ПРОЕКТИРОВАНИЕ И КОНСТРУИРОВАНИЕ СВЧ ИНТЕГРАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
На рис. 2,24 показаны 3 схемы одного разряда микрополосковых
фазовращателей. В схеме, приведенной на рис. 2.24, а, изменение фазы
обеспечивается переключением отрезков линии разной длины. В фазовращателе,
изображенном на рис. 2.24, б, используются свойства моста (как правило, это
микрополосковый квадратный мост).
В шлейфном фазовращателе (рис. 2.24, в) фаза изменяется за счет того,
что с помощью диода на конце шлейфа создается режим короткого замыкания или
холостого хода. При этом изменяется характер сопротивления, включенного в
линию. Такой фазовращатель может давать любые дискретные значения фазы,
кроме 180°. При значении фазы, близком к 180°, требуются слишком большие
волновые сопротивления шлейфов, и их невозможно реализовать.
[pic]
Достоинство полупроводниковых дискретных фазовращателей заключается в
том, что точность установки фазы определяется не уровнем управляющего
напряжения, а только фактом его наличия. Этим самым снижаются требования к
управляющему устройству.
Современные ФАР требуют трех- или четырехрядных фазовращателей (Дф =
45 или 22,5°). Трехразрядный фазовращатель Х-диапазона имеет потери порядка
1,5 дБ.
Интегральные СВЧ ферритовые приборы.
В технике СВЧ широко применяются ферритовые устройства. Это
объясняется тем, что феррит является практически единственной освоенной в
производстве средой с управляемым параметром (, обладающей невзаимными
свойствами. Попытки создать аналогичные приборы на магнитной плазме и
сегнетоэлектриках хороших результатов пока не дали.
Переход к интегральному исполнению этих устройств представляет большой
интерес. Трудность построения ферритовых приборов на микрополосковой линии
связана с тем, что в ней магнитное поле линейно поляризовано. Для создания
же невзаимных приборов требуется круговая или близкая к ней поляризация
магнитного поля. Потому не все ферритовые СВЧ приборы можно выполнить в
микрополосковой конструкции.
Наиболее разработаны мостовые трехплечие микрополосковые Y-циркуляторы
(рис. 2.25). Одна из конструкций микроциркулятора выглядит следующим
образом. На заземленное основание укладывается ферритовая подложка толщиной
0,6 мм. Центральная полоска шириною 0,064 мм напыляется на феррит. В центре
120°-ного разветвления полосковой линии напыляется металлический диск
диаметром 0,58 мм. Постоянный магнит имеет диаметр, несколько больший
диаметра центрального металлического диска. Таким образом, намагничивается
только часть феррита непосредственно в области разветвления. Прямые потери
в таком циркуляторе Х - диапазона не превышают 0,6 дБ, развязка плеч не
менее 20 дБ.
При включении в одно плечо циркулятора согласованной нагрузки он
превращается в вентиль.
4. Активные СВЧ устройства
СВЧ полупроводниковые приборы.
СВЧ устройства в гибридном исполнении с полупроводниковыми активными
элементами используют в основном в маломощных трактах радиопередающих
устройств и в приемных трактах радиоэлектронной аппаратуры в качестве
генераторов, модуляторов, усилителей и преобразователей.
К наиболее употребительным в настоящее время активным
полупроводниковым элементам СВЧ можно отнести транзисторы и диоды с
отрицательным сопротивлением разных типов. Кроме того, применяют диоды,
имеющие нелинейную зависимость емкости р—n - перехода от напряжения,
например параметрические диоды, варакторы и диоды с накоплением заряда
(ДНЗ). За исключением параметрических усилителей и генераторов, устройства
с нелинейной емкостью не обладают активными свойствами. Это пассивные
умножители СВЧ, а также устройства для амплитудной, частотной и фазовой
модуляции.
Рассмотрим кратко свойства СВЧ устройств, построенных на активных и
нелинейных пассивных элементах.
Усилители СВЧ мощности на транзисторах применяют в метровом и
дециметровом диапазонах при выходных мощностях от сотен ватт (в метровом
диапазоне) до единиц и долей ватта на длинноволновой границе сантиметрового
диапазона. Широкополосность таких усилителей составляет 10...15%.
Коэффициент усиления от 20... ... 25 дБ в длинноволновом участке указанного
диапазона, до единиц децибел в коротковолновой части этого диапазона.
К.П.Д. = 15... ...50%, что заметно больше, чем у усилителей мощности,
построенных на других полупроводниковых активных элементах СВЧ.
На транзисторах строят малошумящие усилители СВЧ вплоть до
сантиметрового диапазона волн при коэффициенте усиления 20...30 дБ и
коэффициенте шума 5...8 дБ. Кроме того, на транзисторах выполняют
автогенераторы в диапазоне от метровых до сантиметровых волн как с
механической, так и с электронной перестройкой частоты. В таких
автогенераторах, как правило, используют внешние цепи обратной связи, что
усложняет их по сравнению с диодными генераторами. К основным достоинствам
транзисторных устройств СВЧ следует отнести повышенное значение К. П. Д. и
обеспечение однонаправленных свойств усилителей без введения дополнительных
невзаимных элементов.
Генераторы и усилители на диодах с отрицательным сопротивлением
используют главным образом в сантиметровом и миллиметровом диапазонах.
Принцип действия таких устройств основан на компенсации сопротивления
потерь колебательной системы (с учетом сопротивления, вносимого нагрузкой)
отрицательной активной составляющей полного сопротивления диода. При полной
компенсации потерь в генераторе устанавливаются автоколебания. При
частичной компенсации потерь происходит регенеративное усиление внешних
колебаний. Для получения автоколебаний в диодном генераторе не требуется
внешних цепей обратной связи. Регенеративные усилители не обладая
однонаправленными свойствами, требуют использования невзаимных устройств,
например, циркуляторов.
В диодных генераторах и усилителях СВЧ используют диоды с различной
природой образования отрицательного сопротивления, а именно: лавинно-
пролетные диоды (ЛПД), диоды с переносом электронов (ДПЭ), туннельные диоды
(ТД).
На ЛПД строят генераторы с выходной мощностью единицы ватт в
сантиметровом диапазоне и сотни милливатт в миллиметровом. Широкому
применению усилителей на ЛПД препятствуют неудовлетворительные шумовые
характеристики, обусловленные лавинным механизмом генерирования носителей
заряда в этих диодах. Генераторы на ДПЭ в 3...10 раз уступают по мощности
генераторам на ЛПД, однако ДПЭ характеризуются несколько лучшими, чем ЛПД,
шумовыми свойствами: коэффициент шума усилителей на ДПЭ 10...15 дБ. Оба
типа генераторов имеют приближенно одинаковый к. п. д., измеряемый
единицами процентов.
Туннельные диоды применяют в малошумящих усилителях дециметрового и
сантиметрового диапазонов. Коэффициент усиления таких усилителей составляет
10...20 дБ при коэффициенте шума 5...7 дБ. Использованию ТД в генераторах и
мощных усилителях СВЧ препятствует малое значение рабочего напряжения на
диоде (доли вольта), что вызывает необходимость увеличивать ток диода для
увеличения мощности. В режиме больших токов и малых напряжений при М-
образной вольт-амперной характеристике трудно обеспечивать устойчивость
цепи питания ТД. Устойчивость цепи питания используемых на практике
источников может быть обеспечена только при рассеянии существенной части
мощности источника в стабилизирующем резисторе, а следовательно, при
значительном снижении К. П. Д. генератора.
Наилучшими шумовыми свойствами по сравнению с рассмотренными обладают
полупроводниковые параметрические усилители, коэффициент шума которых
порядка 0,5...3 дБ. Усилители на параметрических диодах применяют в
диапазоне от дециметровых до миллиметровых волн с коэффициентами усиления
15...40 дБ. В генераторах накачки параметрических усилителей могут быть
использованы ЛПД и ДПЭ. К стабильности частоты, уровню мощности и
спектральным характеристикам таких генераторов предъявляют жесткие
требования.
Умножители СВЧ на варакторах и ДНЗ применяют обычно для умножения
частоты колебаний транзисторных усилителей мощности. С помощью таких
транзисторно-варакторных цепочек получают колебания в коротковолновой части
дециметрового диапазона и в сантиметровом диапазоне с удовлетворительными
для многих практических применений значениями мощности и к. п. д. На выходе
варакторных умножителей, работающих с запертым р — n - переходом, могут
быть получены колебания миллиметрового диапазона. Как уже отмечаясь, такие
умножители не имеют усилительных свойств, коэффициент передачи по мощности
у них всегда меньше единицы и тем меньше, чем больше коэффициент умножения.
Особенности гибридных устройств СВЧ с активными и нелинейными
элементами.
Полупроводниковые активные элементы СВЧ в настоящее время не могут
быть выполнены интегрально с остальными элементами СВЧ устройства.
Устройства СВЧ с полупроводниковыми элементами состоят из электромагнитных
систем СВЧ, выполненных по тонкопленочной технологии, и навесных
полупроводниковых приборов в обычном или бескорпусном исполнении, т. е
являются гибридными. Основной задачей в этом случае является миниатюризация
устройства. Малые размеры активных полупроводниковых элементов и
ограниченность электронного К. П. Д. приводя к чрезмерной локализации
тепловыделения и необходимости применять в случае больших мощностей
рассеяния эффективные теплоотводы и устройства охлаждения, ограничивающие
степень миниатюризации.
Возможности миниатюризации электромагнитных систем в пленочном
исполнении связаны со следующим. Основным типом электромагнитной системы в
пленочном исполнении является микрополосковая несимметричная линия.
Колебательные цепи генераторов и усилителей СВЧ должны содержать
резонансные отрезки линий. длина которых соизмерима с длиной полуволны. Для
уменьшения эффективной длины волны в линии (примерно в 2,5 раза), а также
для сокращения поперечных размеров линии (до десятых долей миллиметра)
можно использовать тонкие диэлектрические подложки с большими значениями
диэлектрической проницаемости (порядка 10). Однако столь малые поперечные
размеры приводят к увеличению потерь проводимости. Кроме того, диэлектрики
с большими значениями диэлектрической проницаемости обладают повышенными
потерями. В результате добротность колебательных систем такого типа
оказывается в среднем на 0,5... 1,5 порядка меньше, чем у волноводных и
коаксиальных колебательных систем. В результате уменьшается
электромагнитный К. П. Д. мощных усилителей и генераторов и ухудшаются
шумовые свойства маломощных устройств.
В дециметровом диапазоне резонансные отрезки линий даже при
использовании материалов подложек с большой диэлектрической проницаемостью
получаются неприемлемо длинными. Поэтому в указанном диапазоне волн
приходится отказываться от использования микрополосковых линий и строить
колебательные системы на сосредоточенных индуктивных элементах в виде
плоских спиралей в сосредоточенных конденсаторах навесного типа или в
пленочном исполнении. Для уменьшения уровня излучения таких элементов их
размеры должны быть достаточно малы по сравнению с длиной волны, а
следовательно, поперечные размеры проводников (например, плоских спиралей)
уменьшаются по сравнению с размерами полосковых линий, потери же
проводимости соответственно увеличиваются. Тем не менее значения
добротности сосредоточенных элементов могут быть порядка сотни (рис. 2.26).
При малых значениях частоты добротность уменьшается из-за уменьшения
реактивного сопротивления, а при больших значениях частоты — из-за
увеличения потерь проводимости, вызванных скинэффектом, и главным образом
потерь на излучение. Практически сосредоточенные индуктивные и емкостные
элементы применяют на частотах, не превышающих 1 ГГц.
Отметим еще одну особенность гибридных СВЧ устройств трудность
введения элементов настройки и регулировки электромагнитных систем.
Введение навесных элементов механической регулировки резко ухудшает
технологичность изделия. Неизбежный разброс параметров полупроводниковых
элементов, а также ошибки изготовления при отсутствии регулировочных
элементов могуг затруднить реализацию оптимальных режимов работы
устройства. Поэтому желательно предусматривать элементы подбора параметров
электро-магнитных систем, а также использовать электронные способы
перестройки.
Итак, гибридные устройства СВЧ могут иметь худшие параметры, чем
аналогичные устройства на объемных электромагнитных системах. Тем не менее
их применение оправдывается существенным улучшением технологичности, а
также уменьшением габаритов и массы, особенно для маломощных устройств.
Конструктивные и топологические решения
При конструировании гибридных устройств СВЧ возможны разнообразные
решения, различающиеся способами установки диэлектрических подложек с
пленочными и навесными элементами в металлический корпус, способами
соединения элементов, выполненных на отдельных подложках, а также способами
крепления полупроводниковых приборов.
В маломощных устройствах полупроводниковые приборы можно навешивать на
диэлектрическую подложку так же, как и пассивные навесные элементы. При
повышенных мощностях желательно обеспечить контакт полупроводникового
прибора с корпусом устройства, который в этом случае выполняет роль
теплоотвода и радиатора. Для эгого в подложке делают отверстие, в котором и
устанавливают полупроводниковый прибор. Соединение усчройств, выполненных
на отдельных подложках, может быть либо с использованием коаксиальных
разъемов, либо безразъемное. В последнем случае подложки соединяемых
устройств располагают вплотную друг к другу в одной плоскости и паяют
пленочные проводники и металлизированные основания подложек. При
безразъемном соединении могут быть применены как отдельные металлические
корпуса, так и один общий для нескольких подложек корпус.
При разработке топологии устройств учитывают требования к плотности
размещения микрополосковых и других плeнoчныx элементов, требования
минимизации неоднородностей при изгибах и ответвлениях, а также некоторые
технологические требования, например, к минимальной ширине полоски или
зазора между полосками. В некоторых случаях учитывают соображения,
связанные с тепловым режимом устройства. Колебательные системы
однокаскадного транзисторного усилителя выполнены на основе микрополосковых
линий с использованием навесных конденсаторов в системе блокировки
источника питания. Выводы транзистора соединяются с соответствующими
контактными поверхностями, обозначенными буквами на рисунке
Расчет геометрических размеров пленочных элементов.
В случае реализации электромагнитных систем СВЧ устройств с
использованием отрезков несимметричных микрополосковых линий их
геометрические размеры, необходимые для обеспечения заданных электрических
характеристик, рассчитывают по формулам и графикам.
Значения пленочных индуктивных элементов, используемых в СВЧ
диапазоне, лежат в пределах от единиц до нескольких десятков наногенри.
Индуктивные элементы могут быть выполнены в виде отрезков пленочного
проводника, а также в виде плоских спиралей.
Значение индуктивности [нГ] металлической полоски без учета влияния
металлического основания подложки равно
[pic] (10)
где l, o —длина и ширина полоски, мм
С учетом влияния металлического оспорения индуктивность рассчитывают
по формле:
[pic] (11)
где h — толщина подложки
Значение индуктивности в форме круглой или квадратной спирали равно
[pic] (12)
где k — коэффициент (k = 5 для круглой и k = 6 для квадратной
спирали), Dk—внешний диаметр (сторона) спирали, мм; dк — внутренний диаметр
(сторона) спирали, мм; Nк — число витков. Для внешнего диаметра спирали
справедлива формула
Dk-dk+(2Nk—1)sk+2(, (13)
где sk — шаг спирали, мм; (— ширина спиральной полоски, мм.
Число витков спирали
Nk = [(Dk+sk)-(dk+2()]/2sk, (14)
Добротность пленочных индуктивных элементов определяют как
[pic] (15)
где k' = 2 для круглой и k = 1,6 для квадратной спирали; f— частота
ГГц.
Погрешность расчета индуктивных спиральных элементов по приведенным
формулам составляет ± 10%. Для расчета геометрических размеров по заданному
значению индуктивности следует пользоваться последовательными
приближениями.
5. Автоматизированное проектирование типовых технологических процессов
и систем производства РЭС
Автоматизация проектирования технологических процессов
механообрабатывающего производства деталей РЭС
Принципы построения и общая структура САПР ТП механообработки. В общем
объеме трудовых затрат на изготовление РЭС ТП, изготовление деталей БНК РЭС
методами формообразования занимают в среднем 15 – 20%. В состав ТП
формообразования входят заготовительное производство (литье, прессование,
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
|