CC BY
39Перестраиваемые и управляющие устройства
УДК 621.317.3
В. В. Плескачев
ООО "Симикон"
и
Исследование перестраиваемых свч-фильтров на шпильковых резонаторах с использованием сегнетоэлектрических варакторов
Рассмотрены варианты реализации перестраиваемых микрополосковых фильтров на основе сегнетоэлектрических конденсаторов. Продемонстрированы преимущества использования шпильковых резонаторов, позволяющие упростить процесс изготовления и улучшить характеристики фильтров на их основе.
Сегнетоэлектрик, перестраиваемый фильтр
Многоканальные системы связи требуют наличия фильтров, разделяющих частотные каналы, причем число этих фильтров равно числу частотных каналов, используемых такой системой. Сопряжение большого числа фильтров с фиксированной центральной частотой для формирования мультиплексора является сложной задачей. Применение одного перестраиваемого фильтра с электронной перестройкой, диапазон перестройки которого перекрывает несколько полос пропускания неперестраиваемых фильтров, позволяет значительно снизить массогабаритные показатели приемника или передатчика многоканальной системы связи за счет уменьшения числа фильтров. В перестраиваемых СВЧ-устройствах (для которых необходимо малое потребление энергии по управляющим цепям, высокая скорость перестройки, высокая надежность, простота изготовления и малая стоимость) конденсаторы на основе сегнетоэлектрических (СЭ) материалов имеют преимущества по сравнению с другими управляющими элементами [1].
В данной статье рассматриваются варианты реализации микрополосковых фильтров с использованием тонкопленочных СЭ-конденсаторов на основе керамики титаната бария-стронция Ва^г^хТЮз (ВБТО) и демонстрируются преимущества использования шпильковых резонаторов.
Варианты реализации фильтров. Одним из начальных этапов синтеза перестраиваемого фильтра является выбор типа перестраиваемых резонаторов, из которых данный фильтр будет состоять. В настоящее время теоретические и экспериментальные исследования перестраиваемых микрополосковых фильтров на основе короткозамкнутых и разомкнутых резонаторов проведены уже достаточно подробно [2], [3]. Однако количество топологических вариантов реализации резонаторов неперестраиваемых фильтров на осно-© В. В. Плескачев, 2005 29
ве микрополосковых линий значительно шире. Теоретически любой из вариантов реализации неперестраиваемого микрополоскового резонатора можно использовать для реализации перестраиваемого резонатора включением управляющего элемента (СЭ-конденса-тора) в резонатор необходимым образом. Поэтому исследования новых топологических вариантов реализации перестраиваемых резонаторов на основе уже подробно исследованных неперестраиваемых по-прежнему актуальны.
Топологии фильтров на короткозамкнутых и на разомкнутых резонаторах представлены на рис. 1 и 2.
Короткозамкнутый резонатор представляет собой микрополосковую линию, один из концов которой нагружен на короткое замыкание (на рис. 1 заземлен на корпус по нижнему краю подложки), другой конец резонатора разомкнут. К резонатору в плоскости холостого хода подключена цепь подачи управляющего напряжения на СЭ-конденсатор. Разомкнутый резонатор (рис. 2) представляет собой микрополосковую линию, оба конца которой разомкнуты и в плоскости холостого хода включены цепи подачи управляющего напряжения. В обоих случаях управляющий СЭ-конденсатор включается в разрыв микропо-лосковой линии; место его подключения выбирается исходя из требований к диапазону перестройки центральной частоты фильтра, к уровню вносимых потерь и к свойствам самого СЭ-конденсатора [4]. Можно отметить следующие недостатки рассматриваемых топологий резонаторов: необходимость заземления короткозамкнутого резонатора и включение цепей подачи управляющего напряжения в плоскости холостого хода обоих типов резонаторов. Заземление микрополосковых линий при использовании планарной технологии изготовления фильтров обычно выполняется при помощи металлизированных переходных отверстий, соединяющих микрополосковые линии с земляным электродом, либо заземлением микрополосковых линий на корпус по краю подложки. Оба способа заземления в значительной степени увеличивают трудоемкость изготовления и снижают надежность готовых устройств. Включение цепей подачи управляющего напряжения в плоскости холостого хо-
ш
Конденсатор СЭ
Конденсатор СЭ
Г
Ж. А.
Рис. 1
Рис. 2
да резонаторов может привести к изменению центральной частоты фильтра, а также к искажению характеристик фильтра при перестройке его центральной частоты.
Указанных недостатков лишена топология шпилькового резонатора, который представляет собой П-образный отрезок микрополосковой линии с разомкнутыми концами (рис. 3). Включение СЭ-конденсатора в разрыв микрополосковой линии резонатора позволяет изменять его резонансную частоту изменением управляющего напряжения, подаваемого на конденсатор. Цепи подачи управляющего напряжения включаются непосредственно в плоскости подключения СЭ-конденсатора. Характеристики перестраиваемого шпилькового резонатора достаточно близки к характеристикам разомкнутого резонатора с конденсатором, включенным на середине длины микрополосковой линии (см. рис. 2). Еще одним немаловажным преимуществом шпилькового резонатора по сравнению с разомкнутым является его компактность: отрезки микрополосковой линии, между которыми включен конденсатор, расположены рядом; при этом площадь, занимаемая фильтром, уменьшается почти в два раза.
4.0
4.5
5.0
-10
-20
И, ДБ
/, ГГц
C = 0.25 пФ
Рис. 3
Рис. 4
Характеристики перестраиваемого фильтра на шпильковых резонаторах. В исследуемой модели перестраиваемого фильтра на шпильковых резонаторах использовалась подложка из поликора с диэлектрической проницаемостью вп = 9.8. На подложке расположен
слой ББТО с диэлектрической проницаемостью вс = 1000 и управляемостью п = 2 *. Поверх
слоя ББТО размещены медные микрополосковые линии (толщина меди 2 мкм) шириной 480 мкм; зазоры линий образовывали СЭ-конденсаторы, емкость которых изменялась при приложении управляющего напряжения в пределах 0.25...0.5 пФ. Расчетные характеристики фильтра приведены на рис. 4. Центральная частота фильтра изменялась в диапазоне 4.59.4.86 ГГц, ширина полосы пропускания фильтра - от 240 до 220 МГц, среднее значение вносимого затухания составило 3.5 дБ. В настоящее время проводятся экспериментальные исследования характеристик фильтра.
0
* Управляемость п = С^С2 , где С2 - емкости СЭ-конденсатора при нулевом и при максимальном значениях управляющего напряжения соответственно.
Библиографический список
1. Плескачев В. В., Вендик И. Б. Коммутационное качество электрически управляемых СВЧ-компо-нентов // Письма в ЖТФ. 2003. Т. 29. Вып. 24. С. 15-21.
2. Pleskachev V. Tunable resonators and filters, using ferroelectric capacitors // 7-th Int. Student Seminar on High Temperature Superconductors and Ferroelectrics at Microwave Frequencies, 2001. Birmingham, UK. Proc. Р. 25-28.
3. Pleskachev V. Design of a Tunable Microstrip Filter Based on Open-Circuited Resonators with Ferroelectric Thin-Film Capacitors // Samsung Young Scientist Day in St. Petersburg, 2003. Proc. Р. 96-101.
4. Pleskachev V., Vendik I. Figure of Merit of Tunable Ferroelectric Planar Filters // 33-d Europ. Microwave Conf., Germany, Munich, 2003. Proc. Vol. 1. Р. 191-194.
V. V. Pleskachev Simikon Ltd.
Tunable Microwave Hairpin-Resonator Filters Based on Ferroelectric Capacitors
Different kinds of tunable microwave planar filters based on ferroelectric capacitors are considered. Advantages of hairpin-resonator based tunable filters with improved manufac-turability and performance are shown.
Ferroelectrics, tunable filter
Статья поступила в редакцию 31 декабря 2004 г.
УДК 621.317.3
П. Ю. Белявский, С. С. Карманенко, А. А. Семенов
Санкт-Петербургский государственный электротехнический
университет "ЛЭТИ"
Радиоэлектронные управляемые фазовращатели на основе сегнетокерамики
По результатам теоретических расчетов показана возможность построения управляемых фазовращателей на основе сегнетокерамики. На основании приведенных расчетов разработаны два прототипа фазовращателей, отличающиеся только структурой управляющих электродов. Испытания обоих прототипов фазовращателей показали фазовый сдвиг около 10° при подаче смещающего напряжения 1000 В.
Сегнетокерамика, управляемый фазовращатель
Одним из наиболее перспективных материалов, на основе которого разрабатываются управляемые фазовращатели и фильтры, является сегнетоэлектрик Ва ^г^ хТЮз (ВБТО). В настоящее время широко применяются пленочные ВБТО-структуры, обеспечивающие наименьший уровень потерь СВЧ-сигнала, высокую управляемость и хорошее согласование управляемых сегнетоэлектрических элементов с внешними электронными цепями. Основным недостатком пленочных фазовращателей является низкая мощность управляемого СВЧ-сигнала, связанная с возникновением нелинейных эффектов в тонких пленках сегнетоэлектрика и появлением больших активных потерь, которые могут приводить к разрушению пленочной структуры.
32 © П. Ю. Белявский, С. С. Карманенко, А. А. Семенов, 2005
