Известны попытки создания ПА сложной формы [59]. При этом поле излучения находят методом Монте-Карло на гибридной аналого-цифровой ЭВМ. Следует отметить, что применение гибридных аналого-цифровых ЭВМ для проектирования объем ных интегральных схем (ОИС) сверхвысоких и крайневысоких час тот (СВЧ и КВЧ) представляется весьма перспективным, а во мно гих случаях и единственно возможным [25; 59].
ПА можно применять для построения солнечных космических электростанций. В наземной части этих станций предполагается ис пользовать ПА — выпрямители (ректенны). Сравнительный ана лиз схем выпрямителей дан в работе [28].
Отметим, что применение ПА открывает широкие возможности для создания комплексов «активных» антенн, позволяющих решить задачу о синхронном сложении мощностей многих полупроводнико вых генераторов. Поэтому полупроводниковые генераторы перспек тивны для использования в качестве элементов ФАР. В ряде слу чаев стабильность параметров поддерживается с помощью быстро действующих процессоров, встроенных, например, в каналы ФАР. По этим же каналам можно передавать сигналы электронного уп равления ДН ФАР. Известны реализации электрически управляе мых антенн в диапазоне видимого света.
Волноведущие полосковые структуры. Печатные ЭИ и ПА из них в большинстве случаев строят на основе различных волноведу щих полосковых линий (ПЛ) открытого типа. Например, ЭИ прямо угольного типа (рис. 3, б) представляет собой отрезок регулярной МПЛ, соединяющий два излучающих раскрыва (на рис. 3, б они
1 # *
\*
©
©
\'* г
О
Л'"*г
©
|
|
|
|
|
i |
1 Ч Ч |
Ч К |
W |
( |
||
\ |
|
4 4 . |
|
ЧЧч |
|
1 |
|
^ |
|
ч г |
Т |
/ |
^ |
|
|
V * |
|
\ |
Ч |
N |
Ч |
N |
' |
\ ч |
|
Ч |
Ч |
Ч |
1 . |
©
\ * ' «: |
• г * |
\ |
\ ~ |
~ * * ( |
Д7Ч |
у ^ Г = ч |
Г |
^ 'Г {'"* ^ ~ л |
Г ^ 7 т |
||
в Т ',',* * |
А . |
1 |
|
<*» ** М |
|-“V '"'ж, / |
© |
|
|
© |
© |
© |
|
|
|
|
|
T 7 7 Z 7 7 T |
\* Г |
ллг |
* Г i |
1 ЛГ |
Л * |
ЛГ* 1 |
©
у т ^ р с
Ъ v \4 V
©
[ ^ K " s i ~ a
ф
J 4 4 4 |
V !4 |
J |
\ |
ЧчЧ |
\А С |
©
\ ж Ж * |
|
и |
_"ж_^"ж\ |
/ |
У* |
|
|||
Ч.ч ч Ч1 |
|
чччч |
Yf% |
|
|
w |
|||
\Г NS ЧNч |
|
1ЧЧК |
|
4№ч |
Ч ^ Г |
|
|||
|
|
|
|
|
|||||
® |
® |
® |
|
|
|
|
® |
|
|
|
а |
|
|
|
|
|
|
|
|
> 0* * * \Г |
\~ ~ *'«< |
|
К' |
^ |
|
/ |
|
N1^ |
f ^ |
к 'Л ',',L |
Y s','s',< |
|
|
|
Л ' |
^ 1 |
|
K |
w |
|
к* ^ |
|
|
|
|
|
|
||
© |
© |
|
© |
|
|
|
|
® |
|
7 |
/ / / / # л г\ |
1 \ч ч\ >9 |
гЖ г ^///\
©®
|
V' |
' |
' м |
|
Г * |
^ |
^ |
* * ■ ' * * ) |
А ч Г 1 ^ Г / |
||
k |
|
|
|
\ L , ' * ' Л |
|
|
|
1 |
© |
|
|
/ "ж 'ж-» Т ч Ч - ^ l чч чч чх чх/
©®
L" . " s s " * \
1 ы |
^ |
^ |
1 |
A X I X U A J
Y * М м s r , s
©
©
|
|
|
А |
|
|
|
* Г [ |
|
|
" |
ж |
' ж |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
ж ^ |
" к |
\ |
ч |
ч |
Ч |
5 * |
т т < |
г г |
|
ЧЧЧ |
|
ччч |
Ч \ |
|
) ч |
|
ч |
ч |
ЧЧЧ |
Ч 4 \ |
1 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/ |
/ |
/ |
/ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
" ''Ж ^ ж '’' ж 1 |
||||
|
|
|
V |
- |
- V |
М |
|
|
|
^ |
/ |
/ |
/ |
/ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
© |
|
|
© |
|
|
|
|
© |
|
© |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6
|
|
|
rvTT-T" |
чч |
^ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i]° |
^ ^ |
|
А'.'ч^ч'чЧ |
чч чч ч |
Г ' ж- ^ |
Y '* |
|
'ж |
''ж ) |
I * |
|||||
|
|
|
Г-г |
Г*ж> |
лг |
|
|
|
|
|
|
|
|
~ |
|
© |
|
|
© |
1 |
|
|
© |
|
© |
|
|
|
|
|
© |
|
|
|
|
© |
|
в |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
~ К |
|
|
/гж ' Л |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
ЧЧЧ |
ЧЧ> |
ЧЧЧ |
/ |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
к% |
|
|
\чЛ |
|
|||
_________________________________ |
\ L * * |
* s |
' ' v \ |
^>Г |
^ +\ |
I " s " s " s l |
Г * 1 |
||||||||
V ' s s |
" s s " |
, |
{ \ " , " s s " А |
|
|
|
|
|
\S /S |
Л* |
S S / |
4ri |
|
||
|
|
|
|
|
|
г |
|
|
1 |
|
А¥ |
|
|
||
О |
|
|
© |
© |
|
© |
|
© |
|
|
|
|
|
© |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Рис. |
4. |
Полосковые линии для объемных |
интегральных |
схем СВЧ: |
вимнетричиые; б — несимметричные; ь — несимметричные щелевые; г г^ копланарные