CC BY
29
УДК 621.372
В.Г. Божков, И.В. Петров, В.Н. Путилов, А.Н. Сычёв
Моделирование монолитного Y-образного переключателя миллиметрового диапазона длин волн
Представлены результаты очередного этапа разработки монолитного переключателя 8-миллиметрового диапазона, а именно топология Y-образной монолитной интегральной схемы и результаты проведённого моделирования.
В данной статье представлены результаты очередного этапа разработки монолитного переключателя 8-миллиметрового диапазона — топология Y-образной монолитной интегральной схемы и результаты проведённого моделирования.
Актуальность разработки устройств миллиметрового диапазона длин волн обусловлена всё более расширяющимся применением систем указанного диапазона для коммерческих и оборонных приложений, что подтверждает проведённый обзор мировой литературы [1).
Можно выделить два основных подхода к созданию модулей и узлов аппаратуры в миллиметровом диапазоне: схемы в гибридном исполнении и монолитные интегральные схемы (МИС). Преимущества МИС очевидны — изготовление схемы в одном технологическом цикле, простота сборки (которую может осуществлять и не очень квалифицированный персонал), v отсутствие необходимости в настройке и хорошая повторяемость характеристик готовых уст-тройств. Конструкции, в которых функциональный узел реализуется в виде гибридной интегральной схемы (ГИС) на диэлектрической подложке (обычно на базе щелевой линии), монтируемой в продольном сечении {Е-плоскости) волновода (волноводно-щелевые линии — ВЩЛ), были предложены Майером [2, 3] и получили название finline-конструкций. Технология изготовления такого типа устройств на базе НИИЛП получила существенное развитие [4,5]. Вместо ГИС на диэлектрической подложке в плоскость волновода непосредственно монтируется МИС функционального узла. Именно в таком исполнении проведена разработка монолитного переключателя [6]. В данной работе рассматривается ещё один вариант переключателя на основе ВЩЛ.
В качестве основного элемента переключателя использована Y-образная щелевая линия, схематично представленная на рис. 1. Показана длина одного «плеча» щелевой линии, которая составляет четверть длины волны (А /4) на средней частоте диапазона. Основным достоинством данной схемы является более плавный поворот от основного канала I к двум выходам — II и III, который составляет 120°. Это позволяет передавать энергию СВЧ с меньшими потерями по сравнению с Т-образной топологией. Функционирование переключателя осуществляется по обычной схеме. При подаче СВЧ-мощности по каналу I (вход) мощность направляется в канал II, если диоды (расположенные через четвертьволновые отрезки) правой части включены в прямом направлении (канал III «закрыт»). При этом на диоды левой ветви смещение не подано: канал II работает в режиме «открыто». При обратном включении диодов канал II оказывается «закрытым», а канал III — «открытым».
.---л
ш
"¿V
I
Рис. 1. Схема диодного переключателя 8-мм диапазона
Наиболее важной была задача оптимизации МИС переключателя. В модель была заложена эквивалентная последовательная схема диода. Посредством изменения величины ёмкости
и последовательного сопротивления диода определялись наилучшие характеристики: минимальные потери мощности при передаче сигнала, при максимальной развязке в закрытом состоянии. В качестве активных элементов использовались диоды с ДБШ, технология изготовления которых уже освоена на базе НИИПП, г. Томск. Оптимальные характеристики переключателя были достигнуты при следующих параметрах диодов: Спер= 0,014 пФ, 5 Ом. Необходимости в последовательном соединении диодов в данном случае нет, так как оптимальные характеристики получились при использовании одиночных диодов. Немаловажным фактором, влияющим на окончательные характеристики переключателя, является технологический разброс параметров реальных диодов. Проведённое моделирование показывает, что отклонение гя практически не влияет, а отклонения, вызванные изменением С^р, не превышают 0,2 дБ до частоты 37 ГГц и 0,5 дБ на частотах до 40 ГГц. Данные моделирования приведены на рис. 2.
со
ч
«>
13 X 1> ч
•8
ч
V
о
-20
-30
-40
30 35 40
Частота, ГГц
Рис. 2. Влияние эквивалентной ёмкости диода на характеристики переключателя: 1 — вносимые потери, 2 — развязка между входом и закрытым выходом
Также необходимо оптимизировать волноводные трансформаторы для наилучшего согласования волноводов, подводящих мощность, и МИС.
На рис. 3 приведены расчётные зависимости от частоты для результатов Т-образной топологии [6] и У-образной топологии. Данные были получены с использованием САПР для электромагнитного моделирования микроволновых устройств.
■а
«г
я ш
си
I
30 35
Частота, ГГц
Рис. 3. Сравнительные характеристики по результатам расчётов (У-образная топология: 1 — вносимые потери, 3 — развязка между входом и закрытым выходом. Т-образная топология: 2 — вносимые потери, 4 — развязка между входом и закрытым выходом)
и_____.а.. тгг/^т.'п~ ил »л?!
0/1/10
Результаты моделирования показывают достаточно хорошие характеристики во всём диапазоне частот по сравнению с вариантом Т-образной топологии. В дальнейшем планируется проектирование и изготовление данного устройства. Очевидно, что для использования такой топологии необходимо изготовить нестандартный корпус, в котором выходные фланцы будут выполнены под некоторым углом к входу. Внешний вид корпуса У-образного переключателя представлен на рис. 4.
При Y-образной топологии необходимо использовать двухполярный источник питания для независимой подачи напряжения смещения на диоды разных каналов либо обеспечить электрический зазор между выходными каналами ИМС, который показан на рис. 1 пунктирной линией. Необходимо также учесть трудности в подведении напряжения к диодам разных каналов в связи с нестандартным острым углом между входным и выходными каналами. Также планируется проведение измерений реальных характеристик полученного образца и сравнение их с расчётными.
Литература
1. Путилов В.Н. Монолитные интегральные СВЧ-коммутаторы на GaAs и InP pin-диодах. Обзор / В.Н. Путилов // Научная сессия ТУСУР-2005: материалы Всеросс. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых специалистов, Томск, 26-28 апр. 2005 г. - Томск : Томск, гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2005. - С. 337-339.
2. Meier P.J. Integrated finline: the second decade. Part I / P.J. Meier // Microwave J. -1985. - V. 28, № 11. - P. 31.
3. Meier P.J. Integrated finline: the second decade. Part II / P.J. Meier // Microwave J. -1985. - V. 28, № 12. - P. 30.
4. Монолитные и квазимонолитные модули и устройства миллиметрового диапазона длин волн / В.Г. Божков, В.А. Геннеберг, К.И. Куркан [и др.] // Электронная промышленность. - 2001. - № 5. - С. 77-97.
5. Волноводный модулятор 8-мм диапазона длин волн на основе монолитно-интегральной схемы / В.Г. Божков, В.А. Геннеберг, И.В. Петров [и др.] // 8-я российская конф. «Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы III—V». - Томск : Том. гос. ун-т. -2002. -С. 321-323.
6. Монолитный переключатель миллиметрового диапазона длин волн / В.Г. Божков, И.В. Петров, В.Н. Путилов, А.Н. Сычёв // Доклады ТУСУРа. - 2006. - № 5. - С. 5-7.
\
Рис. 4. Внешний вид корпуса Y-образного переключателя
Божков Владимир Григорьевич
Д-р техн. наук, начальник отдела ОАО «НИИПП», ул. Красноармейская, 99а Тел.: 55 66 95
Петров Игорь Владимирович
Ст. науч. сотр. ОАО «НИИПП», ул. Красноармейская, 99а Тел. 55 66 95
Путилов Владимир Николаевич
Аспирант каф. радиоэлектронных технологий и экологического мониторинга ТУ СУ Ра, пр. Ленина, 40 Тел.: (923) 411 16 03 Эл. почта: [email protected]
Сычёв Александр Николаевич
Д-р техн. наук, проф. каф. радиоэлектронных технологий и экологического мониторинга ТУСУРа, пр. Ленина, 40 Тел.: 52 79 12
Эл. почта: [email protected]
V.G. Bozhkov, I.V. Petrov, V.N. Putilov, A.N. Sychev Simulating of monolithic microwave switch having Y-topology
ResuHs4)f developing monolithic microwave switch (8-mm wave-length) with Y-topology are presented. Simulating of switch is carryout. A discussion of modeling is given.
