автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Миниатюрный полосовой фильтр для объемных интегральных схем СВЧ

, ^ д На правах рукописи

- 8 ДЕЛ пае

КУЛЕВАТОВ Михаил Валентинович

МИНИАТЮРНЫЙ ПОЛОСОВОЙ ФИЛЬТР ДЛЯ ОБЪЕМНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ СВЧ

Специальность: 05.12.07 Антенны и СВЧ устройства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва — 1998

Работа выполнена на кафедре "Лазерные и микроволновые информационные системы" Московского государственного института электроники и математики (Технический университет)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, Гвоздев В.И.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Марьин Н.П.

кандидат технических наук, доцент Смирнов C.B.

Ведущая организация:

Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева

Защита состоится " 26 " января 1999г. в 16 часов на заседании Диссертационного Совета К 063.68.04 при Московском государственном институте электроники и математики по адресу: 109028, Москва, Б.Трехсвятительский пер., 3/12.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МГИЭМ.

Автореферат разослан "30 - ноября 1998г. Ученый секретарь

Диссертационного Совета К 063.68.04,

к.т.н.,доцент ¡б^Г"» Н.Н.Грачев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

_ Актуальность диссертации. Устройства частотной селекции — фильтры, являются, необходимыми функциональными компонентами любой радиоэлектронной аппаратуры. Количество фильтров применяемых в одном устройстве, во многих случаях более одного. Фильтры, формирующие передаточные' характеристики трактов радиотехнической , аппаратуры, — неотъемлемая часть активных цепей — генераторов, усилителей мощности, смесителей, частотных преобразователей и синтезаторов. Они выполняют также функции канальных разделителей и мультиплексоров, имеют чрезвычайно широкое применение в аппаратуре самого разнообразного назначения. ,

В области сверхвысоких частот (СВЧ), первые громоздкие конструкции фильтров были реализованы на основе волноводов [1]. Следующим этапом развития, стала реализация устройств йа основе интегральных схем (ИС) СВЧ, имеющих ряд важных преимуществ: малые габариты и масса; высокие компоновочные возможности; дешевизна и повышенная надежность; простота технологии изготовления [2]. Однако решение проблемы комплексной микроминиатюризации СВЧ устройств во многом сдерживается сложностью реализации высокоэффективных устройств частотной- селекции. Вследствие сравнительно низкой собственной добротности резонаторов, выполненных на базе интегральных линий передачи, для фильтров с различными типами амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) существует некоторая предельная избирательность, которая не может быть повышена путем увеличения числа резонаторов больше некоторого [3].

Новые возможности в плане улучшения характеристик фильтров дает переход от пленарных ИС' к объемным интегральным схемам (ОИС) [4, 5]. При этом достигнут качественный скачок в уменьшении габаритов и массы — почти на два порядка, в увеличении быстродействия — на один порядок [6].

Среди устройств частотной селекции, фильтры с эллиптической и квазиэллиптической характеристикой сочетают повышенную избирательность и минимальные потери в полосе пропускания [7]. Это обеспечивается формированием в этих устройствах полюсов затухания на конечных частотах, в результате чего заданные требования по избирательности могут быть реализованы при минимальном числе резонаторов. Известно несколько способов реализации таких" структур: двухмодовые ^ волноводные фильтры с диэлектрическими резонаторами и запредельными связями; фильтры шлейфного типа;, фильтры на . системе связанных линий передачи с распространяющимися волнами, имеющими разные фазовые скорости; фильтры с

несколькими путями передачи мощности; фильтры с перекрестными связями по электромагнитному полю. Однако каждому из этих способов реализации присущи свои физические и конструктивно-технологические ограничения в расположении полюсов затухания относительно полосы пропускания, что существенно снижает предельную частотную избирательность таких фильтров. ' . ■ '

Поэтому поиск рациональных схемотехнических решений интегральных фильтров выполненных на ОИС и ИС, обладающих повышенной предельной избирательностью при ограниченной добротности резонаторов представляет значительный практический интерес.

Целью диссертации является разработка малогабаритного узкополосного фильтра с повышенной селективностью, на основе полосковой линии передачи с ограниченной

шириной диэлектрика для объемных интегральных схем СВЧ.

>■ <

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Рассмотреть основные характеристики и требования предъявляемые к полосовым фильтрам СВЧ. Рассмотреть принципы построения интегральных фильтров и провести анализ связей в частотно-избирательных структурах, с целью выяснения всех факторов оказывающих непосредственное влияние на проектирование, варьируя которыми можно создать фильтр с предельно возможными характеристиками.

2. Разработать конструкцию узкополосного фильтра и описать' принцип работы. Построить .физическую модель фильтра. Провести анализ и синтез его структуры для создания методики расчета в целом, которая позволит приступить к практической реализации предложенного фильтра.

3. Провести теоретические и экспериментальные исследования базовых элементов. .Провести экспериментальные исследования структуры электрического поля в прямоугольном резонаторе для выяснения особенностей его распространения.

4. Исследовать частотные характеристики макета узкополосного фильтра. Рассмотреть конструкторско-технологические приемы изготовления. Исследовать традиционные методы настройки фильтра и дать рекомендации по их применению, предложить новые методы настройки фильтра.

Научная новизна диссертации заключается в следующем: . • Предложена модель нового фильтра, проведен её анализ и синтез, и на их основе создана методики расчета в целом.

• Проведены теоретические и экспериментальные исследования линии передачи с шириной диэлектрика соизмеримой с шириной металлизации, предложена методика расчета такой структуры и рассчитаны её основные параметры.

• Разработана конструкция полосно-пропускающего узкополосного фильтра на основе линии передачи с шириной диэлектрика, соизмеримой с шириной металлизации.

Практическая Ценность. Результаты исследований позволили:

• предложить конструкцию полосно-пропускающего узкополосного фильтра СВЧ с квазиэллиптической характеристикой, * с более высокими электродинамическими параметрами и малыми габаритами, которые недостижимы в традиционных микрополосковых фильтрах;

• создать модель миниатюрного полосового фильтра и' методику расчета в целом, которые позволили приступить к практической реализации разработанного фильтра;

. • предложить методику расчета линии передачи с цигриной диэлектрика соизмеримой с шириной металлизации и рассчитать ей основные параметры, с помощью которого возможен расчет топологии таких линий передачи;

• наметить перспективы развития полосковой линии передачи с диэлектриком ограниченной ширины и предложить новые конструкции фильтров СВЧ на её основе;

• создать высоко-добротный полосно-пропускаюший узкополосный фильтр СВЧ с квазиэллиптической характеристикой и малыми' габаритами, применение которого в устройствах связи позволит повысить пропускную способность и уменьшить затраты на производство таких устройств.

Достоверность результатов. Все научные выводы, полученные в диссертации, подтверждены теоретически и экспериментально. Теоретические результаты получены .хорошо зарекомендовавшими себя методами. К ним относится электродинамический метод Галеркина и теория цепей. Научные положения диссертации аргументированы, теоретические результаты работы ' подтверждены проведенными экспериментальными

исследованиями. Полученные в процессе экспериментальных исследований данные, имеют

*

точность порядка 10%, что позволяет говорит!, об их достаточной достоверности.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Физическая модель нового миниатюрного узкополосного фильтра;

2..Электродинамическая модель неоднородности полосковой линии передачи с диэлектриком ограниченной ширины, а также экспериментальные исследования связей между базовыми элементами;

3. Конструкция полосно-пропускающего узкополосного фильтра и ' её экспериментальные исследования.

Апробация работы. Материалы диссертации обсуждались на следующих конференциях: '

• V Международная научно-техническая конференция: "Математическое моделирование и САПР систем сверхбыстрой обработки информации на объемных интегральных схемах (ОИС) СВЧ иКВЧ". (Сергиев Посад, 1995г.);

V ■

• Ш Научная сессия, посвященная дню радио, (Москва, 1997г.);

• 8-я Международная крымская конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии". (Севастополь, 1998г.);

• Международная научно-техническая конференция и Российская школа молодых ученых и специалистов. (Сочи, 1998г.).

Материалы диссертации вошли:

• в научную работу, получившую диплом по итогам открытого конкурса 1995г. на лучшую работу молодых ученых и студентов по естественным, техническим и

- гуманитарным наукам в ВУЗах Российской Федерации;

• в научно-технический отчет "Миниатюрный полосовой фильтр для объемных интегральных схем СВЧ" Гос.рег. Ка 02970004269,1997.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано' шесть печатных работ в том числе в центральном издании "Радиотехника".

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из предисловия, введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 90 наименований и приложения с актами внедрения. Общий объем диссертации составляет 127 страниц, Из них — 40 страниц рисунки, графики и таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертации обоснована её актуальность, сформулированы цели и задачи исследований, научная новизна, практическая значимость, основные положения, выносимые на защиту и приводится краткое содержание каждой из глав. '

В первой главе "Современные достижения в технике полосовых фильтров",* на основе опубликованных к настоящему времени работ, рассмотрены современные достижения в технике полосовых фильтров СВЧ. *

Создание интегральных конструкций, объединяющих десятки различных СВЧ элементов, позволило решить задачу микроминиатюризации СВЧ аппаратуры и увеличить ее надежность [8]. В свою очередь, это наложило жесткие требования на функциональные узлы,

входящие в состав интегральных схем. Таким образом, удовлетворить современным требованиям, предъявляемым к селективности полосовых фильтров СВЧ, можно путем создания конструкций, имеющих комплекс следующих характеристик: малые габариты и массу; высокую крутизну скатов амплитудно-частотной характеристики (АЧХ); равномерную характеристику группового времени задержки (ГВЗ) в полосе пропускания; низкие потери в поносе пропускания; широкую полосу заграждения; возможность реализации полос пропускания от единиц до нескольких десятков процентов.

■ Применение ОИС в микроэлектронике СВЧ [3-4, 9], поставило перед разработчиками фильтров СВЧ новые требования, которые невозможно удовлетворить, используя имеющиеся конструкции и" методы проектирования фильтров. Это послужило толчком к разработкам новых, нетрадиционных, методов и конструкторско-технологических подходов к проектированию фильтров СВЧ.

Первым этапом Перехода от ИС к ОИС, стала разработка принципа многослойности конструкции фильтра. Типичные одномерные распределенные связи стало возможным реализовать не только в "горизонтальной" плоскости, но и в "вертикальном" направлении [10] за счет резонаторов расположенных на разных этажах ОИС. Достоинством таких структур перед планарными, являются малые габариты. Это объясняется тем, что с увеличением числа резонаторов объем фильтра увеличивается лишь за счет роста слоев диэлектрика, при этом объем корпуса и устройств вывода мощности практически не изменяется, что выгодно отличает такие структуры от планарных. Анализ разработанной объемной интегральной топологии, теоретические и экспериментальные исследования показывают, что использование объемного принципа конструирования резко уменьшает габариты фильтра [11-13]. Комбинация различных, типов линий передачи, к тому же, дает возможность в рамках полученной конструкции формировать разные знаки связей между резонаторами и элементами фильтра без увеличения габаритов и усложнения конструкции и технологии изготовления [ 14-15].

Результирующие характеристики системы связанных резонаторов во многом определяются самим резонатором так и видом межрезонаторных связей.

Структура с одномерно ориентированной межрезонаторной связью является классической, и представляет собой систему последовательно связанных резонаторов (рис. 1,а). Как правило, резонаторы в ней выполняются на одном Time линии передачи. Такая структура позволяет реализовать амплитудно-частотную характеристику типа Баттерворта или Чебьппева. Применение объемной интегральной технологии, позволило реализовать структуру с последовательно расположенными, в разных функциональных "слоях",

N-1 К

21

а »

¿N-1

XI 1К+1

т

1~1|

аЯшт

а) . 6)

Рис. 1. Фильтр СВЧ с одномерно ориентированной межрезонаторной связью'

——.г.—

Я- и-] К-И ■

1

N

ч

I

К! 4К+1

ШН

-т

а)

б)

Рис. 2. Фильтр СВЧ с двумерно ориентированной межрезонаторной связью

1

\

Рис. 3. Фильтр СВЧ с трехмерно ориентированной межрезонаторной связью

резонаторами (рис. 1,6). Здесь электродинамическая связь между ними осуществляется по "вертикали" между "слоями". Резонаторы в такой структуре могут быть выполнены как на одном, так и на разных типах линий. -

Структура с двумерно ориентированной межрезонаторной связью, является наиболее успешно реализуемой в последнее время. Данная структура представляет собой систему резонаторов, которые помимо последовательных связей формируют дополнительные связи между не соседними резонаторами (рис. 2,а). Такая структура позволяет формировать АЧХ, аппроксимируемую квазиэллиптическими функциями.

С помощью объемной интегральной технологии, удалось реализовать фильтр с резонаторами последовательно расположенными на разных "слоях" (рис. 2,6), где электродинамическая связь между соседними и не соседними резонаторами, а также входной и выходной линией передачи осуществляется как в вертикальной плоскости между "слоями", так и в горизонтальной плоскости. Резонаторы мйгут выполняться в том числе и на разных типах линий с формированием АЧХ квазиэллиптического типа.

Новая структура с . трехмерно ориентированной межрезонаторной связью,, представляет собой систему резонаторов, которые формируют все межрезонаторные связи (рис. 3). Такой фильтр формирует АЧХ, аппроксимируемую эллиптическими функциями.

На основании проведенного анализа, сделан вывод: варьируя различными типами линий передачи и присущими им физическими свойствами, различными типами связей между отдельными резонаторами, так и группами резонаторов, используя различные конструкции фильтров, однослойные и многослойные — можно добиться реализации селективной структуры с предельно допустимыми электродинамическими параметрами [ I *].

Для достижения поставленной цели диссертационной работы, необходимо разработать фильтр, обладающий следующими характеристиками: фильтр должен иметь интегральное исполнение; представлять собой структуру с двумерно ориентированной межрезонаторной связью, для реализации эллиптической амплитудно-частотной характеристики должен иметь дополнительные связи; выполнен на полосковой линии-передачи с целью повышения технологичности; обладать малыми габаритами.

Вторая глава "Физико-математическая модель полосового фильтра", посвящена созданию физической модели нового миниатюрного фильтра, проведению анализа и Синтеза его структуры. Полосовой фильтр с эллиптической АЧХ сочетает повышенную избирательность и минимальные потери в полосе пропускания. Это обеспечивается формированием полюсов затухания на Конечных частотах, в результате чего заданные требования по избирательности могут быть, реализованы при минимальном числе

резонаторов. Для реализации эллиптических фильтров необходимо введение кроме последовательных связей (как в фильтрах Чебьппева и Баттерворта), дополнительных между не соседними резонаторами [16-17]. Природа и число дополнительных связей существенно влияют на свойства структур. Так, дополнительные связи, природа которых сходна с природой последовательных связей, приводят к получению в функции фильтрации нулей передачи на мнимой частоте, что обеспечивает равноволновое приближение ГВЗ. Дополнительные связи противоположной природы дают в функции фильтрации нули передачи на действительной частоте и обеспечивают возможность получения крутых скатов АЧХ за счет чебышевской характеристики в полосе задерживания. Увеличение числа возможных дополнительных связей позволяет значительно уменьшить коэффициент прямоугольности. Фильтр с большим числом дополнительных связёй имеет лучшую избирательность, однако из-за сложности их реализации в малом объеме в фильтрах с плоскостной структурой межрезонаторной связи, применялись фильтры с одной или двтая дополнительными связями.

Во второй главе предложена физическая модель полосового фильтра, в которой удается реализовать три дополнительные связи (одна — последовательная и две — перекрестные, рис. 4,а). Причем, одна из связей а» имеет природу схожую с природой последовательных связей ось аг, аз, а две другие С15, <Хб противоположную природу (рис. 4,6).

1 а4 2 1 + 2

а) б)

Рис. 4. Двухрезонаторный полосовой фильтр СВЧ: а) структурная схема связей;

б) природа связей.

Последовательные связи аь схг и аз (в них преобладает электрическая составляющая

электромагнитного поля) формируют полосу пропускания фильтра. Крутизна скатов АЧХ,

>

усиливается полюсами за счет связи по электромагнитному полю, связями а; и а* (в связях

ю '•

преобладает магнитная составляющая электромагнитного поля). Связь по электромагнитному полю 0С4 (в них преобладает электрическая составляющая электромагнитного поля) . формирует полосу заграждения фильтра. Таким образом, предложенная структура позволяет сформировать АЧХ фильтра, аппроксимируемую квазиэллиптическими функциями.

Проведён обобщенный анализ двухрезонаторного устройства, представляющее собой двухзвенный полосовой фильтр, вход и выход которого соединены дополнительной мостовой связью [18].

Отсутствие связей а5, а«, обусловлено тем, что их анализ является очень сложной электродинамической задачей, поэтому исследования проведены экспериментальными методами. Предполагая, что собственные частоты резонаторов совпадают, и диссипативные потери в них отсутствуют, эквивалентная схема такого устройства вблизи от резонансной частоты представлена в виде рис. 5,а. Проводимость параллельных IX - контуров с резонансной круговой частотой Во равна У = уЪ, где V = (ш/(0« - соо/ю ) — относительная расстройка, Ь = <«оС — параметр крутизны реактивной проводимости контура. Посредством J^, ¿з, ¿4 обозначены идеальные инверторы проводимости с параметрами ^ [19].

Связь контуров с нагрузками осуществляют инверторы Ь и 14. Инвертор -Ь обеспечивает непосредственную связь между контурами, а инвертор .11 — дополнительную мевду входом . и выходом. В низкочастотном прототипе проводимость контура преобразуется в емкостную проводимость У = ПС (рис. 5,6).

а) б)

Рис. 5. Двухрезонаторный полосовой фильтр СВЧ: а) эквивалентная схема; б) НЧ прототип.

Матрица передачи всей схемы определена из [У] матрицы, представляющей собой сумму двух [У] матриц параллельных ветвей J^ и ^—С1—Лз—Сг—Л4. Матрица передачи

11

ветви Лг—Сг—^—-Сг—рассчитана путем перемножения матриц передачи. Исходя' из полученной матрицы передачи всей схемы и пользуясь формулами работы [20], найдена функция рабочего затухания (ФРЗ) НЧ прототипа:

где:

Далее были проведены расчеты, по результатам которых составлена таблица, позволяющая быстро оценить потенциальные возможности предложенной структуры, а также по' заданным требованиям определить элементы НЧ прототипа и ППФ с квазиэллиптической характеристикой. Проведен синтез. структуры фильтра и описана методика расчета в целом, которая позволила приступить к практической реализации предложенного фильтра. Таким образом, пространственное комбинирование связанных между собой произвольным образом элементов, в общем случае различной конструктивной и даже физической природы, открывает неисчерпаемые возможности для схемотехники микроволновых фильтров. Дальнейшее исследование этих интереснейших и весьма сложных по физическому принципу функционирования устройств выгладит достаточно многообещающе.

Для практического воплощения предложенной физической модели в конструкцию, необходимо выбрать элементную базу, которая полностью, удовлетворит поставленным требованиям.

Третья глава "Теоретические и экспериментальные исследования базовых элементов", посвящена анализу выбранной базовой линии передачи, методам примененным дм теоретических . и экспериментальных исследований базовых элементов и анализу полученных результатов.

Выбор базовой линии передачи обусловлен требованиями, предъявляемыми к ней со стороны схемотехники, а именно: необходимы высокая добротность и малые габариты. Этим условиям в полной мере отвечает исследуемая линия передачи с диэлектриком ограниченной ширины (рис. 6,а). Для всестороннего анализа ,МПЛ с такой конструкцией, проведено сравнение известных физических свойств МПЛ (рис.6,6), со свойствами, которыми обладает предложенная . структура, с целью определения степени их схожести. В процессе

ИНИЯИЯШВИ.

а) . б)

Рис. 6. Полосковые линии: а) исследуемая ГШ; б) классическая МПЛ.

исследований выявлено, что она обладает рядом физических свойств МПЛ: основной распространяющейся волной является квази-Т волна; вследствие большой величины е, поле в основном сосредоточено в диэлектрике подложки, где оно распространяется в виде квази-Т волны. Однако диэлектрик имеет ширину, равную ширине металлической полоски, что в свою очередь приводит к изменению геометрической формы граничной поверхности между воздухом и диэлектриком, а это оказывает непосредственное влияние на расчет основных параметров МПЛ (эффективной диэлектрической проницаемости еЭф) и указывает на невозможность применения известных методик расчета основных характеристик МПЛ, для определения основных характеристик исследуемой нами линии передачи (ЛП) с диэлектриком ограниченной ширины.

В диссертации предложенье проанализированы и сравнены с. экспериментально ■ полученными характеристиками, несколько математических моделей ЛП, из которых был выбран наиболее точный алгоритм. Используя эту математическую модель ЛП, были рассчитаны основные параметры линии с диэлектриком ограниченной ширины (2ц и которые позволяют проводить расчет топологии как линий передачи так и резонаторов для других, аналогичных селективных структур;

Поскольку рассматриваемая конструкция фильтра является сложным электродинамическим объектом, ранее не исследованной ни с электродинамической, ни с конструкторско-технологической точки зрения, целесообразно воспользоваться принципом декомпозиции — разбить исследуемую структуру на базовые элементы (БЭ), анализ которых можно провести более просто, используя различные вычислительные методы и натурные эксперименты.

Первым этапом анализа базовых элементов явилось, теоретическое исследование дифракции волны на обрыве экранированной полоскйвой линии с диэлектриком ограниченной ширины. Полосковая линия с ограниченным диэлектриком в большей степени подходит для моделирования ее плоским волноводом, нежели МПЛ (е > 50). Поэтому в качестве модельной задачи обрыва линии передачи рассмотрен обрыв плоского волновода

Рис. 7. Моделирование обрьша полосковой линии с ограниченным диэлектриком в виде обрыва плоского волновода.

(рис. 7). В каждой из областей были выписаны электрические и магнитные поля в виде рядов по собственным волнам. Затем неизвестные коэффициенты выражены через Фурье-преобразования тангенциальной составляющей электрического поля. Сшивая магнитные поля в этой же плоскости, пришли к следующим интегральным уравнениям:

у

■ (А I

2Ук0 "-»к'г^о У

"гукокг

гч<ко к*°кгку,

Ху ко

4-гм у,

где Е"у(у') и Ету(У') -неизвестные электрические поля в плоскости ХОУ,

ориентированные по оси У; " ф^\у'), ф^^у')-собственные функции

соответствующих плоских волноводов; ко ~ волновое число свободного пространства;

к№ к1"1 к

(П) , (Ш)

(I) „(П>

2М

продольные постоянные распространения; 2у = 120л, £г , £г

а) б)

Рис. 8. Частотные зависимости модуля (а) и фазы (б) коэффициента отражения основной волны для различных значений диэлектрической проницаемости подложки.

g'11^ - относительные диэлектрические проницаемости, к которым был применен метод Галеркина. В качестве базисных функций использовались кусочно-определенные функции типа прямоугольных импульсов. Была получена система линейных уравнений, решая которую получили частотные зависимости модуля и фазы коэффициента отражения основной волны плоского волновода на обрыве металла и диэлектрика для нескольких . значений 6 (рис. 8).

Для структуры, приведенной на рис. 7, с соответствующими размерами Yi = 2 mm, Y2 = 10 mm, Y: - Yi = 8 mm, вблизи 1-4+15 ГТц наблюдается резкое падение коэффициента отражения, что объясняется выходом из частотной-отсечки первой высшей моды области П1 (га = 1). Это проверено аналитическим'расчетом частоты ее отсечки. Второй небольшой "пичок" обусловлен выходом из отсечки первой высшей моды с номера k = 1 в области II, толщина которой меньше высоты области III на толщину подложки в области I. В отмеченных выше точках частотной оси (зависимость фазы коэффициента отражения от частоты) наблюдается столь же драматичные изменения фазы, как и модуля коэффициента отражения [2*]. Проведенные теоретические исследования обрыва экранированной полосковой линии с диэлектриком ограниченной ширины, подтвердили возможность использования рассматриваемой линии передачи, как базовой конструкции для селективных

структур в частотном диапазоне до 13 ГГц, без каких либо ограничений на значение диэлектрической проницаемости используемых материалов.

Проведено исследование полей резонансного элемента. Необходимость такого исследования, обусловлено выбором новой элементной базы, что приводит к изменению привычной структуры электромагнитного поля, а именно к сильной особенности поля на ребре металла и обрыве диэлектрика. На оснований анализа элементной базы сделано ✓ предположение, что в резонаторах с диэлектрической проницаемостью много большей единицы, электромагнитное поле концентрируется в диэлектрике, под металлизацией и отсутствует размытость поля на грани резонансного элемента. Была собрана установка, с помощью которой, используя зондовый метод, исследована структура поля резонансного элемента.

Резонатор выполнен из ФЛАНа с двусторонней металлизацией и е= 10, толщиной ~ 1 мм, квадратной фЬрмы.со сторонами 13x13 мМ. Элемент имеет резонансную частоту / а 4,082 ГТц. Исследования подтвердили, что в резонаторах с диэлектрической проницаемостью много больше единицы, электромагнитное поле концентрируется в диэлектрике, под металлизацией и отсутствует размытость поля на грани резонансного элемента [3*]. Так же исследования изменения величины значения поля в центре резонатора от расстояния между зондом и поверхностью резонатора показали, что изменения имеют ярко выраженную экспоненциальную зависимость и на высоте равной длине резонатора принимают малые значения (я 10% от поданной мощности), это указывает на отсутствие излучения в пространство, и на возможность применения экрана, без существенного влияния . на структуру электромагнитного поля.

Заключительным этапом исследований базовых элементов явилось

экспериментальнос_11сследование~электрол1аг1п1тнь1х_связей"прямо>тольного-резонатора-с-

полосковой линией на подложке ограниченной ширины [4*]. Это было сделано с целью выяснения всех свойств связей, поведешш их знаков в зависимости от геометрических размеров (рис. 9). Для экспериментального исследования связей между резонатором и линией передачи, был изготовлен макет подоено-заграждающего фильтра, содержащий регулярную линию, и одиночный резонатор связанный с нею по электромагнитному полю. . Регулярная линия передачи выполнена на диэлектрике с двухсторонней металлизацией ФЛАН, с е= 10, толщиной 1 мм. Ширина 50-омной линии передачи »1,3 мм. Резонатор реализован на квадратной, диэлектрической пластине с е = 100, двухсторонней металлизацией и шириной диэлектрика соизмеримой с шириной металлизации, толщиной I мм и стороной »3,9 мм. Резонансная частота ПЗФ /»4,85 ГГц. Получены зависимости

Рис. 9. Исследование электромагнитных связей прямоугольного резонатора с полосковой

/

линией с диэлектриком ограниченной ширины.

ч .

уровня заграждения ПЗФ от расстояния между резонатором и линией передачи при различной ориентации пластины резонатора. Уровень заграждения ПЗФ определялся с помощью панорамного измерителя ослабления Р2-54, имеющего погрешность измерения ±0,5 дБ. Замер расстояния между регулярной линией и резонансным элементом, проводился с использованием микроскопа, с погрешностью измерения ± 0,05 мм. Таким образом, среднеквадратичная ошибка в эксперименте составила порядка -10%,

В ходе проведенных исследований были получены следующие результаты: при малых расстояниях между линией и резонатором, когда сторона пластины резонатора параллельна оси линии передачи, уровень связи выше, чем в случае, когда сторона пластины резонатора ориентирована под углом «45° к оси линин передачи. При больших . же расстояниях между линией и резонатором, наоборот, уровень связи выше во втором случае, а при определенном расстоянии уровни связей равны. Объяснение этому эффекту следующее. На малых расстояниях связь складывается-из сильной электрической связи и сильной магнитной связи, поэтому общая электромагнитная связь оказывается сильной. Во втором же случае, связь определяется слабой электрической .связью одной вершины пластины резонатора и небольшим участком линии передачи и сильной" магнитной связью, которая образуется "током в линии передачи и токами в близлежащих сторонах пластины,

ориентированных под утлом 45°. Несмотря на то, что магнитная связь во втором случае оказывается выше, суммарный уровень электромагнитной связи ниже. На больших расстояниях связь по электрическому полю практически исчезает. Поэтому общий уровень связи полностью определяется магнитной компонентой поля, которая во втором случае больше. Анализ результатов указывает на экспоненциальный характер зависимости уровня связи от расстояния. Разработанный макет ПЗФ позволил оценить величину добротности резонатора на квадратной пластине, .которая при толщине пластине 1 мм, стороне «3,9 мм. и е=100 на частоте /«4,85 ГГц составила порядка 500, что соответствует наилучшим величинам для МПЛ и приближается к добротности ДР.

В четвертой главе "Экспериментальное исследование миниатюрного полосового фильтра", описываются конструкция и проведенные исследования миниатюрного полосового фильтра,-Предложенная конструкция разработанного фильтра (рис. 10) содержит металлическое основание, на котором соосно выполнены отрезки входной и выходной линий передач, представляющие собой МПЛ с шириной диэлектрика, равной ширине проводников. С боковой стороны каждой линии передачи расположены по одному резонатору. Резонаторы реализуются на квадратных металлизированных диэлектрических пластинах

Предложенная конструкция имеет целый ряд преимуществ перед известными частотно-избирательными структурами. Главное преимущество заключается в том, что добротность резонаторов, выполненных на квадратных металлизированных диэлектрических пластййах существенно выше, чем у микрополосковых устройств за счет резонатора в виде параллелепипеда. Использование в резонаторе диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью, помимо уменьшения габаритов, придает резонатору физические свойства, сравнимые со свойствами ДР. Габариты резонаторов, реализованных на металлизированных -диэлектрических_аластинах. меньше габаритов микрополосковых устройств, примерно в 1,5 раза. Неоднородность диэлектрика, а именно, разрыв слоя диэлектрика в направлении от входа к выходу фильтра, не дает возможности сформироваться паразитным поверхностным волнам, снижающим уровень заграждения как в случае ДР. Таким образом, разработанная селективная структура, .представляя собой фильтр с плоскостной структурой межрезоиаторной связи, является представителем нового класса фильтров — фильтром с двухмерно ориентированной межрезоиаторной и дополнительной связью, сочетающим в себе наилучшие свойства микрополосковых и волноводных структур, а также фильтров на

да-

Для исследования АЧХ фильтра, был создан макет. Вход и выход фильтра выполнены на 50-омной линии передачи с диэлектриком ограниченной ширины на

5,0 ГХГЦ

Рис 10. Конструкция миниатюрного полосового фильтра СВЧ и его экспериментальная амплитудно-частотная характеристика.

материале ФЛАН с е = 10, шириной = 1,3 мм. Величина зазора, между входной и выходной линиями передачи, при заданной величине затухания в полосе заграждения 40 дБ, равнялась а «1мм. Резонаторы реализованы на квадратных диэлектрических пластинах с 8 = 100, двухсторонней металлизацией, толщиной 1 мм и сторонами «3,9 мм. Резонансная частота полосно пропускающего фильтра (ППФ) / я 4,85 ГГц. Величина зазоров, при заданной величине затухания в полосе заграждения (ПЗ) 40 дБ и вычисленной пульсации в полосе пропускания (ГШ) 2 дБ, между резонаторами равна Ь« 3.7 мм, а между резонаторами и линиями передачи (резонаторы расположены на одном расстоянии от линий передачи) я » 1 мм. [5*]. Анализ экспериментально полученных данных (рис. 106) указывает на то, что ^ АЧХ фильтров описываются квазиэллиптической функцией. Первый паразитный резонанс находите^ на двойной резонансной частоте. Расхождение теоретических расчетов с экспериментальными данными,- составило порядка -1%. Это говорит о высокой степени соответствия теоретических расчетов и экспериментальных данных.

Далее проведены исследования методов настройки фильтра: применение настроечных винтов различной конструкции, установленных в корпусе и вносимых в селективную структуру; использование "нашлепок" металла, которые коммутируют либо заранее сформированную топологию, либо просто изменяют ее форму. Даны рекомендации

по их применению. Предложены новые методы настройки [6*). Описаны пути дальнейшего развития и новые конструкции фильтра с дополнительными резонаторами. . ,

В диссертации рассмотрен способ использования разработанных конструкций фильтров на основе линии передачи с диэлектриком ограниченной ширины. Предлагается этот фильтр располагать на любой металлизированной стороне объемной интегральной схемы СВЧ. Таким образом, разработанный фильтр своим расположением позволяет: высвободить часть полезного объема схемы под другие элементы; упростить доступ к нему с целью настройки.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В" настоящей работе представлены материалы исследований линии передачи с шириной диэлектрика, соизмеримой с шириной полоска проводника, и созданного на ее

Ч '

основе миниатюрного полосового фильтра для ОИС СВЧ.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1.'Предложена модель миниатюрного полосового фильтра и методика его расчета в целом. На их основе разработаны и изготовлены экспериментальные макеты узкополосного фильтра СВЧ с полосами пропускания ,5% при неравномерности в полосе не более 2 дБ.

2. Проведены теоретические и экспериментальные исследования линии передачи с шириной диэлектрика соизмеримой с шириной металлизации, предложена методика расчета такой структуры и рассчитаны её основные параметры.

3. Разработана конструкция миниатюрного полосового узкополосного фильтра СВЧ

на линии передачи с шириной диэлектрика, соизмеримой с шириной металлизации. По

Г

сравнению-е~аналогичными -микрополосковымц_устройствами: габариты разработанной

системы меньше в 1,2-5-1,5 раза, добротность резонаторов, выполненных на прямоугольных металлизированных диэлектрических пластинах, существенно выше (а 500 против 200+250).

1

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1*. Кулеватов М.В. Структурный подход к проектированию интегральных фильтров СВЧ. / Материалы конференции. "Международная - научно-техническая конференция и Российская школа молодых ученых и специалистов", часть 4. 15-24 сентября 1998 г., Сочи, -М.: НИИ Автоэлектроника, 1998, с.75-76.

2*. Гвоздев В.И., Кузаев Г.А., Кулеватов М.В. Узкополосный фильтр СВЧ. // Радиотехника. -М.: РНТОРЭС им. A.C. Попова, 1994, №12, с.74-76.

3*. Кулеватов М.В. Исследования структуры поля в резонаторах с диэлектриком ограниченной ширины. / Тезисы докладов. LII Научная сессия, посвященная Дню Радио. 21-22 мая 1997 г., Москва, -М.: РНТОРЭС им. A.C. Попова, 1997, с.39.

4*. Кулеватов М.В. Исследования электромагнитных связей в фильтрующих ОИС СВЧ. I Тезисы докладов. V Международная научно-техническая конферёнция: "Математическое моделирование и САПР 'систем сверхбыстрой обработки информации на объемных интегральных схемах (ОИС) СВЧ и КВЧ". 12-14 сентября 1995 г., Сергиев Посад, -М.: МНТОРЭС им. A.C. Попова,1995, С.40.

5*. Научно-технический отчет: "Миниатюрный полосовой фильтр для объемных интегральных схем СВЧ". Гос. Per. № Ö2970004269. 68 с.

6*. Кулеватов М.В. Настройка миниатюрного полосового фильтра на лини передачи с диэлектриком ограниченной ширины. / Материалы конференции. 8-я Международная крымская конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (КрыМиКо'98), том 2: 14-17 сентября 1998 г., Севастополь, Крым, Украина, -М.: Вебер, с.559-560. ' -

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Ефимов И.Е., Шермина Г.А. Волноводные линии передачи. -М,: Связь, 1979,263 с.

2. Полосковые лийии и устройства сверхвысоких частот. / Под ред. Седых В.М.. -Харьков.: Высшая школа, 1974, 276 с.

3. Фильтры и цепи СВЧ. / Под ред. А. Матсумото / Пер. с англ. Алексеева Л.В., Знаменского А.Е., Полякова B.C. -М.: Связь, 1976, 248 с,

.4. Гвоздев В.И., Нефедов Е.И. Объемные интегральные схемы СВЧ. -М.: Наука, 1985,255 с.

5. Гвоздев В.И., Нефедов Е.И. Объемные интегральные схемы СВЧ —- элементная база аналоговой и цифровой радиоэлектроники. -М.: Наука, 1988, 198 с.

-6. Быков Д.В., Воробьевский Е.М., Гвоздев В.И., Кузаев Г.А.; Поляков И.М., Попов О.Н., Чернозубов Ю.Г. Схемотехнические и конструкторско-технологические аспекты . создания ОИС СВЧ. //Зарубежная радиоэлектроника, 1992, №11, с.49-65.

7. Маттей ГЛ., Янг Л., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. -М.: Связь, Т.1, 1971,439 с. - • .

8. Мао, Джоунс, Венделин.'Интегральные схемы миллиметрового диапазона. // Зарубежная радиоэлектроника, 1969,№8, с.128-139.

9. Гвоздев В.И., Кузаев ГЛ. Анализ и синтез объемных интегральных схем СВЧ. // Электросвязь, 1991, №6, с.46-48.

10. Гвоздев В.И., Кузаев Г.А., Нефедов Е.И. Фильтрующие устройства в многослойных АФУ СВЧ. / Расчет а просчет полосковых антенн: Тезисы докладов Республиканской научно-технической конференции - Свердловск: Изд-во УПИ, 1982, с.45-53,

11. Гвоздев В.И., Смирнов C.B.", Чернушенко A.M. Многослойные объемные фильтры СВЧ. // Электросвязь, 1985, Лг2, с.47-48.

12. Гвоздев В.И., Смирнов C.B. Анализ, синтез и технология изготовления объемных фильтров. Межвузовский сборник научных трудов. Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ: Теория, математическое моделирование и САПР ОИС СВЧ. -Москва: ВНТОРЭС им. A.C. Попова., 1991, с.100-109. - ,

13. Гвоздев В.И., Смирнов Ç.B. Объемные СВЧ фильтры. // Электросвязь, 1991, №3, с.37-39.

14. Гвоздев В.И., Головинская С.Ю., Камышенко С.Д., Смирнов C.B. Фильтр с объемными связями. Радиотехника. 1988, №10, с.91-92.

15. Гвоздев В.И., Смирнов C.B., Полосно-пропускающий фильтр; A.C. 1467612 HOI Р1/203 опубликовано в БИ Xsl 1,1989.

1,6. Гвоздев В.И.,- Смирнов C.B., Шрамков И.Г. Фильтр. A.C. 1450019 HOI Р7/00 опубликовано БИ№1, 1989. „

17. Украинцев Ю.С., Белов A.C. Синтез полосовых фильтров СВЧ с характеристикой Золотарева. II Электросвязь, 1982, №3, с.47-52.

18. Белов A.C., Украинцев Ю.С. Двухрезонаторный полосовой фильтр с дополнительной связью. // Техника средств связи. Серия: Техника радиосвязи, 1983, Вып.З, с.75-85.

19. Белов A.C., Украинцев Ю.С. Метод синтеза полосовых фильтров СВЧ с характеристикой Золотарева.//Электросвязь, 1982, ХаЗ, с.47-52.

20. Walther Horst. HullsteUen — Band bilter mit stufenloser kombinierter Bandbreiten-und Nullstellen regelug. // Radio und-Fernsehen, 1961, Bd 10, X°4, s.75-88.

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

КУЛЕВАТОВ Михаил Валентинович

МИНИАТЮРНЫЙ ПОЛОСОВОЙ ФИЛЬТР ДЛЯ ОБЪЕМНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ СВЧ

Специальность: 05.12.07 Антенны и СВЧ устройства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор В.И. Гвоздев

Москва - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ 4

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА I Современные достижения в технике полосовых фильтров 15

1.1 Основные селективные характеристики полосовых фильтров 16

1.2 Принципы построения объемных интегральных фильтров 19

1.3 Анализ связей в частотно-избирательных структурах 24 ВЫВОДЫ 35

ГЛАВА II Физико-математическая модель полосового фильтра 36

2.1 Анализ физической модели фильтра 36

2.2 Синтез структуры фильтра 44

2.3 Методы настройки резонаторов фильтра 48 ВЫВОДЫ 50

ГЛАВА Ш Теоретические и экспериментальные исследования базовых

элементов 53

3.1 Регулярная полосковая линия передачи с диэлектриком ограниченной ширины 54

3.2 Теоретические исследования обрыва экранированной полосковой линии с диэлектриком ограниченной ширины 68

3.3 Исследования структуры электрического поля в прямоугольном резонаторе 72

3.4 Экспериментальное исследование электромагнитных связей прямоугольного резонатора с полосковой линией с диэлектриком ограниченной ширины 81 ВЫВОДЫ 84

ГЛАВА IV Экспериментальное исследование миниатюрного полосового фильтра 86

4.1 Методика измерения частотных характеристик элементов связей и распределения электрических полей в фильтре 86

4.2 Конструкция миниатюрного полосно-пропуекающего узкополосного фильтра 93

4.3 Исследование частотных характеристик узкополосного фильтра 96

4.4 Конструкторско-технологические приемы изготовления и перспективы развития полосковых линий с диэлектриками ограниченной ширины 103 ВЫВОДЫ 113

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 116

ЛИТЕРАТУРА 117

ПРИЛОЖЕНИЕ 125

ПРЕДИСЛОВИЕ

Проблемы миниатюризации фильтров СВЧ наиболее остро возникают в дециметровом диапазоне, где широко используется радиоэлектронная аппаратура спутниковых систем связи и телевидения. Сосредоточенные элементы, применяемые в фильтрах указанного диапазона, в целом, не решают задач миниатюризации, и имеют фундаментальный предел по достижению оптимально заданных частотных характеристик (амплитудных, фазовых и временных). Выход из положения — поиск новых конструктивных решений по формированию геометрии топологии фильтров и связей между распределенными резонаторами. При этом необходимо учитывать экономическую сторону проектирования фильтров — максимальное приближение к хорошо отработанной элементной базе, технологии изготовления печатной плат и сборки корпуса с выводами энергии.

Автор считает своим долгом выразить благодарность д.т.н., профессору Гвоздеву В.И. за руководство работой, д.т.н., профессору Черкасову A.C., д.т.н., профессору Кузаеву Г.А., к.т.н., доценту Подковырину С.И., к.т.н., доценту Назарову И.В. за помощь в работе.

ВВЕДЕНИЕ

Природа многообразна и обладает многими уникальными свойствами. Одним из таких свойств, является способность отдельных структур создавать эффект резонанса. В общем случае, объект, создавая эффект резонанса, выделяет из окружающей среды, отдельные её элементы, которые обладают побочными ей свойствами. Такие объекты, присущи как микромиру, так и макромиру, окружающему нас. Формы этих структур разнообразны, как и сама природа.

Человек, на протяжении всей своей истории, пытается следовать природным законам и переделывать их, приспосабливая под свои нужды. Создал искусственный аналог резонирующих структур — фильтр. Эффект фильтра широко распространен в науке и технике. Мы, остановимся лишь только на рассмотрении фильтров в радиоэлектронике.

Прогресс затрагивал, затрагивает и будет затрагивать все области человеческой деятельности в той или иной мере. Стремление к совершенствованию созданных предметов, искусственных аналогов, это попытка добиться той завершенности, которой обладают природные структуры. В области радиоэлектроники это миниатюризация.

В области сверх высоких частот (СВЧ), первые конструкции были реализованы на основе волноводов [1]. Это были громоздкие конструкции. Следующим этапом развития, стала реализация устройств на основе интегральных схем (ИС) СВЧ [2]. Такие устройства, обладали рядом важных преимуществ: малые габариты и масса; высокие компоновочные возможности; дешевизна и повышенная надежность; простота технологии изготовления. Характерной особенностью современного этапа развития РЭА, явился переход от ранее использовавшихся интегральных схем (ИС) СВЧ к объемным интегральным схемам (ОИС) СВЧ [3, 4]. При этом в плане

миниатюризации, достигнут качественный скачок в уменьшении габаритов и массы — почти на два порядка, в увеличении быстродействия — на один порядок [5].

В настоящее время разработаны и используются на практике различные микроэлектронные устройства, такие как делители (сумматоры) мощности, фазовращатели, переключатели (ключи), смесители, усилители, позволяющие создавать сложные, многофункциональные СВЧ системы. За последнее время они претерпели существенные изменения, как в плане миниатюризации, так и в плане улучшения своих электрических характеристик. Однако одной из сфер наиболее быстрого развития в области СВЧ микроэлектроники, несомненно, является область представленная устройствами частотной селекции. Они являются необходимыми функциональными компонентами практически любой радиоэлектронной аппаратуры. Количество фильтров применяемых в одном устройстве, во многих случаях более одного. Фильтры, формирующие передаточные характеристики трактов радиотехнической аппаратуры, — неотъемлемая часть активных цепей — генераторов, усилителей мощности, смесителей, частотных преобразователей и синтезаторов. Они выполняют также функции канальных разделителей и мультиплексоров, имеют чрезвычайно широкое применение в аппаратуре самого разнообразного назначения. Различные фильтрующие цепи необходимы для согласования импедансов, например, между двумя линиями передачи или генератором и реактивной нагрузкой. Иногда необходимо получить определенные фазочастотные характеристики, например, для компенсации искажений, вызванных другим фильтром или структурой.

Однако решение проблемы комплексной микроминиатюризации СВЧ устройств во много сдерживается сложностью реализации в интегральном исполнении высокоэффективных устройств частотной селекции. Это

обусловлено значительными потерями в интегральных линиях передачи, которые ограничивают частотную избирательность фильтров. Вследствие сравнительно низкой собственной добротности резонаторов, выполненных на базе интегральных линий передачи, для фильтров с различными типами амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) существует некоторая предельная избирательность, которая не может быть повышена путем увеличения числа резонаторов больше некоторого [6].

Среди устройств частотной селекции, обладающих различными типами амплитудно-частотными характеристиками, фильтры с эллиптической и квазиэллиптической характеристикой сочетают повышенную избирательность и минимальные потери в полосе пропускания. Это обеспечивается формированием в этих устройствах полюсов затухания на конечных частотах, в результате чего заданные требования по избирательности могут быть реализованы при минимальном числе резонаторов. Известно несколько способов реализации таких структур:

• двухмодовые волноводные фильтры с диэлектрическими резонаторами и запредельными связями;

• фильтры шлейфного типа;

• фильтры на системе связанных линий передачи с распространяющимися волнами, имеющими разные фазовые скорости;

• фильтры с несколькими путями передачи мощности;

• фильтры с перекрестными связями по электромагнитному полю.

Однако каждому из этих способов реализации присущи свои

физические и конструктивно-технологические ограничения в произвольном расположении полюсов затухания относительно полосы пропускания, что существенно снижает предельную частотную избирательность таких фильтров.

Поэтому поиск рациональных схемотехнических решений интегральных фильтров выполненных на ОИС и ИС, обладающих повышенной предельной избирательностью при ограниченной добротности резонаторов, представляет значительный практический интерес.

Актуальность темы диссертации обусловлена, следующим:

• прогресс в области развития СВЧ техники связан с решением проблемы комплексной микроминиатюризации на основе разработки и широкого применения интегральных схем. Однако этот процесс во много сдерживается сложностью реализации в интегральном исполнении высокоэффективных устройств частотной селекции;

• возможности традиционного проектирования и технологий изготовления полосовых фильтров, с узкой полосой пропускания, практически исчерпаны и дальнейшее их совершенствование в рамках известных решений наталкивается на физические и технологические ограничения и противоречия;

• попытки создания фильтров для объемных интегральных схем (ОИС) СВЧ, без проведения всестороннего анализа современного состояния техники полосовых фильтров СВЧ, разработки структурного подхода к проектированию интегральных фильтров СВЧ, основанного на трехмерности межрезонаторных связей, не всегда являются эффективными.

Целью диссертации является разработка малогабаритного узкополосного фильтра с повышенной селективностью, на основе полосковой линии передачи с ограниченной шириной диэлектрика для объемных интегральных схем СВЧ.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Рассмотреть основные характеристики и требования, предъявляемые к полосовым фильтрам СВЧ. Определить комплекс

характеристик необходимых для создания фильтров, отвечающих современным требованиям, предъявляемым к фильтрам для объемных интегральных схем (ОИС) СВЧ. Рассмотреть принципы построения объемных интегральных фильтров и провести анализ связей в частотно-избирательных структурах.

2. Построить физическую модель нового миниатюрного фильтра. Провести анализ и синтез его структуры, для создания методики расчета в целом, которая позволит приступить к практической реализации предложенного фильтра. Исследовать традиционные методы настройки фильтра и дать рекомендации по их применению, а также предложить новые методы настройки фильтра.

3. Провести теоретические и экспериментальные исследования базовых элементов, а именно: регулярной полосковой линии передачи с диэлектриком ограниченной ширины; разрыв экранированной полосковой линии с диэлектриком ограниченной ширины (включая разрыв диэлектрика); область электромагнитной связи прямоугольного резонатора с полосковой линией с диэлектриком ограниченной ширины. Провести экспериментальные исследования структуры электрического поля в прямоугольном резонаторе для выяснения особенностей его распространения.

4. Разработать методику измерения частотных характеристик элементов связей и распределения электрических полей в фильтре. Оценить погрешности измерений и способы их устранения. Разработать конструкцию полосно-пропускающего узкополосного фильтра и описать принцип работы. Исследовать частотные характеристики макетов узкополосного фильтра, для оценки правомерности проведенных теоретических исследований и справедливости, построенных модели и методики расчета миниатюрного полосового фильтра в целом. Рассмотреть конструкторско-технологические

приемы изготовления и перспективы развития полосковых линий с диэлектриками ограниченной ширины.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

• Предложена усовершенствованная модель нового фильтра, проведен её синтез и анализ, и на их основе создана методики расчета в целом.

• Проведены теоретические и экспериментальные исследования линии передачи. с шириной диэлектрика соизмеримой с шириной металлизации, предложена методика расчета такой структуры и рассчитаны её основные параметры.

• Разработана конструкция полосно-пропускающего узкополосного фильтра на основе линии передачи с шириной диэлектрика соизмеримой с шириной металлизации и проведены её экспериментальные исследования.

Практическая ценность. Результаты исследований позволили:

• создать модель миниатюрного полосового фильтра и методику расчета в целом, которые позволили приступить к практической реализации разработанного фильтра;

• предложить методику расчета линии передачи с шириной диэлектрика соизмеримой с шириной металлизации и рассчитать её основные параметры, с помощью которого возможен расчет топологии таких линий передачи;

• предложить конструкцию полосно-пропускающего узкополосного фильтра СВЧ с квазиэллиптической характеристикой, с более высокими предельными электрическими параметрами и малыми габаритами, которые недостижимы в традиционных микрополосковых фильтрах;

• предложить эффективные, перспективные и технологичные методы настройки миниатюрного полосового фильтра СВЧ и способы его изготовление;

• наметить перспективы развития полосковой линии передачи с диэлектриком ограниченной ширины и предложить новые конструкции фильтров СВЧ на её основе.

Достоверность результатов. Все научные выводы, полученные в диссертации, подтверждены теоретически и экспериментально. Теоретические результаты получены хорошо зарекомендовавшими себя методами. К ним относится электродинамический метод Галеркина и теория цепей. Научные положения диссертации аргументированы, теоретические результаты работы подтверждены проведенными экспериментальными исследованиями. Полученные в процессе экспериментальных исследований данные, имеют точность порядка 10%, что позволяет говорить об их достаточной достоверности.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Физическая модель нового миниатюрного узкополосного фильтра;

2. Электродинамическая модель неоднородности полосковой линии передачи с диэлектриком ограниченной ширины, а также экспериментальные исследования связей между базовыми элементами;

3. Конструкция полосно-пропуекающего узкополосного фильтра и её экспериментальные исследования.

Диссертация состоит из четырех глав.

В первой главе рассмотрено основное назначение фильтра и особенности полосно-пропускающего фильтра. Рассмотрены основные характеристики и требования, предъявляемые к полосовым фильтрам СВЧ. Определен комплекс характеристик необходимых для создания фильтров, отвечающих современным требованиям, предъявляемым к фильтрам для объемных интегральных схем (ОИС) СВЧ. Рассмотрены принципы построения объемных интегральных фильтров от многослойных до

объемных. Проведен анализ связей в частотно-избирательных структурах от плоскостных интегральных схем до объемных интегральных схем, от одномерно распределенных связей до трехмерно распределенных связей. На основе проведенного анализа сформулирован структурный подход к проектированию интегральных фильтров СВЧ.

Во второй главе проведено физико-математическое моделирование полосовых фильтров. Определены требования для реализации квазиэллиптических фильтров, природа и число дополнительных связей, непосредственно влияющие на свойства структур. Проведен анализ физической модели фильтра и синтез структуры фильтра. Описана методика расчета в целом, которая позволила приступить к практической реализации предложенного фильтра. Исследованы традиционные методы настройки фильтра и даны рекомендации по их применению, а также предложены новые методы настройки фильтра.

В третьей главе описаны теоретические и экспериментальные исследования базовых элементов. Проведены сравнения известных физических свойств МПЛ со свойствами, которыми обладает регулярная полосковая линия передачи с диэлектриком ограниченной ширины и определена степень их схожести. Предложена методика расчета такой структуры и рассчитаны её основные параметры. Проведено теоретическое исследование обрыва экранированной полосковой линии с диэлектриком ограниченной ширины и подтверждена возможность использования рассматриваемой линии передачи. Описано экспериментальное исследование структуры поля резонансного элемента и подтверждено предположение, что в резонаторах с диэлектрической проницаемостью больше десяти, электромагнитное поле концентрируется в диэлектрике, под металлизацией и отсутствует размытость поля на грани резонансного элемента. Описан анализ результатов экспериментальных исследований

электромагнитных связей прямоугольного резонатора, с полосковой ли