автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Интегральные схемы частотно-избирательных смесителей миллиметрового диапазона волн

¡9 К и а У .С

КИЕВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

КРАВЧУК Сергей Александрович

УДК 621.396.622

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ЧАСТОТНО-ИЗБИРАТЕЛЬНЫХ СМЕСИТЕЛЕЙ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ВОЛН

Специальность 05.27.01 — «Твердотельная электроника,

микроэлектроника»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Киев — 1992

Работа выполнена в Киевском политехническом институте и в НИИ "Сатурн"

Научный руководитель: Научный консультант:

доктор технических наук, профессор К).И. Якименко кандидат технических наук Т.Н. Наритник

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Е.А. Мачусский кандидат технических наук A.A. Липатов

Ведущая организация:

Институт радиофизики и

электроники АН Украины ^ _

Защита состоится " /У " С* ¿С/1992 г. в ^^ часов на заседании специализированного совета К 068.14.17 при Киевском политехническом институте по адресу: 252056, Киев, пр. Победы 37.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Киевского политехнического института.

Автореферат разослан " " ССИ^^^У 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета

'У4'

К. Т. II.

1С).Д. Кобцев

аннотация

Цель диссертационной работы состоит в разработке малошумящих . частотно-избирательных диодных смесителей миллиметрового диапазона волн на основе интегральных схем (ИС) и колебательных структур с диэлектрическими резонаторами (ДР), а также в теоретическом и экспериментальном исследовании таких смесителей для достижения минимальных шумовых параметров и повышенной помехозащищенности приемных устройств, созданных на их базе.

Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи:

- построить модели трактов частотно-избирательного смесителя миллиметрового диапазона;

- исследовать влияния входной частотно-избирательной цепи балансного смесителя с неидентичной парой диодов на его потери преобразования, а также потерь преобразования на суммарной и суммарно-зеркальной частотах на шум смесителя;

- разработать в миллиметровом диапазоне частотно-избирательные устройства с пьезоэлектрической перестройкой частоты на основе высокодобротных ДР;

- разработать ряд ГИС частотно-избирательных смесителей в диапазоне частот 20___140 ГГц, ГИС субгармонического смесителя с Фазовым подавлением зеркальной частоты на 200 ГГц и исследовать возможность создания таких устройств на базе МНС.

АВТОР ЗАЩИЩАЕТ:

- модели трактов ИС частотно-избирательного смесителя, 'выраженные через параметры четырехполюсника и комплексные функции поре -дачи, учитывающие нагрузки на зеркальной, суммарной и суммарно-зе -ркальной частотах, а также развязки между трактами;

- теоретические и экспериментальные результаты исследования влияний на частоте гетеродина параметров входной частотно-избирательной цепи балансного смесителя на его потери преобразования, потерь преобразования на суммарной и суммарно-зеркальной частотах на шум смесителя;

- результаты разработки ДР из нового керамического материала на основе сложных перовскитов и частотно-избирательных структур на базе этих резонаторов для ИС смесителей миллиметрового диапазона;

- принципы построения, рекомендации к применению и результаты экспериментальных исследований в миллиметровом диапазоне волн частотно-избирательных структур на основе ДР с пьезоэлектрической перестройкой частоты.

- г -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время значительно возрос интерес к малошумящим помехозащищенным приемным устройствам миллиметрового диапазона длин волн и особенно к устройствам его длинноволновой части (длины волн более 1,5 мм). Это связано с необходимостью проведения ряда фундаментальных исследований в области астрофизики, биологии и медицины; использованием волн рассматриваемого диапазона в системах межспутниковой и скрытной наземной связи, а также обеспечением элементной базой интенсивно'разрабатываемых радиорелейных станций миллиметрового диапазона с высокой помехозащищенностью и линий цифровой связи для сетей ЭВМ в условиях города и густонаселенной местности.

Необходимо отметить, что, как правило, основное внимание разработчиков высокочастотной части приемных устройств рассматриваемого диапазона сосредотачивается на получении минимального коэффициента шума (Кщ) без достаточного учета других характеристик, в первую очередь, частотной избирательности. В этих случаях малошу-мящий приемник при наличии сильной внеполосной помехи не обеспечивает уверенного приема сигналов, не намного превышающих его шумовую чувствительность. И, наоборот, более шумящий приемник, но с входным фильтром, может оказаться в таких условиях более эффективным. Поэтому актуальной проблемой наряду с обеспечением низкого уровня собственных шумов приемного устройства является повышение ого частотной избирательности. Использование для этой цели отдельных фильтрующих узлов приводит к увеличению габаритов и стоимости приемника.

Отсутствие эффективных малошумящих транзисторных усилителей, сложности, связанные с созданием высокочастотных генераторов накачки для параметрических усилителей и применением мазеров в миллиметровом диапазоне волн, обусловили широкое использование приемни-коь, первым каскадом которых является диодный смеситель. Для мало шумящего приемника миллиметрового диапазона волн, когда на егс г.ходе имеется смеситель, наличие входного фильтра, как отдельной узла 'радиоприемного устройства, развязанного от влияния последующих узлов, в ряде случаев является неприемлемым при минимизацш шумов как смесителя, так и приемника в целом. В этой связи большой интерес представляет единое конструктивное построение высокочастотной части приемника, определяющее необходимость в целостног рассмотрении работы его узлов и блоков ( фильтра, смесителя, пред

варительного усилителя промежуточной частоты (11УПЧ), гетеродина ), шумовые свойства которых функционально связаны между собой через параметры смесителя. Так, отклонение минимального коэффициента шума ПУТИ от своего оптимального значения зависит от выходного импеданса смесителя, который наряду с потерями преобразования зависит от выходного импеданса входного фильтра. Одновременно импедансы и шумовая температура смесителя определяются уровнем и формой сигна ла гетеродина. Таким образом, смеситель является основным ключевым узлом приемного устройства миллиметрового диапазона, в значите-jiï ной степени определяющим его коэффициент иума и помехозащищенность.

Реализация целостной структуры частотно-избирательного см-сн теля для малошумящих приемных устройств миллиметрогого диапазона волн стала возможной благодаря развитию передовой интегральной т-.* хнологии и созданию на ее основе высокочастотных оеск/тпу^ннч 'л/,: диодов с барьером Шоттки (ДЬШ) и ИС смесителей рассматриваем.):^'' диапазона волн. Более того, ллагодаря точности фотс-литс-гг;Э<»и..-л: го способа формирования элементов микросхемы гтал.м. лгея !:: rr.fii:! ¡ими новые схемы соединений и согласований импеданссв, что иози.д.1>.т существенно расширить схемотехнику ИС смесителей и улучшить их па раметры. При этом гибридные интегральны» схемы trKCi CMecim.ivJi !!'• своим электрическим и механическим параметрам, высокой иэд-заг-'-ти и малым габаритам существенно превосходят волноводние конструкции. Усложнение схемотехники приемных устройств, появление в начал" длинноволновой части миллиметрового диапазона малошумящих усилите лей и стремление снизить шумы смесителя за счет максимального уменьшения его размеров и исключения межсоединений привело к ir»/iij:> нию арсенидогаллиевых монолитных интегральных схем (МИС; смесит» лей миллиметрового диапазона. Все это требует развития точных м'. делей для проектирования ИС смесителей с учетом специфики рассматриваемого диапазона длин волн.

К настоящему времени работы, посвященные общим г,опросам преобразования частоты диодными смесителями, интенсивно проводящиеся как в нашей стране, так и за рубежом, определили основные модели процессов, происходящих в смесителе, и методы их анализа, b то же время работа ГИС и МИС малошумящих балансных частотно-избиратель них смесителей в миллиметровом диапазоне имеет свои недостаточно исследованные особенности. Поэтому по-прежнему остаются актуальны ми исследования, посвященные разработке моделей ИС частотно-избирательных смесителей, которые в системах единых параметров через

легко измеряемые или рассчитываемые величины позволяют проводить анализ и оптимизацию характеристик как отдельных узлов, так и всего смесителя в целом.

Кроме этого V для реализации максимального подавления внеполо--сных помех путем повышения прямоугольноети характеристики частотно-избирательной цепи смесителя миллиметрового диапазона волн без ухудшения чувствительности по основному каналу приема необходимо создать высокодобротные резонансные элементы. В настоящее время, благодаря достижениям в теории ДР СВЧ диапазона и в технологии керамических материалов, для селективных устройств рассматриваемого диапазона стало возможным использование ДР на низших типах колебаний. Однако ДР' на основе существующих отечественных промышленных материалов с переходом в миллиметровый диапазон волн не обеспечивают достаточной добротности. Поэтому для их реализации в данном диапазоне требуется разработка новых диэлектрических материалов.

Прогресс в развитии частотно-избирательных устройств и в расширении их функционального применения р значительной степени опре -деляется возможностью их частотной перестройки. Так'как поддержание высокого значения добротности резонаторов играет очень важную роль, то для их частотной перестройки возможно применение только тех способов, которые не снижают этот параметр. Поэтому заслуживает большого внимания изыскание соответствующего способа перестройки частоты (СИМ). В частности таким условиям в миллиметровом диапазоне, как показали исследования, наиболее соответствует пьезоэлектрический С1Г-1, который позволяет объединить высокодобротную ме-лпннчрскую перестройку диэлектриком с высоким быстродействием электрической.

Таким образом, потребности практики и недостаточная исследо-наиность шве указанных вопросов в их взаимосвязи определяют актуальность темы диссертации.

Методика научных исследований включает: метода анализа высокочастотных устройств с использованием теории многополюсников, принципа декомпозиции и комплексных функций передачи, численны1; методы решения математических задач на ЭВМ, аналитическое и натур ж*- моделирование, методы измерения параметров малошумяищх прием-ии.\ устройств и резонаторов в миллиметровом диапазоне волн.

Научная новизна работы состоит в следующем. 1. Представлены модели трактов ИС частотно-избирательного смесителя миллиметрового диапазона волн,- выраженные через параметры че

Тирехполюсника и комплексные функции передачи, учитывающие нагру:: ки на зеркальной, суммарной и суммарно-зеркальней частотах, а также развязки между трактами.

2. Для реализации цепей ИС смесителя предложены новая интегральная линия передачи - келобково-щелевая для диапазона частот сшш- iuï ГГц, эмпирические расчетные соотношения для копланарной линии :!>• ре дачи, учитывающие толщину металлизации проводника, и ди"н< P'ai». ее параметров.

3. Исследована чувствительность потерь 1ГреС"'разоьа1ш-1 оалан'чь смесителя с неидентичной парой диодов к трт-трам с ix- !:х.-д:к Я частотно-избирательней цепи на частоте гетеродина и р.чнг.л-.ж н::«' последней относите лню диодов. /ч«т такой зяЕ-искмсети ¡ю-г >,>:.•!• т определять допуск на неидентичносп и i; к'-шт'-тнем ч.ч'-т т-г избирательном ечлянсиом смесителе, а тчк»- пути • чшх-.чшл чл .-тт и т^лыюсти его потерь преобразования ¡с при-ад-гШ!»; кманс^ти т- р' дана в сигнальный тракт.

4. Исследовано влияние noTept ьапнл на -уммар!!. и ■;■""•"'' рно-зеркальной частотах на щум частотно пзснрате.'П ¡г г' 1 ';.'•■''!":''m:i . Покарано, что оно мож-т вызывать увеличение к^ емк-ит'.-лл ''■■ Ь. Для частотно-избирательных цегк'й смесителя мкллпм-тр-. н >:» лип -нпзонэ разработаны др на нового кчртмич'Лког .• материала на сон' ! • сложных перовскитов, значение проиргедания гс-о^ть^инс-Я Tir>',T,.i на резонансную частоту (в ГГи) которых равно ««¿»л». Иирл-чп ¡'"¡и больиая эффективность применения ь миллиметровом дипячр-'-И'' аье;\ электрического способа перестройки частоты для и /.-траппы т;--г>т но-перестраиЕаемых колебательных структур на еС.н.у.- Л!: ::р-".лмы конструктивные методы реализации пьезоалектри'к'око!'. «.!!'! ':.":! и система параметров для оценки эффективности прим ль ннл различных СИЧ в зависимости от рабочего диапазона частот.

Практическая ценность работы состоит в следумЦ'.м.

1. Разработан комплекс алгоритмов и машинных программ расЧ"та i миллиметроЕом диапазоне волн основных параметров интегральных ли ний передачи и ИС частотно-избирательных смесителей 1 пак-т прог рам "MIXER" ), позволяющих автоматизировать их проектирование.

2. На основе экспериментальной оптимизации элементов Но смесит"-лей миллиметрового диапазона проведена классификация !<!(; и опред" лены рекомендации по использованию той или иной схемы для kohkp-""J' ного применения.

3. Разработаны РИС частотно-избирательных смесителей: балансных в

диапазоне частот 20...140 ГГц, субгармонического смесителя с фазовым подавлением зеркальной частоты диапазона 200 ГГц и однодиодно-го смесителя диапазона 140...160 ГГц с подавлением зеркальной частоты в контуре включения диода, а также показана возможность их создания на базе МИС.

4. Разработанные ГИС смесителей использованы в следующих помехоза-щищенных малошумящих приемных устройствах миллиметрового диапазона: высоконадежном герметичном преобразовательно-усилительном устройстве 5-мм диапазона волн для межспутниковой связи; высокочувствительном астрофизическом приемнике для проведения исследований параметров радиотелескопа РАТАН-600 и радиоастрономических наблюдений в миллиметровом диапазоне волн; приемнике-спектрометре для решения задач дистанционного зондирования поверхности суши, воды и льдов, располагаемом на борту самолета; ряде твердотельных приемников с подавлением зеркальной частоты диапазона 20...120 ГГц для измерительной аппаратуры и малогабаритных радиорелейных станций.

5. Созданы в миллиметровом диапазоне волн колебательные структуры на базе ДР с высокодобротной пьезоэлектрической перестройкой частоты и сформулированы требования на создание таких диэлектрических материалов, которые бы сочетали пьезоактивность с хорошими высокочастотными параметрами.

Реализация результатов работы. Материалы исследования реализованы при выполнении научно-исследовательских ( регистрационные номера 53660, 52465, 53904, 53825 ) и опытно-конструкторских ( регистрационные номера 53425 и 54223 ) работ в НИИ "Сатурн".

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на 15 Всесоюзной научно-технической конференции "Радиоприемные устройства бортовых радиолокационных станций СВЧ" (г. Ленинград, 1985 г.), Всесоюзной научно-практической конференции молодых специалистов (г. Саратов, 1985 г.),'Всесоюзной научно-технической конференции "Электронное приборостроение" (г. Новосибирск, 1988 г.). Всесоюзной научно-технической конференции "Интегральная электроника СВЧ" (г. Красноярск, 1988 г.), научно-технической конференции молодых ученых и специалистов "Актуальные проблемы в области радиоэлектроники, автоматики, вычислительной техники, энергетики, машиноприборостроения и промышленных технологий" (г. Киев, 1988 г.), 16 Всесоюзной научно-технической конференции "Радиоприемные устройства бортовых радиолокационных станций СВЧ" (г.

Ленинград, 1988 г.), международной конференции "Microwave physics and technique" (г. Варна, Болгария, 1989 г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Актуальные проблемы технологии композиционных материалов и радиокомпонентов в микроэлектронных информационных системах" (г. Ялта, 1990 г.).

Публикации. Основное содержание работы отражено в 16 публикациях в центральных изданиях и трудах всесоюзных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения, изложенных на 188 страницах машинописного текста, списка литературы из 186 наименований отечественной и зарубежной литературы на 21 странице. Работа содержит 60 рисунков, 7 таблиц и приложение на 45 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Конструктивное построение входного малошумящего частотно-избирательного смесителя как последовательное соединение широкополосного смесителя и входного фильтра, развязанных вентилем, в миллиметровом диапазоне волн мало эффективно из-за возрастающих потерь системы фильтр+вентиль и отсутствия требуемых реактивных нагрузок на комбинационных составляющих, которые необходимы для достижения минимальных потерь преобразования смесителя.

Поэтому в большинстве случаев необходимы непосредственная стыковка фильтра со схемой смесителя и их согласование по основному каналу приема. Это требует построения моделей трактов ИС частотно-избирательного смесителя для его расчета как единого устройства, включающего в себя селективные, согласующие и активные элементы. При этом приходится учитывать, что частотная избирательность смесителя является понятием более широким, чем, например, для фильтров и согласующих цепей. Это обусловлено полезным использованием и подавлением комбинационных составляющих, а также необходимостью требуемой защиты от внешних помех, зависящей от величины нагрузок смесителя на его комбинационных составляющих. Поэтому для достижения предельных параметров ИС частотно-избирательных смесителей, не требующих подстроек, в работе предложены модели трактов ИС такого смесителя, выраженные через параметры проходных четырехполюсников и комплексные функции передачи по мощности, зависящие от нагрузок на зеркальной, суммарной и суммарно-зеркальной частотах, а также от развязок между трактами. Данные модели позволяют рассматривать смеситель как целостную структуру, включающую отде-

льные тракты основных и комбинационных частот и функционально связывающую входную частотно-избирательную цепь с трактами ИС и активными элементами. Модели учитывают неидентичность смесительных диодов в балансных схемах и конечное значение развязки между трактами, в том числе, с разными типами волн.

Проведен нелинейный анализ зависимости параметров двух диодов в балансной схеме от мощности гетеродина на основе решения системы восьми нелинейных дифференциальных уравнений первого порядка, описывающей элементы эквивалентных схем ДЕШ и узлов тракта гетеродина. Параллельное соединение эквивалентных элементов тракта гетьро дина и Сг учитывает прохождение мощности гетеродин'; ь сиг-

нальный тракт через полученный в работе коэффициент связи п.

Линейный анализ трактов смесителя проводится в пятичастотном приближении: наряду с сигнальной, промежуточной и зеркальной учитываются суммарная и суммарно-зеркальная частоты. Для рпссмптриьа емого приближения получены расчетные соотношения для определения комплексных функций передачи трактов вышеуказашшх чагют, позволяющие производить анализ работы каждого тракта отдельно.

Предложен ряд моделей согласующих и рэспределит«лышх пассии ных узлов ИС смесителей, выполненных на основе различных инт' гра льных линий передачи (ИЛИ) и их гибридных соединений.

В этой связи проведено дополнительное исследование коплончрной линии передачи (КЛ), часто используемой для формирования тракта ге теродина ГИС смесителя, для которой характерны достаточно протк способы подключения активных элементов и разнообразная реализмтм комбинаций переходов с другими ИЛП. Г> результате псследоьглш:? КЛ получены эмпирические формулы расчета ее основных параметров с учетом дисперсии и толщины металлизации проводников. Максимальная погрешность формул в диапазоне до 100 ГГц составляет '4 % .

Частотный диапазон эффективного использования обычных ИЛП, прямоугольных волноводов и устройств на их основе ограничивается диапазоном 140...160 ГГц. Это связано с ростом погонных потерь в линиях передачи, резким уменьшением их размеров, трудностями включения в них активных элементов и обеспечения одномодового режима. Поэтому уделяется большое внимание поиску альтернативных линий передачи. В частности предложен желобковый волновод. В нем концентрацию и канализацию энергии обеспечивает один или два желоба, аналогично диэлектрическому стержню в зеркальных диэлектрических волноводах. Принимая во внимание сходство электромагнитных по-

лей в желобковом и обычном прямоугольном волноводах, был создан аналог волноводно-щелевой линии ' (ВВД) - желобково-щелевая ( ЩЛ ) для диапазона частот свыше 100 ГГц. Такая линия передачи сохраняет основной тип колебаний желобкового волновода и способствует большой концентрации электромагнитного шля в зазорах интегральных щелевых элементов, расположенных в желобках.

Разработан пакет программ "MIXER" для сквозного автоматизированного проектирования ИС частотно-избирательных смесителей миллиметрового диапазона волн, основанного на классических методах анализа и параметрической оптимизации цепей смесителя с использованием полученных моделей и заканчивающегося выдачей топологии ИС. Пакет программ предназначен для применения на персональных микроЭВМ типа IBM PC/AT с сопроцессором в среде операционных систем MS DOS 3.0 и выше.

Б работе показано влияние на шум смесителя потерь преобразования на суммарной (L0) и суммарно-зеркальной (L_o) частотах. Так при величине L,- большей 25 дБ Кщ практически равен значению, получаемому по известным формулам трехчастотного приближения. В г«том случае влиянием и на шум смесителя можно пренебречь, однако при меньших L, их вклад в шум смесителя ощутим, причем, он тем больше чем меньше основные потери преобразования Ц. Например, -ели 1,, - L - 10 дБ, то величина прироста Кщ относительно известных трехчастотшх формул составляет 10% при Lj = 8 дБ и - почти .;'№ при 3,5 дБ. Таким образом, L, и L_0 вносят ощутимый вклад ь общий шум SSB-смесителей с малыми Lj.

Кпервие исследовано влияние прохождения мощности гетеродина !"> Кхулной сигнальный тракт реального частотно-избирательного сме-■ ■лт'"'ля" на его потери преобразования и взаимодействие этой мощности г чг^тотио-игсирательной цепью.

Используя разработанные модели трактов ИС частотно-избирате-.'и-н -го смесителя, рассмотрена балансная ИС с полосно-пропускающим Фильтром (НПФ), подавляющим "внутреннюю" зеркальную частоту, и с ¡''-идентичной парой ДБШ (пЮ). Выявлено, что в этом случае минимальны-' потери преобразования имеют максимум при определенном чтении п. Хотя после этого всплеска потери с ростом п понижают-•■>., !!:•: г.!!'141'ния остаются большими при п = 0. Отметим также, г • :«'ст и помимо неидентичности пары ДБШ может быть вызван неси-

1!чн:"-тьи плечей гибридного соединения ВЩЛ-КЛ и различием в ' нт-ш" и положении диодов. Допустимое значение п, при котором

практически неизменно, равно 0,05. Избежать указанного увеличения можно понижая мощность гетеродина Рр, уменьшая во входном фильтре величину отражения на частоте гетеродина и изменяя расстояние между ППФ и ДБШ.

В качестве внешних частотно-избирательных цепей для ИС смесителей миллиметрового диапазона волн в работе разработаны колебательные структуры на основе ДР из нового керамического материала ( из сложных перовскитов с ег=28...35 и ТК£=-20...10 мК-1 ) с значением произведения собственной добротности 00 на резонансную частоту 1р (в ГГц), равным 98000. Это в два с лишним раза больше чем С10Гр для промышленной керамики АЛТК. Созданные на базе таких ДР и отрезков В1Щ1 разной формы колебательные структуры образуют одно-, двух- и трехрезонаторные фильтры как полосно-заграждающий (ПЗФ), так и полосно-пропуекающий, для следующих сечений волновод-ных каналов: 7,2*3,4 мм, 5,2x2,6 мм, 3,6x1,8 мм и 2,4x1,2 мм.

Реализованные однорезонаторные ПЗФ режектируют в относительной полосе «»0,5% сигнал до 40 дБ, имея при этом КСВН не менее 45 и потери в полосе пропускания 0,2...0,5 дБ. Однорезонаторные ППФ в относительной полосе пропускания 0,5% имеют потери 0,5 ...0,9 дБ, а при отстройке на 0,4% от центральной частоты имеют затухание порядка 10...12 дБ. Запирание вне полосы пропускания составило не менее 25...30 дБ.

В работе обоснована целесообразность применения в миллиметровом диапазоне волн для выше рассмотренных частотно-избирательных структур пьезоэлектрического СПЧ, который осуществляется при помощи специальных пьезокерамических преобразователей.(микропозиционеров), использующих обратный пьезоэффект и поэтому позволяющих объединять преимущества высокодобротной механической перестройки и электрического управления.

Для описания пьезоэлектрической перестройки частоты различными конструкциями микропозиционеров получены соответствующие математические выражения. Так, например, зависимость перемещения незакрепленного конца биморфного пьезоэлемента от прикладываемого к его электродам управляющего напряжения и определяется выражениями: для консоли бБ= кцйд^и I2/ 1;2, и для балки бБ= кцйд^и I2/ (21; )2, где 1 и г - длина и толщина пьезопластин, из которых набран би-морф; кц - коэффициент, значение которого зависит от величины напряжения; - поперечный пьезомодуль керамического материала микропозиционера. В случае пакетного-микропозиционера: бп= й^Ы и,

где (З^д - продольный пьезомодуль керамического материала; N - количество пьезопластин, из которых набран пакет.

Для пьезоэлектрического и механического СПЧ определены следующие конструктивные методы реализации перестройки частоты: емкостный, индуктивный, составного резонатора и изменения коэффициента связи резонатора с линией передачи, в которую он включен.

Проведены теоретические и экспериментальные исследования высокодобротной пьезоэлектрической перестройки частоты однорезонато-ршх и двухрезонаторных фильтров миллиметрового диапазона на основе ДР. Для них получена относительная перестройка частоты 7...10 % при и, изменяющемся от 0 до 120 В практически без потребления тока.

Крутизна перестройки частоты во всех рассмотренных случаях с ростом рабочей частоты изменялась от 8 до 35 МГц/В. Быстродействие пьезоэлектрического узла управления перестройкой для биморфной

-3 -Ч

структуры составило 2-10 с, а пакетной - 5-10 с.

В зависимости от рабочего диапазона частот проведен сраЕштте-льный анализ эффективности применения пьезоэлектрического СПЧ и других основных способов перестройки частоты: механического, электрического и магнитного. Определена следующая система параметров сравнения: коэффициент качества перестройки резонансной частоты резонатора; относительный объемный параметр перестраиваемой резонансной системы; относительный параметр затрат электрической мощности на перестройку резонансной частоты; крутизна перестройки частоты. Из проведенного сравнения различных СПЧ сделан вывод о том, что электрический СПЧ целесообразно использовать на частотах ориентировочно до 15 ГГц, магнитный - в диапазоне от 5 до 40 ГГц, механический СПЧ йригоден во всем радиоволновом диапазоне, пьезоэлектрический - при частотах свыше 30 ГГц.

Использование частотно-избирательных смесителей в качестве входных каскадов малошумящих приемных устройств миллиметрового диапазона, часто требующих непосредственного соединения их входа с полым металлическим волноводом,'определило широкое распространение ИС смесителей и их частотно-избирательных цепей на основе таких НЛП, в которых переизлучение высокочастотной мощности при минимальных потерях из волновода требует простых элементов сопряжения. Это определило необходимость использования двух вариантов схемного построения ЙС смесителей миллиметрового диапазона: продольно- и поперечно-ориентированного. В первом случае к диодам подается вхо-

дной сигнал по ИЛП, в которой без сложной трансформации распространяется основной тип колебаний волновода, а во-втором - электромагнитное поле входного сигнального волновода непосредственно облучает диодную структуру, располагаемую перпендикулярно волноводу, без использования дополнительной трансформирующей ИЛП. Продольно-ориентированные схемные конструкции, как правило, выполнены на основе ГИС на ВЩЛ и различных ее гибридных соединениях с другими ИЛП ( чаще всего с КЛ ), а поперечно-ориентированные - на ИС, основу которых составляют микрополосковые и подвешенные полосковые ИЛП.

Наибольшее схемное многообразие реализуемо для продольно-ориентированных ГИС смесителей, где по входу возможно использование частотно-избирательной цепи на базе соединения ВЩЛ с ДР. При помощи пакета программ "MIXER" и на основе анализа результатов экспериментальных исследований различных схем смесителей разработаны балансные продольно-ориентированные ГИС смесителей с подавлением зеркального канала ) и регенерацией суммарной и суммарно-зеркальной частот. Такие ГИС легли в основу разработанного нами ряда смесителей, перекрывающих диапазон промежуточных частот (ПЧ) от О до 12 ГГц, потребляющих мощность гетеродина не более 10 мВт и обеспечивающих подавление в диапазоне до 70 ГГц не менее ЗЬ дБ, а выше - 25 дБ. Потери преобразования при этом в полосе входных частот 20...40 ГГц составили 3,6...4,8 дБ, 40...70 ГГц - 4...5,б дБ, 70...100 ГГц - 5,2...7 дБ и 100...140 ГГц - 6...8 дБ.

Поперечно-ориентированные ГИС балансных смесителей разработаны для диапазона частот 50...100 ГГц с потерями преобразования 5...7 дБ и подавлением i_1 более 35 дБ.

На базе ЩЛ с использованием схемотехники продольно-ориентированных ГИС смесителей разработана наиболее высокочастотная ГИС субгармонического смесителя с фазовым подавлением зеркального канала диапазона 1,5 мм волн. Такой смеситель конструктивно состоит из металлического корпуса с взаимно-перпендикулярными отрезками желобковых волноводов и встроенных в них двух односторонних ЩЛ с диэлектриком из плавленного кварца, разделенных тонким металлическим экраном. Последние образуют сигнальный и гетеродинный тракты двух балансных продольно-ориентированных ГИС смесителей, работающих на второй гармонике гетеродина без внешнего смещения. Потери преобразования смесителя в диапазоне длин волн 1,5...1,6 мм составили 8,5...10 дБ при ПЧ, равной 3...8 ГГц .

На основе представленной в работе методики проектирования показана возможность реализации двух типов МИС смесителей в' диапазонах 50 ГГц и 94 ГГц с потерями преобразования 7...и дН . Первый тип соответствует полностью полупроводниковой МИС в микрополоско вом исполнении но основе гибридного кольца. Второй использует соединение поперечно-ориентированного чипа, содержащего активные элементы и тракт гетеродина, с ГИС фильтра нижних частот, "'¡а типп МИС достаточно просты для их массового производства.

Разработанные ГИС смесителей позволили реализоч-ч-п r:rir* разные помехозащищенные малошумящие приомни».' устроПстьч миллимет рового диапазона. Это - высоконадежное герметично'"1 прё'.бра'" ьчт-льно-усилительное устройство &-мм диапазона i-олн с коЧФицИ'-нт-.м шума 6,5...Ь дБ при 1Г1, равной 5...8,5 1'1'ц; ряд частотно ио'ирч тельных твердотельных приемников в диапазон-:' чч^тет ;-'•'>...!','■ i'l'ii о коэффициентом шума 5...Ш дБ и ПЧ, рапной 1...].: Г'п: рк--ок"ч:,ч--т ьителышй астрофизический приемник диапазон;! oU...I,u Iii. ; ::г/м вой температурой 700... 1000 К для радиотелескопа lATAIi >х»>: ' отвой преемник-спектрометр диапазона СО... I. ' i !':'н чч ;! ЧуВСТЬИТСЛЫЮСТЬЮ U,03. . .0,05 К При ПОСТОЯННЕЙ !:{0-М-ЧГ.! ! !' созданные приемные устройства и системы на лч;:е !'IV п имеют предельно высокие параметры, соотг-етстг.уга:«'- и ь • тл- лв нта случаях превосходящие параметры известных гару^-жнкх -чичл .гч .

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ГЛНоТЬ!

1. Предложены модели трактов MC частотно- игоиратглыюго см- - ?и теля миллиметрового диапазона, выраженные через параметры ч> таг полюсника посредством ABCD-мэтриц и комплексные Функции пер"дачи, учитывающие нагрузки на зеркальной, суммарной и суммарно зеркаль ной частотах, а также развязки между трактами. На их осноге рч: работана инженерная методика автоматизированного проектирования ь виде пакета программ "MIXER" для персональных ЭВМ типа П:М }'о/ЛТ. При этом получены расчетные соотношения для КЛ, учитыва»*".;» *.• дисперсию и толщину металлизации проводников, а также для ряда па ссивных элементов трактов смесителя на базе HJ1II . 2. Исследована чувствительность потерь преобразования балансного смесителя с неидентичной парой диодов к параметрам его входной частотно-избирательной цепи на частоте гетеродина и расположению последней относительно диодов. .Учет такой зависимости позволяет определять допуск на неидентичность диодов в конкретном частотно

избирательном балансном смесителе, а также пути снижения чувствительности его потерь преобразования к прохождению мощности гетеродина в сигнальный тракт. Исследовано влияние потерь преобразования на суммарной и суммарно-зеркальной частотах на шум частотно-избирательного смесителя. Показано, что оно может вызывать увеличение Кщ смесителя до 20 %. Реализована экспериментальная оптимизация элементов ГИС смесителя с целью получения его предельно достижимых параметров.

3. Для частотно-избирательных цепей смесителя миллиметрового диапазона разработаны ДР из нового керамического материала на основе сложных перовскитов, значение произведения собственной добротности на резонансную частоту (в ГГц) которых составило 98000. На их базе созданы планарные частотно-избирательные структуры рассматриваемого диапазона с пьезоэлектрической перестройкой частоты.

4. Получены расчетные соотношения, описаны конструктивные методы реализации и проанализированы результаты экспериментальных исследований для пьезоэлектрического С1Г-! частотно избирательных структур на основе Д1- в миллиметровом диапазоне. Показана наибольшая эффективность применения данного способа перестройки г: рассматриваемом диапазоне волн.

Ь. На основе пакета программ "МХХКК" и анализа результатов экспериментальных исследований различных НО смесителей разработан ряд ГИС частотно-избирательных смесителей: балансных в диапазоне частот 20... 140 ГГц, субгармонического смесителя с фазовым подаг: лением зеркальной частоты на 20и ГГц и однодиодного смесителя с с подавлением зеркальной частоты в контуре включения диода диапазона 140...160 ГГц. а также показана возможность их создания на базе МИО.

в. Разработанные ГИС смесителей позволили реализовать следующие пом-.'хозащищонные малошумящие приемные устройства миллиметрового диапазона: высоконадежное герметичное преобразовательно-усилительное устройство Ь-мм диапазона ьолн для межспутниковой связи; ьиеокочуг.стьителышй астрофизический приемник для проведения исс л«л/'ьаний параметров радиотелескопа РАТАН-60и и радиоастрономических наблюдений в миллиметровом диапазоне волн; располагаемый нь '■■. рту самолета приемник-спектрометр для решения задач дистанциоп-ч"'Г-"> зондирования поверхности суши, езды и льдов; ряд твердоте .".¡,ии>: приемников с подавлением зеркальной частоты диапазона 20... !.ч; !Гц для измерительной аппаратуры и малогабаритных радиорелей-

ных станций.

Список опубликованных работ по теме диссертации.

1. Гассанов Л.Г., Нарытник Т.Н., Кравчук С.А., Нотиенко В.Г1. Смесители миллиметрового диапазона в гибридно-интегральном и монолитном исполнении // Обзоры по электронной технике. Сер. Электроника СВЧ. Вып. 7 ( 1099 ). - М.: ЦНИИ "Электроника", 1985. - 40 с.

2. Кравчук С.А., Нарытник Т.Н., Якименко ¡и.И. Частотно-перестраиваемые резонаторы для функциональных устройств СВЧ ,'/ позоры по электронной технике. Сер. Электроника СВЧ. Ьып. 3 (1247;.. - м.: ЦНИИ "Электроника", 1987. - 76 с.

3. Якименко Ю.И., Селиванов С.А., Кравчук С.А. Пьезоэлектрически перестраиваемые устройства КВЧ диапазона // Электронное прирост-роение: Тез. докл. научно-техн. конф. - Новосибирск, 1988.- 0. 85.

4. Кравчук С.А., Нарытник Т.Н., Якименко Ю.И. Исследование пьезо электрической перестройки диэлектрических резонаторов '/ Интетра льная электроника СВЧ: Тез. докл. Всесоюзной научно-технич. кс.-нф.

- Красноярск, 1988. - С. 27.

5. Кравчук С.А., Нарытник Т.Н., Якименко Ю.И., Селиванов <:..л. Пьезоэлектрическая перестройка диэлектрических резонаторов КВЧ v Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. - 1988. - Вып.7 1.4 11;.

- С. 6-10.

6. Якименко Ю.И., Кравчук С.А., Нарытник Т.Н., Селиванов O.A. возможности электромеханической перестройки колебательных систем СВЧ // Радиоэлектроника.- 1988. - Т.31. - J6 10. - C.5U-56. ( Изв. высш. учеб. заведений ).

7. Кравчук С.А., Нарытник Т.Н., Потиенко В.П. Монолитные диодные смесители на арсениде галлия миллиметрового диапазона длин волн // Радиоэлектроника. - 1988. - Т. 31. - Л 10.- С. 21-27. ( Изв. высш. учеб. заведений ).

8. Кравчук С.А., Селиванов С.А. Приемные устройства миллиметрового диапазона на ВЩЛ с пьезоэлектрическим управлением // Актуальные проблемы в области радиоэлектроники, автоматики, вычислительной техники, энергетики, машиноприборостроения и промышленных технологий : Тез. докл. научно-технич. конф. молодых учен. 29 ноября - 1 декабря 1988 г. - Киев, 1988. - С. 35.

9. Кравчук С.А., Селиванов С.А., Якименко Ю.И. Планарный полосовой фильтр КВЧ на диэлектрических резонаторах с пьезоэлектрической перестройкой частоты // Радиотехника. - 1989. - Л 4. - С. 93-94.

10. Кравчук С.А., Якименко Ю.И. Гибридные интегральные схемы балансных диодных смесителей КВЧ диапазона // Радиоэлектроника.- 1989.

- Т. 32. - * 10. - С. 83-85. ( Изв. высш. учебн. заведений ).

11. Kochno A.G., Kravchuk S.A., Jasinsky E.V. Groov guide EHF receiver // Diggest of bth International school on microwave physics and technique, October 2-7, Bulgarian, 1989. - Varna: Institute of electronics Bulgarian Academy of Sciencees, 1989. - P. 132. (MwS).

12. Вирченко В.Л., Короствлев B.C., Кохно А.Г., Кравчук С.А. Гибридно-интегральный модуль преобразователя частоты коротковолновой части миллиметрового диапазона // Твердотельные генераторы и преобразователи миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов : Сб. науч. тр. - Харьков: Ин-т радиофизики и электроники АН УССР, 1989.

- С. 84 - 88.

13. Кравчук С.А., Нарытник Т.Н., Потаенно В.П. Шумы в смесительныз диодах с барьером Шоттки миллиметрового диапазона длин волн // Радиоэлектроника. - 1989. - Т. 32. - * 10. - С. 24-30. ( Изв. высш учеб. заведений ).

14. Кравчук O.A., Нарытник Т.Н., Ненашева Е.А. Получение новог< керамического материала и свойства диэлектрических резонаторов н его основе // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. - 1990. Вып. 1 (42Ь). - 0. 11 - 12.

15. Якименко Ю.И., Кравчук С.А., Селиванов С.А. Высокочастотны пьезоуправляемые резонансные структуры // Актуальные проблемы тех нологии композиционных материалов и радиокомпонентов в микроэлек тронных информационных системах: Тез. докл. Всесоюзной научно-тех конф. 14-16 мая 1990 г. - Ялта, 1990. - С. 33.

16. Якименко Ю.И., Кравчук С.А., Селиванов С.А. Высокочастотш управляемые резонансные структуры на основе пьезопреобразователс // Диэлектрики и полупроводники. - 1991. - Вып. 39. - С. 19 - 23

,// -L.-ç\-,г:у<-

Кравчук С.А.