автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.21, диссертация на тему:Исследование микрополосковых структур и частотно-селективных устройств на их основе

">" л Оо

к V ^

1 7р<о'$с%1? ская академия наук

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ «ШШ 101. Л.В.КИРЕКСКОГО

На правах рукописи

Беляев Борис Афанасьевич

ИССЛКД0ВА1ШК МИКРОПОЛОСКОВЫХ СТРУКТУР И ЧАСТОТНО-СЕЛЕКИ'ВНЬК УСТРОЙСТВ НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность 05.12.21 - Радиотехнические системы специального назначения, включая технику СВЧ и технологию их производства

ДИССЕРТАЦИЯ В ФОЙЕ НАУЧНОГО ДОКЛАДА

на соискание ученой степени доктора технических наук

КРАСНОЯРСК - 1997

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук

Зоер Э.П.

доктор технических наук, профессор

Кашкин В.В.

доктор технических наук, профессор

Малютин Н.Д.

Ведущая организация: Томский государственный университет им. В.В.Куйбышева, г. ТОМСК

Защита состоится " & " 1997 г. в часов

на заседании диссертационного Совета Д.054.54.03 Красноярского государственного технического университете по адресу: 660074, г.Красноярск, ул.Киренского, 26, Красноярский государственный технический университет.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке КГТУ

Диссертация в виде научного доклада разослана "3 "ф/.ср/л,.^997 г.

Ученый секретарь ДИССЕРТАЦИОННОГО СОВЕТА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1. Актуальность теыы.

Частотно-селективные устройства (полосно-пропускающие и режек-эрные фильтры, дишексэры, мультиплэксеры и-др.) являются важней-ями элементами техники связи и радиолокации. Они широко применяют-я также в различной измерительной и специальной радиоаппаратуре, эредко частотно-селективные устройства (ЧСУ) определяют габариты пларатуры, а также ее качество и надежность. Как известно, в конс-рукциях таких устройств используются резонансы электромагнитных элн и различных твердотельных колебаний. Поэтому исследования, зправленныэ на разработку новых миниатюрных ЧСУ, отличающихся улу-пенными характеристиками являются важной и актуальной задачей.не элько современной техники, но и физики.

В предлагаемой работе проведены экспериментальные и теорети-эские исследования распространения электромагнитных волн в сложных осрополосковых структурах на подложках из различных материалов. В зстности, исследованы спектры собственных колебаний нерегулярных осрополосковых резонаторов (МПР) и поведение частотно-зависимых зэффициентов связи от параметров взаимодействующих резонаторов. 5наруженные закономерности нашли физические объяснения и были ис-хпьзованы при разработке многих оптимизированных конструкций мини-[•¡орных ЧСУ. Кроме того, проведенные исследования позволили создать зигинальные СВЧ датчики, чувствительные к диэлектрическим и маг-1тным проницаемостям материалов, к постоянным и высокочастотным 1гнитным полям, к падающей мощности СВЧ колебаний. Этот факт также ¡дчеркивает актуальность работы - как известно, задача создания гвствительных датчиков во все времена является одной из самых важ-IX и для экспериментальной физики и для техники.

На основе исследованных СВЧ датчиков были разработаны методики ¡мерения диэлектрических и магнитных проницаемостей материалов в

метровом и дециметровом диапазонах волн. Созданные автоматизированные высокочувствительные установки для физических исследований позволяют наблюдать неоднородности магнитных пленок методом ферромагнитного резонанса локальных участков, фиксировать изменение релаксационных процессов в жидких кристаллах при варьировании постоянных электрических, магнитных полей и температуры. Разработанные датчики позволили также изготовить оригинальные приборы: измеритель проходящей СВЧ мощности и измеритель жирности молока.

Одним из важнейших результатов настоящей работы является то, что разработанные в ней физические принципы открывают пути дальнейшего совершенствования и оптимизации конструкций многих микрополос-ковых усгройств, а также открывают новые возможности в исследовании различных материалов на СВЧ.

2. Состояние вопроса к началу исследования по тема диссертации.

1) Частотно-селективные СВЧ устройства. Проблема миниатюризации частотно-селективных СВЧ устройств, в частности фильтров, е первую очередь продиктована необходимостью уменьшения габаритог бортовых радиолокационных станций и систем связи. Как известно, самыми миниатюрными фильтрами, широко используемыми в технике в настоящее время, являются фильтры на поверхностных акустических волназ (ПАВ) [1]. К основным достоинствам этих фильтров можно отнести высокую технологичность изготовления и низкую стоимость при массовок производстве. Однако, в полной мэре эти достоинства ре&лизуютс? лишь на "низких" частотах, включая метровый диапазон волн. Главным* недостатками фильтров на ПАВ являются сравнительно большие вносимые потери и необходимость фотолитографии высокого разрешения. Изготовление фильтров на ПАВ для дециметрового диапазона волн сталкиваэтс! с проблемой электронной литографии сверхвысокого разрешения, а также с существенным возрастанием вносимых потерь [2]. Поэтому приме-

пение фильтров на ПАВ в дециметровом диапазоне волн ограничено. Хотя, следует заметить, что возможности современной технологии позволяют изготавливать уникальные макеты фильтров на ПАВ, работающие даке в сантиметровом диапазоне волн [3].

В метровом диапазоне волн также широко используются "радиотехнические" фильтры на контурах с сосредоточенными элементами, а в дециметровом и сантиметровом диапазонах применяются "электродинамические" фильтры на различных резонаторах с распределенными параметрами. Несмотря на сравнительно большие габариты, эти фильтры бывают незаменимы в устройствах, где требуются малые вносимые потери.

Самыми миниатюрными из "электродинамических^ фшп>троз." являются фильтры на микрополосковых резонаторах (МНР) [4]. Эти фильтры получили достаточно широкое распространение в области частот, охватывающей почти полностью дециметровый и сантиметровый диапазоны волн. Они также как и фильтры на ПАВ изготавливаются методом фоголитогра-фкш. Однако, при этом требования к,точности фотолитографии и к качеству обработки подложек значительно ниже.

Наибольшее распространенна в технике из микрополосковых фильтров получили так называемые фильтры на параллельно связанных резонаторах [5]. Эти фильтры представляют собой цепочку линейных полуволновых МПР, сдвинутых параллельно относительно друг'друга ¡на половину длины полоски так, что протяженность области связи соседних резонаторов составляет четверть длины волны. Как правило, в качестве подложек этих фильтров используются пластины из поликора, диэлектрическая проницаемость которого е = 9,6 + 9,8.-

Проблема миниатюризации микрополосковых фильтров, как известно , решается несколькими путями. Один из путей, уменьшения габаритов подложки фильтра заключается в изгибах или сворачивании полосок резонаторов [6-9]. Второй путь достижения цели связан с использованием иррегулярностей, скачков волнового сопротивления в конструкциях

микрополосковых резонаторов, из которых состоит фильтр [10-13: Третий путь заключается в использовании в качестве подлокек фильтр пластин из керамик с высокой диэлектрической проницаемостью [б, 7] Очевидно, что все перечисленные способы миниатюризации фильтров, принципе, могут использоваться и в сочетании друг с другом.

На рис. 1 в качест! иллюстрации представле* несколько известных конст рукций миниатюрных микрс полосковых фильтров. Hau более распространенными и них являются конструкци фильтров на сонаправленны (а) и встречно направлен них (б) шпилечных резона торах. Расчет характерис тик таких фильтров в ква экстатическом приближени [б, 7] дает достаточно хо рошее совпадение с экспе риментом. Отметил, что : области первой полосы про пускания между "шпилька ми", как правило, превалирует емкостное взаимодействие. Однако, известна конструкция фильтр, на "несимметричных" сонаправленных "шпильках" [8], в которой длин« области связи каждого резонатора с соседними по одну сторону существенно больше чем по другую. В этом случае на частотах первой полосы пропускания между резонаторами с большей длиной области связ1 превалирует индуктивное взаимодействие.

Рис. 1. Конструкции миниатюрных микрополосковых фильтров(а-д) и четвертьволнового спирального резонатора (е)

Фильтр (в) (см. рис. 1) является самым »миниатюрным из известия микрополосковых фильтров на полуволновых резонаторах [9]. В его инструкции используются оригинальные свернутые МПР, у которых кон-[ы полосок образуют дополнительную взаимную емкость. Благодаря ма-юму зазору между концами полосок резонаторов, величина образован-юй емкости сравнительно большая и поэтому она существенно понижает ¡езонансную частоту первой моды колебаний МПР. Очевидно, что в пер-юй полосе пропускания' рассмотренной конструкции, в отличие от 'шпильковых" фильтров, взаимодействие между резонаторами преимущес-'венно индуктивное.

В конструкции фильтра (г) (см. рис. 1) используются четверть-юлновые микрополосковые резонаторы [14]. В данном случае для тленьшения площади. подложки фильтра полоски резонаторов имеют нес-:олько ломаных изгибов. Особенностью фильтра является то, что в нем ) области частот первой полосы пропускания взаимодействие между па-)ами крайних резонаторов преимущественно индуктивное, а между парой ;редних резонаторов преимущественно емкостное.

В миниатюрном фильтре (д) использованы нерегулярные полуволно-¡ые резонаторы - "гантелыш", состоящие из трех регулярных участков : различным волновым сопротивлением [10-12]. Спектры частот собст-¡енных колебаний в таких резонаторах подробно исследованы нами в )аботе [13]. Уменьшение габаритов подложки в рассматриваемом фильт-ю обусловлено тем, что длина "гантельки" почти в два раза меньше (лины полоски регулярного резонатора, настроенного на ту же частому. Кроме того, благодаря преимущественно индуктивной связи между озонаторами, в данной конструкции требуется существенно сблизить голоски друг с другом по сравнению с фильтром па регулярных МПР с -ем, чтобы обеспечить необходимую связь между резонаторами.

Интересна конструкция миниатюрного фильтра на плоских "квад-)атных" или "круглых" спиральных резонаторах (е), исследованная в

работах [15, 16). В ней каждый из четвертьволновых резонаторов изготовлен печатным способом на отдельной подложке с односторонней металлизацией. Резонаторы размещены в экранирующем корпусе с разъемами. Вход.и выход фильтра.имеют кондуктивную связь с крайними резонаторами. Такая конструкция позволяет "спуститься" вниз по частоте даже в метровый диапазон волн. Однако, в работе [17] предложена более технологичная конструкция фильтра на микрополосковых спиральных резонаторах. В ней связь мевду резонаторами обеспечивается специальными окнами в форме эллипса, вытравленными в экране подложки.

Для миниатюризации фильтров нередко в микрополосковые резонаторы включают сосредоточенные элементы: индуктивности [18] и емкости [19]. Индуктивности подключают в разрыв точек, где располагаются пучности высокочастотного магнитного поля, - а емкости 'подключают, соответственно, к точкам, где располагаются пучности электрического поля. Причем в четвертьволновых резонаторах емкости подключают между свободным концом полоски и экраном, а в полуволновых резонаторах их можно подключать между концами полоски каждого МПР [19].

Иногда при построении миниатюрных частотно-селективных устройств, в частности диплексеров и мультиплексеров, используют мно-гомодовые резонаторы с ортогональными колебаниями [20]. Аналогичный подход был также использован нами в разработке оригинальных конструкций различных микрополосковых устройств. Собственно наши работы по исследованию нерегулярных МПР и по решению проблемы миниатюризации микрополосковых ЧСУ велись параллельно с исследованиями других научных коллективов и групп.

Как известно, для синтеза микрополосковых фильтров в настоящее время используются два основных метода. Первый метод основан на преобразовании синтезированной схемы фильтра-прототипа на сосредоточенных элементах в эквивалентную схему, состоящую из отрезков связанных щщ одиночных микрополосковых линий [21,22]. Достоинством

этого метода синтеза является высокая производительность. Однако, ж может использоваться только для тех конструкций фильтров, секции соторых содержат не более двух связанных микрополосковых линий, (роме того он гарантирует хорошее совпадение АЧХ синтезируемого открополоскового фильтра с АЧХ эквивалентной ему цепочки на сосре-юточешшх элементах только вблизи полосы пропускания. Второй метод :интеза основан на многократном расчете АЧХ микрополосковой конст-зукции для пробных значений ее параметров и использовании' стандартах оптимизационных методов для уточнения значений этих параметров

*

23]. Этот метод применим к фильтрам любой конструкции. Однако, гринимая во внимание большое число параметров, требупцих оптимизации в многозвенных фильтрах, второй метод синтеза нуждается в ог-юмном числе итераций, а это приводит к большим затратам времени.

2) Исследование материалов на СВЧ. Изучение поведения комплек-ных величин магнитной и диэлектрической проницаемостей материалов зависимости от частоты имеет важное научное и техническое значе-ие". Эти исследования расширяют представления о процессах" взаимо-ействия электромагнитного излучения с веществом, дают„возможность олучить новую информацию, необходимую для развития физики твердого ела, физики магнитных явлений, материаловедения и радиоэлектрони-и. Очевидно, целенаправленный синтез магнитных материалов с задан-ыми свойствами, а также расчеты циркуляторов, вентилей, поглотите-ей электромагнитной энергии, фильтров и других радиоэлектронных стройств невозможны без достоверных сведений о величинах магнитной диэлектрической проницаемостей. убранных материалов и об их из-енениях под воздействием различных факторов.

В частности, по частотным зависимостям проницаемостей определится области наибольшего поглощения, окна прозрачности, времена элаксацш и другие важные физические характеристики магнетиков,

которые - достаточно трудно или невозможно получить иными методам* По спектрам магнитной проницаемости можно получить дополнительну информации о магнитной структуре материала [24]. Изучению поведет комплексных величин магнитной и диэлектри- ческой проницаемосте различных веществ "посвящен ряд обширных обзоров и монографий, и г снижается поток публикаций оригинальных работ [25-27]. Это объясня ется нэ только появлением новых материалов, используемых в технике но и необходимостью уточнения развивающихся теоретических подходе и положений, а также необходимостью уточнения величин молекулярны констант.

В настоящее время особенно активно разрабатывается измеритель ная аппаратура для исследования электромагнитных параметров бикомл лексных сред. При этом получают развитие как относительно но вые ме тодики, например, фурье-спектроскопия [28], так и традиционные, ко торые обрели "вторую жизнь" благодаря широкому внедрению вычисли тельной техники. Компьютеризация не только позволила автоматизиро вать процесс измерения, но и дала возможность применять в аппарату ре сложные структуры измерительных средств, расчеты которых ране наталкивались на непреодолимые трудности.

Созданные установки позволяют проводить измерения в достаточн широком диапазоне частот: от долей герца до 1500 ГГц [28, 29]. Од нако, следует отметить, что степень освоенности отдельных участко этого диапазона существенно различна. В частности, большие проблем возникают в интервале частот 100 МГц - 1 ГГц - на стыке метрового дециметрового диапазонов волн, где перестают работать методы, осно ванные на использовании систем с сосредоточенными параметрами, традиционные измерительные ячейки с распределенными параметрам имеют неприемлемо большие габариты. Дополнительные трудности порож дает задача измерения электромагнитных характеристик материалов большими потерями, связанная с необходимостью исследования ферро

магнетиков в области естественного ферромагнитного резонанса.

Наши исследования показали большие возможности использования нерегулярных микрополосковых резонаторов для измерения диэлектрических и магнитных проницаемостей материалов как раз на стыке метрового и дециметрового диапазонов волн. Такие резонаторы успешно применялись в названном выше "трудном" диапазоне частот для исследования диэлектрических постоянных материалов с изменением диэлектрических потерь в широких пределах , а также для исследования магнитных резонансов в тонких магнитных пленках. Основными достоинствами нерегулярных микрополосковых резонаторов являются высокая чувствительность, возможность работы с черезвычайно малыми образцами, простота и удобство смены образцов в процессе измерения.

3. Основные цели и задачи работы.

Главной целью настоящей работы является разработка принципов построения миниатюрных частотно-селективных СВЧ устройств с заданными характеристиками в микрополо сковом исполнении. Для этого необходимы систематические экспериментальные и теоретические исследования сложных микрополосковых структур на подложках из различных высокочастотных материалов. В ходе выполнения работы были поставлены и решались следующие основные задачи.

1. Исследование спектров собственных колебаний нерегулярных микрополосковых резонаторов.

2. Изучение частотных-зависимостей коэффициентов связи микрополосковых резонаторов на подложках, имеющих величину относительной диэлектрической проницаемости аг в пределах от 3,6 до 150.

3. Изучение поведения полюсов затухания и крутизны склонов амплитудно-частотных характеристик многозвенных фильтров при изменении параметров подлокки и микрополосковой структуры.

4. Разработка экспертной системы оптимизированного синтеза

микрополосковых фильтров.

5. Разработка принципов построения и исследование новых конструкций миниатюрных частотно-селективных СВЧ устройств с заданными характеристиками.

6. Разработка новых методов измерения диэлектрических и магнитных проницаемостей различных материалов на СВЧ. Создание экспериментальных установок для исследований массивных и пленочных маг-' нитных материалов, а также жидких кристаллов в метровом и децимет-

. ровом диапазонах волн.

4. Новизна, научная ценность и практическая значииость работы.

Впервые проведены систематические исследования спектров собственных колебаний и собственных добротностей резонансов нерегулярных микрополосковых резонаторов.

Впервые сформулированы и исследованы частотно-зависимые коэффициенты связи микрополосковых резонаторов, которые позволили объяснить природу полюсов затухания на АЧХ микрополосковых структур.

Разработаны принципы построения частотно-селективных устройств с заданными характеристиками, работающих в метровом, дециметровом и сантиметровом-диапазонах волн, в том числе:

полосовых фильтров либо с симметричной формой АЧХ, либо с увеличенной крутизной высокочастотного или низкочастотного склона; полосовых фильтров с полосой заграждения более трех октав; режекторных фильтров, фильтров нижних и верхних частот; полосовых фильтров с варакторной перестройкой частоты и электрически изменяемой шириной полосы пропускания смесителей и умножителей частоты; диплексеров и мультиплексоров.

Создан банк постоянно обновляемых оптимизированных конструкций микрополосковых фильтров и пакет программ, анализа для них. Разрабо-

гана экспертная система, позволяющая по заданной полосе пропускания синтезировать фильтры из банка конструкций микрополосковых фильтров новым скоростным методом оптимальной коррекции.

Разработаны методики исследования различных твердых и кидких материалов на СВЧ в метровом и дециметровом диапазонах волн. Создан автоматизированный спектрометр ферромагнитного резонанса локальных участков магнитных пленок, позволяющий регистрировать распредэление магнитных неоднородностей по площади образцов.

5. Апробация работы и публикации.

Основные результаты работы докладывались на Всесоюзных конференциях по физике магнитных явлений (Харьков-1979, Пермь-1981, Ка-шпш-1988), на Всесоюзных школах-семинарах "Ноше магнитные материалы микроэлектроники" (Ашхабад-1980, Саранск-1984, Рига-1986, Гашкент-1988, Новгород-1990, Москва-1996) на Всесоюзной научно-гехнической конференции "Радиотехнические измерения в диапазонах ВЧ I СВЧ (Новосибирск-1980), на V Международной конференции по гиромагнитной электродинамике и электронике (Москва-1980), на Краевой гаучно-технической конференции "Современное состояние и перспективы развития функциональной электроники" (Красноярск-1981), на Мекдуна-зодной конференции 3rd. Joint INTEHMAG "Magnetism and Magnetic Materials" (Montreal, Canada, 1982), на республиканских семинарах 'Функциональная электроника СВЧ" (Киев, 1985, 1987), на Краевых се-шнарах по функциональной магнитоэлектронике (Красноярск, 1986, 988, 1990), на Всесоюзном семинара по гиромагнитной электродинами-:е и электронике (Тсмск-1986), на Краевой научно-технической конференции "Функциональная электроника СВЧ" (Красноярск-1987), на ¡сесоюзной конференции "Интегральная электроника СВЧ" (Красноярск-988), на Всесоюзной конференции по физике диэлектриков (Томск-988), на Республиканском семинаре "Устройства интегральной и функ-

циональной СВЧ электроники" (Ки8в-1989), на Республиканском семинг ре Магнитоэлектронные устройства СВЧ" (Киев-1991), на Всесоюзнс совещании "Метрологическое обеспечение диэлектрических измеренШ (Иркутск-1991), на Всесоюзной конференции "Метода и средства изме рений электромагнитных характеристик материалов на ВЧ и СВЧ" (Новс сибирск-1991), на I-Крымской конференции "СВЧ техника и спутниковь прием" (С9вастополь-1991), на Российской с международным участие конференции по физике диэлектриков (Санкт-Петербург, 1993).

Материалы работы изложены в статьях научных и научно-техничес ких журналов, в тематических сборниках, в трудах Международных Всесоюзных конференций, в тезисах докладов Всесоюзных, Республика! с ких, Региональных конференций и семинаров, а также в описаниях Авторским свидетельствам и Патентам [12, 13, 30-112].

ОСНОВНОЕ СОДЕРЗШШЕ РАБОТЫ

1. Использованные методики расчета и измерений.

Расчеты параметров нормальных волн в связанных микрополо сков! линиях и теоретические исследования распространения электромагни ных волн в различных микрйполосковых структурах проводились числе: ными методами в квазистатическом приближении [113-114].

Экспериментальные измерения амплитудно-частотных характерист и других параметров исследуемых микрополосковых структур, а так частотно-селективных устройств на их основе проводились либо на а тематических измерителях комплексных коэффициентов передачи ти Р4-37, Р4-38, Р4-36, охватывающих метровый, дециметровый и сант метровый диапазоны волн, либо на специальных стендах о использов нием стандартной СВЧ аппаратуры.

- Ц г

2. Исследуемые модели и образцы.

Теоретические исследования амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик микрополосковых структур проводились на одномерных моделях, подключенных к 50-ти омным линиям передачи посредством кондуктивной, емкостной, индуктивной или смешанной связи. Сложные нерегулярные структуры представлялись моделями с каскадам соединением регулярных квази-о.дномерных отрезков одиночных и связанных микрополосковых линий. На каждом регулярном участке модели электромагнитные колебания записывались в виде суперпозиции нормальных волн основного типа. Амплитуды высших нераспространяющихся типов волн, возникающих на концах регулярных отрезков", предполагались малыми и эти волны не учитывались в расчете. При этом учитывались концевые емкости полосок [23].

Амплитуды волн нормальных колебаний находились из решения системы лилейных уравнений, получающихся в результате "сшивания" этих волн на концах регулярных отрезков. При этом накладывались граничные условия, заключающиеся в непрерывности напряжения в точке соединения регулярных отрезков и сохранении заряда. ■■-г■•■..-■-('■

Образцы микрополосковых структур для экспериментальных исследований и действующие макеты СВЧ устройств изготавливались на полированных с двух сторон подложках из высокочастотных керамик Т-150 (ег = 150), ТБНС (ег = 80), ТБ-8 (ер = 38), а также'на'лодложках из традиционных СВЧ материалов: поликора (аг = 9,6) и плавленного кварца (sr = 3,6). Подложки металлизировались с двух сторон путем вакуумного напыления меди толщиной 6Си = 12+20 мкм через адгезионный подслой хрома толщиной бСг = 0,01-0,02 мкм. Микрополосковые структуры на металлизированных подложках получались химическим травлением слоев меди и хрома после нанесения рисунка полосок.либо методами фотолитографии либо способом гравировки.

Слоистые структуры полупроводник-магнитная пленка изготавлива-

лись вакуумным напылением пермаллоя состава ?е-20%, N1-80% на полированные полупроводниковые подложки через изолирующий подслой Э10. В качестве подложек использовались пластины из монокристаллического кремния и германия. < _ '

3. Спектры собственных колебаний нерегулярных ЫПР Нерегулярные микрополосковые резонаторы позволяют не только существенно уменьшить габариты частотно-селективных СВЧ устройств, но и улучшить их электрические характеристики'[12]. В частности, правильно выбрав соотношение электрических длин &ыг и волновых сопротивлений ЪехХ, чередующихся отрезков микрополосковых линий, образующих полуволновый ЫПР (рис. 2), можно существенно увеличить собственную добротность первой мода колебаний нерегулярного резонатора по сравнению с регулярным [13]. Кроме того, огромное влияние нэрегулярноотей полоски на резонансные частоты МПР позволяет создавать резонаторы с заданным спектром собственных колебаний.

Рис. 2. Нерегулярные микрополосковые резонаторы со скачком ширины полоски

На рис. 3 представлены зависимости резонансных частот первых двух мод колебаний нерегулярного МПР от относительной величины скачка ширины полоски внешнего швж4 и внутреннего ш регулярных участков, длина которых в данном случае была одинаковой. Собственные частоты рассчитывались на одномерной составной модели резонатора в квазистатическом приближении с учетом концевых емкостей. Как видно, несмотря на простоту расчетной модели, хорошее согласие тео-

2,4 2,0 1,6 1,2 0,8 0,4

1. ГГЦ

18

Рис. 3. Зависимости резонансных частот первых двух мод колебаний нерегулярного полуволнового МПР от величины скачка ширины полоски. Точки - эксперимент, сплошная линия - расчет

"ся*

-1

О

1

рии с экспериментом имеет место даже при сравнительно больших скачках ширины полоски.

Нами были исследованы спектры собственных колебаний и добротности резонансов множества конструкций нерегулярных МПР {12, 13, 59, 69, 80]. В том числе резонаторов, содержащих участки связанных микрополосковых линий, а также с замкнутыми на экран полосками. Некоторые из конструкций представлены на рис. 4. Было показано, что при варьировании различных параметров МПР поведение резонансных частот, найденное из квазистатического анализа, по крайней мере для первых четырех мод колебаний качественно согласуется с экспериментом. Более того, для первой моды колебаний, как правило, имеет место хорошее количественное совпадение.

(а)

(Д)

(е)

Рис. 4. Исследованные конструкции нерегулярных МПР

4. Коэффициенты связи микрополосковых резонаторов.

Количественно взаимодействие двух резонаторов в случае их слабой связи характеризуют частотно-независимым коэффициентом [115] .

к=(ше-«0)/ш1,

(1)

где ие и о0

собственные частоты четных и нечетных мод колебаний в связанных'МПР, а - собственная частота уединенного резонатора. В случае произвольной связи резонаторов формула (1) имеет вид [613

г г г г к=(шечо0)/(ше+и0).

(2)

При максимальной длине области связи параллельных микрополосковых резонаторов коэффициент к. несложно выразить через коэффициенты индуктивной К^ емкостной Кс связи микрополосковых линий [74]

к: =

УКс

1-

(3)

В случае произвольной длины области связи МПР х ^ 1 (рис. 5) формула (3) сохраняет свой вид, однако, в ней вместо коэффициентов

1

1

Рис. 5. Параллельные микрополоско-вые резонаторы с произвольной длиной области связи

связи линий и Кс стоят соответствующие коэффициенты связи резонаторов и кс, зависящие от длины области связи

1^(2:) = 'ГС~1Кь[8:1л(1о:)-та соз(тсг)].

кс(лг) = 1Г1К.с[з1п(тсг)+та: сое (та)].

Результаты наших исследований частотно-независимых коэффициентов связи от параметров двухзвенной микрополосковой структуры подробно описаны в [61, 74]. Показано, в частности, что при максимальной длине области связи МПР взаимодействие между резонаторами'преимущественно индуктивное, если диэлектрическая проницаемость подложки е»1 . Причем емкостное взаимодействие в этом случае действует в пропгвофазе с индуктивным. Показано также, что характер взаимодействия существенно зависит от длины области связи МПР. Например, при относительной длине связи резонаторов 2*0.65 взаимодействие на первой моде колебаний становится "чисто" индуктивным при любых значениях е подложки. На рис. 6 представлены зависимости нормированных коэффициентов индуктивной и емкостной связи МПР от относительной длины их области связи на частотах первой и второй моды колебаний.

Как известно, частотно-независимые коэффициенты связи к, к^ и кс характеризуют величину взаимодействия резонаторов лишь вблизи их резонансных частот. Нами на основе энергетического подхода впервые определены и исследованы частотно-зависимые коэффициенты связи к(ш), к^Сы) и кс(ш) [63 , 71, 73], которые с хорошей точностью характеризуют взаимодействие резонаторов на произвольной частоте и

1.0 0.5 О -0.5

-1.0>-

^с

(а)

Ф •

\

9 •

♦ «

V

О 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

1 .0 0.5 О

-0.5 -1.0

№

(б)

Г

» » / « / • /

• »/

V: / • / » / •

> •

% *

\

О 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Рис. 6. Зависимость нормированных коэффициентов связи МПР от длины области связи, (а) - первая мода, (б) - вторая мода колебаний

абсолютно совладают с частотно-независимыми коэффициентами на резонансных частотах.

^(ш) = 2Е12Ь/(Е1Ь+Е1С+Е2Ь+Е2С).

(5)

£с(ш) = -2Е12С/(Е1Ь+Е1С+Егь+Е2С)..

Здесь Е1Ь и Е1С~ энергии магнитного и электрического полей, запасаемые первым резонатором и пропорциональные соответственно квадрату тока и квадрату напряжения в первой полоске; Е2Ь и Е2С- энергии магнитного и электрического полей, запасаемые вторым резонатором и пропорциональные соответственно квадрату тока и квадрату напряжения во второй полоске, Е12Ь и Е12С - энергии магнитного и электрического полей, запасаемые совместно первым и вторым резонаторами и пропорциональные соответственно произведению токов в первой и второй полосках и произведению напряжений в этих ке полосках. Формула для частотно-зависимого коэффициента связи К.(и) получается подстановкой выражений (5) в формулу (3):

к(и) - 2(е1гь * е1гс"е1ь+ + е1с + е2с> (6)

(е1ь+ + е!с + егс'2 + 4е,гь + е12с"

Частотно-зависимые коэффициенты связи существенно различаются при смежном и диагональном подключении микрополосковых секций к линиям передачи. Это связано, очевидно, с различием распределения высокочастотных полей по длине входной и выходной полосок. Для смежного подключения двухзвенной секции:

--- кь(ш)'=Кь^1-(г8в1 + tgQг)/(.в^/cosгe{ + 6г/созг9г)],

кс(ш) =кс[1 + гев2)/(е/созге1 + е2/созгег)],

тя диагонального подключения секции при максимальной длине области ;вязи МПР:

(20,- 31П29, )/соз9, созе2 (63-0, )соз(01+6г>-з1л(92-е1)"

СС(Ы) =КС

е,/созге, + 9г/созгег е,созгв2/соэге, + е2

(20,+31x120, )/соз9, С089г (62-е, 5003(9,+0г)+з1п(92-в1)

(8)

)1/соз291 + 9г/созгег 91соз262/созгВ1 + 9г

'де 0, и Э2 - электрические длины участков, на которые точка кон-гуктивного подключения внешней линии делит полоску МПР, вычисленные да усредненной волны [63, 71].

На рис. 7 показаны типичные АЧХ двухзвенных микрополосковых секций с максимальной длиной области связи МПР, вычисленные по частотным зависимостям коэффициентов прохождения К. :

Ь(/> = -10 18^). (9) 1ля смежного подключения секции

Р - Р

К= -г-?-2-г» (10)

115 (1 + Р/) (1 + Ро2)

■да Р. = 2/ге (189,в + 180ав), р0 = г/Ъо + tgвгo). 1 - вол-

зовое сопртивление внешних линий передачи, Ъе и 1о - волновые сопротивления линий передачи, образующих резонаторы для четной и нечетной волн, вг&- электрические длины участков, на которые точка кондуктивного подключения внешней линии делит полоску МПР, вычисленные для четной волны, 9,о и 02о - электрические длины вычисление для нечетной волны.

На рис. 7 приведены и частотные зависимости коэффициентов связи. Видно, что частоты, на которых наблюдаются полюса затухания на АЧХ секций являются точками взаимной компенсации индуктивного и емкостного взаимодействия резонаторов. Исследования показали, что при определенной длине области связи резонаторов и кондуктивном подключении двухзвенной секции к линиям передачи, коэффициент связи к(/) обращается в нуль на двух частотах ниже и на двух частотах выше полуволнового резонанса МНР / . В результате на АЧХ такой секции вблизи ее, первой полосы пропускания наблюдается по два полюса затухания слева и справа от полосы пропускания [74, 75].

I, дБ Ь, дБ

- к, —к^., ••••кс к, —к^, ••••кс

Рис. 7. АЧХ и частотные зависимости коэффициентов связи двухзвенных секций при смежном и диагональном подключении их к линиям передачи

Частотно-зависимые коэффициенты связи не только позволяют изу-гать закономерности образования полюсов затухания па АЧХ шщюпо-тосковых структур и их поведение при изменении различных параметров, но они черезвычайно полезны и для практических- целей. В част-юсти, при конструировании частотно-селективных устройств они помогают правильно выбрать величину смещения микрополосковых резонаторов и способ их подключения к линиям передачи, чтобы получить необходимую амплитудно-частотную характеристику.

5. Многозвенные фильтра на регулярных ИПР

Качество СВЧ фильтра, в первую очередь, определяется его избирательностью, т.е. формой амплитудно-частотной характеристики. Зольшинство известных конструкций микрополосковых фильтров, в том меле и традиционных на параллельно связанных резонаторах (ПОР) :4-1, в полосе пропускания имеют асимметричную АЧХ п, как будет по-сазано ниже, не обеспечивают максимально высокую избирательность устройств. В работе [116] утверждается, что асимметрия А'Ж фильтров ¡а ПСР обусловлена различием фазовых скоростей четных и нечетных юд связанных микрополосковых линий. В ней предлагается для вырав-швания фазовых скоростей, а следовательно, и для симметризации'АЧХ » полосе пропускания включать между полосками резонаторов дополнительные компенсирующие емкости. В действительности же прямой связи южду асимметрией АЧХ и различием фазовых скоростей четннх и нечет-шх, волн не существует, хотя с помощью компенсирующих емкостей^мок-ю симметризовать АЧХ фильтра.

Нами было показано что, коэффициент связи к взаимодействующих Шфополосковых резонаторов является сложной функцией частоты /. Ьзложение максимумов функции к(/) главным образом определяется дли-юй- области связи регулярных резонаторов [63, 71]. На примере двух-звонной микрополосковой-.секции установлено [73], что, подбирая дли-

ну области связи МПР, можно реализовать фильтры, у которых более крутым является либо высокочастотный, либо низкочастотный склон АЧХ, а также фильтр с симметричной формой АЧХ в полосе пропускания. При этом максимум коэффициента связи 1с(/) находится, соответственно, ниже, выше или на резонансной частоте МПР / . Показано также, что микрополосковый фильтр имеет наибольшую избирательность только тогда, когда максимум коэффициента связи его резонаторов располагается в центре полосы пропускания.

Как выяснилось, на положение нулей и экстремумов функции к(/), а значит и на форму АЧХ мижрополосковых фильтров оказывают влияние все параметры резонаторов и, прежде всего, длина области связи между ними. Однако, именно последний параметр является фиксированным в фильтрах на ПСР, где его величина взята равной половине длины полоски МПР. Нами были проведены систематические исследования влияния параметров регулярных резонаторов в многозвенных микрополосковых фильтрах на избирательность и асимметрию АЧХ в полосе пропускания [69, 70, 88]. Исследовались всевозможные конструкции фильтров с количеством резонаторов от двух до шести, в которых крайние МПР были кондуктивно связаны с внешними линиями передачи. В качестве иллюстрации на рис. 8 показаны некоторые из конструкций четырехзвенных фильтров.

• Рис. 8. Примеры конструкций фильтров на регулярных МПР

Принимая во внимание тот факт, что численный расчет характеристик фильтров достаточно хорошо совпадает с экспериментом все, исследования проиводились теоретически. При этом избирательность

фильтра характеризовалась коэффициентом прямоугольности АЧХ, определяемым формулой:

Й-А/3/(А/30-А/3). (11)

где Д/3 и Д/ - ширины полосы йропуекания фильтра по уровням 3 и 30 дБ от уровня минимума потерь. Этот коэффициент удобнее традиционного коэффициента прямоугольности кп= А/30/А/3 тем, что он более "чувствителен" к изменению крутизны склонов АЧХ, особенно для фильтров с высокой прямоугольностью характеристики и тем, что он, в отличие от кп, возрастает с повышением прямоугольности АЧХ фильтра. Очевидно, при необходимости, зная один из коэффициентов, всегда можно вычислить другой. Полезно также использовать коэффициенты прямоугольности высокочастотного и низкочастотного склонов АЧХ к^ и по аналогии с (6) определяемых формулами:

кК = 2А/3/(2^4-А/3), кг = (12)

Здесь - ширина полосы частот от центра полосы пропускания / до высокочастотного склона АЧХ на уровне 30 дБ, А/г - ширина полосы частот от / до низкочастотного склона АЧХ на уровне 30 дБ. Так как коэффициенты и й, характеризуют крутизну склонов АЧХ, очевидно, по ним можно оценивать степень асимметрии характеристики фильтра в полосе пропускания.

Исследования показали, что из всех рассмотренных конструкций многозвенных фильтров на регулярных МПР максимальная крутизна склонов АЧХ достигается лишь на одной. В ней все резонаторы одинаково смещены относительно друг друга в одном направлении, а внешние линии передачи подключены к крайним резонаторам диагонально. В качестве иллюстации на рис. 9 построены зависимости коэффициентов прямоугольности й, и й от величины относительного смещения резонато-

ров х для четырехзвенного микропслоскового фильтра на подложке из керамики ТБНС, имеющей диэлектрическую проницаемость ер = 80. Здесь направление смещения х считается отрицательным, если с увеличением раздвижки резонаторов в фильтре, расстояние между точками кондук-тивного подключения внешних линий возрастает и наоборот.

х<0

х>0

1.5

1.1

0.7

¿г I

• • 1 *

4 / ; /

"... '•Л1 •

\ \ \ / 1 / • •< К

\ V / .у

Рис. 9. Зависимость коэффициентов прямоугольности фильтра на подложке из керамики ТБНС от относительного смещения полосок МПР

-1.0

-0.5

О

0.5

1 .0

Исследования показывают, что качественный вид зависимостей к, и к^ от I сохраняется для любой фиксированной полосы пропускания рассмотренных фильтров независимо от числа звеньев в них, от величины диэлектрической проницаемости подложки, от соотношения ширины полосок МПР и толщины подложки. При этом в любом -случае существует единственное значение сдвига резонаторов относительно друг друга, которое обеспечивает симметричную форму АЧХ и максимальную прямоу-гольность характеристики. Относительная величина такого сдвига х колеблется в пределах от 0,23 до 0,33 в зависимости от параметров фильтра. Макимальную крутизну высокочастотного склона АЧХ во-всех исследованных моделях обеспечивает относительный сдвиг х *> -0,1, а максимальная крутизна низкочастотного склона в них достигается при

относительном сдвиге х в пределах от 0,65 до 0,75 в зависимости от параметров фильтра.

На рис. 10 для сравнения представлены амплитудно-частотные характеристики четырехзвенных фильтроЪ с относительной полосой пропускания АР3/Р0 = 10 %, отличающихся лишь величиной смещения полосок МПР х. В расчете предполагалось, что подложки фильтров толщиной Ух = 1 мм изготовлены из керамики ТБНС, а ширина всех полосок резонаторов одинакова ю = 2 ш. Следует отметить, что настройка фильтров на заданную полосу пропускания для каждой величины смещения резонаторов х осуществлялась автоматически с помощью экспертной системы "РИТЕX" [82 3, о которой речь пойдет ниже.

60

40

20

I, 1г, ДБ-

\ • 3/ / ь

\ К-

% N , \ \ • / ¡А К» 1

ч 1 \» к \ г ь 1 Г Я // //. •

хс ч*

У

Рис.10. Частотная зависимость прямых Ъ и обратных Ъг потерь четырехзвенного фильтра при разных смещениях полосок МПР. 1 - х = =-0.1, 2- л>0.3, 3- х=0Л

0.8 0.9 1.0 ' 1.1 1.2

Исследование зависимости формы АЧХ многозвенных фильтров различных конструкций на регулярных Ш1Р от длины области связи резонаторов [76, 88] выявили множество закономерностей очень полезных при конструировании различных фильтров и других частотно-селективных токрополосковых устройств. Наиболее важные из них следует отметить.

1. Преимущественно емкостная связь между резонаторами в полосе пропускания фильтра обеспечивает максимальную крутизну низкочастотного склона АЧХ, а преимущественно индуктивная связь - максимальную

крутизну высокочастотного склона АЧХ.

2. Чередующиеся типы связей между парами соседних МПР в полосе пропускания фильтра или смешанные связи между резонаторами позволяют получить симметричную форму АЧХ.

3. В экранированных микрополосковых фильтрах с уменьшением высоты крышки над подложкой значительно увеличивается уровень заграждения справа и слева от полосы пропускания.

6. Экспертная система синтеза микрополосковых фильтров

Разработанная экспертная система ПЬТЕХ, блок-схема которой представлена на рис. 11, позволяет по заданной амплитудно-частотноИ характеристике синтезировать требуемый фильтр. Управляющая программа сама выбирает необходимое устройство из банка конструкций фильтров, позволяющее реализовать конкретное задание. Затем подставляет в соответствующую программу расчета АЧХ затравочные значения параметров модели фильтра из банка рекордов. Банк рекордов постоянно обновляется и в нем хранятся параметры лучших синтезированных фильтров, отбираемых по специальной классификации. При необходимости пользователь может наложить ряд жестких условий на синтезируемух

Рис. 11. Блок-схема экспертной системы синтеза фильтров

(а)

¡111111

(в)

II»

Рис. 12. Примеры микрополосковых фильтров из Санка конструкций

конструкцию, например, задать толщину и материал подложки, наличие или отсутствие корпуса у устройства и т.д.

Следует отметить, что в банке конструкций кроме некоторых традиционных микрополосковых фильтров хранится более 20 оригинальных, обладающих теми или иными достоинствами. Например, фильтр (а) (рис. 12) обладает симметричной формой АЧХ и высокой прямоугольностью характеристики. Фильтры (б) и (в) позволяют получать АЧХ с относительной шириной полосы пропускания более 20%, при этом первый имеет рекордную крутизну низкочастотного, а второй высокочастотного склона АЧХ. Конструкция фильтра (г), напротив, позволяет получать АЧХ с полосой пропускания менее 20%, а крутизной склонов АЧХ можно управлять, изменяя скачок ширины полоски резонаторов. В экспертной системе предусмотрено также пополнение и обновление банка конструкций.

После выбора конструкции синтез фильтра осуществляется методом оптимальной коррекции [82]. Этот метод отличается от известных оптимизационных методов тем, что в нем в алгоритмы оптимизации параметров конкретной конструкции фильтра заложена информация о всех физических свойствах каждого оптимизируемого параметра, полученная из предварительно проведенных исследований. Использование знаний о

физических свойствах оптимизируемых параметров позволяет значительно сократить "число* итераций и тем самым существенно ускорить процесс синтеза. В методе оптимальной коррекции все оптимизируемые конструктивные параметры разбиты по своим физическим свойствам на несколько групп. Для каждой группы параметров используется своя группа операций коррекции, причем число операций е группе равно числу параметров-в груше. Каждая из операций группы оказывает сильное, влияние только на один из показателей отклонения текущей АЧХ от заданной и слабо влияет на все остальные показатели отклонений. Для ускорения синтеза на кавдом шаге коррекции производится уточнение коэффициентов в формулах, по которым было произведено последнее преобразование параметров, т.е. происходит самообучение программы. Благодаря разбиению оптимизируемых конструктивных параметров и операций их коррекции по группам, эффективность метода оптимальной коррекции повышается с увеличением числа оптимизируемых конструктивных параметров.

Результата синтеза: чертеж металлических полосок с координатами вершин, частотную зависимость прямых и обратных потерь, фазо-частотную характеристику и частотную зависимость изменения группового времени запаздывания (ДГВЗ) можно проанализировать на дисплее или распечатать на принтере. После каждого завершения работы программы параметры синтезируемого фильтра автоматически записываются в банк рекордов, если они удовлетворяют определенным критериям.

Точность изготовления микрополосковых структур, чтобы обеспечить заданное максимальное отклонения в фильтре центральной частоты полосы пропускания 0(/о)// и ширины полосы пропускания б(Л/)/А/ в значительной степени зависит от конкретного рисунка структуры. В частности, "емкостные" зазоры между МПР оказывают^значительно большее влияние, на ширину полосы пропускания устройства, чем "индуктивные". Однако, экспериментальная проверка синтезированных фильт-

ров показала, что использование традиционной фотолитографии, точность изготовления которой не хуже ±20 мкм, во всех случаях обеспечивает в(/о)//о« 356 И

7. Нерегулярные МПР в конструкциях частотно-селективных СЕЧ устройств

Как известно, регулярные микрополосковые резонаторы имеют почти эквидистантный спектр'собственных частот для колебаний основного типа. Скачки же ширины полосок, изгибы или другие нерегулярности позволяют создавать МПР с заданным спектром резонансных частот [13, 59 , 69], а это очень важно при конструировании частотно-селективных СВЧ устройств с высокими характеристиками. В частности, полосно-пропускавдие фильтры на резонаторах со скачками волновых сопротивлений сильнее подавляют СВЧ мощность в полосе заграждения [69], при этом их габариты, как правило, в несколько раз меньше. Например, используя в фильтре даже полуволновые резонаторы типа "гантельки" (см. рис. 2а), при равенство в них электрических длин высокоомных и нязкоомных участков, площадь подложки можно уменьшить в 4 раза. В таких фильтрах, кроме того, удается "отодвинуть" вторую паразитную полосу пропускания более чем на две октавы.

Для перестраиваемых фильтров и генераторов СВЧ мощности разработана оригинальная конструкция микрополоскового резонатора с ва-ракторной перестройкой частоты (рис. 13) [12,100]. Суть конструкции состоит в том, что варактор включается в разрыв в центре высокоом-ного участка резонатора типа "гантельки". При этом резонансная частота МПР в зависимости от емкости варактора изменяется от частоты второй моды колебаний ?г до частоты первой моды колебаний. Р^. В результате величина перестройки МПР зависит не только от пределов изменения емкости варактора, но и от' конфигурации резонатора. Максимальная перестройка достигается в случав равенства электрических

/. ГГц

Рис. 13. Зависимость резонансной частоты МПР от емкости варактора

длин низкоомных и высокоомных участков МПР и она растет с увеличе нием разности волновых сопротивлений [12]. Как показывает экспери мент, резонаторы, изготовленные на подложках из керамики ТБНС и и: поликора перестаиваются в дециметровом диапазоне волн почти на октаву при изменении емкости варактора от 0.8 до 4 пФ.

На нерегулярных микрополосковых резонаторах разработана ориги напьная конструкция диплексера - двухканального частотно-раздели тельного устройства 159]. На рис. 14 показана одна из конструкций состоящая из двух резонаторов, и представлены АЧХ ее каналов. Поло сы пропускания диплексера формируются с использованием в МПР резо нансов двух первых мод колебаний основного типа. Разделение же сиг налов в устройстве происходит благодаря кондуктивному подключенм выхода первого канала в точку узла высокочастотного напряжения вто рой моды колебаний, а выхода второго канала в точку узла высокочас тотного напряжения первой мода колебаний. При этом вход подключает ся также кондуктивно вблизи конца полоски, где высокочастотные нап ряжения для^обеих мод колебаний имеют достаточно большую амплитуду . Несмотря на простоту и миниатюрность конструкции, она имеет сравни тельно хорошие характеристики и легко настраивается. Варьируя скач

ь, дБ

40 30 20 10

• к \ * \ » \ • \ А 7 V/ V» л -х» / » / ! •> * * X »»/Г —---10 Ф V # « /

♦ * »у

• V ь ' § / • / • / »1 ■ш!

• • / • / V 4§

Л • 1 • \ • / • / • / 1 /

М ' п\

0.4

ВХОД

0.6

0.8

1.0 /.ГГЦ

Рис. 14. АЧХ двухрезонаторного дкшюксера на нерегулярных МПР. Сплошная линия - расчет, точки - эксперимент

ки ширины полосок МПР в устройстве, можно в широких пределах регу лировать раздвижку между каналами (см. рис. 2). Изменение же зазора между полосками и параллельное смещение резонаторов относительно друг друга позволяет также в широких пределах изменять ширину полосы пропускания каждого канала в отдельности [89].

Как показывает эксперимент [69], максимальное отношение частот второй и первой мод колебаний на нерегулярном МПР без существенного изменения собственной добротности резонансов может достигать величины Р2/Р,« 7. Это обстоятельство позволяет создавать миниатюрные и достаточно простые конструкции умножителей частоты с использованием в качестве нелинейного элемента варакторных диодов [109]. Принцип работы таких устройств понятен из рис. '15. Для обеспечения "частотной" развязки между входом и выходом, вход подключается через сог-ласуплую вшость в точку узла высокочастотного напряжения и для второй мода колебаний, а выход наоборот, в точку узла высокочастотного напряжения для первой моды колебаний. При этом, очевидно, конфигурация полоски МПР выбирается такой, чтобы отношение частот Яг/1?х совпадало с требуемым коэффициентом умножения N=2, 3....7. Точки подключения одного или' двух варакторных 'даодов "подбираются

экспериментально по максимуму выходной СВЧ мощности Рвых. Благодаря отсутствию паразитных резонансов между частотами и устройство не только миниатюрно, но и обладает высоким коэфициентом преобразования р=РВЫ2/Ра1. Например, умножитель с входной частотой Р =1 ГГц и Н=4, изготовленный на подложке из керамики ТБНС имеет габариты 8*10 мм2, а коэффициент преобразования 0«ЗОЖ при мощности на входе Р =10 мВт.

ва

ч

и.

\

Г

вх Вход 0

БЫХ

0 Выход

1 ^

/I \ ¡1 \ »1 \ 1/1 1 »

/1 0,5 | к 1 \ 1

2 Г* !

Рис.15. Варакторнкй умножитель частоты на нерегулярном МПР и распределение высокочастотного напряжения по длине полоски для первых двух мод колебаний

Аналогичный подход, только с использованием резонансов первых трех мод колебаний в нерегулярном МПР, был реализован в конструкции преобразователя частоты входного сигнала (смесителя) [110]. В качестве нелинейных элементов в этом устройстве также использовались полупроводниковые даоды. При этом конфигурация полоски резонатора подбиралась такой, чтобы резонансная частота первой моды колебаний в нем Р1 совпадала с требуемой промежуточной частотой, частота третьего резонанса Р3 совпадала с несущей частотой входного сигнала, а частота второго резонанса ?г совпадала с частотой гетеродина. То есть, чтобы выполнялось соотношение Рл=Р3-Гг. Для обеспечения необходимой развязки выхода с гетеродином, выходной сигнал на про-

лекуточной частоте снимался с участка полоски, где располагается узел высокочастотного напряжения гетеродина.

Нередко при конструировании СВЧ устройств очень остро стоит задача устранения паразитных резонансов. Справиться с этой задачей юмогает обнаруженный и исследованный нами [801 эффект селективного демпфирования собственных колебаний в ШР адгезионным подслоем хро-ia, используемым в микрополосковой технологии. Известно, что этот юдслой обычно толщиной 0.02 мкм после удаления с поверхности под-тожки почти не влияет на собственную добротность МПР. Однако, ого-тенные участки подслоя, находящиеся в контакте с полоской резонато-)а, могут понижать добротность.более чем на порядок. На рис. 16 по-:азаны зависимости добротностей первых четырех мод колебаний МПР от (лины оголенных участков хрома, оставленных по краям средней части голоски. При этом ширина участков хрома в эксперименте была в 20 )аз меньше ширины полоски МПР и составляла величину i=0.25 мм.

Установлено, что наиболее эфЗ^юктивно подавляются резонансы слько тех мод колебаний, для которых участки хрома попадают в обметь пучности высокочастотного напряжения. И неважно где расползаются участки хрома: снаружи или внутри контура полоски МПР. Экс-

Q

1 ,з

О 0.2 0.4 0.6 0.8 I /I

> ■ г

2 , 4

О

I X

лс. 16. Зависимости добротности первых четырех резонансов МПР от пины участков хрома. Сплошные линии - расчет, точки - эксперимент

30

20

10

Ь, дБ

40

30

20

10

0 2 I, дБ

О

О

10 Д ГГц

(б)

дач

тг

Ц-МЕДЬ §-ХР0М

8

10

/, ГГц

Рис. 17. АЧХ четырехзвенного микрополоскового фильтра на регулярных МПР - (а) и с оголенными участками хрома внутри полосок - (б)

периментально доказано, что обнаруженный эффект с большим успехом может использоваться для улучшения характеристик различных частотно-селективных устройств. В частности, он позволяет эффективно подавить паразитные полосы пропускания в микрополосковых фильтрах (рис. 17), тем самым, увеличивая полосу заграждения устройства более чем в 10 раз [80].

V

8. Мнкрополосковые методы исследования иатертилов и СВЧ датчики

Существующая проблема качественных измерений электромагнитных параметров материалов в диапазоне частот 0.14-1.0 ГГц успешно решается с применением микрополосковых резонаторов [55, 56, 79]. Измерительный микрополосковый резонатор (ИМПР) представляет собой два одинаковых отрезка микрополосковых линий на подложке с,высокой диэлектрической проницаемостью, соединенных небольшим отрезком воздушной полосковой линии, в которой и размещается образец (рис. 18). Процесс измерения на ИМПР, сбычный для разонаторных методик, заключается в регистрации сдвига резонансной частоты ДР и изменения интенсивности резонанса ДР под воздействием образца [62, 64]. Однако, комплексные константы материалов определяются по измеренным ДР и ДР с помощью номограмм, рассчитанных в квазистатическом приближении.

'К достоинствам мккрополоскового резонатора относится его мши атюрность в названном диапазоне частот, сравнительно высокая собственная добротность 0= 200+400 и простота конструкции. Кроме того, использование резонансов двух первых мод колебаний в ИМПР, позволяет одновременно измерять диэлектрические и магнитные проницаемости

Рис. 18. Измерительный микрополосковый резонатор и его АЧХ. Сплошная линия - без образца, точки - с образцом

исследуемый г г—0 образец е |

бикомплексных сред не вынимая образца [79]. Это возможно, благодаря тому, что образец в ИШР на резонансе первой моды колебаний находится под воздействием высокочастотного магнитного поля, а на резонансе второй моды колебаний под воздействием высокочастотного электрического поля. И, наконец, нельзя не отметить удобство работы с ИМПР, простоту замены в нем исследуемых образцов.

Благодаря высокой чувствительности, модифицированные конструкции ИМПР могут использоваться в качестве специализированных датчиков в различных приборах и устройствах. В частности "свернутый" ИМПР (рис. 19а) является удобным датчиком для измерения диэлектрических проницаемостей жидкостей [103]. На его основе нами изготовлен оригинальный измеритель жирности молока. В установке для исследования жидких кристаллов на СВЧ использован миниатюрный микропо-лосковый датчик кольцевого типа [81, 91, 108]. В автоматизированном спектрометре ферромагнитного резонанса локальных участков тонких магнитных пленок (ТМП) [83,-86) использован микрополосковый резонатор с измерительным отверстием в экране (рис.196), просверленным напротив пучности высокочастотного магнитного поля [101]. Этот прибор, обладая высокой чувствительностью, позволяет строить распреде-

(а)

выход

СВЧ генератор

(б)

детектор

генератор

МПР

У

измерительное , отверстие

Рис. 19. Резонаторные микрополосковые датчики, а- для измерения диэлектрических проницаемостей жидкостей, б- для локальных измерений параметров магнитных пленок методом ФМР

—»

ление различных магнитных неоднородностей по площади пленок толщиной до 0.01 мкм с шагом до 0.3 мм.

Как правило, используемые 1ШПР в качестве датчиков приборов или установок, являются задающими резонаторами СВЧ генераторов [12, 45, 53]. При этом используется резонанс первой или второй моды колебаний ИМПР в зависимости от необходимости измерения диэлектрических или магнитных характеристик материалов. Определение же измеряемых величин осуществляется по изменению частоты и амплитуды генерации, после соответствующей калибровки устройства на эталонных образцах.

Проведенные нами исследования [63, 71, 74] показали, что положение и глубина полюса затухания, существующего на АЧХ двухзвенных микрополосковых секций (см. рис. 7) зависит не только от конфигурации полосок, но и от диэлектрических параметров подложки. Причем чувствительность полюса затухания значительно выше чувствительности резонансов МПР к изменению диэлектрической проницаемости подложки. Поэтому, предложенный нами способ измерения диэлэктрической проницаемости подложки [102], основанный на регистрации полюса затухания двухзвенной секции, по крайней мере на порядок точнее традиционного резонаторного. Поэтому он, в частности, позволяет сравнительно просто проводить температурные исследования параметров подложек, изготовленных даже из термостабильных материалов [-84].

На основе двухзвенных секций нами разработано множество конструкций датчиков, в которых сигнал образуется в результате смещения полюса затухания или изменения его глубины под каким-либо внешним воздействием. Такие датчики по сути являются высокочастотными мостами, сбалансированными на частоте полюса затухания. На этой частоте, как уже отмечалось, индуктивное взаимодействие между полосками компенсируется емкостным. Изменение каких-либо параметров моста, например, взаимной емкости или взаимной индуктивности между полос-

ками и приводит к соответствующему смещению полюса затухания. Используя квазистатическое приближение [114-]» частоту полюса затухания / для двухзвенной секции с одинаковыми параллельными полосками несложно выразить, через погонные параметры микрополосковых линий (МПЛ) [90].

f = / /-—1- (13>

где Ь1 и С}~ погонные индуктивность и емкость линий, 112 и С12~ погонные взаимная индуктивность и взаимная емкость, / - резонансная частота первой мода колебаний отразка одиночной МИЛ.

Из формулы (8) видно, что чувствительность полюса затухания к изменению того или иного параметра связанных МЕЛ сильно'зависит от соотношения всех остальных параметров линий. Известно [74, 76], что на "низких" частотах, включая область полюса затухания, максимум высокочастотного тока в двухзвенной секции-располагается в точках подключения полосок к линиям передачи, а максимум высокочастотного напряжения находится на противоположных концах отрезков МПЛ. Поэтому, используя нерегулярности ширины полосок и величины зазора между ниш на "индуктивном" и "емкостном" участках секции, величины Ъ , ¿1 , С,, С)2 можно изменять почти независимо друг от друга. Это позволяет в каждом конкретном случае для реализации цели подобрать оптимальную конфигурацию полосок датчика.

На рис. 20(а) представлен микрополосковый датчик, предназначенный для исследования диэлектриков на СВЧ. В частности, этот датчик позволяет снимать на образцах произвольной формы температурные зависимости диэлектрических проницаемостей материалов, в том числе особенностей поведения £' и е' вблизи фазовых переходов [90]. Благодаря простоте, несложно изготовить набор таких датчиков, перекры-

Рис. 20. Микрополосковые датчики мостового типа, (а)- для иссле-ювания диэлектрических проницаемостей материалов, (б)- для измере-мя слабых магнитных полей, (в)- для измерения диэлектрических про-тцаемостей жидкостей

¡ающих диапазон частот в несколько октав, для иссследования диспер-¡ионных свойств диэлектриков.

На рис. 20(6) показан микрополосковый датчик слабых магнитных галей, в котором используется пермаллоевая магнитная пленка, напы-юнная на подложку со стороны экрана [104]. Изменение магнитной Проницаемости пленки под воздействием внешнего магнитного поля при-юдит не только к изменению взаимодействия полосок, но и к измене-ало добротности МПЛ. В результате изменяется и положение полюса за-'ухания и его глубина. Максимальная чувствительность датчика имеет шсто в случае совмещения частоты полюса затухания с частотой полу-¡олнового резонанса МПР [111].

В микрополосковом датчике для исследования диэлектрических ха-гактеристик жидкостей, показанном на рис. 20в со стороны экрана, :вязь полосок с входной и выходной линией передачи обеспечивается госредством емкостей связи, вытравленных в экране [112]. Это позво-1яет разместить датчик на специальном полом щупе, внутри которого засполагается СВЧ генератор и регистрирующее устройство. Датчик требует калибровки на эталонных образцах. При этом положение полюса затухания и его глубина характеризуют, соответственно, е' и в" исследуемой жидкости. Датчик отличается высокой чувствительностью и

удобством работа, так как его рабочая поверхность плоская и не имеет выступов.

В конструкциях датчиков СВЧ мощности [92, 93] вместо диэлектрической подложки используется полупроводниковая пластина с омическими контактами на краях (рис. 21). Приблизительно половину поверхности подложки вблизи одного из контактов занимает магнитная пленка. Датчик размещается непосредственно в линии передачи так, чтобы вектор высокочастотного магнитного поля Н был параллелен плоскости магнитной пленки, при этом направление внешнего постоянного магнитного поля Н0 должно быть перпендикулярно направлению высокочастотного поля Я. На контактах датчика при условии ферромагнитного резонанса в пленке возникает постоянная электродвижущая сила (ЭДС), пропорциональная уровню СВЧ мощности в линии. Природа возникновения ЭДС связана с неоднородным разогревом полупроводниковой подложки поглощаемой СВЧ мощностью [30-36, 38, 39].

полупроводниковая подложка

ТМП

Комические Р150- 21 • Датчик овч мощности контакты на структуре магнитная плен/ ка-полупроводник

-0

Очевидно, что в следствие разогрева полупроводниковой подложки изменяется и ее проводимость о. Установлено [39], что при достаточно медленной развертке магнитного поля зависимость о(Н0) с хорошей точностью повторяет кривую ферромагнитного резонанса ТМП. На основе этого эффекта нами предложен новый и очень простой метод наблюдения спектров ФМР магнитных пленок [41]. В этом методе полупроводниковая пластина с омическими контактами на краях располагается в воздушном зазоре несимметричной полосковой линии так, что ее контакты находятся наруже по бокам полоски. Один конец линии подключается к СВЧ

генератору, а другой к безотражатэльной нагрузке. Исследуемая магнитная пленка размещается подложкой вверх непосредственно на полупроводниковой пластине, поверхность которой защищена слоем ЭЮ толщиной 1-2 мкм. Сигнал, пропорциональный изменению проводимости полупроводниковой пластины, включенной в мостовую схему, полностью повторяет спектр ферромагнитного резонанса пленочного образца.

вывода

1. Экспериментально и теоретически исследованы спектры собственных колебаний и собственные добротности нерегулярных микрополос-ковых резонаторов множества различных конструкций. Использование различных нерегулярностей, в частности ширины полоски, позволяет изготавливать МПР с заданным спектром резонансных частот, повышать собственную добротность резонансов. Обнаружен и исследован эффект селективного демпфирования резонансов МПР участками адгезионного подслоя хрома.

2. Впервые сформулированы и систематически исследованы частотно-зависимые коэффициенты связи микрополосковых резонаторов. Показано, что полюса затухания на АЧХ микрополосковых структур являются точками компенсации индуктивного (магнитного) и емкостного (электрического) взаимодействия МПР.

3. Впервые установлены закономерности поведения крутизны склонов АЧХ вблизи полосы пропускания многозвенных микрополосковых фильтров от изменения длины области связи резонаторов. Показано, что преимущественно емкостная связь в полосе пропускания фильтра увеличивает крутизну низкочастотного склона АЧХ, а преимущественно индуктивная связь - высокочастотного склона.

4. Разработаны некоторые принципы построения частотно-селективных микрополосковых СВЧ устройств с заданными характеристи-

_ АЪ _

нами. Проведены экспериментальные исследования множества оригинальных конструкций миниатюрных СВЧ устройств с высокими электрическими характеристиками, работающих в метровом, дециметровом и сантиметровом диапазонах волн.

5. Разработана экспертная система синтеза микрополосковых фильтров, отобранных в банк оптимизированных конструкций. Синтез осуществляется по заданным характеристикам устройства новым высокоэффективным методом оптимальной коррекции.

6. Предложены и испытаны новые методики исследования электромагнитных параметров различных материалов на СВЧ, отличающиеся простотой .и высокой точностью измерений.

7. На основе исследованных микрополосковых структур разработаны оригинальные конструкции высокочувствительных миниатюрных датчиков. Изготовлены измеритель проходящей СВЧ мощности и измеритель жирности молока. Изготовлена действующая установка для исследования диэлектрических параметров жидких кристаллов на СВЧ и автоматизированный спектрометр ферромагнитного резонанса локальных участков тонких, магнитных пленок.

Измерители мощности СВЧ дважды экспонировались на ВДНХ СССР, а их автор был награжден Бронзовой и Серебряной медалями ВДНХ. Миниатюрные микрополосковые фильтры на подложках с высокой диэлектрической проницаемостью экспонировались на Международной выставке "Дил-лер-90" (г. Москва), в результате авторы были награждены Золотой и Серебряной медалями. Измеритель жирности молока со встроенным электронным термометром и процессором, автоматически производящим температурную коррекцию калибровки, показал хорошие результаты на лабораторных испытаниях.

Многие конструкции частотно-селективных СВЧ устройств, методики измерений и датчики защищены. Получено более 20 авторских свидетельств и патентов России. Некоторые конструкции микрополосковых

- *,-

[ильтров внедрены на ряде предприятий России и стран СНГ, в частности в КБ Красноярского завода телевизоров, в НИИ "Полет" (г.Челя-¡инск), на в/ч 35533 (г. Москва), в НИИ "Сатурн" (г.Киев).

Результаты проведенных исследований важны для повышения ка-[ества и надежности измерений при постановке физических экспериментов на различных материалах. в СВЧ диапазоне. Они необходимы для (альнейшего совершенствования конструкций микрополосковых уст-юйств, улучшения их характеристик и надежности работы, а также для зешения важной задачи миниатюризации устройств для бортовых систем ¡вязи и радиолокации. Результаты работы полезны при конструировании ¡ложных функциональных микрополосковых узлов, включающих не только гассивные частотно-селективные элементы, но и активные - генераторы, усилители, а также различные нелинейные устройства.'

Особо следует отметить важность результатов работы для развитая систем автоматизированного проектирования (САПР) СВЧ устройств. Зчевидно, идея метода оптимальной коррекции, предложенного и успеш-ю реализованного в экспертной системе синтеза микрополосковых [ильтров "Р11/ГЕХ", может быть использована для создания САПР некоторых других СВЧ устройств. Для этого необходимо, чтобы в каждом сонкретном случае была решена задача анализа устройства, причем результаты расчета должны с достаточной точностью совпадать с экспе-зиментом.

ЛИТЕРАТУРА

1. Орлов B.C., Вондаренко B.C. Фильтры на поверхностных акустических волнах. М.: Радио и связь, 1984, 272,С.

2. Гуляев Ю.В., Федорец В.Н., Булюк А.Н.-Фильтры на ПАВ с центральной частотой 960 МГц. // Письма ЖГФ, 1985, Т. 11, Вып.10, С. 584-587.

3. 5 GHz Range SAW Filter Fabricated by Electron Beam Exposure with 02-Plasma Ashing Techniques.//Jap. Jornal oi Ap.Ph.,Vol. 25, 1986, pp. 154-156.

4. Справочник по элементам полосковой техники./ под-ред. А.Л. Фельдштена. - М.: Связь, 1979, 336 С.

5. Cohn S.В. Parallel-Coupled. Transmlssion-Line-Rescmator Filters.//IRE Trans, on MTT. vol. MTT-6, No. 10, 1958, pp. 223-231.

6. Заикин В.А., Смыслов Г.М. Выбор диэлектрической проницаемости подложки при миниатюризации полосно-пропускакцих фильтров дециметрового диапазона.//Электронная техника, сер. Электроника СВЧ, Вып. 9 (423), 1989, С. 9-11.

7. Лоткова Е.Д., Косякин-С.В. Расчет микрополосковых фильтров СВЧ на связанных линиях.//Радиотехника, Л 10, 1991, С. 39-42.

8. Аристархов Г.М., Михневич П.С., Чернышев В.П. Микрополоско-вый фильтр. Авт. свид. СССР J6 1262607 А1, БИ Ji 37, 1986.

9. Sagawa М., Takahashl К., and Makimoto М. Miniaturized Hairpin Resonator Filters and Their Application to Receiver Front-End MIС's.//IEEE Trans, on MTT, V. 37, No 12,1989, pp 1991-1997.

10. Chen Y.Ho and John H-Weldman. Half-Wavelength and Step Impedance Resonators Aid Microstrip Filter Design.//Microwave Systev News, V. 13, No 10, 1983, pp. .88 , 93 , 95 . 96 , 98. 10Ы03.

11 .Makimoto M., Yamashlta S. Bandpass Filters Using Parallel Coupled Stripline Stepped Impedance Resonators.//IEEE Trans, on MTT

vol. MTT-28, No. 12. 1980, pp. U13-1417.

12. Беляев Б.А., Тюрнев B.B., Елисеев А.К., Шихов Ю.Г., Рагзин Г.М. Исследование микрополосковых резонаторов и устройств СВЧ на их основе. Часть Ш. - Препринт Л 468 Ф, Институт физики СО АН СССР, Красноярск, 1988, 62 С.

13. Беляев Б.А., Тюрнев В.В., Васильев В.А., Рагзин Г.М. Исследование микрополосковых резонаторов и устройств СВЧ на их основе. Часть П. - Препринт ■№ 448 Ф, Институт физики СО АН СССР, Красноярск, 1987, 44 С.

14. Ohm G., Ritter J. Miniature Microstrip Bandpass Filter on a Barium Tetratitanate Substrate.//Microwave J., V. 28, No 11,1985, pp 129-130, 132, 134, 136.

15. Бачинина Е.Л., Левицкий В.К. Фильтры на печатных спиральных резонаторах.//РТ и Э, Т. 36, Вып. 4, 1991, С. 700-707.

16. Бачинина Е.Л., Левицкий В.К. Экспериментальное исследование полосно-пропускающих фильтров на печатных спиральных резонаторах.//РТ и Э Т. 39, Вып. 5, 1994, С. 725-728

17. Жалнераускас В.И. Высокочастотный фильтр. Авт. свид. СССР № 1173469 А1 , ЕИ J6 30, 1985.

18. Борисова Н.Л. Смагин В.А. Полосно-пропускающи фильтр. Авт. свид. СССР № 985854, ВИ й 48, 1982.

19. Henri Havot. Filtre a Resonateurs Plans. Patent PR 2.626. 716 (A.j ) [88010601, 1988.

20. Rosenberg U. Multiplexing and Double Band Filtering with Common Multimode Cavities.//IEEE Trans MTT, vol. 38, No. 12, 1990, pp. 1862-1871.

21. Makimoto M., Yamashita S. Bandpass Filters Using Parallel Coupled Stripline Stepped Impedance Resonators.//IEEE Trans MTT, vol. 28, No. 12, pp. 1413-1417.

22. Ness J., Johnson S. Narrow Elliptic Filters on Microsst-

rip.//Microwaves & RF. vol. 23, No. 11, 1934, pp. 74-76,-78-79, 134

23. Гупта К., Гардж P., Чадха P. Машинное проектирование СВЧ устройств. М.: Радио и связь, 1987, 432 С.

24. Журавлев В.А., Сусляев В.И., Найден Е.П., Кириченко В.И. Особенности спектров магнитной проницаемости гексаферритов Со2_х Znx W в области спин-переориентационного фазового перехода.//Изв. Вуз. Физика, Т, 33, $ 9, 1990, С. 107 - 109.

25. Брандт A.A. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. M.: СМ, 1963, 404 С.

26. Тшер Ф. Техника измерений на сверхвысоких частотах. М.:, <Ш, 1963, 368 С.

27. Воробьев Е.А., Михайлов В.Ф., Харитонов A.A. СВЧ диэлектрики в условиях высоких температур. М.:Сов. радио, 1977, 208 С.

28- Aisar M.N., Birch J.R. The measurement of the properties o: materlal3.//Procc. IEEE, V.74, No. 1, 1986, pp. 183-199.

29. Вахрушев С.В., Колла Е.В., Королева E.D., Сураманов Р.Ф. Полностью автоматизированная установка для исследования диэлектри-

-3 3

ческой проницаемости в области частот 10 -¡-10 Гц. Л:, Препринт ФТИ АН СССР Л 1505, 1991 , 16 С.

30. Беляев Б.А., Фролов Г.И. Генерация постоянной электродвижущей силы в слоистой структуре полупроводник-диэлектрик-магнитная пленка.//Письма в ЖТФ, Том. 4, Вып. 18, 1978, С. 1102-1106.

к

31. Беляев Б.А., Фролов Г .'И. Эффект детектирования СВЧ мощности в слоистой структуре магнитная пленка-полупроводник при <ШР. Тез. докл. Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений. Харьков, 1979, С. 19.

32. Беляев Б.А., Ерухимов М.Ш., Тврнев В.В., Фролов Г.И. Резонансный термомагнитный эффект в слоистой системе магнитная пленка полупроводник. Тез. докл. ТО Всесоюзной школы-семинара "Новые магнитные материалы микроэлектроники". Ашхабад, 1980, С. 106-108.

33. Беляев Б.А., Фролов Г.И. Детектирование СВЧ мощности слоистой структурой магнитная пленка-полупроводник при <ШР. Тез. докл.У Международной конференции по гиромагнитной электронике и электроди-€амике. Москва, 1980, Т. 3, С. 152-156.

34. Беляев Б.А., Фролов Г.И. Устройство для измерения проходя-пей мощности СВЧ. Тез. докл. Всесоюзной научно-технической конференции "Радиотехнические измерения в диапазонах ВЧ и СВЧ" Новоси-Зирск, 1980, С. 273-274.35. Беляев Б.А., Фролов Г.И. Постоянное напряжение в структуре

«агнитная пленка-полупроводник при ферромагнитном резонансе.//ЖГФ, \ 50, Вып. 6, 1980, С." 1354-1355.

36. Беляев Б.А., Тюрнвв В.В., Фролов Г.И. Резонансный термомаг-мтный эффект в структуре магнитная пленка-полупроводник.//ЖГФ, '.52, Вып. 2, 1982, С. 340-344.

37. Беляев Б.А., Тюрнев В.В., Фролов Г.И. Гальвано-спин-волно-юй резонанс в слоистой структуре полупроводник-ферромагнетик.//ЖТФ, '. 52, Вып. 1 , 1982, С. 126-128.

38. B.A.Belayev, V.V.Tuyrnev, G.r.Prolov. Thermal Eiiects In erromagnnetlc-Semlconductor Layred Structure at Ferromagnetic re-onance. 3-rd Joint Intermag Magnetism and Magnetic Materials. Monreal, Canada, 1982.

39. Беляев Б.А., Тюрнев B.B., Фролов Г.И. Резонансный термома-нитный эффект в слоистой структуре магнитная пленка-полупроводник

его применение. Препринт Я 203Ф. Институт физики СО АН СССР, Кра-ноярск, 1982, 26 С.

40. Беляев Б.А., Тюрнев В.В. Новый подход к миниатюризации ус-ройств дециметрового диапазона.//Тез. докл. конференций. Сер.1. лектроника СВЧ, Вып. 4(206). Ферритовые СВЧ приборы и материалы. Э84, С. 54.

41. Беляев Б.А., Фролов Г.И. Новый метод наблюдения спектров

ферромагнитного резонанса в магнитных пленках. XV Всесоюзная конференция по физике магнитных явлений. Тез.докл., Часть-I, Пермь, 1981, С. 138-139.

42. Беляев Б.А., Тюрнев В.В., Александров К.С. Феррит-сегнето-электрическая слоистая структура в полосковой линии передачи. Тез. докл. П Семинара по функциональной магнитоэлектронике. Красноярск,

1986, С. 179-180.43. Беляев В.А., Васильев В.А., Елисеев А.К., Тюрнев В.В. Генератор дециметрового диапазона волн с варакторной перестройко! частоты. Тез. докл. П Семинара по функциональной магнитоэлектронике. Красноярск, 1986, С. 177-178.

44. Беляев Б.А. Тюрнев В.В., Бузмаков А.Е. Микрополосковый резонатор .для исследования 4MP в магнитных пленках. Тез. докл. X Всесоюзная школа-семинар "Новые магнитные материалы микроэлектроники". Часть-I. Рига, 1986, С. 180-181.

45. Беляев Б.А., Абрамов А.И., Величко В.В., Смирнов Ю.А. Миниатюрные генератбры дециметрового диапазона волн. Тез. докл. Краевой научно-технической конференции "Интегральная электроника СВЧ". Красноярск, 1987, С. 11-12.

46. Беляев Б.А., Тюрнев В.В., Елисеев А.К., Рагзин Г.М. Исследование микрополосковых резонатторов и устройств СВЧ на их основе, Часть-I. Препринт J6 415Ф, Институт физики-СО АН СССР, Красноярск,

1987, 55 С.

47. Беляев Б.А., Величко В.В., Лисовский Я.Л. Исследованш феррит-диэлектрического микрополоскового резонатора. Тез. докл. 1 Семинара, л о „функциональной магнитоэлектроники. Красноярск, 1988, С 153-154.

48. Беляев Б.А., Елисеев А.К. Тюрнев В.В. Транзисторный СВ1 генератор, перестраиваемый по частоте магнитным полем. Тез. докл. I Семинара по функциональной магнитоэлектроники. Красноярск, 1988, С

136-137.

49. Беляев Б.А., Тюрнев В.В. Слоистые структуры в устройствах функциональной СВЧ электроники. Тез. докл. Ш Семинара по функциональной магнитоэлектроники. Красноярск, 1988, С. 15-16.

50. Беляев Б.А., Шихов Ю.Г. Миниатюрный СВЧ диплексер на мик-рополосковых резонаторах. Тез. докл. Всесоюзной конференции "Интегральная электроника СВЧ" Красноярск, 1988, С. 172.

51. Беляев Б.А., Елисеев А.К'., Тюрнев В.В. Исследование резонансных частот нерегулярного микрополоскового резонатора. Тез. докл. Всесоюзной конференции "Интегральная электроника СВЧ" Красноярск, 1988, С. 175.

52. Беляев Б.А., Тюрнев В.В. Влияние диэлектрической проницаемости подложки на взаимодействие микрополосковых резонаторов. Тез. докл. Всесоюзной конференции "Интегральная электроника СВЧ" Красноярск, 1988, С. 174.

53. Беляев Б.А., Колоколов Ю.К., Семиглазов И.А., Хахалкин В.Н. Миниатюрный генератор СВЧ мощности на основе микросхемы. Тез. докл. Всесоюзной конференции "Интегральная электроника СВЧ" Красноярск, 1988, С. 173.

54. Беляев Б.А., Тюрнев В.В., Елисеев А.К. Нерегулярный мик-рополосковыый резонатор для исследования магнитных пленок методом ШР. Тез. докл. IX Всесоюзной школы-семинара "Новые магнитные материалы микроэлектроники". Часть-I, Ташкент, 1988, С. 204-205.

55. Беляев Б.А., Тюрнев В.В., Александров К.С., Красиков B.C. Исследование основных параметров диэлектриков с помощью нерегулярного микрополоскового резонатора. Тез. докл. VI Всесоюзной конференции по физике диэлектриков, секция "Диэлектрическая релаксация", Томск, 1988, С. 13.

56. Беляев Б.А., Журавлев В.А., Кириченко В.И., Сусляев В.И., Тюрнев В.В. исследование диэлектрических свойств солевых растворов

на СВЧ с помощью нерегулярного микрополоскового резонатора. Препринт № 547Ф, Институт физики СО АН СССР, Красноярск, 1989, 56 С.

57. Беляев Б.А., Безматерных Л.Н., Тюрнев В.В., Шепов В.Н. Составной феррит-диэлектрический микрополосковый резонатор. Тез. докл. IV Семинара "Функциональная магнитоэлектронмна". Красноярск, 1990, С. 297.

58. Беляев Б.А., Тюрнев В.В., Шепов В.Н. Слоистые и составные феррит-диэлектрические структуры в полосковой линии передачи. Тез. докл. ХП Всесоюзной школы-семинара "Новыые магнитные материалы микроэлектроники". Частъ-I, Новгород, 1990, С. 117-118.

59. Беляев Б.А., Лапин В.В., Тюрнев В.В., Шихов Ю.Г. Простой СВЧ диплексер на нерегулярных микрополосковых резонаторах. Препринт Я 667Ф, Институт физики СЮ АН СССР, Красноярск, 1991 , 30 С.

60. Беляев Б.А., Тюрнев В.В. Устройство для исследования локальных участков магнитных пленок методом ферромагнитного резонанса.//Электронная техника Тез. докл. конференций. Ферритовые СВЧ приборы и материалы. Т. 11, 1990, С. 36-37.

61. Тюрнев В.В., Беляев Б.А. Взаимодействие параллельных микрополосковых резонаторов.//Электронная техника, Сер. Электроника СВЧ, Вып. 4(428), 1990, С. 25-30.

62. Беляев Б.А., Журавлев В.А., Кириченко В.И., Сусляев В.И., Тюрнев В.В. Нерегулярный микрополосковый резонатор для измерения комплексной магнитной проницаемости на СВЧ.Тез. докл. УП Всесоюзной конференции "Метода и средства измерений электромагнитных характеристик материалов на ВЧ и СВЧ". Новосибирск, 1991, С. 135.

63. Беляев Б.А., Тюрнев В.В. Исследование частотных зависимостей коэффициентов связи микрополосковых резонаторов. - Препринт J6 695 Ф, Институт физики СО АН СССР, Красноярск, 1991 , 43 С.

64. Беляев Б.А., Журавлев В.А., Кириченко В.И., Сусляев В.И., Тюрнев В.В. Применение нерегулярного микрополоскового резонатора

ш исследования СВЧ свойств диэлектриков с широким диапазоном издания проводимости. Тез. докл. VH Всесоюзной конференции "Метода средства измерений электромагнитных характеристик материалов на [И СВЧ". Новосибирск, 1991, С. 62-63.

65. Беляев Б.А., Журавлев В.А., Кириченко В.И., Сусляев В.И., )рнев-В.В. Исследование СВЧ свойств диэлектриков с широким диапа-)ном проводимости в нерегулярном микрополосковом резонаторе. Тез. дал. Всесоюзного совещания "Метрологическое обеспечение диэлектри-юких измерений". Иркутск, 1991, С. 72-73.

66. Беляев Б.А., Тюрнев В.В., Шепов В.Н. Микрополосковый фер-[т-диэлектрический фильтр с регулируемой полосой пропускания. Тез. >кл. Республиканского семинара "Магнитоэлектронные устройства ¡4". Киев, 1991, С. 5-6.

67. Беляев Б.А., Тюрнев В.В. Эф1»ктивная магнитная проницае-ють микрополосковой линии при отрицательной магнитной проницаемо-■и подложки. Тез. докл. Республиканского семинара "Магнитоэлект-'нные устройства СВЧ". Киев, 1991, С. 15-16.

68. Беляев Б.А., Журавлев В.А., Кириченко В.И., Сусляев В.И., фнев В.В. Применение нерегулярного микрополоскового резонатора :я исследования СВЧ свойств диэлектриков с широким диапазоном из-нения проводимости.//Измерительная техника, Вып. 8, 1992, С.

69. Беляев Б.А., Лексиков A.A., Трусов Ю.Н., Тюрнев В.В., Ше-в В.Н., Шихов Ю.Г. Миниатюризованные СВЧ фильтры. Препринт Я ОФ, Институт физики СО РАН, Красноярск, 1993, 64 С. .

70. Беляев Б.А., Никитина М.И. Тюрнев В.В. Трехзвенный микро-лосковый СВЧ фильтр. Препринт № 71ОФ, Институт физики СО РАН, >асноярск, 1992, 60 С.

. 71. Беляев Б.А., Тюрнев В.В. Частотно-зависимые коэффициенты язи микрополосковых резонаторов.//Электронная техника. Сер. СВЧ-хника, Вып. 4(443), 1992, С. 23-27.

72. Беляев Б.А., Никитина М.И. Тюрнев Б.В. Трехзвенный микро-

полосковый фильтр на подложке с высокой диэлектрической проницаемо-ой

стью. Материалы 1 Крымской конференции "СВЧ техника и спутниковый прием". Севастополь, 1991, С. 137-144.

73. Беляев Б.А., Тюрнев В.В. Частотно-зависимые коэффициенты

ой

связи микрополосковых резонаторов. Материалы 1 Крымской конференции "СВЧ техника и спутниковый прием". Севастополь, 1991, С. 119-130.

74. Беляев Б.А., Тюрнев В.В. Двухзвенный микрополосковый фильтр. Часть-I. Препринт X 652Ф, Институт физики СО АН СССР, Красноярск, 1990, 60 О.

75. Беляев Б.А., Тюрнев В.В., Шихов D.P. Двухзвенный микрополосковый фильтр. Часть-П. Препринт № 703Ф, Институт физики СО РАН, Красноярск, 1991, 4S С.

76. Беляев Б.А., Никитина M.VL, Тюрнев В.В. Влияние длины области связи микрополосковых резонаторов на избирательность полосно-пропуекающих фильтров.//Электронная техника, Сер. СВЧ-Техника, Вып. 6(458), 1993, С. 25-31.

77. Беляев Б.А., Лексиков. A.A., Тюрнев В.В. Методика исследования'диэлектрических материалов на СВЧ. - Российская научно-техническая конференция по физике диэлектриков с международным участием "Диэлектрики-93". Тез. докл. Часть-1, Санкт-Петербург, 1993, С. 153-154. '

78. В.A.Belayev. New Simple and Inexpensive Tiny Magnnetlc Probe.//Science and Technics, No. 1,1993, pp. 12.

79. Беляев Б.А., Журавлев В.А., Кириченко В.И., Сусляев В.И., Тюрнев В.В. Исследование электромагнитных параметров бикомплексных сред на СВЧ-с помощью нерегулярного микрополоскового резонатора. -Препринт Ji 735Ф, Институт физики СО РАН, Красноярск, 1994, 54 С:.

80. Беляев В.А..Матвеев C.B., Тюрнев В.В., Шихов Ю.Г. Подавле-

ние добротности высших резонансов микрополоскового резонатора адгезионным подслоем.//Электронная техника Сер. СВЧ-Техника Вып. 4(464), 1994, С. 20-25.

81. Беляев S.A., Дрокин H.A., Шепов В.Н. Применение микрополо-сковых резонаторов для исследования диэлектрических свойств жидких кристаллов на СВЧ.//ЖГФ, Т. 65, В. 2, 1995, С. 189-197.

82. Беляев Б.А., Никитина М.И., Тюрнев В.В. Синтез микрополос-ковых фильтров по заданной полосе пропускания методом оптимальной коррекции. Препринт Ji 760Ф, Институт физики СО РАН, Красноярск,

1995, 28 С.

83. Беляев Б.А., Иваненко A.A., Лексиков A.A., Макиевский И.Я., Пашкевич А.З., Тюрнев В.В. Спектрометр ферромагнитного резонанса локальных участков тонких магнитных пленок. Препринт Л 761Ф, Институт физики СО РАН, Красноярск, 1995, 59 С.

84. Беляев Б.А., Лексиков A.A., Тюрнев В.В. Микрополосковый метод исследования диэлектрической проницаемости материалов на сверхвысоких частотах.//ПТЭ, № 5, 1995, С. 123-130.

85. Беляев Б.А., Лексиков A.A., Тюрнев В.В. Особенности ФМР тонких магнитных пленок при локальных измерениях.//Тез.докл. XV Всероссийской школы-семинара "Новые магнитные материалы микроэлектроники", Москва, 1996, С. 122-123.

86. Беляев Б.А. Исследование магнитных пленок на спектрометре ФМР локальных участков. Тез.докл. XV Всероссийской школы-семинара "Новые магнитные материалы микроэлектроники", Москва, 1996, С. 124-125.

87. Беляев Б.А., Лексиков. A.A., Тюрнев В.В., Шихов Ю.Г. Микрополосковый датчик магнитного поля. Тез.докл. XV Всероссийской школы-семинара "Новые магнитные материалы микроэлектроники", Москва,

1996, С. 218-219.

88. Беляев Б.А., Казаков A.B., Никитина М.И., Тюрнев В.В. Син-

тез микрополосковых фильтров по заданной полосе пропускания методом оптимальной коррекции. Препринт А 760Ф, Институт физики СО РАН, Красноярск, 1996, 41 С.

89. Беляев Б.А., Тюрнев В.В., Шихов Ю.Г. Микрополосковый дап-лексер на двухмодовых резонаторах.//Электронная техника Сер. СВЧ-Техника Вып. 1(470), 1997, С. 7-14.

90. Беляев Б.А., Лексиков A.A., Тюрнев В.В., Шихов Ю.Г. Микрополосковый датчик для исследования диэлектрических проницавмоетей материалов на сверхвысоких частотах.//ПТЭ, Л , 199, С. .

91. Беляев Б.А., Дрокин H.A., Шабанов В.Ф., Шепов В.Н. Исследование диэлектрических проницаемостей жидких кристаллов в электрических и магнитных полях.//ЖТФ, Т. 67, В. 2, 1997, С. 189-197.

92. Беляев Б.А., Фролов Г.И. Вунтесмери B.C., Мироненко В.П. Устройство для измерения мощности сверхвысоких частот. Авт. свид. СССР Jé 808951 БИ J6 8, 1981 .

93. Беляев Б.А., Тюрнев В.В., Фролов Г.И. Устройство для измерения мощности сверхвысоких частот. Авт. свид. СССР J4 995005, БИ Л 5, 1983.

94. Беляев Б.А., Тюрнев В.В. Модулятор. Авт. свид. СССР А 1322411, БЙ № 25, 1987.

95. Беляев Б.А., Тюрнев В.В. СВЧ-фильтр. Авт. свид. СССР » 1337943, БИ * 34, 1987.

96. Беляев Б.А., Тюрнев В.В. Полооно-пропускающий фильтр. Авт. свид. СССР а 1709438, БИ * 4, 1992.

97. Беляев Б.А., Тюрнев В.В., Шихов Ю.Г., Гимадеев А.Н. Микрополосковый решетчатый фильтр. Авт. свид. СССР Я 1681343, БИ а 36, 1991.

"98. Беляев Б.А., Тюрнев В.В., Елисеев А.К., Рагзин Г.М. Способ изготовления шаблона микрополоскового фильтра. Авт. свид. СССР * 1541691, БИ * 5, 1990.

99. Беляев Б.А., Тюрнев В.В. Елисеев А.Н., Рагзин Г.М. Микро-голосковый решетчатый фильтр. Авт. свид. СССР Я 1541690, БИ а 5 990.

100. Беляев Б.А., Тюрнев В.В. Перестраиваемый полосковый резо-[атор. Авт. свид. СССР * 1569924, БИ » 21 , 1990.

101. Беляев Б.А., Тюрнев В.В. Устройство для измерения СВЧ :араметров локальных участков магнитных пленок. Авт. свид. СССР Jí 500105, ДСП, 1987.

102. Беляев Б.А., Тюрнев В.В. Способ измерения диэлектрической роницаемоста подложки. Авт. свид. СССР » 1800335, ЕУ! Я 9, 1993.

103. Беляев Б.А., Тюрнев В.В., Журавлев В.А., Кириченко В.И., усляев В.И. Ячейка для измерения диэлектрической постоянной жидко-ти. Авт. свид. СССР » 17200932, БИ * 10, 1992.

104. Беляев Б.А., Тюрнев В.В. Датчик магнитного поля. Авт. вид. СССР » 1810855, БИ JS 15, 1993.

105. Беляев Б.А., Тюрнев В.В. Магниторезистор. Авт. свид. СССР 1085460, ДСП, 1983.

106. Беляев Б.А., Тюрнев В.В. Микрополосковый полосно-пропуска-ций фильтр. Патент й 2017280, Россия, Б.И. № 14, 1994.

107. Беляев Б.А., Лексиков A.A., Тюрнев В.В., Шихов Ю.Г. Мик-шолосковый полосно-пропускающий фильтр. Патент России по заявке я 1011906/09, решение о выдаче патента от 13.04.95.

108. Беляев Б.А., Дрокин H.A., Тюрнев В.В., Шепов В.Н. СВЧ 1ейка для измерения диэлектрической проницаемости жидкости. Авт. ад. России на полезную модель по заявке * 95106068/20, решение о [даче свидетельства от 11.10.95.

109. Беляев Б.А., Макиевский И.Я., Тюрнев В.В. Умножитель часты. Патент России по заявке * 9411908/09, решение о выдаче патен-

от 03.04.96.

110. Беляев S.A., Макиевский И.Я., Тюрнев В.В. Смеситель. Па-

тент России по заявке А 9411907/09, решение о выдаче патента от 03.04.96.

111. Беляев Б.А., Тюрнев В.В. Датчик магнитного поля. Патент России по заявке J4 9321787/20, решение о выдаче патента от 03.06.96.

112. Беляев Б.А., Лексиков А.А., Тюрнев В.В. Ячейка для измерения диэлектрической проницаемости жидкостей. Патент России по заявке * 94039317/09, решение о выдаче патента от 25.06.96.

113. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств/Под ред. В.И.Вольмана.~М.: Радио и связь, 1982 , 328 С.

114. Тюрнев ,В.В. Квазистатическая теория связанных микрополос-ковых линий. - Препринт А 557Ф, Иинститут физики СО АН СССР, Красноярск, 1989, 19 С.

115. Маттей Г.Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. Том I. - М.: Связь, 1971, 439 С.

116. Bah.1 I.J. Capacitively compensated high performance parallel coupled mlcrostrlp filters // 1989 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest - 1989, Vol. 2, P. 679-682.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ .................. 3

1. Актуальность темы..........................................3

2. Состояние вопроса к началу исследования

по теме диссертации .......................................4

3. Основные цели и задачи работы ..............................11

4. Новизна, научная ценность и практическая значимость .... 12

5. Апробация работы и публикации.......'........13

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ..................14

1. Используемые методики расчета и измерений ..................14

2. Исследуемые модели и образин............... . 15

3. Спектры собственных колебаний нерегулярных МПР ..............1В

4. Коэф2ициентыы связи микрополосковых резонаторов......18

5. Многозвенные фильтры на регулярных МПР ......................23

6. Экспертная система синтеза микрополосковых фильтров .... 28

7. Нерегулярных МПР в конструкциях частотно-селективных

СВЧ устройств.......................31

8. Микрополосковые методы исследования материалов

и СВЧ датчики ..............................................37

ВЫВОДЫ............................43

ЛИТЕРАТУРА ..........................46

ИССЛЕДОВАНИЕ ШПНЮПОЛОСКОВЫХ СТРУКТУР И ЧАСТОТНО- СЕЛЕКТИВНЫХ УСТРОЙСТВ НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность 05.12.2,1 - Радиотехнические системы специального назначения, включая технику СВЧ и технологии их производства

ДИССЕРТАЦИЯ В ФОРМЕ НАУЧНОГО ДОКЛАДА

на соискание учяной степени доктора технических наук

КРАСНОЯРСК - 1997

Официальные доктор

оппоненты:

физико-математических наук З&ер Э.П.

доктор технических наук, профессор

Кашкин В.Б.

доктор технических наук, профессор Lt^ , Малютин Н.Д.

t % L^

г ■") Q A fl (1

оэзо/ ¿h

Ведущая организация: Томский государственный университет им. В.В.Куйбышева, г. ТОМСК

Защита состоится " " 1997 г. в X5~i?g часов

на заседании диссертационного Совета Д.064.54.03 Красноярского государственного технического университете по адресу: 660074, г.Красноярск, ул.Киренского, 26, Красноярский государственный технический университет.

С диссертацией в виде научного докл?;,■•■ ■ • - -жомиться в библиотеке КГТУ

Диссертация в виде научного доклада раз:. ^997

Ученый секретарь ДИССЕРТАЦИОННОГО СОВЕТА САЛОМАТОВ Ю.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1. Актуальность теш. Частотно-селективные устройства (полосно-пропускающие и реаек-торные фильтры, диплексеры, мультиплексоры и-др.) являются важнейшими элементами техники связи и радиолокации. Они широко применяются также в различной измерительной и специальной радиоаппаратуре. Нередко частотно-селективные устройства (ЧСУ) определяют габариты аппаратуры, а также ее качество и надежность. Как известно, в конструкциях таких устройств используются резонансы электромагнитных волн и различных твердотельных колебаний. Поэтому исследования, направленные на разработку новых миниатюрных ЧСУ, отличающихся улучшенными характеристиками являются важной и актуальной задачей.не только современной техники, но и физики.

В предлагаемой работе проведены экспериментальные и теоретические исследования распространения электромагнитных волн в сложных микрополосковых структурах на подложках из различных материалов. В частности, исследованы спектры собственных колебаний нерегулярных микрополосковых резонаторов (МПР) и поведение частотно-зависимых коэффициентов связи от параметров взаимодействующих резонаторов. Обнаруженные закономерности нашли физические объяснения и были использованы при разработке многих оптимизированных конструкций миниатюрных ЧСУ. Кроме того, проведенные исследования позволили создать оригинальные СВЧ датчики, чувствительные к диэлектрическим и магнитным проницаемостям материалов, к постоянным и высокочастотным :л чм полям, к падающей мощности СВЧ колебаний. Этот факт также лд^твает актуальность работы - как известно, задача создания . чп^ельных датчиков во все времена является одной из самых важ-тля экспериментальной физики и для техники. ........основе исследованных СВЧ датчиков были разработаны методики

.¿йния диэлектрических и магнитных проницаемостей материалов в

метровом и дециметровом диапазонах волн. Созданные автоматизированные высокочувствительные установки для физических исследований позволяют наблюдать неоднородности магнитных пленок методом ферромагнитного резонанса локальных участков, фиксировать изменение релаксационных процессов в жидких кристаллах при варьировании постоянных электрических, магнитных полей и температуры. Разработанные датчики позволили также изготовить оригинальные приборы: измеритель проходящей СВЧ мощности и измеритель жирности молока.

Одним из важнейших результатов настоящей работы является то, что разработанные в ней физические принципы открывают пути дальнейшего совершенствования и оптимизации конструкций многих микрополос-ковых устройств, а также открывают новые возможности в исследовании различных материалов на СВЧ.

2. Состояние вопроса к началу исследования по темв диссертации.

1) Частотно-селективные СВЧ устройства. Проблема миниатюризации частотно-селективных СВЧ устройств, в частности фильтров, в первую очередь продиктована необходимостью уменьшения габаритов бортовых радиолокационных станций и систем связи. Как известно, самыми миниатюрными фильтрами, широко используемыми в технике в настоящее время, являются фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ) [1]. К основным достоинствам этих фильтров можно отнести высокую технологичность изготовления и низкую стоимость при массовом производстве. Однако, в полной мере эти достоинства реализуются лишь на "низких" частотах, включая метровый диапазон волн. Главными недостатками фильтров на ШВ являются сравнительно большие вносимые потери и необходимость фотолитографии высокого разрешения. Изготовление фильтров на ПАВ для дециметрового диапазона волн сталкивается с проблемой электронной литографии сверхвысокого разрешения, а также с существенным возрастанием вносимых потерь [2 3. Поэтому приме-

нение фильтров на ПАВ в дециметровом диапазоне волн ограничено. Хотя, следует заметить, что возможности современной технологии позволяют изготавливать уникальные макеты фильтров на ПАВ, работающие даже в сантиметровом диапазоне волн [3].

В метровом диапазоне волн также широко используются "радиотехнические" фильтры на контурах с сосредоточенными элементами, а в дециметровом и сантиметровом диапазонах применяются "электродинамические" фильтры на различных резонаторах с распределенными параметрами. Несмотря на сравнительно большие габариты, эти фильтры бывают незаменимы в устройствах, где требуются малые вносимые потери.

Самыми миниатюрными из "электродинамических" фильтров являются фильтры на микрополосковых резонаторах (МПР) [4]. Эти фильтры получили достаточно широкое распространение в области частот, охватывающей почти полностью дециметровый й сантиметровый диапазоны волн. Они также как и фильтры на ПАВ изготавливаются методом фотолитографии. Однако, при этом требования к точности фотолитографии и к качеству обработки подложек значительно ниже.

Наибольшее распространение в технике из микрополосковых фильтров получили так называемые фильтры на параллельно связанных резонаторах [5]. Эти фильтры представляют собой цепочку линейных полуволновых МПР, сдвинутых параллельно относительно друг друга на половину длины полоски так, что протяженность области связи соседних резонаторов составляет четверть длины волны. Как правиле?., в качестве подложек этих фильтров используются пластины из поликора, диэлектрическая проницаемость которого ег = 9,6 + 9,8.

Проблема миниатюризации микрополосковых фильтров, как известно, решается несколькими путями. Один из путей, уменьшения габаритов подложки фильтра заключается в изгибах или сворачивании полосок резонаторов [6-9]. Второй путь достижения цели связан о использованием нерегулярностей, скачков волнового сопротивления в конструкциях

микрополосковых резонаторов, из которых состоит фильтр [10-13]. Третий путь заключается в -использовании в качестве подложек фильтра пластин из керамик с высокой диэлектрической проницаемостью [б, 7]. Очевидно, что все перечисленные способы миниатюризации фильтров, в принципе, могут использоваться и в сочетании друг с другом.

На рис. 1 в качестве иллюстрации представлены несколько известных конструкций миниатюрных микрополосковых фильтров. Наиболее распространенными из них являются конструкции фильтров на сонаправленных (а) и встречно направленных (б) шпилечных резонаторах. Расчет характеристик таких фильтров в квазистатическом приближении [б, 7] дает достаточно хорошее совпадение с экспериментом. Отметим, что в области первой полосы пропускания между "шпильками", как правило, превалирует емкостное взаимодействие. Однако, известна конструкция фильтра на "несимметричных" сонаправленных "шпильках" [8], в которой длина области связи каждого резонатора с соседними по одну сторону существенно больше чем по другую. В этом случав на частотах первой полосы пропускания между резонаторами с большей длиной области связи превалирует индуктивное взаимодействие.

Рис, 1. Конструкции миниатюрных микрополосковых фильтров(а-д) и четвертьволнового спирального резонатора (е)

- б -

Фильтр (в) (см. рис. 1) является самым миниатюрным из известных микрополосковых фильтров на полуволновых резонаторах [9]. В его конструкции используются оригинальные свернутые МНР,,у которых концы полосок образуют дополнительную взаимную емкость. Благодаря малому зазору между концами полосок резонаторов, величина образованной емкости сравнительно большая и поэтому она существенно понижает резонансную частоту первой.моды колебаний МПР. Очевидно, что в первой полосе пропускания' рассмотренной конструкции, в отличие от "шпильковых" фильтров, взаимодействие мезду резонаторами преимущественно индуктивное.

В конструкции фильтра (г) (см. рис. 1) используются четвертьволновые микрополосковые резонаторы [14]. В данном случае для уменьшения площади подложки фильтра полоски резонаторов имеют нес-, колько ломаных изгибов. Особенностью фильтра является то, что в нем в области частот первой полосы пропускания взаимодействие между парами крайних резонаторов преимущественно индуктивное, а между парой средних резонаторов преимущественно емкостное.

В миниатюрном фильтре (д) использованы нерегулярные полуволновые резонаторы - "гантельки", состоящие из трех регулярных участков с различным волновым сопротивлением [10-12]. Спектры частот собственных колебаний в таких резонаторах подробно исследованы нами -в работе [13]. Уменьшение габаритов подложки в рассматриваемом фильтре обусловлено тем, что длина "гантельки" почти в два раза меньше длины полоски регулярного резонатора, настроенного на ту же частоту. Кроме того, благодаря преимущественно индуктивной связи между резонаторами, в данной конструкции требуется существенно сблизить полоски друг с другом по сравнению с фильтром на регулярных МПР с те?л, чтобы обеспечить необходимую связь между резонаторами.

Интересна конструкция миниатюрного фильтра на плоских "квадратных" или "круглых" спиральных резонаторах (е), исследованная в

работах [15, 16]. В ней каждый из четвертьволновых резонаторов изготовлен печатным способом на отдельной подложке с односторонней металлизацией. Резонаторы размещены в экранирующем корпусе с разъемами. Вход и выход фильтра имеют кондуктивную связь с крайними резонаторами.' Такая конструкция позволяет "спуститься" вниз по частоте даже в метровый диапазон волн. Однако, в работе (17) предложена более технологичная конструкция фильтра на микрополосковых спиральных резонаторах. В ней связь между резонаторами обеспечивается специальными окнами в форме эллипса, вытравленными в экране подложки.

Для миниатюризации фильтров нередко в микрополосковые резонаторы включают сосредоточенные элементы: индуктивности [18] и емкости [19]. Индуктивности подключают в разрыв точек, где располагаются пучности высокочастотного магнитного поля, - а емкости 'подключают, соответственно, к точкам, где располагаются пучности электрического поля. Причем в четвертьволновых резонаторах емкости подключают между свободным концом полоски и экраном, а в полуволновых резонаторах их можно подключать между концами полоски каждого МПР [19].

Иногда при построении миниатюрных -частотно-селективных устройств, в частности диплексеров и мультиплексоров, используют мно-гомодовые резонаторы с ортогональными колебаниями [20]. Аналогичный подход был также использован1 нами в разработке оригинальных конструкций различных микрополосковых устройств. Собственно наши работы по исследованию нерегулярных МПР и по решению проблемы миниатюризации микрополосковых ЧСУ велись параллельно с исследованиями других научных коллективов'и групп.

Как известно, щя синтеза микрополосковых фильтров в настоящее время используются даа основных метода. Первый метод основан, на преобразовании синтезированной схемы фильтра-прототипа на сосредоточенных элементах в эквивалентную Схему, состоящую из отрезков связанных или одиночных микрополосковых линий [21,22]..Достоинством

этого метода синтеза является высокая производительность. Однако, он может использоваться только для тех конструкций фильтров, секции которых содержат не более двух связанных микрополосковых линий. Кроме того он гарантирует хорошее совпадение АЧХ синтезируемого микрополоскового фильтра с. АЧХ эквивалентной ему цепочки на сосредоточенных элементах только вблизи полосы пропускания. Второй метод синтеза основан на многократном расчете АЧХ мюфополосковой конструкции для. пробных значений ее параметров и использовании' стандартных оптимизационных методов для уточнения значений этих ¿параметров

*

[23]. Этот метод применим к фильтрам любой конструкции. Однако, принимая во внимание большое число параметров, требующих оптимизации, в многозвенных фильтрах, второй метод синтеза нуждается в огромном числе итераций, а это приводит к большим затратам времени. '

2) Исследование материалов на СВЧ. Изучение поведения комплексных величин магнитной и диэлектрической проницаемостей материалов в зависимости от частоты имеет важное научное и техническое значение*. Эти исследования расширяют представления о процессах взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, дают возможность получить новую информацию, необходимую для развития физики твердого тела, физики магнитных явлений, материаловедения и радиоэлектроники. Очевидно, целенаправленный синтез магнитных материалов с заданными свойствами, а также расчеты циркуляторов, вентилей, поглотителей электромагнитной энергии, фильтров и других радиоэлектронных устройств невозможны без достоверных сведений о величинах магнитной и диэлектрической проницаемостей. выбранных материалов и об их изменениях под воздействием различных факторов.

В частности, по частотным зависимостям проницаемостей определяются области. наибольшего поглощения, окна прозрачности, времена релаксации и другие важные физические характеристики магнетиков,

которые достаточно трудно или невозможно получить иными методами. По спектрам магнитной проницаемости можно получить дополнительную информацию-о магнитной структуре материала [24]. Изучению поведения комплексных величин магнитной и диэлектри- ческой проницаемостей различных веществ посвящен ряд обширных обзоров и монографий, и не снижается поток публикаций оригинальных работ [25-273 . Это объясняется не только появлением новых материалов, используемых в технике, но и необходимостью уточнения развивающихся теоретических подходов и положений, а также необходимостью уточнения величин молекулярных констант.

В настоящее время особенно активно разрабатывается измерительная аппаратура для исследования электромагнитных параметров бикомп-лексных сред. При этом получают развитие как относительно новые методики, например, фурье-спектроскопия [28], так и традиционные, которые обрели "вторую жизнь" благодаря широкому внедрению вычислительной техники. Компьютеризация не только позволила автоматизировать процесс измерения, но и дала возможность применять в аппаратуре сложные структуры измерительных средств, расчеты которых ранее наталкивались на непреодолимые трудности.

Созданные установки позволяют проводить измерения в достаточно широком диапазоне частот: от долей герца до 1500 ГГц [28, 2.9]. Однако, следует отметить, что степень освоенности отдельных участков этого диапазона существенно различна. В частности, большие проблемы возникают в интервале частот 100 МГц - 1 ГТц - на стыке метрового и дециметрового диапазонов волн, где перестают работать методы,, основанные на использовании систем с сосредоточенными параметрами, а традиционные измерительные ячейки с распределенными параметрами имеют неприемлемо большие габариты. Дополнительные трудности порождает задача измерения электромагнитных характеристик материалов с большими потерями, связанная с необходимостью исследования ферро-

магнетиков в области естественного ферромагнитного резонанса.

Наши исследования показали большие возможности использования нерегулярных микрополосковых резонаторов для измерения диэлектрических и магнитных проницаемостей материалов как раз на стыке метрового и дециметрового диапазонов волн. Такие резонаторы успешно применялись в названном выше "трудном" диапазоне частот для исследования диэлектрических постоянных материалов с изменением диэлектрических потерь в широких пределах , а также для исследования магнитных резонансов в тонких магнитных пленках. Основными достоинствами нерегулярных микрополосковых резонаторов являются высокая чувствительность, возможность работы с червзвычайно малыми образцами, простота и удобс�