Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионально...
131 downloads
387 Views
557KB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нойкин Ю.М., Нойкина Т.К., Прищенко А.М., Синявский Г.П.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к выполнению специального лабораторного практикума «Радиофизика и электроника» (специальность 013800, радиофизика и электроника)
Часть 13
МИКРОПОЛОСКОВАЯ ЛИНИЯ
Ростов-на-Дону 2005
Кафедра прикладной электродинамики и компьютерного моделирования
Печатается по решению учебно-методической комиссии физического факультета и рекомендовано в качестве методических указаний для выполнения специального лабораторного практикума «Радиофизика и электроника» для студентов 3 курса дневного и 4 курса вечернего отделений Основание: Протокол № 3 от 2 марта 2004 г. Рецензенты: доцент Орлов С.В. (кафедра радиофизики) доцент Чеботарев Г.Д. (кафедра квантовой радиофизики) Ответственный редактор – профессор кафедры ПЭКМ Лерер А.М. Авторы: Нойкин Ювеналий Михайлович – доцент; Нойкина Тамара Константиновна – доцент; Прищенко Александр Михайлович – к.т.н., с.н.с.; Синявский Геннадий Петрович – профессор; Компьютерный набор и верстка: Зинченко О.С. Витченко Н.В.
2
Лабораторная работа № 13 МИКРОПОЛОСКОВАЯ ЛИНИЯ Цель работы
Подготовка к работе
- изучить физический принцип действия, конструкцию и параметры микрополосковой линии на примере микрополоскового фильтра. - занести в рабочую тетрадь: 1) название и цель лабораторной работы; 2) основные положения, формулы и рисунки необходимые при ответе на контрольные вопросы. 1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Линией передачи называют устройство, ограничивающее область распространения электромагнитных колебаний и направляющее поток электромагнитной энергии в заданном направлении. Линии передачи – полосковые, волноводные и коаксиальные (жёсткие или гибкие), используются для передачи сигналов от передатчика к антенне и от антенны к приёмнику для соединения блоков аппаратуры, модулей и узлов. Отрезки линии передачи служат основой конструкции ряда устройств. Линии должны быть просты в изготовлении, пригодны для работы в широком диапазоне частот, обладать достаточной электрической прочностью, минимальными габаритными размерами и массой, устойчивостью к механическим и климатическим воздействиям и не приводить к недопустимым потерям и искажениям сигналов. В линиях передачи СВЧ могут распространятся в общем случае волны четырех классов: Е – электрические волны, Н – магнитные, Т – поперечные электромагнитные волны и ЕН (НЕ) – гибридные. Каждый класс включает множество типов волн, отличающихся друг от друга структурой поля, а также значениями коэффициента распространения, волнового сопротивления, критической частоты (начиная с которой данный тип волны 3
может распространятся) и других параметров. На практике, как правило, используется только основной тип волны линии передачи, которому соответствует
наименьшее
значение
fkp
(наибольшее
значение
λkp = c / f kp = ( εµy kp ) −1 ). Коэффициент распространения волны любого типа в реальной линии (с потерями) – величина комплексная:
γ& = α + β j ,
(1)
где α – постоянная затухания, 1/м; β – постоянная распространения, рад/м. Для постоянной распространения справедливы выражения:
β = 2π / λ = kc / υ ф = kυ гр / c,
(2)
где λ – длина волны в линии; υф – фазовая скорость; υгр – групповая скорость волны в линии; с – скорость света; k =2π/λ – волновое число в свободном пространстве. Величина передаваемой по согласованной линии передачи мощности Р зависит от амплитуды поперечных составляющих напряженности электрического Е1 или магнитного Н1 поля и определяется выражением:
P=
0.5 Z E ,H ,T
∫
2
E⊥ dS = 0.5Z E ,H ,T
S⊥
∫
2
H ⊥ dS ,
S⊥
(3)
где ZE,H,T –
характеристическое сопротивление волн типов Е,Н,Т соответственно; – поперечное сечение линии, через которую осуществляется S передача электрической энергии; Максимальное значение передаваемой мощности ограничивается
напряженностью пробоя Е = Е ПРОБ (ЕПРОБ=29кВ/см для воздуха). Потери электрической энергии в линиях передачи, обуславливаются в общем случае конечной проводимостью металлических направляющих элементов (стенок, проводников, оснований), неидеальностью диэлектриков 4
линии, а также её излучением (открытые линии передачи), приводят к убыванию амплитуды поля и передаваемой мощности при удалении от источника по экспоненциальному закону
EВЫХ = ЕВХ e −lz ; где E ВЫХ ( PВХ )
и
PВЫХ = PВХ e −lz ;
(4)
Е ВХ ( РВХ ) - напряженности поля (мощности) на
входе и выходе линии с потерями. Потери в линии длиной ℓ, измеряются в децибелах и определяются выражением: А = 10 lg(PВХ / PВЫХ ) = 20 lg(E ВХ / Е ВЫХ ) ≈ 8,68αl ,
(5)
где α – коэффициент затухания. Они снижают её коэффициент полезного действия η = РВЫХ / РВХ . Омические потери А линии передачи сказываются на её работе двояким образом: в результате поглощения мощности полезного сигнала уменьшается его уровень, но кроме того, элементы линии, находящиеся в термодинамическом равновесии с окружающей средой, излучают шумовые колебания. 2 ПОЛОСКОВЫЕ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧ 2.1 Общая характеристика Устройство и структура электромагнитного поля несимметричных и симметричных полосковых линий
а – ширина подложки; b и h – толщина подложки; W – ширина полоска; t – толщина полоска Рисунок 1 5
Полосковой линией передачи (ПЛ) называют такую линию, в которой проводник ленточного, круглого или квадратного сечения расположен на некотором расстоянии от металлической плоскости (основания) или заключен между двумя металлическими плоскостями (рисунок 1). Полосковые линии (ПЛ) и узлы на их основе широко применяются для работы на дециметровых, сантиметровых и реже на миллиметровых волнах. Особенностями ПЛ являются: • малые габаритные размеры и масса, поскольку используемый в них диэлектрик представляет собой тонкие пластины, а металлические плоскости – тонкие пленки; • большая широкополосность – критическая чистота fkp основной волны ПЛ равна нулю (по ПЛ может протекать постоянный ток); • удобное сопряжение с активными полупроводниковыми приборами; • невысокая стоимость, поскольку сами ПЛ и СВЧ узлы на их основе даже весьма сложной структуры могут быть выполнены по единой технологии одновременно, а плоская форма их конструкций облегчает автоматизацию воспроизводимостью параметров и производства с хорошей характеристик. Вместе с тем ПЛ обладают низкой электрической прочностью и пригодны для работы на сравнительно небольших уровнях мощности. Они имеют заметные потери энергии, малую добротность. Для проведения ряда измерений, например коэффициента стоячей волны напряжения (КСВН), требуется переход на коаксиальную линию. Наибольшее распространение в настоящее время получила несимметричная полосковая линия, конструкция и структура поля которой показаны на рисунке 1,а,б. Микрополосковой линией передачи (МПЛ) называется проводник ленточного типа 1 (полоска) прямоугольного сечения, расположенный на подложке 2 с высокой диэлектрической проницаемостью ( ε r 2 >> ε r1 ), на обратной стороне которой расположена заземлённая плоскость 3 (экран). Ещё существуют следующие полосковые линии:
6
металлическая
• высокодобротная (рисунок 2, а); • щелевая и её поле в двух сечениях (рисунок 2, б, в); • компланарная (рисунок 2, г); • связанные и их поле при нечётном возбуждении (рисунок 2, д, е); • широкополосная в экране (рисунок 2, ж). Типы полосковых линий
1 – заземлённая металлическая пластина (экран); 2 – проводник; 3 – диэлектрическая подложка Рисунок 2 2.2 Волны в полосковой линии. Т – волна Полосковая линия как несимметричная (рисунок 1, а), так и симметричная (рисунок 1, в), являются частным случаем направляющей системы открытого типа, состоящей из нескольких изолированных друг от друга металлических проводников, низший тип волны в этой линии – Т – волна. Строгий анализ сложен. Ограничимся приближенным рассмотрением этого вопроса путём сопоставления полосковой и коаксиальной линий, основанным на том, что полосковую линию в какой-то степени можно рассматривать как деформированную коаксиальную линию. При деформации поперечного сечения коаксиальной линии тип волны в ней не меняется. Меняется только форма силовых линий электрического и магнитного полей. На рисунке 3 показано, как от коаксиальной линии путем последовательного изменения формы проводников можно придти к 7
симметричной полосковой линии. На последнем этапе (рисунок 3, г) узкие боковые стенки внешнего проводника удаляются на бесконечное расстояние. Деформация поперечного сечения коаксиальной линии
E
E
E H
H
а)
в)
H
б)
E H
г) Рисунок 3 3 МИКРОПОЛОСКОВЫЕ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ Микрополосковая линия является одним из основных элементов микросхем СВЧ и широко используется в качестве составных частей таких устройств, как ответвители, делители мощности, фильтры, фазовращатели и другие. МПЛ характеризуется рядом параметров: волновым сопротивлением, коэффициентом потерь, предельной передаваемой мощностью, длиной волны и ее дисперсией. Рассмотрим некоторые параметры подробнее. 3.1 Характеристики МПЛ 1) Волновое сопротивление МПЛ зависит от конструктивных и электрических параметров проводника и подложки, поэтому является сложной их функцией. Так, волновое сопротивление МПЛ в предположении, что t h = 0, α → ∞, ε r1 = 1, ε r 2 = ε r , можно вычислить по формулам:
8
Zβ =
⎡ 8h W 2 1(ε r − 1) ⎛ π 1 u ⎞⎤ ⎜ ⎟⎥ при W/h≤1, − ln ln × + ⎢ln + 2 2(ε r + 1) ⎜⎝ 2 ε r π ⎟⎠⎦ 2(ε r + 1) ⎣ W 32h 120
(ε r − 1) ( E r + 1) ⎤ 60π ⎡ W + A⎥ Zβ = ⎢ + 0.44 + 0.082 2πε r ε2 ε r ⎣ 2h ⎦
(6)
−1
при W/h≤1 ,
(7)
где А=1,451+ln(W/2h+0.94). Погрешность расчета по (6) не превышает 1%, а по (7) – 2%. 2) Основной волной в МПЛ является квази Т-волна которая на частотах 1ГГц по своим свойствам и структуре практически не отличается от Т-волны (векторы Е, Н и υ взаимно перпендикулярны), но ее параметры зависят от частоты, что обуславливает зависимость фазовой скорости υф и волнового сопротивления Zβ от частоты, то есть дисперсию. Учет дисперсии основной волны можно провести, вводя эффективную диэлектрическую проницаемость εэф вместо εr, рассчитываемую по эмпирической формуле: 2
⎡ ( f f w )2 + 1 ⎤⎥ ε эф = ⎢ ε ⎢ ( f f w )2 + ε r ε ⎥ r эфо ⎦ ⎣
(8)
где: f – рабочая частота, ГГц;
16.2ε r0.25 fw = + 3.5 ; 1 + 0.12Wε r0.35 h
(9)
εэфо – эффективная диэлектрическая проницаемость, учитывающая неоднородность диэлектрика в МПЛ (Еr1, и Еr2). 3) Потери энергии в МПЛ характеризуются коэффициентом затухания волны. Коэффициент затухания обратно пропорционален расстоянию, которое должна пройти волна вдоль регулярной линии (в продольном направлении неизменны поперечное сечение и электромагнитные свойства заполняющих ее сред), чтобы ее амплитуда уменьшилась в L раз, что соответствует 1Нп (8,686 дБ). Коэффициент затухания МПЛ (дБ/м) для случая относительно не больших потерь: α = α Д + α М, (10) где: αД – постоянная затухания в диэлектрике; αМ – постоянная затухания в металле. 9
На рисунке 4 приведена зависимость коэффициента затухания от частоты для МПЛ различного волнового сопротивления, разной толщины подложки из поликора и полоски из меди. 4) Предельная частота волны, распространяющейся в МПЛ, определяется возникновением поверхностной волны, распространяющейся по поверхности электрической подложки по границе раздела диэлектрик – воздух. Частота (в гигагерцах) на которой возникают паразитные поверхностные волны, является предельной верхней частотой, до которой возможно использовать МПЛ, и определяется по формуле:
f =
75 ε r −1 . h
(11)
Зависимость коэффициента затухания МПЛ от частоты и некоторых конструктивных и электрических параметров
Рисунок 4 10
3.2 Связанные МПЛ Связанными называются две или несколько линий передач, между которыми имеется непрерывная по длине электромагнитная связь. Конструкция связанных линий МПЛ представления на рисунке 5. Связанные МПЛ передачи В связанных линиях могут существовать волны с чётным распределением поля, с нечётным, а также совокупность этих волн. Поэтому связанные линии характеризуем двумя значениями волновых сопротивлений: zOo при нечётном виде, возбуждения и zOе при четном (обозначение индексов произошло от английских слов odd - нечётный, even – чётный). Рисунок 5 Значение zOo (zOе) равно входному сопротивлению одной линии бесконечной длины при наличии второй бесконечной линии, когда обе они возбуждены противофазно (синфазно). Величины zOo и zOе не зависят от частоты и определяются размерами ПЛ и значением εr1, заполняющего линию диэлектрика. Если на вход одной из связанных параллельных линий подать мощность Р1, то мощность Р2, перешедшую во вторую линию можно найти из соотношения
P2 = P1 K C2 sin 2 θ (1 − K C2 cos 2 θ ),
(12)
где КС = (zOе – zOo)/ (zOе + zOo) – коэффициент связи; θ = 2πℓ/Λ – электрическая длина участка связи линий. С использованием этого соотношения рассчитываются направленные ответвители, мосты и т.п., реализуемые на связанных линиях. Соотношение между волновыми сопротивлениями: ZОe>ZО>ZОо. При конструировании связанных линий необходимо установить связь волновых сопротивлений ZОe и ZOо с их геометрическими параметрами. Длина области связи линий, используемых, например, в ответвителях, 11
фильтрах, обычна кратна четверти длины волны передаваемых колебаний СВЧ. Значения ZОe и ZOо для чётного и нечётного возбуждения различны, что приводит к отличию длин их волн при этих видах: λ Оe< λ O< λ Оо, где λ Оe, λ Оо – длины волн при чётном и нечётном возбуждении;
λ О – длина волны в одиночной МПЛ.
При конструировании устройств СВЧ появляется необходимость поворота, изгиба, разрыва и сочленения МПЛ одинаковой или различной ширины. Эти изменения геометрических размеров и формы МПЛ получили название неоднородностей. Влияние неоднородностей на характер распространения электромагнитных волн увеличивается с ростом частоты, поскольку размеры неоднородностей и длины волны становятся соизмеримыми. 4 МАТЕРИАЛЫ ПОДЛОЖЕК И ПРОВОДНИКОВ ПЛ Подложка как основной элемент ПЛ и несущая конструкция гибридных интегральных схем (ГИС) должна обладать малыми потерями, достаточно большой величиной εr и постоянством ее значения в широком диапазоне частот и температур; иметь хорошие сцепления с проводящим слоем (адгезию); быть химически стойкой, механически прочной, однородной по составу; допускать механическую обработку – резание, сверление, полировку до 12-14 класса шероховатости (среднее арифметическое отклонение составляет 0,04-0,01 мкм); обладать теплопроводностью, достаточной для устранения самоперегрева компонентов и элементов ГИС. Коэффициент теплопроводности КТ [Вт/(м*с)] численно равен количеству тепла, протекающего за секунду через противоположные грани единицы объема вещества при разности их температур в 1Со. В ГИС чаще всего применяют: • поликор (εr = 9,6); • низкочастотной части сантиметрового диапазона – глиноземную керамику 22хС (εr = 9,7); • ситалл СТ-38-1 (εr = 9,7); 12
• в высокочастотной части сантиметрового диапазона и на миллиметровых волнах – кварц, имеющий небольшое, но весьма стабильное значение εr=3,82. В устройствах с повышенным тепловыделением применяют подложки из брокирита (окись бериллия) (εr = 6,4 – 6,6), отличающегося высокой теплопроводностью. Для реализации невзаимных устройств применяют ферритовые подложки (εr = 13,8 – 16,3). Материал проводников ПЛ должен обладать высокой электропроводностью, малым температурным коэффициентом сопротивления, легко запыляться или электрически осаждаться на подложку. При тонкопленочной технологии вначале на подложку напыляют пленки хрома, ванадия или титана (толщиной 0,01-0,02 мкм), обладающих хорошей адгезией, на которые затем наносят пленки меди, серебра или золота. При тонкопленочной технологии смеси на основе золота или серебра вжигаются в керамику подложки. 5 РЕЗИСТОРЫ Резисторы находят широкое применении в микросхемах диапазона СВЧ: делителях, формирователях фаз, усилителях, детекторах, в качестве схемных элементов, оконечных нагрузок. Резистор, включенный в МПЛ, представляет собой отрезок линии передачи, выполненный из материала с высоким поверхностным сопротивлением. Входное сопротивление резистора: Z≈
где R С
– –
R , 1 + jωCR 3
(13)
номинальное сопротивление резисторов; емкость резистора, оцениваемая по формуле для плоского
конденсатора, и предполагается, что R>>ωL. Как видно из выражения (13), шунтирующая ёмкость снижает полное сопротивление на высоких частотах по отношению к сопротивлению на постоянном токе. Тонкопленочные резисторы с сосредоточенными параметрами малой длины (менее 1мм) могут использоваться на частотах до 18ГГц. 13
На основе сосредоточенных резисторов реализуется согласованные нагрузки, представляющие отрезок линии с резистором на конце. В нагрузочных резисторах на подложке из ситалла рассеиваемая мощность может достигать 3Вт/см2 , а на подложке из поликора – 20Вт/см2. При конструктивном расчёте следует учитывать перекрытия МПЛ и резистора. При увеличении сопротивления резистора от 50 до 500Ом перекрытие изменяется от 0,7 до 0,2мм. Для исключения влияния погрешности совмещения МПЛ с резисторами ширина МПЛ в этом месте должна быть вдвое больше погрешности совмещения. 6 КОНДЕНСАТОРЫ В широкосхемных диапазонах СВЧ широкое распространение получили конденсаторы с сосредоточенными параметрами, используемые в качестве блокировочных и переходных, а также в составе ряда устройств, например фильтров. В зависимости от назначения и величины ёмкости конденсаторы могут выполняться в виде планарной конструкции. Конденсатором для диапазона СВЧ является разрыв МПЛ (рисунок 6). Разрыв МПЛ Ca ZB
ZB
CB
CB
S
а)
б)
а – конструктивное исполнение; б – эквивалентная схема Рисунок 6 Ёмкость такого конденсатора мала и составляет доли пикофарады. Ёмкость 1-10пФ можно получить с помощью гребенчатых конденсаторов (рисунок 7).
14
Гребенчатый конденсатор
а – конструктивное исполнение; б – эквивалентная схема Рисунок 7 Их ёмкость зависит от ширины и длины штыря, зазора между штырями, числа секций и может быть вычислена (в пикофарадах) с точностью в пределах 5% по формуле:
C = (ε r 2 + 1)ε r1h[2 A1 ( N − 1) = A2 ] , 2
⎛h⎞ ⎛t ⎞ где: A1 = 0.614⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝S ⎠ ⎝h⎠
(14)
0.439
,
A2 =
t = 0.408 , (2 N − 1)(t + S )
h – ℓ – W1 – N – S –
толщина подложки; длина штыря; ширина штыря; число секций; зазор между штырями.
7 ИНДУКТИВНОСТИ Индуктивность в устройствах СВЧ применяют как элемент резонансного контура, высокочастотных дросселей, элементов настройки, комплектующих элементов.
15
Простейшим индуктивным элементом в диапазоне СВЧ является прямоугольных отрезок МПЛ. Его индуктивность составляет от 0,5 и может быть рассчитана по формуле:
l W +t⎞ ⎛ L = 0.2l⎜ ln + 1.193 + 0.224 ⎟ l ⎠. ⎝ W +t
(15)
Здесь величины W, l и t берутся в миллиметрах. По этой формуле можно также оценить индуктивность плоских выводов навесных элементов. Последовательно включенная индуктивность может быть сконструирована в виде скачка ширины МПЛ либо как показано на рисунке 8. Последовательная индуктивность в виде отрезка линии длиной l =λ/8 с высоким волновым сопротивлением
ZB1 ZB0
l
ZB0
ZB0
C
L
C
ZB0
б)
а)
а – конструктивное исполнение; б – эквивалентная схема Рисунок 8 Её эквивалентная схема может быть представлена в виде П-образного соединения двух малых ёмкостей и последовательной индуктивности. Ёмкости обычно настолько малы, что их влиянием при расчёте можно пренебречь. Индуктивность в генри можно рассчитать по формуле:
L = Z О l ε эфо / c ,
(16)
где с – скорость света. Индуктивность порядка единиц наногенри может быть получена с помощью одиночного витка круглой или прямоугольной формы (петли) (рисунок 9). 16
Различные формы индуктивности
Рисунок 9 Индуктивность (в наногенри) круглой петли рассчитывается по формуле: 2l L = 0.2l(ln − 2.45) , (17) W +t а индуктивность квадратной петли
L = 0.2l(ln
2l − 2.853) , W +t
(18)
где l – периметр или сторона квадрата соответственно; W,t – ширина и толщина проводника На рисунке 10 представлена зависимость индуктивности круглой петли от её ширины W и диаметра D. Для получения индуктивностей в несколько десятков и сотен наногенри используют плоские спирали круглой и прямоугольной формы. Индуктивность в наногенри круглой спирали:
L = 10 N 2 (r2 + r1 ) 2 /(15r2 − 7r1 ) ,
(19)
где r1, r2 – внутренний и наружный диаметр спирали; N – число витков. Индуктивность прямоугольной спирали
L = 2.41(r2 + r1 ) N 5 / 3 ln 4(r2 + r1 ) /(r2 − r1 ) , где r1, r2 – внутренний и наружный размер спирали. 17
(20)
Для получения индуктивностей, достигающих нескольких микрогенри на 1см2 поверхности, можно воспользоваться эффектом увеличения индуктивности при помещении контура в среду с большой магнитной проницаемостью Lµ=µэфL, где µэф – эффективная магнитная проницаемость среды. 8 ФИЛЬТРЫ 8.1 Общая характеристика фильтров Фильтрами СВЧ называют пассивные четырёхполюсники, осуществляющие передачу СВЧ колебаний в согласованную нагрузку в соответствии с заранее заданной частотной характеристикой. Конструктивными основными элементами фильтров СВЧ являются реактивные неоднородности, проходные резонаторы, а также соединяющие их отрезки линии передач. По принципу действия фильтры разделяются на отражающие и неотражающие. Фильтр может быть настроенным на фиксированную частоту и перенастраиваемый путём сопряжённой перестройки всех его звеньеврезонаторов. В зависимости от вида используемых элементов фильтры СВЧ могут быть волноводными, коаксиальными, полосковыми, твердотельными. При разработке фильтров, помимо требуемых электрических характеристик, учитывают возможность их перестройки и удобства подстройки, необходимой вследствие влияния корпуса, неоднородностей материала и других факторов, а также совместимости их конструкций с другими элементами твердотельных устройств (ТТУ) и модулей СВЧ. Важными параметрами фильтра является его затухание, вносимое в тракт. Полосу частот с малым допустимым затуханием называют полосой пропускания, а с большим – полосой задерживания. По взаимному расположению полос пропускания и задерживания различают фильтры низких частот (ФНЧ), фильтры высоких частот (ФВЧ), полосовые фильтры (ПФ), режекторные фильтры (РФ). 18
Принято считать, что к узкополосным полосовым (задерживающим) относятся фильтры, имеющие относительную полосу пропускания (задерживания) до 3%, к среднеполосным – от 3% до 10%, к широкополосным – свыше 10%. Поскольку в данной работе микрополосковая линия изучается на примере МПЛ фильтра, уделим фильтрам некоторое внимание. 8.2 Микрополосковые фильтры Наибольшее распространение в ТТУ получили микрополосковые фильтры. Их элементами являются короткозамкнутые (разомкнутые) отрезки МПЛ. На рисунке 10 приведена топология некоторых типов микрополосковых фильтров: • а – ФНЧ, образованного последовательностью чередующихся отрезков МПЛ с высоким и низким волновым сопротивлением. Фильтры этого типа просты в изготовлении, но имеют большую длину; • б – режекторного фильтра с уменьшенными потерями излучения с разомкнутых концов четвертьволновых шлейфов; • в – фильтра с разомкнутым параллельно связанными полуволновыми резонаторами, имеющими полосы пропускания 5-20% (ближайшая паразитная полоса пропускания удалена от центральной частоты fо на 2φо . Фильтры технологичны в исполнении, но требуют большой площади подложки); • г – фильтра на полуволнах подковообразных (шпилечных) резонаторах, свободного от недостатка предыдущей конструкции; • д – широко используемых фильтров на четвертьволновых встречных стержнях, закороченных на одном конце (важные достоинства этих фильтров – возможность получения как узких, так и широких полос пропускания (от 1 до 60%), большое затухание в полосе задерживания, удаление ближайшей паразитной полосы пропускания на 3φо, большие зазоры между резонаторами, удобные для реализации. Их недостаток – необходимость короткого замыкания стержней по обе стороны фильтра); • е – ПФ на комбинации щелевой и микрополовсковой линии. 19
Микрополосковые фильтры
Рисунок 10 9 ИЗУЧАЕМЫЙ МИКРОПОЛОСКОВЫЙ ФИЛЬТР 9.1 Топология Топология (рисунок) микрополосковой платы приведена на рисунке 11. Обратная сторона платы полностью металлизирована. Топология микрополосковой платы
Рисунок 11
20
Поверхности, выделенные на рисунке черным цветом, металлизированы следующим образом. Сначала на всю плату напыляется слой хрома, затем слой меди, затем проводится фотолитография, в результате которой стравливается медь в остальных областях. Затем гальваническим способом медные проводники покрываются серебром. С помощью индия произведена подстройка резонаторов. 9.2 Конструкция Изучаемый фильтр представляет собой микросборку (рисунок 12). Корпус 1 чашечного типа выполнен из сплава D16. СВЧ разъемы (СРГ – 50 – 751ФП) расположены с двух сторон корпуса. Разъем 2 является входным, разъем 3 – выходным. Конструкция фильтра 4 1 2
3
Рисунок 12 Внутри корпуса размещена микрополосковая плата 4, припаянная к рамке из титанового сплава для согласования коэффициентов линейного расширения. Микрополосковая плата выполнена на подложке из поликора размером 48х30х0,5 мм3 с диэлектрической проницаемостью εr = 9,6. Сверху корпус закрывается металлической крышкой, которая заменена плексиглассовой для удобства рассмотрения. 21
10 ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА Экспериментальное изучение физического принципа действия микрополосковых линий и фильтра, выполненного на их основе, производится на установке, структурная схема которой приведена на рисунке 13. Структурная схема лабораторной установки
Рисунок 13
На рисунке 13 обозначены: А1 – излучаемый фильтр; Р1 – мост термисторный Я2М-64 измерителя мощности М3-28; G1 – генератор сигналов высокочастотный Г4-78; W1 – вентиль ферритовый развязывающий Э6-33; W2 – переключатель высокочастотный к измерителю мощности М3-28; XW1 – переход коаксиальный с сечения 10х4,34мм на сечение 7х3мм;
22
XW2, XW3 – переход коаксиальный с сечения 16х7мм на сечение 7х3мм; А- кабель соединительный коаксиальный из комплекта Г4-78; Б – кабель соединительный коаксиальный; В – кабель низкочастотный из комплекта М3-28; х1, х2 – розетки прибора Р1. 11 УКАЗАНИЕ МЕР БЕЗОПАСНОСТИ ВНИМАНИЕ! При подготовке рабочего места и выполнении работы необходимо руководствоваться правилами, изложенными в "Инструкции по технике безопасности для студентов при работе в учебной лаборатории". Изучить раздел "Указания мер безопасности " в "Техническом описании и инструкции по эксплуатации" к каждому прибору, входящему в установку и руководствоваться им при работе. 12 ПОДГОТОВКА К ИЗМЕРЕНИЯМ 1. Переключатель ПРЕДЕЛЫ ИЗМЕРЕНИЙ mW на мосте термисторном Я2М–64 измерителя мощности М3–28 поставить в положение ВЫКЛЮЧИТЬ. Переключатель к М3–28 поставить в положение 0. 2. Нажать клавишу НГ генератора, ручкой –dB выставить деление 27.0, ручкой МHz выставить деление 1680. 3. Поставить ручку ВЫХОД mW1 в крайнее правое положение. 4. Включить приборы тумблерами СЕТЬ и подготовить их к работе согласно инструкциям. 13 ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ 1. Поставить переключатель ПРЕДЕЛЫ ИЗМЕРЕНИЙ mW в положение 0.15. 2. Выставить частоту 1680МГц. 3. Увеличивая частоту через 2MГц до конца диапазона генератора, произвести измерения АЧХ фильтра. 23
4. По окончании измерений переключатель ПРЕДЕЛЫ ИЗМЕРЕНИЙ mW поставить в положение ВЫКЛЮЧИТЬ. Переключатель высокочастотный в положение 0. 5. Тумблерами СЕТЬ выключить приборы. 14 УКАЗАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ Для того, чтобы оформить результаты, необходимо проделать следующее: 1. Построить АЧХ фильтра P, мВт = F(f), MГц . 2. Измерить ширину полосы прозрачности фильтра на уровне половинной мощности. 3. Определить по уровню половинной мощности нижнюю частоту fн и верхнюю частоту fв полосы прозрачности. 4. Определить среднюю частоту по формуле: fср=fн +(fв – fн)/2. 15 УКАЗАНИЯ К ОТЧЕТУ Отчет должен содержать: 1) все пункты задания; 2) структурную схему лабораторной установки; 3) результаты измерения, представленные в виде таблицы и графика; 4) выводы по работе и оценку полученных результатов (письменно). 16 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Что называется линией передачи? 2. Какие существуют классы волн. 3. Что такое коэффициент распространения волны? выражение. 4. Запишите выражение для постоянной распространения. 5. Запишите выражение для потерь в линии. 24
Запишите
6. Что называется полосковой линией передачи? Её особенности. 7. Что называется микрополосковой линией передачи? Типы полосковых линий. 8. Какая волна является основной в МПЛ? 9. Какие линии называются связанными? Чётные и нечётные волны. 10. Дайте характеристику подложек для МПЛ. 11. Элементы МПЛ – резисторы, конденсаторы, индуктивности. 12. Что называется фильтром. Краткая характеристика фильтров. 13. Микрополосковые фильтры. 14. Изучаемый фильтр. 15. Методика измерений. 16. Принцип действия приборов, входящих в установку.
25
ЛИТЕРАТУРА 1. Микроэлектроника: Учеб. пособие для втузов. В 9кн. /Под ред. Л.А. Коледова. Кн 7. 2. И.Н. Филатов, О.А. Бакрунов, П.В. Панасенко Микроэлектронные СВЧ-устройства. –М: Высшая школа, 1987. – 94с. 3. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т.1. Техника сверхвысоких частот. /Под ред. Н.Д. Девяткова. Учебник для студентов вузов по специальности “Электронные приборы”. – М: Высшая школа, 1970. – 440с. 4. Сазонов Д.Н., Гриндин А.Н., Мишустин Б.А. Устройства СВЧ. – М: Высшая школа, 1981. – 285с. 5. Спецпрактикум по сверхвысоким частотам: Учеб. пособие /Под ред. В.С. Михалевского. – Ростов-на-Дону: Изд. Ростовского университета, 1969. – 96с.
26
ВЫПИСКА из протокола № 12 заседания Кафедры ПЭКМ от 27.01.2004 г. СЛУШАЛИ:
Доцента Нойкина Ю.М. об издании рукописи через УПЛ РГУ.
ПОСТАНОВИЛИ: Рекомендовать
издать
рукопись
Прищенко
А.М.,
Нойкина Ю.М., Нойкиной Т.К., Синявского Г.П., Стариковой А.Л. «Методические указания к выполнению специального лабораторного практикума «Радиофизика и электроника» Часть 13. Микрополосковая линия»
Секретарь кафедры ПЭКМ
Д.С. Губский
27
ВЫПИСКА из протокола № 2 заседания методической комиссии физического факультета РГУ от 03.02.2004 г. СЛУШАЛИ:
Доцента
Нойкина
Ю.М.
опубликованию рукописи
о
представлении
к
Прищенко А.М., Нойкина
Ю.М., Нойкиной Т.К., Синявского Г.П., Стариковой А.Л. «Методические указания к выполнению специального лабораторного
практикума
«Радиофизика
и
электроника» Часть 13. Микрополосковая линия» через УПЛ РГУ. ПОСТАНОВИЛИ: 1) Назначить рецензентами рукописи доцента КРФ Орлова С.В., доцента ККРФ Чеботарева Г.Д. 2) Назначить ответственным редактором профессора ПЭКМ Лерера А.М.
Председатель методической комиссии физфака профессор
Р.В. Ведринский
28
ВЫПИСКА из протокола № 3 заседания методической комиссии физического факультета РГУ от 02.03.2004 г. СЛУШАЛИ:
Председателя комиссии Ведринского Р.В. об издании рукописи через УПЛ РГУ.
ПОСТАНОВИЛИ: Издать рукопись Прищенко А.М., Нойкина Ю.М., Нойкиной Т.К., Синявского Г.П., Стариковой А.Л. «Методические указания к выполнению специального лабораторного
практикума
«Радиофизика
и
электроника» Часть 13. Микрополосковая линия» через УПЛ РГУ.
Председатель методической комиссии физфака профессор
Р.В. Ведринский
29
РЕЦЕНЗИЯ на рукопись Прищенко А.М., Нойкина Ю.М., Нойкиной Т.К., Синявского Г.П., Стариковой А.Л. «Методические указания к выполнению специального лабораторного практикума «Радиофизика и электроника» Часть 13. Микрополосковая линия». Рукопись методических указаний подготовлена специалистами с многолетним опытом работы в области физики и техники СВЧ. В ней удачно в сжатой и доступной форме изложен материал, посвященный микрополосковой линии, микрополосковому СВЧ фильтру и методике измерений фильтра. Несомненным достоинством работы, представленной на рецензию, является ее практическая направленность. Большое внимание уделено существу физических процессов, лежащих в основе работы микрополовсковой линии. В методических указаниях отражены на достаточную глубину различные аспекты проблем, с которыми сталкивается специалист в практической деятельности: взаимосвязь вопросов применения МПЛ, их принципа действия, техники измерений. Считаю целесообразно опубликование настоящей рукописи в УПЛ РГУ без доработки.
Доцент кафедры квантовой радиофизики
Г.Д. Чеботарев
30
РЕЦЕНЗИЯ на рукопись Прищенко А.М., Нойкина Ю.М., Нойкиной Т.К., Синявского Г.П., Стариковой А.Л. «Методические указания к выполнению специального лабораторного практикума «Радиофизика и электроника» Часть 13. Микрополосковая линия». Рецензируемая рукопись содержит описания лабораторной работы «Микрополовсковая линия» и методические указания к ее выполнению. Работа знакомит студентов с физическими процессами, протекающими в микрополосковой линии и фильтре, выполнением на ее основе, а также методикой изменения параметров фильтра. На основе полученных знаний студенты могут успешно изучать радиотехническую аппаратуру, аппаратуру радиосвязи и осваивать дальше технику измерения на СВЧ. Изложенный материал соответствует современным программам по радиофизической специальности. Приведенный список литературы облегчает самостоятельную работу студентов. Считаю, что рецензируемая рукопись методических указаний должна быть опубликована.
Доцент кафедры радиофизики
С.В. Орлов
31