автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Интегральные LC-фильтры ВЧ и СВЧ диапазонов на основе современных материалов

На правах рукописи

Хроленко Татьяна Сергеевна

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ЬС-ФИЛЬТРЫ ВЧ И СВЧ ДИАПАЗОНОВ НА ОСНОВЕ СОВРЕМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ

05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г я ноя 2013

Омск-2013

005539824

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет» на кафедре «Средства связи и информационная безопасность» и в открытом акционерном обществе «Омский научно-исследовательский институт приборостроения».

Научный руководитель:

Кисмерешкин Владимир Павлович

доктор технических наук, профессор кафедры «ССИБ»

Официальные оппоненты:

Петров Виктор Петрович

доктор технических наук, профессор, начальник ИЛ, СибГУТИ

Аржанов Валерий Андреевич

кандидат технических наук, профессор

Ведущая организация:

ОАО «Центральное конструкторское бюро автоматики», г. Омск

Защита состоится «13» декабря 2013 года в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.178.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет» по адресу: г. Омск, пр. Мира 11, ауд. 8-421.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОмГТУ. Автореферат разослан «15 » 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира 11, Омский государственный технический университет, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.178.01.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.178.01 доктор технических наук

ВЛ. Хазан

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из тенденций развития современных систем связи, локации и навигации, наряду с улучшением их электрических параметров, является повышение диапазона рабочих частот и уменьшение массогабаритных показателей. Так как во многом эти характеристики определяются параметрами устройств частотной селекции, то вопросы их создания представляют актуальную проблему. Для обеспечения всех требуемых параметров необходима разработка комплексных решений: схемотехнических, конструкторских, применение новейших технологий, материалов и последних научных достижений в области радиотехники. Интегральные LC-фильтры - одно из звеньев способствующих решению поставленных задач.

В настоящее время конструкции интегральных LC-фильтров развиваются одновременно в нескольких направлениях и могут быть выполнены либо в объеме керамической подложки, либо в структуре многослойной печатной платы.

Интегральные LC-фильтры на сегодняшний день активно исследуются и находят широкое применение в областях беспроводных технологий, навигационной и мобильной связи. Однако не в полной мере изучен ряд вопросов, касающихся проектирования. Не исследованы диапазоны рабочих частот и полос пропускания, которые могут быть реализованы при использовании той или иной схемы, недостаточно исследована элементная база, отсутствуют методики выбора конструкций элементов, топологии фильтра в целом и крайне ограничено количество известных схемных решений. Эти вопросы до сих пор остаются открытыми и требуют дальнейших исследований, что ограничивает использование интегральных фильтров в современной РЭА.

Данная диссертационная работа посвящена вопросам исследования возможностей реализации элементной базы, выбору схемотехнических решений, приемлемых для реализации в интегральном виде на основе современных материалов (многослойных печатных плат (МПП), Low Temperature Co-fried Ceramic (LTCC), Liquid Crystal Polymer (LCP)), вопросам определения диапазона рабочих частот и полос пропускания рассматриваемых схем фильтров, вопросам конструирования интегральных фильтров в целом.

Цель работы: исследование вопросов реализации интегральных LC-фильтров высокочастотного (ВЧ) и сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазонов на основе современных материалов, а также разработка методики их проектирования.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Исследование характеристик элементной базы интегральных ЬС-фильтров.

2. Анализ и выбор схемотехнических решений ЬС-фильтров ВЧ и СВЧ диапазонов, пригодных для реализации в виде интегральных структур.

3. Разработка рекомендаций по проектированию интегральных ЬС-фильтров ВЧ и СВЧ диапазонов с учетом физической реализуемости элементной базы, требуемых параметров фильтров и применяемых современных материалов.

4. Электромагнитное моделирование элементной базы и интегральных ЬС-фильтров на основе современных материалов.

5. Экспериментальное подтверждение характеристик разработанных ЬС-фильтров.

Основные методы исследования:

1. Численные методы на основе аналитических моделей.

2. Электродинамическое моделирование интегральных ЬС-фильтров на основе метода моментов (МоМ).

3. Экспериментальные методы.

Научная новизна работы:

1. Определены границы применяемости элементов интегральных ЬС-фильтров в диапазоне частот.

2. Впервые выбраны и научно обоснованы схемотехнические решения для интегральных ЬС-фильтров в зависимости от требований, предъявляемых к фильтрам, и применяемого материала основания фильтра.

3. Предложены конструкции элементов интегральных ЬС-фильтров и обосновано их применение в зависимости от технологии производства.

4. Разработана методика проектирования интегральных ЬС-фильтров в зависимости от материала основания фильтра и технологии его реализации.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Научно обоснованные конструктивные исполнения элементов интегральных ЬС-фильтров для различных значений индуктивности и емкости в зависимости от диапазона частот.

2. Алгоритм проектирования интегральных ЬС-фильтров в зависимости от типа фильтра и выбранной технологии его изготовления.

3. Результаты экспериментальных исследований интегральных ЬС-фильтров, изготовленных на основе МПП, ЬТСС и ЬСР материалов.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Предложенные в диссертационной работе рекомендации и методы проектирования могут быть использованы для реализации интегральных ЬС-фильтров ВЧ и СВЧ диапазонов для систем радионавигации, радиолокации и телевидения.

2. Результаты исследований элементной базы позволяют определить ее область применения в зависимости от требований, предъявляемых к фильтрам. Предложенные в диссертационной работе рекомендации и методики проектирования позволяют реализовать различные варианты интегральных ЬС-фильтров ВЧ и СВЧ диапазонов.

3. Разработанные оригинальные конструкторские решения интегральных ЬС-фильтров ВЧ и СВЧ диапазонов позволяют, по сравнению с известными, расширить диапазон рабочих частот от нескольких десятков МГц до 10 - 14 ГГц и повысить уровень затухания при больших отстройках на 10 - 20 дБ.

Апробация работы:

Основные научно практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на III научно-практической конференции «Приборостроение и информационные технологии» (Омск, 2010 г.), на III, IV всероссийской молодежной научно-технической конференции «Россия молодая: передовые технологии - в промышленность» (с международным участием) (Омск, 2010, 2011 г.), на IV всероссийской молодежной научно-технической конференции «СВЧ — 2012» (Омск, 2012 г.), на V научно-практической конференции (Омск, 2012 г.), на всероссийской конференции «Микроэлектроника СВЧ» (Санкт-Петербург, 2012, 2013 г.), на международной научно-технической конференции «Радиотехника, электроника и связь» РЭиС —2013» (Омск, 2013 г.).

Публикации: основные результаты диссертации отражены в 16 печатных работах: в том числе 3 работы, вошедшие в перечень рекомендуемых ВАК РФ; 5 тезисов докладов на научно-технических конференциях и 5 работ в прочих печатных

изданиях. Основные положения защищены 1 патентом и полученными 2 положительными решениями на полезную модель.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из ведения, 5 глав с выводами, заключения. Работа изложена на 174 страницах машинописного текста, включает 106 рисунков, 30 таблиц и список литературы из 93 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ:

Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи работы.

В Главе 1 проведен обзор современного состояния и перспектив использования устройств частотной селекции в аппаратуре связи, локации и навигации. Рассмотрены особенности реализации различных типов фильтров и проведен их сравнительный анализ.

На основе выполненного обзора установлено, что одним из наиболее перспективных путей создания частотно избирательных устройств, предназначенных для работы в ВЧ и СВЧ диапазонах, является применение интегральных фильтров.

В Главе 2 исследованы вопросы реализации элементов сосредоточенных ЬС-фильтров. Рассмотрены конструкции, применяемые в интегральных ЬС-фильтрах, сосредоточенных конденсаторов и катушек индуктивности. Определены эквивалентные схемы, составлены электромагнитные модели известных и оригинальных конструкций конденсаторов и катушек индуктивности. С использованием численных методов, основанных на методе моментов, были исследованы основные параметры элементов интегральных ЬС-фильтров.

Метод моментов основан на построении функции Грина для интегральных трехмерных структур [1]:

(1)

где А- тангенциальный к поверхности экрана векторный магнитный потенциал,

индекс 1 соответствует области над экраном, а 2 под экраном.

При таком методе составляется эквивалентная модель структуры, где каждому слою ставится в соответствие четырехполюсник ТЦ, который представляет собой отрезок линии передачи с длиной равной толщине слоя (Рис. 1).

Граница и н п+1 слоев Спой с номером п Граннца п-1 н и споев

Рисунок 1. Эквивалентная схема структуры

Матрица передачи всей структуры описывается выражением (2):

4=П4!>

где АЦ —четырехполюсник, который описывается матрицей АВСО:

сиг!'.)

Ар =

1

2? =

7ГП ( 7ГП +

Ь

1СОЕа

-,р = е, -,Р = т,

(2)

(3)

При этом уп — постояння распространения,

Ъп - волновое сопротивление, которые могут быть получены из следующих выражений:

(4)

(5)

где кп — волновое число п-го слоя,

—, — - некоторые параметры, меняющиеся от минус до плюс бесконечности, а Ь

а и Ь - размеры металлической полости по осям Ох и Оу соответственно. Напряжение в точке подключения источника тока определяется выражением (6)

и"

г)

(6)

Связь токов и напряжений в линиях передачи с полями в трехмерной структуре определяется следующими соотношениями (7):

Ф' (х, у, г) = — 2 £ ^"{ки1,к2т ,2)£„ет ыг\{к{„х)$т(к2ту),

г . »

2 м и

(7)

2 00 го

Связь электрических и магнитных токов с источниками тока и напряжения имеет следующий вид:

где индекс а принимает значения х и у.

Путем преобразований, приведенных в [1] получаем систему интегральных уравнений, которая сводится к виду (1).

Для исследования были выбраны катушки индуктивности с номиналами, перекрывающими наиболее широко используемые на практике номиналы индуктивностей от (0,5 до 200) нГн. Было рассмотрено 10 конструкций катушек индуктивности (Рис. 2), которые представляют собой как широко применяемые типы катушек индуктивности, так и комбинацию нескольких конструкций или же принципиально новые.

=1{к/ +к2Г),

= ¡(ку - к2и"), 4у = >(Ки' + к2и"').

(8)

г

б)

е) ж) з) и) к)

и) плоская спираль; б) ЗР спираль; в) сужающаяся 30 спираль;г) отрезок прямой линии; с)) 31.) Г-образная; е) 30 Г-образная сужающаяся; ж) квадратная спираль; з) стековая квадратная спираль; и) 30 П-образная сужающаяся;

к) одновитковая

Рисунок 2. Конструкции интегральных катушек индуктивности

Обобщенная эквивалентная схема, включающая в себя последовательную индуктивность Ьп, последовательное сопротивление Яп, паразитную емкость С„, емкость на землю С3, представлена на Рис. 3 [2].

Сп

Рисунок 3. Эквивалентная схема индуктивности

Результаты проведенного электромагнитного моделирования были представлены в виде графиков зависимости сопротивления индуктивностей от частоты для каждого номинала. На Рис. 4 приведен график для индуктивности номиналом 5 нГн.

1 - ЗО спираль сужающаяся, 2 - квадратная спираль, 3 — стековая квадратная спираль.

4-3О П-образная сужаю щаяся, 5 - одновитковая, 6 - плоская спираль, 7 — полосок, 8-30 Г-образная сужающаяся, 9-30 Г-образная, 10 - 30 спираль

Рисунок 4. Графики зависимости сопротивления индуктивности от частоты

На основании полученных результатов были сделаны следующие выводы: для реализации индуктивностей небольших номиналов (0,5 - 16 нГн) более предпочтительными являются катушки индуктивности в виде ЗЭ П-образных сужающихся и плоских спиралей, а больших номиналов (50 - 200 нГн) являются индуктивности в виде сужающихся ЗЭ спиралей.

Наряду с этим было произведено исследование добротности катушек индуктивности номиналов, лежащих в указанном диапазоне частот. Максимальной добротностью во всем диапазоне частот обладает ЗЭ П-образная сужающаяся, а также для малых номиналов большая добротность у индуктивностей простых конструкций -полосок и одновитковая. Минимальной добротностью во всем диапазоне номиналов обладают катушки индуктивности в виде стековой квадратной спирали. На Рис. 5 показана зависимость С! от номинала индуктивности. По приведенному графику можно провести приблизительную оценку добротности катушки индуктивности требуемого номинала и конструкции.

1 - полосок, 2 - зб П-образная суж., [ _ 30 П-образная суж., 2 - квадратная 1 - сужающаяся 30 спираль,

3 - одновитковая, 4 - суж.ЗИ спираль, спираль, 3-30 спираль, 4 - плоская 2 - плоская спираль, 3 - ЗО П-образная

5 - квадратная спираль, 6-30 спираль, спираль, 5-30 Г-образная, сужающаяся, 4 - квадратная спираль,

7 - плоская спираль, 8-30 Г-образная ^ - одновитковая, 7-30 Г-образная 5-30 спираль, 6-30 Г-образная,

суж., 9-30 Г-образная, 10 - стековая суЖ і 8 _ суж, зо спираль, 9 - стековая 7 - 30 Г-образная сужающаяся,

квадратная 8 - стековая квадратная

Рисунок 5. Зависимость добротности катушек индуктивности в диапазоне номиналов: а) 0,5 - 5 нГн, б) 8 - 16 нГн, в) 50 - 200 нГн

Также были исследованы вопросы зависимости добротности катушки индуктивности от ее конструктивных параметров. В результате исследований получены следующие результаты:

- увеличение ширины проводника катушки индуктивности до 400 мкм ведет к росту добротности, тогда как дальнейшее увеличение практически не ведет к

изменению добротности;

- увеличение внутреннего диаметра катушки индуктивности влечет за собой рост добротности, однако ведет к значительному увеличению габаритных размеров;

- при возрастании расстояния между катушкой индуктивности и металлизированными поверхностями добротность катушки линейно возрастает. Выбор расстояния между катушкой индуктивности и металлизированными поверхностями зависит только от ограничений по высоте, предъявляемых к конструкции интегрального фильтра;

- механизм увеличения добротности за счет выборки в экране имеет сложный характер, при котором с ростом выборки в экране происходит рост добротности, однако на высоких частотах эффект от большой выборки в экране (450 мкм и больше)

приводит к понижению добротности;

- для получения катушки индуктивности с максимально возможной добротностью необходимо последовательное изменение каждого из конструктивных параметров.

Исследование параметров конденсаторов проводилось также с применением численных методов на основе метода моментов. Эквивалентная схема конденсатора приведена на Рис. 6 [3].

Сл

Рисунок 6. Эквивалентная схема конденсатора

Конструкции конденсаторов были выбраны из [3]. Резонанс токов в конденсаторе определяется исходя из выражения (9) [4]:

(9)

Пример графика зависимости входного сопротивления конденсатора от частоты для номинала 5 пФ приведен на Рис. 7.

«езвзр

Ftequenсу ¡М**)

1 - встречно-штыревой, 2 - прямоугольник, 3 - треугольник, 4 - круг, 5 - многоугольник, 6 - параллелограмм

Рисунок 7. Зависимость входного сопротивления конденсатора <

номинала 5 пФ

і от частоты для

В результате проведенных исследований получены следующие результаты: - наибольший диапазон рабочих частот во всем ряду номиналов обеспечивает конденсатор конструкции типа треугольник;

- самая низкая частота собственного резонанса у конденсатора в виде параллелограмма.

В диссертационной работе выведены формулы для оценки необходимого количества слоев при размещении конденсатора. В общем случае выражение записывается в виде:

1.77/

п=1 +-(10)

й

Добротность конденсатора оценивается, исходя из выражения (11) [4]:

\ХС - X, I 1 1

е= -,л д = „!_ = —£— п п

Л, или^ аСЯ, гцСЩ

На основании выражения (11) и расчетных графиков максимальной добротностью в диапазоне малых и средних номиналов (0,5 - 12 пФ) обладают конденсаторы с конструкцией типа треугольник, в то время как у конденсаторов больших номиналов добротность лучше у конструкции типа многоугольник. Минимальной добротностью во всем диапазоне номиналов обладают конденсаторы типа параллелограмм.

Глава 3 посвящена анализу схемотехнических решений, пригодных для реализации в интегральном виде, исходя из требований к точности, диапазону номиналов элементов и возможности конструктивно реализовать те или иные элементы схемы. Было проведено исследование ряда схем полосовых и фильтров нижних частот. Результаты этого исследования показали, что:

- для физической реализации из ФНЧ больше всего подходят схемы, типа к 1В и типа т 1В1, установлено, что максимальным диапазоном рабочих частот (до 15000 МГц) обладают схемы ФНЧ без полюсов затухания;

- максимальным диапазоном рабочих частот и реализуемых относительных полос пропускания обладает схема фильтра на параллельных контурах с индуктивной связью с последовательными индуктивностями на входе и выходе. Минимальным — полученная путем преобразования Нортона, схема с одинаковыми индуктивностями;

- для создания узко- и среднеполосных фильтров (с относительной полосой пропускания 1 - 50%) наиболее подходит схема на параллельных контурах с индуктивной связью и последовательными индуктивностями на входе и выходе, а также модифицированная схема фильтра на последовательных контурах с емкостной связью и параллельными емкостями на входе и выходе. Реализация более широких

1 Босый Н.Д. Электрические фильтры [текст] / Н.Д. Босый. - К: Технической литературы. 1957. - 516 с.

относительных полос пропускания (от 10 до 100%) возможна с использованием схемы фильтра на параллельных контурах с индуктивной связью и модифицированная схема на последовательных контурах с емкостной связью.

В Главе 4 рассмотрены особенности реализации интегральных фильтров в зависимости от выбранного материала и технологии (МПП, ЬТСС, ЬСР). Исследованы конструкции интегральных фильтров, наиболее подходящих для реализации требуемых параметров с учетом выбранного материала основания.

Рассмотрены вопросы и даны рекомендации, позволяющие улучшить АЧХ фильтра в полосе задерживания за счет топологии в процессе конструирования. На примере электромагнитного моделирования и экспериментальных исследований полосового фильтра 2-ого порядка показана корректность предлагаемых рекомендаций. Первый вариант конструкции фильтра и его расчетная характеристика

«О,

-

»соо 5ва 1ос©>

6)

Рисунок 8. Топология (а) и АЧХ (б) СВЧ фильтра

В процессе последующих итераций была получена характеристика электронной модели фильтра с затуханием в дальней зоне не менее 40 дБ на частоте до 8300 МГц. На основании полученной модели был изготовлен опытный образец фильтра с размерами бхбх 1 мм, изображенный на Рис. 9.

Г

1/і

21

Рисунок 9. АЧХ (а) и внешний вид (б) СВЧ фильтра

АЧХ опытного образца достаточно точно повторяет характеристики фильтра -прототипа в полосе пропускания и в ближней зоне в полосе задерживания, при этом затухание в дальней зоне составляет более 40 дБ на частоте до 8000 МГц.

Глава 5 посвящена описанию предложенной методики проектирования интегральных ЬС-фильтров с учетом результатов исследований, представленных в Главах 2 - 4 и приведенных в них рекомендаций, которые подтверждают выдвинутые ранее теоретические положения.

На основе полученных ранее результатов и предложенной методики были [ спроектированы, изготовлены экспериментально исследованы опытные образцы ФНЧ и полосовых фильтров, выполненных с использованием МПП, ЬТСС и ЬСР.

ФНЧ на основе МПП выполнен по схеме, приведенной на Рис. 10.

Рисунок 10. Схема фильтра нижних частот

В частности, был изготовлен интегральный фильтр ЭМ, внешний вид и АЧХ, которого приведены на Рис. 11. Частота среза фильтра 660 МГц, неравномерность характеристики относительно затухания в полосе пропускания фильтра около 1,5 дБ. Размер опытного образца 10x25 мм.

а) б) в)

Рисунок 11. ЭМ фильтра (а), АЧХ моделирования и опытного образца ФНЧ с частотой среза 660 МГц (б) и внешний вид опытного образца (в)

В соответствии с предложенной методикой, реализован фильтр нижних частот на основе ЬСР с частотой среза 2400 МГц, изображенный на Рис. 12. Неравномерность характеристики относительно затухания в полосе пропускания фильтра составила около 0,5 дБ, при этом прямоугольность улучшена за счет полюса затухания на

частоте 6000 МГц, что обосновано наличием собственных емкостей у катушек индуктивности. Размер опытного образца 15x10 мм.

а)

Рисунок 12.

- модеинроеа«и»

........ мдерЩ««)

б) В> Внешний вид ЭМ фильтра АЧХ (а), АЧХ ЭМ и опытного образца фильтра (б), внешний вид опытного образца (в)

Полосовой фильтр на основе МПП выполнен по схеме, приведенной на Рис. 13.

Т I

Рисунок 13. Схема фильтра

измерение

а) б) ■>

Рисунок 14. ЭМ фильтра (а); АЧХ моделирования и опытного образца полосового фильтра с центральной частотой 120 МГц (б); внешний вид опытного образца (в)

Полосовой фильтр на основе и ЬТСС был реализован по схеме, приведенной на Рис. 15.

На Рис. 14 показаны ЭМ фильтра, АЧХ и внешний вид опытного образца с центральной частотой 120 МГц, неравномерностью в полосе пропускания около 0,8 дБ и затуханием в полосе задерживания не менее - 40 дБ на частоте до 500 МГц. Размер опытного образца 28x48 мм.

т

т

ТПҐ

П"

'тг-т......

Т Т I Т I

Рисунок 15. Схема полосового фильтра 3-го порядка

Электромагнитная модель фильтра, АЧХ ЭМ и опытного образца фильтра и внешний вид опытного образца изображены на Рис. 16. Центральная частота фильтра 870 МГц, вносимые потери в полосе пропускания около 1 дБ, при полосе пропускания 30%, затухание в полосе задерживания не менее — 60 дБ до 3 ГГц. Размер опытного образца 6x10 мм.

рмр

■иііііи

моделирование

а) б) в)

Рисунок 16. Электромагнитная модель (а), АЧХ ЭМ и опытного образца полосового фильтра с центральной частотой 870 МГц (б), внешний вид опытного образца (в)

В Заключении сформулированы основные следующие выводы по диссертационной работе:

- установлены диапазоны рабочих частот элементной базы (катушек индуктивности и конденсаторов) интегральных фильтров, а также установлены конструкций элементов, которые обладают максимальной и минимальной добротностью в диапазоне исследуемых номиналов;

- установлены зависимости добротности от конструктивных параметров катушек индуктивности, что позволяет получить необходимые значения добротности, варьируя каждый из параметров;

- выведены расчетные соотношения для оценки количества слоев, необходимых для размещения конденсатора каждой из рассмотренных конструкций, что позволяет упростить процесс проектирования интегрального фильтра;

- сформулированы критерии, позволяющие определить схемы фильтров, пригодные для реализации в интегральном виде;

- на основе разработанных критериев определены схемы, подходящие для

интегрального исполнения;

- определены схемы фильтров, которые могут быть реализованы в интегральном виде, обладающие максимальным диапазоном рабочих частот, а также схемы, позволяющие реализовать узко- и средне- и широкополосные полосовые фильтры;

- предложена методика выбора конструкций элементной базы. Определены частотные границы физической реализуемости каждой схемы при исполнении на основе рассматриваемых материалов. Разработаны рекомендации для их практической реализации;

- на основе численных и экспериментальных методов показана возможность улучшения характеристики затухания фильтра за счет изменения связей между элементами, благодаря изменению их взаимного расположения в конструкции фильтра;

- предложена методика проектирования интегральных фильтров нижних частот и полосовых, выполненных на основе различных материалов (МПП, LTCC, LCP). Корректность предложенной методики была установлена путем экспериментальной

проверки.

Список литературы:

1. Банков С. Е., Курушин А. А. Электродинамика и техника СВЧ для пользователей САПР [текст] / С. Е. Банков, А. А. Курушин. - М.: 2008. - 276 с.

2. Sutono Albert, Pham Anh-Vu H., Laskar Joy, Smith William R. RF/Microwave Characterization of Multilayer Ceramic-Based MCM Technology [текст] / Albert Sutono, Anh-Vu H. Pham, Joy Laskar, William R. Smith // IEEE TRANSACTIONS ON ADVANCED PACKAGING. - 1999. - V. 22, - P. 326 - 321.

3. Bahl, I. J. Lumped Eléments for RF and Microwave Circuits [текст] // Boston,

London: Artech House, 2003.

4. Дидилев С. Особенности применения и критерии выбора конденсаторов и резисторов для работы в цепях ВЧ/СВЧ [текст] / С. Дидилев // Компоненты и технологии. - 2005. - Вып. 5. - С. 38 - 44.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

В изданиях, рекомендованных ВАК России:

[1] Дьяченко Т.С. «Система в корпусе»: установка бескорпусных кристаллов как метод повышения интеграции многофункциональных модулей [текст] / Т.С. Дьяченко // Успехи современной радиоэлектроники. — 2011. - Вып. 7 — С. 60 — 64.

[2] Хроленко Т.С. Реализация LC-фильтров в структуре многослойных печатных плат [текст] / Т.С. Хроленко, А.И. Тюменцев, А. Н. Яковлев, В. П. Кисмерешкин // Омский научный вестник. — 2013. - Вып. 1 (117).— С.248 — 253.

[3] Хроленко Т.С. Вопросы реализации интегральных LC-фильтров на основе современных материалов [текст] / Т.С. Хроленко, Борейко Д.А. // Успехи современной радиоэлектроники. - 2013. - Вып. 10. - С. 23 - 28.

Другие статьи и материалы конференций:

[4] Дьяченко Т.С. Обзор импортных материалов, применяемых при производстве модулей СВЧ [текст] / Т.С. Дьяченко // Техника Приборостроение и информационные технологии. Материалы III студенческой научно-практической конференции. - Омск: ОНИИП, 2010.-С. 11-13.

[5] Дьяченко Т.С. Перспективы производства СВЧ-модулей высокой степени интеграции класса «система в корпусе» [текст] / Т.С. Дьяченко // Материалы III Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Россия молодая: передовые технологии — в промышленность». - Омск: ОмГТУ, 2010. — С. 158 — 162.

[6] Дьяченко Т.С. Миниатюрные модули на основе керамики низкотемпературного обжига [текст] / Т.С. Дьяченко II Материалы IV Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Россия молодая: передовые технологии — в промышленность». — Омск: ОмГТУ, 2011. — С. 163 - 166.

[7] Дьяченко Т.С. Исследование добротности печатных катушек индуктивности [текст] / Т.С. Дьяченко, А.И. Тюменцев // Сборник трудов Всероссийской конференции «Микроэлектроника СВЧ». - Санкт-Петербург: Технолит, 2012. - С. 234 -239.

[8] Борейко Д.А. Исследование параметров катушек индуктивности, выполненных по LTCC технологии [текст] / Д.А. Борейко, Т.С. Дьяченко, А.И. Тюменцев // Техника радиосвязи. -2012. - Вып. 17. - С. 73 - 83.

[9] Дьяченко Т.С. Оптимизация топологии толстопленочного фильтра СВЧ для улучшения характеристики в полосе задерживания [текст] / Т.С. Дьяченко, А.И.

Тгоменцев // Материалы IV Всероссийской молодежной научно-технической конференции «СВЧ -2012». - Омск: ЦКБА, 2012. - С. 65 - 67.

[10] Заявка на полезную модель №2013123207 РФ: НОЗН 9/00. Интегральный фильтр [текст] / Т.С. Хроленко, А.И. Тюменцев, Д.А. Борейко - Положительное решение от 24.09.13.

[11] Заявка на полезную модель №2013135347 РФ: Н03Н 11/12. Интегральный фильтр [текст] / Т.С. Хроленко, А.И. Тюменцев, Д.А. Борейко - Положительное решение от 24.09.13.

[12] Хроленко Т.С. Фильтры нижних частот в объеме комбинированной многослойной печатной платы [текст] / Т.С. Хроленко, А.И. Тюменцев // Техника радиосвязи. - 2012. - Вып. 18. - С. 73 - 78.

[13] Хроленко Т.С. Проектирование миниатюрных модулей на основе керамики низкотемпературного обжига [текст] / Т.С. Хроленко // Приборостроение и информационные технологии. Материалы V студенческой научно-практической конференции. - Омск: ОНИИП, 2012. - С. 66 - 69.

[14] Хроленко Т.С., А.И. Тюменцев Улучшение избирательности интегрального СВЧ фильтра [Электронный ресурс]: [Сборник трудов Всероссийской конференции «Микроэлектроника СВЧ»]. - Электрон, дан. и прогр. - СПб.: СПбГЭТУ, 2013. - 1 электрон, опт. диск (СО).

[15] Хроленко Т.С. Схемотехнические решения интегральных фильтров [текст] / Т.С. Хроленко, Д.А. Борейко, А.Н. Яковлев // Материалы Международной научно-технической конференции «Радиотехника, электроника и связь» РЭиС - 2013. - Омск: Наука, 2013.-С. 431-437.

[16] Патент №133667 РФ, МПК: НОЗН 7/00. Интегральный фильтр [текст] / Т.С. Хроленко, А.И. Тюменцев, Д.А. Борейко - Опубл. 2013., Бюл. №29.

Подписано в печать 08.11.2013. Формат 60x84/16. Бумага писчая. Оперативный способ печати. Усл. печ. л. 1,6. Тираж 100 экз. Заказ № 626.

Отпечатано в «Полиграфическом центре КАН» тел. (3812) 24-70-79, 8-904-585-98-84.

E-mail: pc_kan@mail.ru 644050, г. Омск, ул. Красный Путь, 30 Лицензия ПЛД № 58-47 от 21.04.97

Омский государственный технический университет

На правах рукописи

Хроленко Татьяна Сергеевна

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ЬС-ФИЛЬТРЫ ВЧ И СВЧ ДИАПАЗОНОВ НА ОСНОВЕ

СОВРЕМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ

05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук В.П.Кисмерешкин

Омск -2013

Оглавление

ГЛАВА 1. ЬС-ФИЛЬТРЫ ВЧ И СВЧ ДИАПАЗОНОВ: КОНСТРУКЦИИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ.......................................................................................................7

1.1 ЬС-фильтры на элементах с сосредоточенными параметрами................................7

1.2 Фильтры на элементах с распределенными параметрами.......................................9

1.3 ЬС-фильтры на элементах с квазисосредоточенными параметрами....................13

1.4 Интегральные фильтры..............................................................................................15

1.4.1 Фильтры, выполненные на основе многослойных печатных плат (МПП).... 16

1.4.2 Фильтры на основе ЬТСС...................................................................................17

1.4.3 Фильтры на объемных резонаторах в интегральном исполнении..................19

1.4.4 Фильтры, выполненные по «сэндвич»-технологии..........................................21

1.4.5 Фильтры на основе ЬСР......................................................................................22

ГЛАВА 2. РЕАЛИЗАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ФИЛЬТРОВ.....25

2.1 Реализация сосредоточенных конденсаторов.........................................................25

2.2 Реализация сосредоточенных катушек индуктивности..........................................28

2.3 Исследование параметров катушек индуктивности...............................................30

2.4 Исследование параметров конденсаторов...............................................................55

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМНО-ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ, ПРИМЕНИМЫХ ДЛЯ ТРЕХМЕРНОЙ ИНТЕГРАЦИИ.......................................71

3.1 Критерии отбора схемно-технических решений.....................................................71

3.2 Фильтры нижних частот............................................................................................72

3.3 Полосовые фильтры...................................................................................................77

ГЛАВА 4. КОНСТРУКТИВНОЕ ПОСТРОЕНИЕ МИНИАТЮРНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ЧАСТОТНОЙ СЕЛЕКЦИИ...........................96

4.1 Технологии реализации интегральных фильтров...................................................96

4.1.1 Реализация фильтров, выполненных по технологии производства многослойных печатных плат (МПП).............................................................................97

4.1.2 Фильтры, выполненные по ЬТСС-технологии.................................................98

4.1.3 Фильтры, выполненные по ЬСР-технологии....................................................99

4.2 Анализ возможных конструкций интегральных фильтров на основе МПП

и ЬСР................................................................................................................................101

4.2.1 Фильтры нижних частот...................................................................................102

4.2.2 Полосовые фильтры..........................................................................................105

4.3 Анализ возможных конструкций интегральных фильтров на основе LTCC.....118

4.3.1 Фильтры нижних частот...................................................................................118

4.3.2 Полосовые фильтры..........................................................................................121

4.4 Увеличение затухания интегрального фильтра в полосе задерживания............131

ГЛАВА 5. АПРОБАЦИЯ МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ LC-ФИЛЬТРОВ ВЧ И СВЧ ДИАПАЗОНОВ: ОСОБЕННОСТИ, РЕЗУЛЬТАТЫ............................................................................136

5.1 Постановка задачи....................................................................................................136

5.2 Методика проектирования интегральных фильтров на примере ФНЧ..............136

5.2.1 Фильтр нижних частот на основе МПП с частотой среза 660 МГц.............136

5.2.2 Фильтр нижних частот на основе LCP с частотой среза 2400 МГц.............142

5.3 Методика проектирования интегральных фильтров на примере ПФ.................147

5.3.1 Полосовой фильтр на основе МПП с центральной частотой 120 МГц........147

5.3.2 Полосовой фильтр на основе LCP с центральной частотой 2900 МГц........152

5.3.3 Полосовой фильтр на основе LTCC с центральной частотой 870 МГц.......155

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................................160

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................................163

ПРИЛОЖЕНИЕ..................................................................................................................172

ВВЕДЕНИЕ

Развитие приемопередающей аппаратуры с каждым годом идет по пути все большего усложнения в силу возрастающих потребностей в повышении ее функциональных возможностей. В 2007 году в Российской Федерации было принято постановление "О федеральной целевой программе "Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники" на 2008 - 2015 годы". Одними из приоритетных направлений программы стали: повышение степени интеграции радиоэлектронных средств (РЭС); создание унифицированных, отличающихся высокой функциональной интеграцией, электронных модулей нового поколения (в том числе приемо-передающих), которые могут являться основой для создания современных унифицированных РЭС, а также технологий изготовления печатных плат со встроенными пассивными компонентами, позволяющими сократить трудоемкость сборочных работ [48].

На сегодняшний день все большее внимание уделяется разработке радиоаппаратуры диапазона сверхвысоких частот (СВЧ). Ни одно приемопередающее устройство не обходится без электрических фильтров. Это обусловлено тем, что параметры электрических фильтров во многом определяют в целом характеристики устройства, а именно: эффективность использования частотного спектра, повышение помехозащищенности, увеличение динамического диапазона, уменьшение массогабаритных показателей и т.д. К фильтрам, предназначенным для использования в перспективной радиоэлектронной аппаратуре (РЭА), предъявляется совокупность электрических и эксплуатационных параметров, которые зачастую противоречат друг другу.

В настоящее время существует множество самых различных принципов реализации частотно-избирательных устройств: ЬС-фильтры, АЯС-фильтры, пьезоэлектрические, электромеханические, спиральные, полосковые, коаксиальные, волноводные, параметрические, цифровые и даже электротепловые - для очень низких частот [56].

Во всем разнообразии аналоговых фильтров, работающих в СВЧ диапазоне, особый интерес представляют ЬС-фильтры. Это обусловлено возможностью их реализации в широком диапазоне частот, большим диапазоном возможных относительных полос пропускания, а также тем, что такие фильтры достаточно

просто обеспечивают заданную амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) и позволяют работать со сравнительно большими уровнями входного сигнала [60].

Снижение массогабаритных характеристик современных ЬС-фильтров и повышение степени их интеграции требует применения новых технологий и материалов. Тем не менее применение новых технологий накладывает ряд ограничений на выбор конструктивных и схемотехнических решений, в связи с чем проведение анализа и исследований схемотехнических решений и элементной базы современных ЬС-фильтров является актуальной задачей.

Цели диссертационной работы: исследование вопросов реализации интегральных ЬС-фильтров высокочастотного (ВЧ) и сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазонов на основе современных материалов, а также разработка методики их проектирования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследование характеристик элементной базы интегральных ЬС-фильтров.

2. Анализ и выбор схемотехнических решений ЬС-фильтров ВЧ и сверхвысокочастотного СВЧ диапазонов, пригодных для реализации в виде интегральных структур.

3. Разработка рекомендаций по проектированию интегральных ЬС-фильтров ВЧ и СВЧ диапазонов с учетом физической реализуемости элементной базы, требуемых параметров фильтров и применяемых современных материалов.

4. Электромагнитное моделирование элементной базы и интегральных ЬС-фильтров на основе современных материалов.

5. Экспериментальное подтверждение характеристик разработанных ЬС-фильтров.

Основные методы исследования:

1. Численные методы расчета на основе аналитических моделей.

2. Электродинамическое моделирование интегральных ЬС-фильтров на основе метода моментов (МоМ).

3. Экспериментальные методы.

Научная новизна работы:

1. Определены границы применяемости элементов интегральных ЬС-фильтров в диапазоне частот.

2. Впервые выбраны и научно обоснованы схемотехнические решения для интегральных ЬС-фильтров в зависимости от требований, предъявляемых к фильтрам, и применяемого материала основания фильтра.

3. Предложены конструкции элементов интегральных ЬС-фильтров и обосновано их применение в зависимости от технологии производства.

4. Разработана методика проектирования интегральных ЬС-фильтров в зависимости от материала основания фильтра и технологии его реализации.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Научно обоснованные конструктивные исполнения элементов интегральных ЬС-фильтров для различных значений индуктивности и емкости в зависимости от диапазона частот.

2. Алгоритм проектирования интегральных ЬС-фильтров в зависимости от типа фильтра и выбранной технологии его изготовления.

3. Результаты экспериментальных исследований интегральных ЬС-фильтров, изготовленных на основе МПП, ЬТСС и ЬСР материалов.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Результаты исследования параметров элементов интегральных ЬС-фильтров в зависимости от их конструкций (в том числе оригинальных), результаты которого позволяют, исходя из требований, предъявляемых к фильтрам, выбрать наиболее подходящие их них.

2. Результаты анализа схем, пригодных для реализации в интегральном виде, ЬС-фильтров, результаты которого позволяют решить вопрос возможности применения той или иной схемы для обеспечения заданных параметров.

3. Методика и рекомендации проектирования, позволяющие создать миниатюрные интегральные ЬС-фильтры с улучшенными характеристиками для устройств связи, локации, навигации и т.д.

ГЛАВА 1. ЬС-ФИЛЬТРЫ ВЧ И СВЧ ДИАПАЗОНОВ: КОНСТРУКЦИИ И

ХАРАКТЕРИСТИКИ

В настоящее время при работе в ВЧ и СВЧ диапазонах применение находят различные типы фильтров: волноводные, микрополосковые (МПФ), ЬС-фильтры на элементах с сосредоточенными и квазисосредоточенными параметрами, интегральные. Волноводные, фильтры на диэлектрических и объемных резонаторах обладают слишком большими габаритными размерами, что делает их непригодными для эксплуатации в мобильной РЭА. Также такие фильтры нуждаются в достаточно сложной подстройке. В тех фильтрах, в которых отсутствует необходимость подстройки, накладываются крайне жесткие требования на точность изготовления резонансных элементов. Поэтому далее рассмотрим более подробно типы фильтров, способные работать в диапазонах ВЧ и СВЧ и которые могут использоваться в современной мобильной радиоаппаратуре.

1.1 ЬС-фильтры на элементах с сосредоточенными параметрами

Классическая конструкция ЬС-фильтров на элементах с сосредоточенными параметрами позволяет работать лишь в низкочастотной части СВЧ диапазона (до 200 - 1000 МГц). С повышением частоты в цепях появляются паразитные индуктивности и емкости, что приводит к нестабильности расчетных значений параметров фильтра. ЬС-фильтры на элементах с сосредоточенными параметрами позволяют реализовать полосу пропускания 3 - 200% при порядке фильтра от второго до десятого, с потерями в полосе пропускания 0,12 - 6 дБ [3].

Основным фактором, препятствующим использованию такого типа фильтров на более высоких частотах, является то, что номинальные значения емкостных и индуктивных элементов могут быть либо слишком большими, либо уменьшаются вплоть до десятых долей нГн, при этом становятся соизмеримыми с монтажными емкостями и индуктивностями выводов.

Кроме того, число схем, подходящих для реализации в ВЧ диапазоне, ограниченно, так как из всего многообразия схем лишь немногие позволяют

реализовать приемлемые значения элементов. На Рис. 1.1 приведены некоторые схемные решения для полосовых фильтров ВЧ диапазона.

ЛПГ^Н 1—1—• ^ТР—I I-т-1 I—плп- •—,-ллгм

-О -О Гл г

С Э С <гЛ 1 с 3 С

Ы. ._V _I

а) б) В)

Рисунок 1.1. Схемы Г-образного (а), Т-образного (б) и П-образного (в) полузвеньев

полосовых фильтров

На Рис. 1.2 приведена эквивалентная схема полосового ЬС-фильтра на элементах с сосредоточенными параметрами и его внешний вид.

1ЛС1 ц сэ и а и С7 и с*

С1 С4 а с»

1111

а) б)

Рисунок 1.2. Полосовой ЬС-фильтр на элементах с сосредоточенными параметрами:

схема (а), топология (б)

При выборе схемы ЬС-фильтров исходят из рекомендаций, изложенных в работах [28, 29, 56]:

- емкости должны состоять из нескольких конденсаторов, соединенных параллельно, а длина их выводов - минимально возможная (для уменьшения влияния паразитных индуктивностей выводов);

- для фильтров с относительной полосой пропускания 1 - 5% целесообразно использовать колебательные контуры одного типа (либо последовательные, либо параллельные);

- для фильтров с относительной полосой пропускания более 5% предпочтительно использовать фильтры Кауэра с последовательными колебательными контурами, так как при таком включении индуктивности выводов конденсаторов Ьс оказываются включенными последовательно с индуктивностью ЬС-контура, и их присутствие легко учитывается при настройке.

Достоинствами ЬС-фильтров на элементах с сосредоточенными параметрами являются:

- низкая стоимость;

- наличие точных методик расчета элементов схем фильтров;

- достаточно простое обеспечение заданной АЧХ;

- возможность работы со сравнительно большими уровнями входного сигнала.

Недостатки такого типа фильтров:

- возможность работы на частотах не выше 1 ГГц;

- большие габаритные размеры (при высоком порядке фильтра);

- длительный и трудоемкий процесс настройки фильтра;

- низкая технологичность изготовления.

1.2 Фильтры на элементах с распределенными параметрами

Благодаря преимуществам перед фильтрами традиционных конструкций (волноводных, на объемных резонаторах), фильтры на элементах с распределенными параметрами получили широкое распространение в технике СВЧ, среди таких преимуществ можно назвать: малые массогабаритные характеристики, технологичность и экономичность изготовления.

Ограничения, накладываемые на использование элементов с сосредоточенными параметрами в СВЧ диапазоне, привели к необходимости замены сосредоточенных элементов фильтра-прототипа их эквивалентами с распределенными параметрами. Диапазон работы микрополосковых фильтров от 100 МГц до 40 ГГц [3], при реализуемых относительных полосах пропускания от 0,5 до 30%. Потери фильтров на микрополосковых линиях (МПЛ) минимальны при относительной полосе пропускания в 3 - 20%, а при сужении полосы пропускания потери фильтра увеличиваются [40].

Если допустить, что линия передачи представляет собой линию без потерь, тогда короткий отрезок линии передачи с малым волновым сопротивлением будет представлять собой емкость, в то время как короткий отрезок с большим волновым сопротивлением представляет собой последовательную индуктивность [55]. Из [55] известно, что подбирая определенную длину линии передачи (короткозамкнутой или

разомкнутой), можно получить необходимое реактивное сопротивление, чтобы, используя эти отрезки, реализовывать различные типы фильтров.

Конструкции фильтров нижних частот (ФНЧ) представляют собой чередование участков линии (1Ь 13..1П) с большим и малым (Ь, Ц.Лп.]) волновым сопротивлением, которые имеют индуктивный и емкостной характер соответственно. Фильтры подобного типа используются в диапазоне частот от 1 до 10 ГГц. Конструкция ФНЧ на МПЛ приведена на Рис. 1.3.

Конструкции фильтров верхних частот (ФВЧ) реализуются на основе чередования отрезков линий, закороченных на концах, и разрывах в основной линии передачи, которые образуют емкостную связь фильтра. Конструкция ФВЧ приведена на Рис. 1.4 [6, 13].

Полосовые фильтры на основе МПЛ имеют более сложные конструкции, чем ФВЧ и ФНЧ, и имеют большое количество возможных конструкций: на четвертьволновых (Я/4), полуволновых (к/2) резонаторах, на встречных стержнях, на основе четвертьволновых шлейфов и четвертьволновых соединительных линий.

Полосовые фильтры на основе линии с зазорами могут реализовывать полосы пропускания до 20%, так как ширину полосы пропускания таких фильтров определяет связь между полуволновыми резонаторами, при этом для обеспечения широкой полосы необходима сильная связь и малые зазоры (з), что достаточно сложно реализовать вследствие технологических ограничений процесса изготовления. На Рис. 1.5 изображена конструкция полосового фильтра на полуволновых разомкнутых резонаторах [6, 13, 42].

Рисунок 1.3. Конструкция ФНЧ на МПЛ

Рисунок 1.4. Конструкция ФВЧ на МПЛ

3 >

^ II , г

ттъттшь

4 , л/г .

Рисунок 1.5. Полосовой фильтр на основе линии с зазорами

Конструкция таких фильтров обладает большой длиной, что ограничивает ее применение в малогабаритных устройствах.

Полосовые фильтры на связанных полуволновых резонаторах представляют собо�