CC BY
54
Сер. Приборы, машины и технологии. — 2014. — № 1 (127). — С. 201 205. - ISSN 1813-8225.
7. Челышев, В. Д. «Умное радио» парадигмы структуризации физического уровня / В. Д. Челышев // Радиотехника, электроника и связь : сб. докл. Междунар. науч.-технич. конф. «РЭиС 2011», 5-8 июля 2011 г. - Омск : Радиотехника, 2011. С. 46-53. - ISBN 978 5-88070-297-8.
8. Зубков, М. П. Применение программно-аппаратной архитектуры параллельных вычислений CUDA для решения задач цифровой обработки сигналов / М. П. Зубков, C. Ю. Лобачева // Техника радиосвязи : науч.-техн. сб. -Омск : ОНИИП, 2013. - Вып. 2 (20). - С. 47-53. ISSN 2075-8963.
9. Иванов, В. А. Зондирование ионосферы и декаметро-вых каналов связи сложными радиосигналами / В. А. Иванов, Д. В. Иванов, Н. В. Рябова // Вестник МарГТУ, 2010. № 1. -С. 3-37. - ISSN 1997-4655.
10. Алексеев, О. В. Многоканальные частотно-разделительные устройства и их применение / О. В. Алексеев, Г. А. Грошев, Г. Г. Чавка. М. : Радио и связь, 1981. 136 с.
11. Зиновьев, А. Г. Расчет многоканальных частотно-разделительных устройств фильтрового типа / А. Г. Зиновьев // Техника средств связи. Сер. Техника радиосвязи. М. : ЦООНТИ «ЭКОС», 1986. - Вып. 6. - С. 49 55.
12. Свешников, Ю. К. Общие принципы построения сети ЛЧМ зондов / Ю. К. Свешников // Техника радиосвязи. -Омск : ОНИИП, 2004. - Вып. 9. - С. 61-68. ISSN 2075-8963.
13. Варакин, Л. Е. Теория сложных сигналов / Л. Е. Вара-кин. - М. : Советское радио, 1970. 376 с.
14. Кук, Ч. Радиолокационные сигналы / Ч. Кук, М. Берн-фельд ; пер. с англ. под ред. В. С. Кельзона. - М. : Советское радио, 1971. 568 с.
БУДЯК Владимир Серафимович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник. Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 15.12.2014 г. © В. С. Будяк
удк 6213966622 д. А. БОРЕЙКО
Омский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИНДУКТИВНОСТЕЙ В ВИДЕ 3D П-ОБРАЗНОЙ СПИРАЛИ С РАЗЛИЧНЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ПЕРЕКРЫТИЯ ВИТКОВ
Рассмотрены вопросы построения многослойных интегральных катушек индуктивности. Проведен сравнительный анализ конструкций индуктивностей в виде 3D П-образной спирали с различным коэффициентом перекрытия витков и определена конструкция с сочетанием высоких электрических характеристик и минимальных габаритных размеров. Указана область возможного применения данной конструкции. Обозначено направление для дальнейших исследований в обозначенной области.
Ключевые слова: интегрированные элементы, многослойные индуктивности, электромагнитное моделирование, добротность.
В современных условиях существует необходимость освоения СВЧ-диапазона, при этом перспективным является направление, основанное на использовании многослойных интегральных структур [1]. При проектировании частотно зависимых многослойных интегральных устройств особое внимание уделяется индуктивностям, так как они имеют крайне низкие значения добротности по сравнению с другими элементами.
Стоит отметить, что существует большое количество конструкций многослойных интегральных индуктивностей, что ставит сложную задачу по выбору той конструкции, которая будет иметь высокие электрические характеристики при минимальных габаритных размерах.
В литературе описано большое количество конструкций многослойных интегральных катушек индуктивности, а также указаны те конструктивные параметры, которые влияют на электрические ха-
рактеристики [2, 3]. Однако эти зависимости даны неявно и не могут служить основой для осуществления выбора топологии слоев.
В связи с этим ранее нами был проведен анализ конструкций многослойных интегральных индук-тивностей [4, 5], в ходе которого в расчет бралась ширина проводника, внутренний диаметр, а также учитывалось влияние выборки во внешнем заземленном экране. По результатам исследования лучшим сочетанием электрических и конструктивных параметров обладает индуктивность в виде сужающейся 3Б П-образной спирали.
Однако для указанной конструкции остается не изученным влияние на электрические характеристики такого показателя, как степень перекрытия витков на разных слоях. Данный показатель сказывается на количестве слоев и на занимаемой площади, что обусловливает его значимость для обеспечения высокого уровня интеграции.
Перекрытие витков является причиной наличия паразитной межслойной емкости, но, в то же время, создает дополнительную индуктивность за счет магнитной связи.
Общую индуктивность L такой конструкции можно посчитать с использованием формул (1, 2), приведенных в [3].
L = L + I + 2М ,
(1)
где L1, L2 тушки,
M — взаимная индуктивность.
номиналы индуктивности витков ка-
(2)
м = ,
где k — коэффициент связи между спиралями.
Отсутствие перекрытия витков позволяет уменьшить паразитную межслойную емкость, с другой стороны, полное перекрытие витков соответствует максимальному значению взаимной индуктивности витков. Таким образом, существует необходимость в исследовании для 3D П-образной индуктивности зависимости электрических характеристик от степени перекрытия витков.
Для оценки степени перекрытия витков необходимо ввести соответствующий коэффициент ^ который может быть рассчитан по формуле (3):
Р
t = -• 100%, S
где P — ширина перекрываемого участка, S — ширина витка.
(3)
При исследовании указанных индуктивностей изменялось только количество слоев, в которых реализована катушка.
В ходе сравнения определялась конструкция, обладающая лучшим сочетанием электрических и конструктивных характеристик. Также, для оценки возможностей по практическому применению, было проведено сравнение индуктивностей разных конструктивных исполнений, реализованных в одном количестве слоев и с одинаковыми геометрическими параметрами.
Диапазон значений наиболее применяемых интегральных многослойных индуктивностей от 5 до 200 нГн, в связи с чем для исследования был выбран ряд номиналов из указанного диапазона.
Постоянные параметры геометрии конструкции и топологии слоев:
— ширина проводника — 200 мкм;
— ширина зазора — 200 мкм;
— диаметр переходного отверстия — 100 мкм;
— длина стороны большего витка спирали выбиралась на основании предварительного моделирования:
— для 5 нГн — 1,6 мм,
— для 10 нГн — 2,0 мм,
— для 25 нГн — 3,0 мм,
— для 50 нГн — 3,4 мм,
— для 100 нГн — 4,4 мм,
— для 200 нГн — 6,0 мм;
— количество слоев от крайних витков до заземленных экранов — 2;
>
Рис. 4. График зависимости индуктивности а) и добротности б) от частоты для 3D П-образной индуктивности 100 нГн с коэффициентом перекрытия витков:
--------- 0 %,------- 50 %, -100 %
— расстояние от внешнего контура до краев подложки — 200 мкм.
Ряд значений коэффициента 1 — 0 %, 50 %, 100 %.
При сравнении катушек, реализованных в одном количестве слоев (5 слоев) длина стороны большего витка бралась равной 1,6 мм.
Ввиду трудоемкости аналитических расчетов для многослойных планарных индуктивностей и их низкой точности целесообразно использовать численные методы, по этой причине использовалось электромагнитное моделирование в специализированной САПР.
На рис. 1 показан вид модели 3D П-образных индуктивностей с различным коэффициентом 1. Из рисунка наглядно виден общий принцип построения топологии отдельных слоев, а также изменение конструкции в целом при варьировании коэффициента 1. Для представленных конструкций согласно выбранным параметрам были сформированы модели.
Соответствующие графики зависимостей значений индуктивности и добротности от частоты для некоторых номиналов показаны на рис. 2 — 4. Номиналы конструкций, для которых приведены графики, выбраны таким образом, чтобы охватить весь исследуемый диапазон значений индуктивностей.
Для удобства восприятия информации параметры всех исследуемых конструкций сведены в табл. 1, в которой указаны индуктивность Ь, коэффициент 1, максимальная частота диапазона рабочих частот БМЛХ, максимальная добротность
в этом диапазоне ОМАХ, а также для частоты БМЛХ — добротность ОЬ1М. В качестве диапазона рабочих частот условно был принят диапазон, на котором значение индуктивности отклоняется от номинального не более чем на 10 %, как максимальная степень отклонения для впускаемых керамических чип-индуктивностей.
Из рисунков и таблицы видно, что диапазоны рабочих частот для рассматриваемых конструкций практически совпадают. При этом наибольшей частотой БМАХ для всех номиналов обладают конструкции, соответствующие коэффициенту 1=100 %. Если проанализировать значения доброт-ностей, то можно сделать вывод о том, что они также очень близки.
Таким образом, изменение коэффициента 1 для обозначенных индуктивностей не приводит к ощутимому изменению электрических параметров. Однако при этом имеет место изменение количества слоев реализации. Так, например, индуктивность 100 нГн при коэффициенте 1 = 0 % содержит 16 слоев, а при 1=100 % — 11 слоев, что в 1,5 раза меньше. Стоит отметить, что уменьшение количества слоев интегральной структуры способствуют снижению ее стоимости за счет упрощения технологического процесса, а также снижению объема проводимых вычислений и, как следствие, сокращению времени проектирования.
На рис. 5 показаны диапазоны рабочих частот индуктивностей с коэффициентом 1=100 % для оценки использования представленного типа конструкции с различными номиналами в СВЧ-
Таблица 1
Параметры 3D П-образных индуктивностей
L, нГн t, % МГц qmax qlim
5 0 1360 51 49
50 1400 55 52
100 1440 56 54
10 0 540 45 45
50 550 48 48
100 560 50 50
25 0 250 43 43
50 260 45 45
100 260 45 45
50 0 140 40 40
50 150 43 43
100 160 42 42
100 0 65 30 30
50 90 38 38
100 90 34 34
200 0 48 26 26
50 52 28 28
100 52 24 24
№
е
1
___г
R б а
—г-
10 too 1000 1500
Частота, МГц
Рис. 5. Диапазон рабочих частот для 3D П-образной индуктивности с коэффициентом перекрытия витков 100 %: а — 5 нГн, б — 10 нГн, в — 25 нГн, г — 50 нГн, д — 100 нГн, е — 200 нГн
диапазоне. Из рисунка можно получить сведения о применимости индуктивности того или иного номинала на конкретной частоте.
На рис. 6 представлены графики 3Б П-образных индуктивностей с заданной площадью большего витка спирали, реализованных в пяти слоях. Как видно из рисунка, использование конструкции с коэффициентом 1=100% позволяет получить в 1,5 раза большую индуктивность по сравнению с аналогичной конструкцией с коэффициентом 1 = 0 %. Это показывает, что коэффициенту 1=100 % соответствует большая степень интеграции.
Принимая во внимание все вышесказанное, можно сделать вывод о том, что конструкция 3Б П-образной индуктивности с полным перекрытием витков обладает лучшим сочетанием электрических характеристик и конструктивных параметров, так как ей соответствует наименьшее количество слоев реализации при прочих равных конструктивных и электрических характеристиках.
Также можно отметить, что данная конструкция подходит для реализации широкого диапазона номиналов индуктивности (от 5 до 200 нГн), необходимых при создании многослойных интегральных устройств, на значительном частотном диапазоне (от 10 до 1500 МГц). Это позволяет избежать этапа выбора конструктивного исполнения интегральных индуктивностей, тем самым упрощая процесс проектирования.
Применение многослойной индуктивности в виде 3Б П-образной спирали с полным перекрытием витков дает широкие возможности для разработки интегральных устройств. Этим обусловлена
необходимость дальнейшего исследования зависимостей ее электрических характеристик от геометрических параметров для достижения максимально возможной степени интеграции проектируемых конструкций.
Библиографический список
1. Милованов, О. С. Техника сверхвысоких частот : учеб. пособие для вузов / О. С. Милованов, Н. П. Собенин. — М. : Атомиздат. — 1980. — 464 с.
2. Вендик, И. Б. Многослойные интегральные схемы сверхвысоких частот на основе керамики с низкой температурой обжига / И. Б. Вендик, Д. В. Холодняк, А. В. Симин // Компоненты и технологии. — 2005. — Вып. 5. — С. 190—196.
3. Bahl, Inder. Lumped Elements for RF and Microwave Circuits / Inder Bahl. — Norwood, MA : Artech House, 2003. — 488 p.
4. Хроленко, Т. С. Интегральные LC-фильтры ВЧ и СВЧ диапазонов на основе современных материалов : дис. ... канд. техн. наук / Т. С. Хроленко. — Омск : ОмГТУ, 2013. — 173 с.
5. Борейко, Д. А. Исследование параметров катушек индуктивности, выполненных по LTCC технологии / Д. А. Борейко, Т. С. Дьяченко, А. И. Тюменцев // Техника радиосвязи. — 2012. - Вып. 17. - С. 73-83.
БОРЕЙКО Денис Александрович, аспирант кафедры «Системы безопасности и средства связи». Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 15.12.2014 г. © Д. А. Борейко
03УДК 6213725432 И. В. ВЕРЕМЕЕВ
Омский государственный технический университет
МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ФИЛЬТР НА ПАВ-РЕЗОНАТОРАХ С ПОДСТРОЙКОЙ ПОЛОСЫ ПРОПУСКАНИЯ
В статье рассматривается возможность применения во входных каскадах систем связи наборов переключаемых ПАВ-фильтров и перестраиваемых фильтров на ПАВ-резонаторах. Предлагается новый подход к созданию многоканальных перестраиваемых ПАВ-фильтров на основе лестничных фильтров, комбинирующий преимущества наборов переключаемых ПАВ-фильтров и плавно перестраиваемых варикапами фильтров на ПАВ-резонаторах. Предложенная конструкция многоканального фильтра обладает возможностью перестройки полосы пропускания в широком диапазоне, изменения ширины полосы пропускания каналов и коррекции центральной частоты канала. Ключевые слова: перестраиваемый фильтр, многоканальный, ПАВ-резонатор.
Необходимыми требованиями современных систем связи являются поддержка нескольких стандартов связи и работа в широком частотном диапазоне, достигаемые за счет реализации перестраиваемых входных каскадов. Для создания таких каскадов необходима разработка высокочастотных
(ВЧ) перестраиваемых фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ), способных изменять ширину полосы пропускания и/или центральную частоту в широком диапазоне частот, обладая высокой избирательностью и малыми вносимыми потерями.
