книги / Микрополосковые излучающие и резонансные устройства

Актуальной задачей современной радиоэлектроники и вычи­ слительной техники является создание быстродействующих си­ стем обработки информации. Один из подходов к ее решению основывается на обработке сигналов сверхвысоких частот (СВЧ). Практическая реализация радиоэлектронной аппаратуры СВЧ (РЭА СВЧ) возможна при широком использовании микро­ электроники и технологии интегральных схем.

Для построения СВЧ устройств используют различные полос­ ковые конструкции. Основой построения полосковых устройств СВЧ служат отрезки линий передачи, которые можно разделить на две большие группы. К первой группе относят полосковые ли­ нии, использующие поперечные или квазипоперечные волны, на-/ пример несимметричные и симметричные полосковые линии, об-, разованные плоскими тонкими проводниками, разделенными, слоями диэлектрика. Ко второй группе относят симметричные и несимметричные щелевые линии. Для этих линий характерно, присутствие продольной'составляющей электромагнитного поля., Щелевые линии применяются в объемных интегральных схемах (ОИС) СВЧ. Они реализуют электромагнитные связи в ОИС и обеспечивают требуемое включение полупроводниковых структур сосредоточенного и распределенного типов.

Совокупность полосковых линий образует элементную базу интегральных схем СВЧ, составной частью которых являются из­ лучающие и резонансные устройства (антенны, резонаторы, фильтры). Как показывает опыт, в одном интегральном модуле целесообразно использовать не более трех — пяти типов линий передачи. Чрезмерное увеличение числа линий передачи и коли­ чества связей между ними существенно усложняет технологию изготовления и не улучшает электрических характеристик моду­ ля. Для улучшения электрических характеристик устройств СВЧ' можно использовать неоднородные полосковые линии, в которых закон изменения распределенных параметров зависит от длины линии. Практически это осуществляется варьированием по длине линии ширимы металлических полосок и. ширины щелей. В ре­ зультате изменяются электромагнитные связи в линии и электри­ ческие характеристики-устройств СВЧ. Таким способом можно получить заданную диаграмму направленности микрополосковой антенны (МПА), требуемую амплитудно-частотную характери­ стику (АЧХ) фильтра, обеспечить'требуемое распределение резо­ нансных частот резонатора и заданную добротность.

Применение интегральной технологии позволяет создавать МПА при весьма жестких и противоречивых требованиях к элек­ тродинамическим, аэродинамическим, габаритным, весовым и стоимостным параметрам. Микрополосковые антенны по сравне­ нию с вибраторными имеют меньшую массу и габаритные разме­ ры (от одного до трех порядков). Кроме того, МПА способны излучать энергию с линейной, круговой и эллиптической поляри­ зацией, имеют удобные конструкции для работы в двух или мно­ гочастотных режимах, позволяют объединить многие элементар­ ные излучатели и фазированные антенные решетки (ФАР) и раз­ местить их на поверхностях сложной формы: искусственных спутниках Земли, космических кораблях и других летательных аппаратах.

Расчет микрополосковых устройств сложен и требует строго­ го математического моделирования, основанного на рассмотре­ нии трехмерных электродинамических структур. Построение ма­ тематических моделей, адекватных исходным физическим зада­ чам, представляет трудную задачу. Анализ и синтез даже про­ стейших полосковых устройств, как правило, возможен только с использованием приближенных методов и ЭВМ.

Наиболее широкое применение находит метод Олинера. Этот метод позволяет в одноволновом приближении найти волновое сопротивление полосковой линии. Физической основой данного метода является предположение о том, что энергия рабочей вол­ ны сконцентрирована в небольшой окрестности токонесущего проводника. Предполагается, что распределение полей в попереч­ ном сечении линии мало изменится, если на некотором расстоя­ нии от токонесущего проводника поместить идеальные магнитные стенки. Можно считать, что волновод, образованный магнитны­ ми стенками, эквивалентен полосковой линии передачи, если в волноводе и в линии соответственно равны длина волны, волно­ вое сопротивление и фазовая скорость. Из этих условий и опре­ деляют основные расчетные соотношения для полосковой линии, бная волновое сопротивление линии, для анализа и синтеза по­ лосковых устройств можно использовать теорию линий передачи.

Основные вопросы, затронутые в книге, обсуждались на все­ союзных конференциях по математическому моделированию и САПР радиоэлектронных систем СВЧ на ОИС.

Отзывы и пожелания просим направлять по адресу: 252601 Киев, 1, ул. Крещатик, 5. Издательство «Тэхника».

Глава 1

ПОЛОСКОВЫЕ АНТЕННЫ

1. КЛАССИФ ИКАЦИЯ ПОЛОСКОВЫ Х АНТЕНН

Полосковые антенны (ПА) имеют малые габаритные размеры и массу, низкую стоимость, металлоемкость и обладают конформ­ ностью — возможностью в наибольшей степени по сравнению с дру­ гими типами антенных устройств следовать за формой объекта, на котором они располагаются.

Отличительной особенностью современных ПА является их малая (по сравнению с длиной волны А) толщина d (dTk <£ 1). Из­ готовленные по технологии интегральных схем (ИС) ПА обеспечи­ вают высокую повторяемость размеров. В связи с крупными успе­ хами микроэлектроники СВЧ и технологии создания больших пе­ чатных плат значительно улучшились свойства диэлектрических подложек и металлических покрытий, из которых изготовляют излу­ чатели и фидерный тракт ПА (14; 271.

Простейшая ПА представляет собой участок металлической плоскости (5-излучатель), расположенный обычно на тонком ди­ электрическом листе (экране), который, в свою очередь, лежит на металлическом основании (рис. 1, а) *, В более сложных конструк­ циях излучатель располагается на многослойной магнитодиэлектри­ ческой структуре (рис. 1, б), а на нем сверху может размещаться защитное покрытие ЗП (рис. 1, в). Покрытие ПА может быть как спе­ циальным, так и несанкционированным (например, снег, лед и т. п.). Из элементарных излучателей (ЭИ) строят одно- и двухмерные (рис. 1, г) антенные решетки (АР). Сравним АР и ПА по массе и за­ нимаемой площади. Например, турникетная антенна на полуволно­ вых вибраторах с рефлектором весит 200—300 г, ПА с теми же электродинамическими характеристиками — 30 г. Стандартный по­ луволновой резонансный микрополосковый излучающий элемент (ЭИ) занимает площадь 0,25А,2/е (е — диэлектрическая проницае­ мость подложки), а более сложный по конструкции четвертьволно­ вой ЭИ — 0,08Я2/&. При этом схема питания занимает площадь 0,04Я2/е. Включение МП элементарного излучателя в состав фазированной антенной решетки (ФАР) требует фазовращателя, ко­ торый обычно занимает площадь порядка 0,1Я2/в [27; 38; 64). Поэтому для уменьшения площади, необходимой для размещения ПА и элементов согласования, управления, следует выбирать материал подложки с большими е, р. Но поскольку эффективность излучения

" В последние годи ПА и их решетки строят на одной подложке, например совместно о выходными полосовыми фильтрами, усилителями СВЧ, детекторами, усилителями промежуточной частоты и т. п. При этом подложка может быть элек­ трически толстой, Нередко используют подложки с большими 8, р.

зависит от интенсивности поля у кромок ЭИ, желательно брать материал с меньшими в, р.

Для уменьшения площади, занимаемой ПА (в особенности, виб­ раторными), в вибраторы включают реактивные элементы (нагруз­ ки) [381. Техника плоскостного печатного монтажа позволяет кон­

струировать любые реактивности и удобно согласовывать их с кон­ струкцией ПА. На рис. 2 показаны топологии простейших плоскост­ ных (так называемых сосредоточенных) реактивных элементов и их эквивалентные схемы. Примеры реализации реактивных элементов

Рис, 2. Топология сосредоточенных элементов плоскостных интегральных схем и их эквивалентные схемы:

о — индуктивность! б — емкость (конденсатор встречно-штыревого типа); в — парал­ лельный резонансный контур; г — фильтр нижних частот

на основе плоских и объемных структур приведены в работах [7; 8; 251. Необходимо отметить, что размеры сосредоточенных реактив­ ных элементов весьма малы и составляют обычно величину, на по­ док меньшую А в диапазоне до 10 ГГц. Так, сосредоточенный эле­ мент индуктивности (рис. 2, а) величиной 1 нГн имеет ширину

0 ,15 мм и диаметр витка 0,5 мм. Конденсатор емкостью 2 пФ с диэлект­ риком из SiOa толщиной 0,5—1 мкм имеет размеры 0,2 X 2 мм. Конденсатор емкостью 0,01—1 пФ можно получить, используя встречно-штыревую структуру (рис. 2, б) при размерах 1 мм. Доб­ ротность элементов L и С в диапазоне частот до 10 ГГц составляет 50-100.

Включение реактивностей позволяет также в широких пределах изменять распределение тока по антенне, «управлять» ее диаграм­ мой направленности (ДН), коэффициентом направленного действия (КИД), расширять частотный диапазон ПА, резко уменьшать массу и габаритные размеры антенных устройств, совмещать функции приёма и излучения с одновременной обработкой радиосигнала в пространстве и времени. Это направление в практике конструирова­ ния ПА представляется весьма перспективным.

К настоящему времени па практике используется большое коли­ чество ПА, различающихся по назначению, конструкции, эксплуа­ тации, технологии и т. п. Условно ПА можно разделить следующим образом [24; 25; 38; 64]:

вибраторные — с индуктивным возбуждением, с кондуктивным возбуждением, шлейфовые, с включением реактивностей, поливибраторные антенны;

щелевые — возбуждаемые полосковыми структурами, с микрополосковым резонатором, открытый конец микрополосковой линии; плоские двухмерные — резонансные, нерезонансные, с распре­

деленным возбуждением; частотно-независимые и многочастотные антенны — спиральные,

логопериодические, многочастотные; ПА с нелинейными элементами — активные, выпрямители СВЧ-

тока (ректеины). Предложенная классификация ПА является в не­ которой степени условной.

Элементарные излучатели (ЭИ). В ЭИ широко используется объединение разных функциональных элементов, составляющих единое целое (фидер, согласующие и симметрирующие устройства, резонансные пассивные вибраторы, фильтрующие элементы и т. п.). На рис. 3 показаны канонические формы ЭИ, на основе которые строят ПА и АР. Переход от канонических форм ЭИ к более слож­ ным структурным образованиям позволяет, наряду с основной из­ лучающей (принимающей) функцией ПА, решать задачи согласо­ вания активной и компенсации реактивной компонент входного сопротивлений ЭИ, расширения (сужения) полосы рабочих частот, обеспечения «чистоты» поляризации излучения, удобства составле­ ния АР и ЭИ. Особые требования к ЭИ и их функциональным объе­ динениям предъявляются при переходе от плоских к объемным интегральным схемам (ОИС) [71. При этом ЭИ (или группа ЭИ, состав­ ляющих АР) непосредственно соединяется с входным полосовым фильтром для разделения отдельных каналов обработки сигнала с

минимальным числом коммутационных линий. Это существенно' увеличивает степень развязки между отдельными каналами, сни­ жает паразитное излучение питающих излучающие элементы ли­ ний, позволяет регулировать полосу пропускания ПА. В работе [8] описаны компактные конструкции диаграммообразующих мат­ риц ФАР.

Канонические ЭИ являются слабонаправленными излучающими (принимающими) элементами ПА. Так, стандартный прямоугольный ЭИ (рис. 3, а, б) в 5-плоскости имеет ДН решетки из двух линейных излучателей (открытых концов микрополосковой линии (МПЛ));

О <эоо

шиоина ДН (по уровню половинной мощности) для полуволнового вибратора равна примерно 100°, а для более сложного по конструк­ ции четвертьволнового вибратора — 140—150° В Я-плоскости прямоугольный ЭИ имеет ненаправленное излучение. Для создания узких ДН из ЭИ формируют АР (см. рис. I, г) 17; 8; 10; 38; 35; 40; 41].

Частным случаем прямоугольного ЭИ (рис. 3, б) является квад­ ратный. Направление вектора поляризации поля излучения совпа­ дает G направлением той диагонали квадрата, которая проходит через точку питания ЭИ. Квадратный ЭИ позволяет с помощью реак­ тивного шлейфа, подсоединенного к одной из его сторон, менять поляризацию поля излучения от линейной до круговой. Некоторое видоизменение формы, устройство щелей, шлейфов позволяет зна­ чительно расширить функциональные возможности ЭИ канониче­ ских форм, в частности, улучшить их диапазонные свойства 16]. В АР широко применяют дисковые (рис. 3, в), кольцевые (рис. 3, ж) ЭИ и их модификации (рис. 3, г, з, и).

Большинство представленных на рис. 3 ПА относится к резонан­ сным. О.ш имеют малый диапазон, неравномерность частотной харак­ теристики. Применение различных схем питания, шлейфов в ЭИ улучшает его электрические свойства. Например, получить в одном узле, состоящем из двух или более ЭИ, функционирующую ПА на нескольких достаточно близких частотах. Такие ПА реализо­ ваны на прямоугольных, дисковых ЭИ (рис. 3, б, в), а также на «полых* (рис. 3, ж, з). На место удаленной из прямоугольного или

кругового ЭИ средней части можно поместить ЭИ меньших раз­ меров.

В нерезонансных ПА применяют ЭИ эллиптической, ромбовид­ ной, треугольной и шестиугольной форм (рис. 3, д, е, к, «), а также многочисленные их модификации. Хорошими диапазонными свой­ ствами обладает ЭИ эллиптической формы (рис. 3, д) 177; 83]. Для создания многополосных излучателей ПА применяют многослой­ ные структуры, состоящие, например, из эллиптического ЭИ [6],

атакже секторные, кольцевые, треугольные (рис. 3, г, ок, к) ив виде открытого конца МПЛ (рис. 3, о) [6; 24; 25].

Щелевые антенны (ЩА) широко применяют в аэрокосмической технике наряду с излучателями вибраторного и резонаторного видов,

атакже для реализации ФАР на их основе [6; 59]. ЭИ щелевого типа показан на рис. 3, м. Для щелевого ЭИ (см. рис. 3, м), выполненно­ го на диэлектрической пластине с е = 2,1 и tg 6 <С 10-3, коэффи­ циент усиления составляет около 3 дБ.

Для миллиметровых волн начинают применять различные ди­ электрические антенные структуры, а также комбинации диэлектри­ ческих волноводов, микрополосковых структур и антенн вытекаю­ щих волн на основе периодических структур самого различного ти­ па [20; 23; 27]. Известны попытки создания ПА сложной формы [59]. При этом поле излучения находят методом Монте-Карло на гибридной аналого-цифровой ЭВМ. Следует отметить, что применение гибридных аналого-цифровых ЭВМ для проектирования объем­ ных интегральных схем (ОИС) сверхвысоких и крайневысоких час­ тот (СВЧ и КВЧ) представляется весьма перспективным, а во мно­ гих случаях и единственно возможным [25; 59].

ПА можно применять для построения солнечных космических электростанций. В наземной части этих станций предполагается ис­ пользовать ПА — выпрямители (ректенны). Сравнительный ана­ лиз схем выпрямителей дан в работе [28].

Отметим, что применение ПА открывает широкие возможности для создания комплексов «активных» антенн, позволяющих решить задачу о синхронном сложении мощностей многих полупроводнико­ вых генераторов. Поэтому полупроводниковые генераторы перспек­ тивны для использования в качестве элементов ФАР. В ряде слу­ чаев стабильность параметров поддерживается с помощью быстро­ действующих процессоров, встроенных, например, в каналы ФАР. По этим же каналам можно передавать сигналы электронного уп­ равления ДН ФАР. Известны реализации электрически управляе­ мых антенн в диапазоне видимого света.

Волноведущие полосковые структуры. Печатные ЭИ и ПА из них в большинстве случаев строят на основе различных волноведу­ щих полосковых линий (ПЛ) открытого типа. Например, ЭИ прямо­ угольного типа (рис. 3, б) представляет собой отрезок регулярной МПЛ, соединяющий два излучающих раскрыва (на рис. 3, б они