|
| |
|
Слаботочка Книги резонаторные диэлектрические фильтры Курс на интенсификацию экономики нашей страны предусматривает ускоренное внедрение достижений научно-технического прогресса на основе развития фундаментальных исследований и разработок. В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986-1990 годы и на период до 2000 года подчеркивается необходимость более полно использовать при разработке новой техники и технологии возможности материалов с заранее заданными свойствами, особенно прогрессивных конструкционных, в том числе синтетических, композиционных, сверхчистых и других, обеспечивающих высокий экономический эффект в народном хозяйстве . Использование в СВЧ-микроэлектронике резонансных явлений в диэлектриках с большой диэлектрической проницаемостью способствует созданию высокоэффективных частотно-избирательных устройств с диэлектрическими резонаторами, применение которых существенно снижает стоимость, массо-габаритные показатели и улучшает энергетические характеристики аппаратуры. Под частотно-избирательными устройствами (ЧИУ) понимают частотные фильтры нижних частот (ФНЧ), фильтры верхних частот (ФВЧ), полосно-пропускающие (ППФ), полосно-заграждающие (ПЗФ) фильтры и фильтры гармоник. Они предназначены для подавления одних частотных составляющих сложного сигнала иГобес-печения хорошей передачи других. Фильтры используют для разделения частот в двухканальных (диплексеры) и многоканальных (мультиплексеры) разделительных устройствах. Диплексеры и мультиплексеры применяют также для суммирования сигналов различных частот. Кроме того, на основе фильтров создаются устройства для одновременной работы на одну антенну передатчика и приемника, настроенных на различные частоты. Такие устройства называют дуплексерами, поскольку они обеспечивают дуплексную работу связной радиоаппаратуры. Следует иметь в виду, что дуплексеры, в отличие от диплексеров, могут и не содержать ЧИУ, их выполняют на основе циркуляторов, поляризационных селекторов, коммутаторов. Диплексеры, мультиплексеры и дуплексеры на основе частотных фильтров объединяют в один класс - частотно-разделительных устройств (ЧРУ). Под частотно-избирательными устройствами на диэлектрических резонаторах (ДР) будем понимать широкий класс устройств СВЧ-диапазона, включающий в себя СВЧ-фильтры и ЧРУ, выполненные на основе ДР. Работы по исследованию резонансных эффектов в диэлектриках с большой диэлектрической проницаемостью начались более 40 лет назад Эксперименты с титанатом стронция и рутилом показали возможность создания миниатюрных диэлектрических резонаторов, которые благодаря внутреннему отражению почти не расходуют энергию на излучение, а их собственная добротность может достигать 10 ООО и более. Однако очень скоро обнаружилось, что такие диэлектрические резонаторы даже с очень высокой добротностью невозможно использовать для создания высокоэффективных малогабаритных радиоэлектронных систем вследствие температурной нестабильности. Для их стабилизации необходимы термостаты и криостаты. Для современных СВЧ-микроэлектронных устройств наиболее подходят диэлектрики, обладающие высокой диэлектрической проницаемостью (бд == 100), минимально возможным температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости (10~ град ) и малыми потерями (tg б 10~). Были созданы первые отечественные материалы, удовлетворяющие современным требованиям и пригодные для построения высокодобротных диэлектрических резонансных элементов СВЧ-микроэлектроники. Появилось новое направление СВЧ функциональной электроники-СВЧ-диэлек-троника. В настоящее время миниатюризация волновых и колебательных систем СВЧ основывается, главным образом, на использовании в качестве среды распространения электромагнитных колебаний диэлектриков с большой диэлектрической проницаемостью (ед 10). Из таких систем наибольшее распространение получили микропо-лосковые линии (МПЛ) передачи и элементы на их основе, конструкция которых позволяет применять интегральную технологию. СВЧ-схемы на МПЛ обладают высокой надежностью, хорошими электрическими характеристиками, малыми размерами и массой, низкой стоимостью. Однако они уступают в большинстве случаев по электрическим характеристикам аналогичным устройствам на полых волноводных, коаксиальных или полосковых системах вследствие низкой собственной добротности колебательных систем. Более перспективны с точки зрения миниатюризации электродинамические системы с медленными волнами, волноведущие и колебательные свойства которых возникают благодаря явлению внутреннего отражения на границе диэлектриков с различными значениями диэлектрических проницаемостей. К ним относятся диэлектрические волноводы (ДВ) и ДР. Для распространения электромагнитных волн в ДВ и длительного существования колебаний в ДР не требуется металлических направляющих или отражательных поверхностей - основного источника потерь в СВЧ волноводных и колебательных системах. Увеличивая диэлектрическую проницаемость материала ДР, можно уменьшить их габариты в 100-1000 раз без увеличения потерь мощности и снижения собственной добротности. ДР представляют собой образец произвольной формы из диэлектрика с большой относительной диэлектрической проницаемостью Кд (обычно бд 40), вызываюш,ий резонансное рассеяние падающей на него электромагнитной волны СВЧ. Основной особенностью ДР является наличие внешнего поля за границами диэлектрического тела. Эта особенность облегчает включение резонатора в СВЧ-цепь. Однако она определяет и основные потери энергии на излучение и в окружающих металлических поверхностях. Поэтому устройства СВЧ на ДР экранируются, что вызывает увеличение их габаритов. Разработка высокодобротных термостабильных диэлектрических материалов с более высоким значением 8д 100 связана со значительными трудностями, а получение диэлектриков с ед 200-ЗОО является весьма актуальной задачей. Это позволит решить задачу микроминиатюризации устройств СВЧ без ухудшения их электрических характеристик, так как устранит необходимость экранировки устройств на основе диэлектрических волновых и колебательных систем. Наличие внешнего поля значительно усложняет анализ собственных колебаний и расчет частот ДР. Трудности анализа, связанные с наличием открытых границ, усугубляются необходимостью учета влияния внешних тел, окружающих ДР в реальных устройствах. Точное решение задачи о колебаниях ДР имеется лишь для резонаторов сферической формы в свободном пространстве. Для расчета резонансных частот ДР в форме, отличной от сферы, используют различные приближенные электродинамические модели, как простые, позволяющие быстро рассчитать частоты с ошибкой 15-20 %, так и сложные, более точные, но требующие для расчета применения ЭВМ. Построение устройств с ДР невозможно без установления и математического моделирования важнейших закономерностей взаимодействия используемых диэлектрических материалов с электромагнитными полями в различных электродинамических структурах. В настоящее время ДР используют в качестве колебательных систем различных функциональных устройств в частотных фильтрах, твердотельных генераторах, переключающих устройствах, параметрических усилителях, смесителях, умножителях, дискриминаторах, в качестве частотно-избирательных излучающих элементов антенн. Существующие устройства СВЧ на ДР по совокупности габаритных параметров и электрических характеристик занимают промежуточное положение между устройствами на полых металлических волноводах и коаксиальных линиях и гибридно-интегральными устройствами на МПЛ, т. е. по габаритам они меньше первых, но больше вторых, а по электрическим характеристикам лучше вторых, но хуже первых. Сравнительно небольшой выигрьш] ДР в габаритах по сравнению с традиционными полыми волноводами и коаксиальными системами объясняется тем, что диэлектрическая проницаемость материалов, применяемых в настоящее время, не [1] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 |