Полосно-пропускающий свч-фильтр на волноводах сложного сечения, интегрированный в многослойную микросхему с применением SIW-технологии Microwave band-pass filter on waveguides of complex cross-section, integrated into a multilayered chip with SIW technology Текст научной статьи по специальности «Электроника. Радиотехника»

Научная статья на тему 'Полосно-пропускающий свч-фильтр на волноводах сложного сечения, интегрированный в многослойную микросхему с применением SIW-технологии' по специальности 'Электроника. Радиотехника' Читать статью
Pdf скачать pdf Quote цитировать Review рецензии
Авторы
Журнал
Выпуск № 1 (24) / том 24 /
Коды
  • ГРНТИ: 47 — Электроника. Радиотехника
  • ВАК РФ: 05.27.00; 05.12.00
  • УДK: 621.37/.39;621.38;621.37;621.39

Статистика по статье
  • 660
    читатели
  • 683
    скачивания
  • 1
    в избранном
  • 0
    соц.сети

Ключевые слова
  • ВОЛНОВОД
  • ФИЛЬТР
  • МНОГОСЛОЙНАЯ ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА
  • LTCC
  • SIW

Аннотация
научной статьи
по электронике и радиотехнике, автор научной работы — Гадзиева Анна Агоповна, Земляков Вячеслав Викторович, Крутиев Сергей Владимирович

Рассмотрены возможности реализации волноводных элементов в структуре многослойных интегральных микросхем сантиметрового и миллиметрового диапазонов с применением технологии SIW (Substrate Integrated Waveguide Интегрированный в Подложку Волновод). Предложены подходы, позволяющие эффективно использовать в новых структурах алгоритмы и методики электродинамического анализа и синтеза пассивных устройств на классических цельнометаллических волноводах. Рассмотрены преимущества использования в структуре SIW волноводов сложного сечения на примере полосно-пропускающего СВЧ-фильтра.

Abstract 2013 year, VAK speciality — 05.27.00;05.12.00, author — Gadzieva Anna Agopovna, Zemlyakov Vyacheslav Viktorovich, Krutiev Sergey Vladimirovich

The possibilities of waveguide elements realization in the structure of multilayered integrated chips of centimeter and millimeter ranges with SIW (Substrate Integrated Waveguide)-technology application are considered. The approaches allowing effectively using in new structures the algorithms and techniques of the electrodynamic analysis and synthesis of passive devices on classical all-metal waveguides are offered. Advantages of use in SIW structure the waveguides of complex cross-section are considered on the example of the microwave band-pass filter.

Научная статья по специальности "Электроника. Радиотехника" из научного журнала "Инженерный вестник Дона", Гадзиева Анна Агоповна, Земляков Вячеслав Викторович, Крутиев Сергей Владимирович

 
Читайте также
Читайте также
Читайте также
Рецензии [0]

Похожие темы
научных работ
по электронике и радиотехнике , автор научной работы — Гадзиева Анна Агоповна, Земляков Вячеслав Викторович, Крутиев Сергей Владимирович

Текст
научной работы
на тему "Полосно-пропускающий свч-фильтр на волноводах сложного сечения, интегрированный в многослойную микросхему с применением SIW-технологии". Научная статья по специальности "Электроника. Радиотехника"

Полосно-пропускающий СВЧ-фильтр на волноводах сложного сечения, интегрированный в многослойную микросхему с применением SIW-технологии
А. А. Гадзиева, В.В. Земляков, С.В. Крутиев Введение
Современные технологии проектирования и производства интегральных микросхем открывают возможности интегрирования в свою структуру трехмерных элементов, в частности прямоугольных волноводов и объемных резонаторов на их основе. Такая технология получила название SIW-технология. Интегрированный в подложку волновод - Substrate Integrated Waveguide (SIW) представляет собой волноводоподобную структуру, созданную двумя рядами металлических цилиндров, соединяющих две параллельные металлические пластины, ограничивающих диэлектрическую подложку. Таким образом, не планарный прямоугольный волновод может быть изготовлен в планарной форме с применением существующих технологий производства, например в виде печатных плат или керамики с низкой температурой обжига. SIW структуры демонстрируют практически те же электродинамические характеристики распространения, что и классический прямоугольный волновод, включая распределения поля и дисперсионные характеристики. Особенностью SIW структур является то, что они сохраняют большинство преимуществ классических волноводов - большая передаваема мощность, малые потери, полностью экранированная структура, высокая добротность резонаторов; приобретая при этом особенности планарных структур - малые размеры и вес, низкая стоимость производства. Одно из главных преимуществ SIW-технологии - это возможность интегрировать все компоненты на одной подложке, включая пассивные компоненты, активные элементы и даже антенны. Более того, создавать многослойные интегральные схемы. SIW-технология может быть успешна использована для создания таких устройств как фильтры, направленные ответвители, фазовращатели, усилители, фазированные антенные решетки и антенны вытекающей волны [1].
Волноводные фильтры широко применяются в системах передачи информации, средствах радиоэлектронной борьбы, радарах и измерительном оборудовании. Основным преимуществом фильтров волноводного исполнения является минимальный уровень потерь и, следовательно, наивысшая собственная добротность особенно в сантиметровом и миллиметровом диапазоне длин волн.
Известно, что применение волноводов сложного сечения (ВСС) позволяет существенно улучшить характеристики многих СВЧ-устройств. Так, например, по сравнению с прямоугольными волноводами, П- и Н-волноводы обладают более широкой полосой одномодового режима, меньшими массогабаритными показателями и низким волновым сопротивлением [2, 3].
Одним из популярных подходов при построении волноводных полосно-пропускающих фильтров является применение запредельных волноводов, т.е. волноводов, для которых рабочая частота лежит ниже критической частоты основной волны. Фильтры с участками запредельного волновода обладают меньшими линейными размерами, высоким уровнем затухания в полосе заграждения и достаточно широкой полосой пропускания [4-6].
Так, при построении фильтров на П- или Н-волноводах, в качестве запредельного волновода можно использовать прямоугольный волновод аналогичного поперечного сечения, обладающий существенно более высокой (до двух раз) критической частотой основной волны. Как следует из анализа литературы [2-6], для реализации эффективной процедуры синтеза полосно-пропускающих фильтров на гребневых волноводах необходимы строгие и высокоскоростные методики электродинамического расчета, как характеристик регулярных волноводов сложного сечения, так и плоско-поперечных стыков волноводов.
В данной работе для расчета критических волновых чисел и компонент электромагнитных полей П- и Н-волноводов использован метод частичных областей с учетом особенности электромагнитного поля на ребре [2], анализ плоско-поперечных стыков волноводов осуществлен комбинацией вариационного метода и метода интегральных уравнений, а конечные характеристики фильтра вычислялись с применением многоволновой матрицы рассеяния и теории каскадного соединения многополюсников.
Как показано, например, в работе [7] существует возможность эффективно использовать при синтезе устройств, реализованных по БГ^технологии, в качестве начального приближения результаты синтеза для их цельнометаллических аналогов. Таким образом, в данной работе осуществляется переход от классической структуры волноводного фильтра к фильтру, реализованному по БГШ-технологии.
Расчет характеристик одиночных и связанных плоско-поперечных стыков волноводов
Рассмотрим произвольную электромагнитную волну с порядковым номером р из спектра собственных Н- и Е-волн ВСС с воздушным заполнением, падающую на плоскопоперечный стык в положительном направлении оси г. Потери энергии волн в металле не учитываем.
Коэффициенты отражения и прохождения ^ всех волн на апертуре стыка с учетом ортогональности собственных векторных функций волноводов [3]:
1+г‘г; = | е р (г, урЕ; (х, у)*, гр = { е р (х, ур^Е'; (х, у**, % = | е р (х, урЕ"; (х,
5 5 5
где: Ера(х, у) - векторное электрическое поле падающей на стык волноводов волны, Ер (х, у) - неизвестное векторное электрическое поле на апертуре стыка - 5; рр -
нормировочный множитель, определяемый из условия ортогональности собственных векторных функций, Ь = Г, ГГ - номер волновода; индекс а = к, е - означает, соответственно, принадлежность к классу Н- или Е-волн.
Представим Е (х,у) в отверстии стыка - 5, в виде:
N
Е р(х у) = ^и^,(х У),
1=1
где и1р - неизвестные коэффициенты разложения поля р-ой волны; Рг. (х, у) -
электрические собственные векторные ортонормированные функции, удовлетворяющие граничным условиям на контуре апертуры стыка.
Используя теорию цепей, можно представить плоско-поперечную неоднородность в ВСС в виде многополюсника с числом входов и выходов, равным числу падающих на неоднородность волн в каждом волноводе. Такой многополюсник описывается нормированной обобщенной многоволновой матрицей рассеяния, которая может быть представлена в виде четырехклеточной матрицы, связь между элементами которой и коэффициентами отражения гЬ и прохождения ^ падающих на стык волн определяется
соотношениями [8] (а^Ь- волновое сопротивление линии Ь для q-ой волны):
V11 -
° пр -
5
V5 у
• т1а, V12 -
пр ’ пр
5.
V 5 у
Аа о21 __________
'^пр , ^ пр ~
5^
—11
\ п у
а 22 ' пр , ^ пр ~
5^
—II
\ п у
• гиа
пр
Используя формулы для матриц рассеяния каждого из соединяемых многополюсников, получаем матрицу рассеяния в случае каскадного соединения двух многополюсников. Аналогичным образом можно вычислить матрицу рассеяния каскадного соединения N многополюсников в заданной полосе частот.
Если плоско-поперечные стыки в ВСС располагаются близко друг от друга и соединяются короткими отрезками ВСС, то взаимодействие соответствующих многополюсников происходит как по распространяющимся волнам, так и по высшим нераспространяющимся волнам.
Синтез полосно-пропускающих фильтров на запредельных волноводах
Как известно, если в структуре фильтра использованы резонансные контуры одного и того же типа, то эффект, связанный с чередованием последовательных и параллельных контуров, достигается с помощью инверторов сопротивлений. На практике в качестве представления идеального инвертора сопротивлений широко используется Т-образная эквивалентная схема [9], характеристики которой связаны с элементами матрицы Б-параметров следующими соотношениями:
Фазовый сдвиг <р и коэффициент связи инвертора K могут быть рассчитаны по формулам [8]:
В ряде работ [3-6] показано, что свойствами инвертора сопротивления обладает отрезок запредельного волновода.
В данной работе инвертор сопротивлений сформирован отрезком прямоугольного волновода, заключенного между двумя объемными резонаторами, выполненными на Н-волноводе (рис. 2). Расчет матрицы Б-параметров такого сочленения может быть произведен с помощью описанной выше методики.
Процедура синтеза фильтра на запредельных волноводах выполняется в следующей последовательности [3]:
- используя исходные данные для прототипа фильтра (центральную частоту, ширину полосы пропускания, уровень затухания в полосе пропускания и т.д.), определяем количество звеньев фильтра - N и рассчитываем или берем из таблиц значения коэффициентов gi для максимально-плоской либо Чебышевской характеристики [6, 7];
- определяем значения коэффициентов связи для инверторов сопротивлений (/ -порядковый номер звена фильтра):
где 8о - относительная ширина полосы пропускания;
- рассчитываем длину участков запредельного волновода, и фазовый сдвиг;
- рассчитываем длину объемных резонаторов:
где X - длина волны в ВСС.
Характеристики фильтра, рассчитанного по данной методике, отличается, как правило, от заданных на величину, не превышающую 5-10 %. Дальнейшее уточнение может быть легко реализовано с помощью процедур многопараметрической оптимизации всего за несколько итерационных циклов.
По выше изложенной методике проведен синтез полосно-пропускающего фильтра на Н-волноводе с относительными размерами: s/l = 0.25, h/l = 0.43, c/l = 0.084.
На рис. 1 представлен внешний вид синтезированного полосно-пропускающего фильтра. Зависимость модулей S-параметров приведена на рис. 2 (S11 - сплошная линия, S21 - пунктирная линия). Значения длин отрезков запредельных волноводов - d0i/l и длин
р = -arth(2 • Z2 + Zj ) - arth(Zl ), K = |th(p/2 + arth(Zl ))
Результаты синтеза полосно-пропускающих фильтров
объемных резонаторов - dill, где г - порядковый номер резонатора, с учетом симметрии структуры фильтра представлены в таблице 1.
Таблица №1
Длины запредельных участков Длины резонаторов Дк/к0
d02/l dij/l d2/l
0.223 0.533 0.575 0.484 17 %
Из графиков на рис. 2 видно, что полученный полосно-пропускающий фильтр, обладают не только достаточно широкой полосой пропускания (таблица 1) , но и широкой полосой запирания с высоким уровнем затухания в ней.
Рис. 1
Рис. 3
Рис. 4
Для перевода полученной структуры фильтра в SIW-структуру необходимо заменить все вертикальные стенки волноводов решеткой металлических штырей, а также изменить заполнение с воздушного на диэлектрическое [7]. При этом одной из основных характеристик, определяющей размеры поперечного сечения конечного устройства, является толщина диэлектрических слоев подложки в создаваемой многослойной интегральной микросхеме по технологии LTCC (Low Temperature Co-Fired Ceramic). В данном примере была использована подложка с толщиной 0.508 мм и диэлектрической проницаемостью s = 2.33. Для построения Н-волновода понадобится 5 слоев. При этом в зазоре между гребнями Н-волновода будет проходить один слой, а на толщину гребней придется соответственно по 2 слоя. Диаметр металлических штырей выберем 0.3 мм,
расстояние между штырями - 1 мм. Полученная структура фильтра, реализованного по SIW-технологии, представлена на рис. 3. Итоговые поперечные размеры Н-волновода составили - l = 5.906 мм, с = 0.508 мм, h = 5*с = 2.54 мм, s = 1.476 мм.
Для расчетов характеристик полученного SIW-фильтра было проведено компьютерное моделирование сеточными численными методами [10]. Результаты компьютерного моделирования представлены на рис. 4 и практически полностью повторяют АЧХ фильтра-прототипа (рис. 2). Необходимо отметить, что применение сеточных методов даже сегодня при наличии мощных ЭВМ является весьма трудоемким и длительным процессом и потому оправдано только на последнем этапе синтеза для проверки и более детального анализа получаемых результатов.
Таким образом, в данной работе решена задача электродинамического анализа и синтеза полосно-пропускающего фильтра на Н-волноводах в классическом цельнометаллическом исполнении и в виде SIW-структуры для интеграции в многослойные микросхемы. Полученные результаты подтверждают возможность применения при создании SIW-устройств в качестве начального приближения результатов синтеза их цельнометаллических аналогов.
Работа выполнена при поддержке Федерального государственного бюджетного учреждение «Российский фонд фундаментальных исследований». Грант «мол а № 12-0731003», руководитель Земляков В.В.
Литература:
1. Гадзиева, А.А., Заргано, Г.Ф., Земляков, В.В., Крутиев, С.В., SIW-технологии, история создания, современное состояние и перспективы развития // Физические основы приборостроения, 2012. - Т. 1. - № 4. - С. 4-13.
2. Заргано, Г.Ф., Ляпин, В.П., Михалевский, В.С. и др. Волноводы сложных сечений. -М.: Радио и связь, 1986. - 124 с.
3. Заргано, Г.Ф., Земляков, В.В. Электродинамический анализ и синтез селективных устройств на волноводах сложного сечения для современных антенно-фидерных систем // Антенны, 2011. - Вып. 7 (170). - С. 64-73.
4. Земляков, В.В. Проектирование широкополосных полосно-пропускающих фильтров на гребневых волноводах // Электромагнитные волны и электронные системы, 2012. - № 6. - С. 71-75.
5. Nanan, J.-C., Tao, J.-W., Baudrand, Н., Theron, В. A Two-Step Synthesis of Broadband Ridged Waveguide Bandpass Filter with Improved Performances // IEEE Transaction. on Microwave Theory and Techniques, 1991. - V. 39. - N 12. - P. 2192-2197.
6. Shen, T., Zaki, K.A. Length Reduction of Evanescent-Mode Ridge Waveguide Bandpass Filters // Progress in Electromagnetic Research, 2003. - PIER 40. - P. 71-90.
7. Cassivi, Y., Perregrini, L., Arcioni, P., et al. Dispersion characteristics of substrate integrated rectangular waveguide // IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2002. - V. 12. -N. 9. - P. 333-335.
8. Матей, Д.Л., Янг, Л., Джонс, Е.М. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. / М.: Изд-во «Связь», 1971. - 440 с.
9. Фельдштей, А.Л., Явич, Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ / М.: Изд-во «Связь», 1971. - 389 с.
10. CST STUDIO SUITE 2012 [Электронный ресурс] // Computer Simulation Technology,
2012, - Режим доступа: http://cst.com/Content/Documents/Products/ebrochure2012
(доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. анг.

читать описание
Star side в избранное
скачать
цитировать
наверх