Таким образом, соединитель микрополосковых СВЧ – устройств

1
УДК 621.372.8
Ю. Кирсанов
Оригинальные СВЧ-переходы
и соединители СВЧ-устройств
Аннотация
В работе приведены результаты экспериментального исследования
невзаимных и взаимных СВЧ-переходов. Невзаимные СВЧ-переходы
совмещают функцию ферритового СВЧ-вентиля и СВЧ-перехода в одном
устройстве. Кроме того, приведена простая конструктивная схема
герметичного СВЧ-соединителя интегральных СВЧ-модулей и СВЧсоединителя микрополосковых схем, имеющего простую регулировку
настройки. Исследования проведены в 3-х и 2-хсантиметровом диапазонах
длин волн. Все описанные в этой статье СВЧ-переходы и соединители были
внедрены в производство и использовались в изделиях ПО Радий, г. Москва.
После развала СССР, предприятие перешло в частную собственность,
изменился его профиль и новые разработки стали никому не нужны. Может
быть кто - либо в настоящее время заинтересуется ими. Ведь по истине "всё
новое - это хорошо забытое старое". Всем заинтересованным автор готов
оказать безвозмездную консультацию и помощь при внедрении
(kirsanov273@mail.ru) .
I Невзаимные волноводно – коаксиальные и волноводно –
микрополосковые СВЧ-переходы
В технике СВЧ часто находят применение соединительные устройства
между приборами, выполненными на разнотипных линиях передачи. Однако,
практически все широко известные волноводно – коаксиальные и воловодномикрополосковые СВЧ- переходы взаимны, что часто приводит к появлению
несанкционированных паразитных обратных связей между отдельными узлами
2
СВЧ-системы. В этом разделе приведены конструктивные схемы невзаимных
СВЧ-переходов, физический принцип действия и конструкции которых
основаны на описанных ранее автором в работах многоплечных волноводно коаксиальных
СВЧ-циркуляторов [1]
и
невзаимных
делителей
СВЧ-
мощности [2, 3], работающих на поверхностной ферритовой волне (ПФВ).
На рис. 1 представлена конструктивная схема Г-образного невзаимного
волноводно-коаксиального СВЧ - перехода, выполненного в Е-плоскости и
полученного путём модификации схемы
многоплечного волноводно
-
коаксиального циркулятора [1].
1 – волновод нормального сечения; 2 – волновод предельного сечения; 3 коаксиальный
отвод;
4 –
ферритовые
вкладыши;
5
–
согласующий
трансформатор; 6 – подстроечный элемент; Н – подмагничивающее поле.
При
возбуждении
волновода
нормального
распространяется в коаксиальный отвода (п. 3).
сечения
(п.1)
сигнал
Из коаксиала (п. 3) в
направлении волноводного входа (п. 1) сигнал не распространяется. Последнее
объясняется
направлении.
отсутствием
условий
распространения
ПФВ
в
данном
Выбор оптимальных параметров настройки СВЧ-перехода
3
определяется в соответствии с рекомендациями работы [1]. Длина ферритового
вкладыша определяется требованиями по величине обратного и прямого
затуханий. Экспериментальные исследования показали, что
при а ≈ 0,5 λ0
затухание обратной волны примерно составляет 30 дБ/см и практически не
зависит от ширины линии ферромагнитного резонанса ΔН. Затухание прямой
волны линейно зависит от величины ΔН и при
Ɣ𝛥Н
≈ 0,01
𝜔
составляет примерно 0,35 дБ/см.
Для 3-х см. диапазона длин волн конструктивные параметры составляют:
4πMs = =3300 Гс, Н ≈ 2000 Э, tф = 6 мм, Lф = 12 мм, а = 19 мм; для 2-х см.
диапазона длин волн: 4πMs = 4200 Гс, Н ≈ 2500 Э, tф = 4,5 мм, Lф = 10 мм, а =
13 мм.
В переходах использовались коаксиальные 50 – омные отводы сечением
3х1,3 мм (в общем случае сопротивление коаксиальных отводов может быть
произвольным).
На рис. 2 изображена частотная зависимость входного импеданса СВЧперехода со стороны коаксиала.
4
Видно, что в области слабой дисперсии реактивная часть входного
импеданса по абсолютной величине близка к активной. Условие для
согласования входного сопротивления Z2 и сопротивления коаксиальной линии
Z1 имеет вид
𝑍2 +𝑗𝑍тр 𝑡𝑔
Z1 =Zтр
2𝜋𝐿тр
𝑍тр +𝑗𝑍2 𝑡𝑔
𝜆0
2𝜋𝐿тр
(1)
𝜆0
Выражение для расчета сопротивления Zтр и длины 𝐿тр трансформатора,
согласующего активное сопротивление линии с комплексным входным
импедансом 𝑍2 имеют вид:
Zтр = √𝑅2 𝑍1 −
tg
2𝜋𝐿тр
𝜆0
=
𝑍1 𝑋22
(2)
(𝑍1 −𝑅2 )
(𝑍1 −𝑅2 )𝑍тр
𝑍1 𝑋2
.
В нашем случае Zвх =8 Ом + j 5 Ом. В соответствии с выражением (2) Zтр и Lтр
для приборов 3-х см. диапазона длин волн составляет
Zтр ≈ 19,3 Ом,
Lтр ≈ 7,5 мм,
а для 2-х см. диапазона длин волн
Zтр ≈ 19,5 Ом,
Lтр ≈ 6 мм.
Волнлводно-коаксиальный переход 3-х см. диапазона длин волн в полосе
частот Δf/f0 =15% имеет КСВн ˂ 1,15; прямое затухание Рпр ˂ 0,35 дб; обратное
затухание R > 30 дб; интервал рабочих температур -600С……+750С; габаритные
размеры 35Х30Х25 мм.
5
Переход 2-х см. диапазона длин волн в полосе частот Δf/f0 =15% имеет
КСВн ˂ 1,15; прямое затухание Рпр ˂ 0,35 дб; обратное затухание R > 35 дб;
интервал рабочих температур -600С……+750С; габаритные размеры 30Х25Х20
мм.
На рис. 3 приведён внешний вид переходов.
На рис. 4 представлена конструктивная схема Г-образного невзаимного
волноводно-микрополоскового СВЧ - перехода, выполненного в Н-плоскости и
полученного путём модификации схемы невзаимного трёхканального
волноводно – микрополоскового делителя СВЧ-мощности [2].
6
Устройство состоит из предельного отрезка прямоугольного волновода (п.1),
вдоль узкой стенки которого расположен прямоугольный поперечно
намагниченный (магнитом SN) ферритовый вкладыш (п. 2). Верхняя широкая
стенка (п.3) отрезка предельного прямоугольного волновода (п. 1) со стороны
микрополоскового проводника (п. 5) снята на длине λв/4 (п. 4) (где λв – длина
волны в волноводе). На открытую часть ферритового вкладыша (п. 2) нанесен
микрополосковый проводник (п. 4). Укороченная широкая стенка (п. 3) отрезка
волновода (п.1) гальванически соединена с микрополосковым проводником (п.
4). Для эффективного преобразования волны типа Н10 в ПФВ вблизи торца
ферритового вкладыша введён реактивный элемент (п. 7), выполненный в виде
круглого металлического штыря. Штырь установлен с возможностью
продольного перемещения. Диаметр штыря равен λ в / 8, величина зазора между
торцом штыря и противоположной широкой стенкой отрезка волновода (п. 1)
выбирается из условия обеспечения на центральной рабочей частоте перехода
последовательного резонанса.
Принцип работы этого перехода аналогичен вышеописанному переходу (
рис. 1) и заключается в следующем. При возбуждении входного канала I волна
типа Н10 с помощью реактивного элемента (п. 7) преобразуется в ПФВ и
распространяется по внутренней поверхности ферритового вкладыша (п. 2) в
направлении выхода II и возбуждает микрополосковую линию 5. Малый
коэффициент отражения на стыке волноводной и микрополосковой линий
передачи обусловлен одинаковым типом волны, распространяющейся в этих
линиях, одинаковым их волновым сопротивлением и непрерывностью
продольной составляющей СВЧ тока. Преобразователь волны Н10 в ПФВ (п. 7)
работает следующим образом. При возбуждении волноводного входа энергия
электромагнитной волны Н10 из-за последовательного резонанса в контуре,
образованном металлическим штырём (выполняющим роль индуктивности) и
зазором между торцом штыря и экранной плоскостью (выполняющим роль
емкости), концентрируется в контуре. Близость штыря (п. 7) к торцу
7
ферритового вкладыша обеспечивает сильную связь волновода с ферритом и
эффективно преобразует волну Н10 в ПФВ. Согласование структуры поля в
контуре с полем ПФВ в ферритовом вкладыше обуславливает широкую
рабочую полосу частот и малый уровень вносимых потерь при преобразовании
волны Н10
в ПФВ. В обратном направлении (от выходного канала II к
входному I ) сигнал не распространяется, что связано с наличием
«электрической» стенки вдоль внешней границы ферритового вкладыша.
Величина намагниченности насыщения ферритового материала, величина
подмагничивающего поля и ширина ферритового вкладыша выбирались в
соответствии с рекомендациями работы [1] и для 2-х см. диапазона длин волн
составляют соответственно: 4πMs = 4800 Гс (марка феррита 1СЧ-4), Н = 2500 Э
(магнит марки КС-37), Wф = 3 мм. Длина и толщина ферритового вкладыша
составляют: Lф =10мм., tф = 1мм. Расстояние от выходных концов ферритовых
вкладышей до края укороченной широкой стенки волновода - 1,5 мм. Прибор
собран на волноводе сечением 13Х3,2 мм2.
Полоса рабочих частот перехода составляет 15%, КСВн входного и
выходного каналов– не более 1,15; прямое затухание – не более 0,35 дБ;
развязка между выходом и входом – не менее 35 дБ. Электрические параметры
устройства
сохраняются
в
интервале
температур
-60…..+800С.
Для
термостабилизации электрических параметров в приборе используются
термошунты, выполненные в виде пластин из материала 32Н6ХЮ. Пластины
расположены на внешних боковых поверхностях прямоугольных магнитов.
Габаритные размеры перехода составляют 30Х30Х25 мм3.
Внешний вид Г-образного невзаимного волноводно-коаксиального
перехода, выполненного в Н-плоскости изображен на рис. 5.
СВЧ -
8
На рис 6 представлена конструктивная схема невзаимного соосного
волноводно
модификации
–
микрополоскового
схемы
невзаимного
СВЧ-перехода,
полученного
трёхканального
путём
волноводно
–
микрополоскового делителя СВЧ-мощности [3].
Этот переход содержит отрезок предельного прямоугольного волновода
(п. 1), вплотную к одной из узких стенок которого расположен прямоугольный
поперечно – намагниченный полем Н ферритовый вкладыш (п. 2). На
диэлектрической подложке (п. 4) (из материала – поликор) расположен
полосковый проводник (п. 3). Проводник (п. 3) на диэлектрической подложке
(п. 4) размещён в прямоугольном отверстии короткозамыкателя (5). Г –
образный проводник (п. 7), расположенный на поверхности прямоугольного
ферритового вкладыша (п. 2) подключен к полосковому проводнику (п. 3),
9
который образует, совместно с внутренними поверхностями прямоугольного
отверстия в короткозамыкателе (п. 5) желобковую линию. Длина продольной
части Г-образного проводника (п.7) составляет не менее одной четвертой
центральной рабочей длины волны в отрезке предельного волновода (п. 1). В
широкой стенке отрезка волновода (п. 1) между торцом прямоугольного
ферритового вкладыша (п. 2) и диэлектрической подложкой (п. 4) установлен
металлический штырь (п. 6) с возможностью перемещения вдоль своей
продольной оси. Диаметр штыря составляет не более одной восьмой
центральной рабочей длины волны в отрезке предельного волновода (п. 1). При
возбуждении отрезка волновода сигнал, распространяясь по границе «феррит –
воздух», поступает в желобковую линию. В обратном направлении сигнал не
распространяется из-за наличия электрической стенки на внешней поверхности
ферритового вкладыша (п. 2). Металлический штырь (п. 6) трансформирует
волновое сопротивление отрезка (п. 1) до волнового сопротивления желобковой
линии и деформирует структуру СВЧ – поля в волноводном отрезке (п. 1),
приближая её к структуре поля в желобковой линии.
Известно [4], что невзаимные ферритовые СВЧ-приборы могут быть
реализованы не только при поперечном намагничивании ферритового слоя (т.е.
в направлении перпендикулярном широкой поверхности феррита), но и при
касательном намагничивании ферритового слоя.
На рис 7 представлена конструктивная схема невзаимного соосного
волноводно-микрополоскового
СВЧ-перехода,
с
касательным
подмагничиванием ферритового вкладыша. СВЧ-переход содержит отрезок
прямоугольного
волновода
(п.
1),
выполненного
по
тонкоплёночной
технологии и ферритовый образец, выполненный в виде прямоугольной
пластины (п. 2), намагниченной полем Н параллельно её широкой поверхности.
Одна поверхность ферритовой платины прилегает к одной из широких стенок
отрезка волновода, выполненной
диэлектрическому слою (п. 3).
в виде сужения (п. 4), а другая к
10
Продольная ось 00 сужения (п.4), параллельна или совпадает с продольной
осью
отрезка
волновода
(п.
1).
Ширина
ферритовой
пластины
и
диэлектрического слоя одинакова и равна ширине отрезка волновода (п. 1).
Толщина
прямоугольной
ферритовой
пластины
равна
толщине
диэлектрического слоя и определяется из соотношения:
|
𝝁(𝟏+𝝁⊥ )
𝟒𝒌𝟎 𝝁𝒂
| ≤ tф ˂ |
𝝁(𝟏+𝝁⊥ )
𝒌 𝟎 𝝁𝒂
| , (3)
где: tф – толщина прямоугольной ферритовой пластины;
𝝁⊥ =
𝝁𝟐 −𝝁𝟐𝟎
𝝁
− эффективная магнитная проницаемость ферритовой
пластины (величина отрицательная);
µ, µa – диагональная и недиагональная соответственно компоненты
тензора магнитной проницаемости феррита;
k0 – постоянная распространения среды, окружающей ферритовую
пластину.
11
Диэлектрическая проницаемость диэлектрического слоя (п. 3) равна или
меньше диэлектрической проницаемости прямоугольной ферритовой пластины
(п. 2).
Соотношение
(3)
получено
из
дисперсионного
уравнения
постоянной
распространения ТЕ – волны в двухслойном волноводе при поперечном
касательном подмагничивании, приведенного в работе [5], при ограничении
величины относительной постоянной распространения интервалом:
{ 1 ˂ k/k0 ≤ 4},
где: k – постоянная распространения волны в рассматриваемом СВЧустройстве.
При k/k0 ≤ 1 развязывающее устройство становится неработоспособным, т.к.
указанное соотношение является условием прекращения существования ПФВ.
При k/k0 > 4 в развязывающем устройстве начинают распространяться волны с
большой величиной “k”, что приводит к уменьшению вентильного отношения и
сужению рабочей полосы частот.
Физика работы перехода заключается в следующем. Известно [5], что
диапазон частот, в котором распространяется ПФВ ограничен интервалом
частот,
в
котором
эффективная
магнитная
проницаемость
𝝁⊥
имеет
отрицательное значение, т.е.
{( ω0 + Ɣ4πMs) ÷ √𝜔0 (Ɣ4πMs + 𝜔0 ) },
(4)
где: ω0 = ƔН0 – резонансная частота;
4πMs – намагниченность насыщения феррита;
Ɣ - гиромагнитное отношение.
При различных граничных условиях на противоположных поверхностях
ферритового слоя частоты отсечки ПФВ будут зависеть от направления её
12
распространения. В представленном на рис. 7 переходе ферритовая пластина
имеет границы раздела: «феррит – металл» и «феррит – диэлектрик». При
распространении ПФВ вдоль границы «феррит – металл» частотный диапазон
её существования определяется
вышеуказанным интервалом частот. При
распространении поверхностной волны вдоль границы «феррит – диэлектрик»
частотный диапазон её существования ограничен частотным интервалом:
{( ω0 + Ɣ2πMs) ÷ √𝜔0 (Ɣ4πMs + 𝜔0 ) }.
(5)
Таким образом, полоса частот в которой существует однонаправленное
распространение поверхностной волны составляет
{( ω0 + Ɣ2πMs) ÷( ω0 + Ɣ4πMs) }.
Для перехода 2-х см. диапазона длин волн толщина ферритовой пластины
(п. 2) составляет 1,6 мм; диэлектрическая проницаемость диэлектрического
слоя (п. 3) равна 9,8 (марка диэлектрика - поликор); намагниченность
насыщения ферритовой пластины составляет 4800 гс (марка феррита 1СЧ-4);
сечение отрезка волновода (п. 1) составляет 13 х 3,2 мм, длина ферритовой
пластины составляет 4 мм.
Переход в полосе частот 15% имеет прямое затухание не более 0,4 дБ ( в
полосе частот 10% прямое затухание составляет не более 0,3 дБ), обратное
затухание не менее 30дБ, КСВН не более 1,15; вентильное отношение более 75
дБ.
На рис. 8 приведен внешний вид невзаимных соосных волноводнокоаксиальных СВЧ-переходов 2-х сантиметрового диапазона длин волн.
13
II Взаимные СВЧ-переходы и СВЧ-соединители
Соосный волноводно-микрополосковый СВЧ-переход
На рис. 9 представлен соосный волноводно – микрополосковый СВЧпереход; на рис. 10 – сечение А – А на рис.9 [6].
Переход
содержит
отрезок
прямоугольного
волновода
(п.1),
короткозамыкатель (п. 2) и отрезок микрополосковой линии (п. 3) с
токонесущим проводником (п.4) на диэлектрической подложке (п. 5). Конец
14
токонесущего проводника (п.4) введён в волновод через отверстие (п. 6) в
короткозамыкателе (п. 2) и соединен с меньшим основанием
трансформирующего элемента (п. 7), выполненного в виде усеченного конуса.
Элемент настройки выполнен в виде металлического поршня (п. 8). Большое
основание конуса (п. 7) установлено на одной из широких стенок волновода
(п.1). Металлический поршень (п. 8) расположен соосно с конусом (п. 7) и
имеет возможность перемещения вдоль своей оси. Причем диаметры D
металлического поршня (п.8) и большого основания конуса, диаметр d малого
основания конуса и расстояние L от короткозамыкателя до оси усеченного
конуса выбраны из соотношений:
D = λв / 2; d = W; L = D/2,
где: λв – средняя рабочая длина волны в отрезке прямоугольного волновода;
W – ширина токонесущего проводника отрезка микрополосковой линии
(п. 3).
Переход работает следующим образом. При возбуждении отрезка волновода
(п.1) энергия электромагнитной волны волноводного типа Н10 из-за
последовательного резонанса в контуре, образованном металлическим конусом
(п. 7) и зазором Z между конусом (п. 7) и поршнем (п. 8), активно
концентрируется в указанном зазоре. Гальваническая связь конца токонесущего
проводника (п. 4) микрополсковой линии (п. 3) с малым основанием конуса (п.
7), а также близость металлического поршня (п. 8) и конуса (п. 7) к
микрополосковой
линии
(п.
3)
позволяет
обеспечить
сильную
электромагнитную связь отрезка волновода с микрополсковой линией (п. 3).
Адекватность структуры полей в последовательном контуре и рабочего типа
волны (квази ТЕМ) в микрополсковой линии (п. 3) позволяет преобразовать
волну Н10 в квази ТЕМ – волну с высоким коэффициентом передачи. Таким
образом, локальное соосное расположение соосного металлического конуса (п.
7) и металлического поршня (п. 8), имеющего возможность перемещения,
обеспечивает простоту настройки СВЧ – перехода, а согласование структуры
СВЧ – поля в контуре с полем в микрополосковой линии обуславливает малые
электромагнитные потери при преобразовании волны типа Н10 в квази – ТЕМ волну.
Соосный волноводно – микрополсковый переход, собранный на волноводе
сечением 7,2 Х 3,4 мм2 и микрополосковой линии на поликоровой подложке
имеет следующие конструктивные параметры: D = 4,9 мм, d = 0,25 мм; h = 3,1
мм; Z = 0,12 мм; W = 0,25 мм; L = 2,45 мм.
15
Переход в полосе частот 6 ГГц имеет уровень электромагнитных потерь не
более 0,2 дБ.
Разработанная конструкция перехода по сравнению с известными [7]
имеет проще настройку и на 0,25 ÷ 0,35 дБ меньше уровень электромагнитных
потерь.
Оригинальный герметичный СВЧ-соединитель для интегральных СВЧсхем
Недостатками известного герметичного СВЧ-соединителя (прототипа)
[8] являются сложность конструкции, обусловленная наличием двух
керамических рамок, необходимостью точного совмещения этих рамок,
большим числом спаиваемых слоёв, а также необходимостью использования
герметизирующей диэлектрической пасты и сравнительно большой уровень
электромагнитных потерь особенно в высокой части СВЧ-диапазона.
Цель разработки – создание простой конструкции герметичного
СВЧ – соединителя интегральных схем, обладающего малым уровнем
вносимых электромагнитных потерь.
На рис. 11 представлена конструктивная схема герметичного корпуса (с
приподнятой крышкой), а на рис. 12 - герметичный СВЧ-соединитель [9].
Описываемый СВЧ-соединитель [9 ] не имеет недостатков прототипа [8].
16
Герметичный
корпус
содержит
металлическое
основание
(п.1),
металлическую крышку (п. 2) и микрополосковые СВЧ –соединители (п. 3).
Крышка (п. 2) имеет отбортовку (п. 4), выполненную перпендикулярно
плоскости крышки (п. 2). В отбортовке (п. 4) крышки (п. 2) сделаны
прямоугольные сквозные вырезы (п. 5) , число которых равно числу
микрополосковых СВЧ-соединителей (п. 3). Каждый микрополосковый СВЧ –
соединитель (п. 3) содержит одну прямоугольную диэлектрическую подложку
(п. 6), ширина которой равна соответствующему размеру прямоугольного
сквозного выреза (п. 5) и ширине прямоугольного микрополоскового
расширения W, выбранного из соотношения:
0.7
Длина
L
𝝀𝟎
√Ɛд
диэлектрической
≤ 𝑾 ≤ 𝟎. 𝟖
𝝀𝟎
√Ɛд
подложки
(п.
.
6)
равна
общей
длине
микрополоскового проводника, расположенного на диэлектрической подложке,
и составляет не менее
𝛌𝟎
0,5
𝛌
√Ɛд −( 𝟎 )𝟐
𝟐𝐖
На
одной
из
широких
поверхностей
диэлектрической
подложки
выполнено микрополосковое прямоугольное расширение, оси которого LL` и
ОО` совпадают с соответствующими осями диэлектрической подложки (п.
6). Длина F прямоугольного микрополоскового расширения определяется
рабочим диапазоном частот и составляет:
0.5
𝛌𝟎
𝛌
√Ɛд −( 𝟎 )𝟐
𝟐𝐖
Другие продольные поверхности диэлектрической подложки (п. 6) сплошь
металлизированы. Диэлектрические подложки расположены в прямоугольных
сквозных вырезах (п. 5) отбортовки (п. 4) крышки (п. 2). Толщина отбортовки
(п. 4) крышки (п. 2) не превышает длины F микрополоскового прямоугольного
17
расширения. Металлическое основание (п. 1), полностью металлизированные
поверхности диэлектрической подложки (п. 6) и крышка (п. 2) гальванически
связаны, например спаяны между собой так, что отбортовка (п. 4) крышки (п. 2)
не выступает за длину F микрополоскового прямоугольного расширения и
имеет с ней и с основанием (п. 1) гальваническую связь по всему периметру.
Прямоугольный сквозной вырез (п. 5), выполненный в отбортовке (п. 4)
крышки (п. 2) , также имеет гальваническую связь по периметру с
металлизациями диэлектрической подложки (п. 6).
Герметичный корпус работает следующим образом. При возбуждении
микрополоскового
СВЧ – соединителя (п. 3) волна типа квази –ТЕМ
распространяется вдоль оси LL’ по несимметричной микрополосковой линии,
экранной плоскостью которой является металлическое основание (п. 1). За счет
прямоугольного расширения микрополоскового проводника F, ширина W
которого выбирается из интервала
𝟎. 𝟕
𝝀𝟎
√Ɛд
≤ 𝑾 ≤ 𝟎. 𝟖
𝝀𝟎
√Ɛд
,
а длина составляет:
0.5
𝛌𝟎
𝛌
√Ɛд −( 𝟎 )𝟐
𝟐𝐖
и гальванической связи микрополоскового расширения со сплошной
металлизацией продольных поверхностей диэлектрической подложки (п. 6),
квази – ТЕМ волна трансформируется в низший тип волны Н10
и
распространяется в прямоугольном волноводе, полностью заполненном
диэлектриком,
образованном
поверхностями
диэлектрической
прямоугольного
волновода,
металлизированными
подложки
заполненного
(п.
6).
диэлектриком,
продольными
На
выходе
волна
трансформируется обратно в волну квази –ТЕМ типа. Длина F равная:
Н10
18
0.5
𝛌𝟎
𝛌
√Ɛд −( 𝟎 )𝟐
,
𝟐𝐖
являясь практически полуволновым отрезком линии, обеспечивает хорошее
согласование входа и выхода СВЧ – соединителя, т.к. имеет коэффициент
трансформации 1:1.
Уменьшение
электромагнитных
потерь
достигается
за
счет
использования в средней части микрополоскового СВЧ – соединителя
прямоугольного волновода и, следовательно, существенного снижения по
сравнению с прототипом [8] концентрации СВЧ тока в средней части
токонесущего проводника, и ликвидации электромагнитного излучения из
средней части токонесущего проводника.
Герметичность корпуса обеспечивается за счет пайки отбортовки (п. 4)
крышки
(п.
2)
и
металлизированных
продольных
поверхностей
диэлектрической подложки (п. 6). Упрощение по сравнению с прототипом
[8]
описываемой
конструкции
герметичного
корпуса
связано
с
использованием однослойного СВЧ –разъёма и снижением конструктивного
допуска
на
расположение
отбортовки
(п.
4)
крышки
(п.
2)
на
микрополосковом проводнике диэлектрической подложки (п. 6).
В качестве образца изготовлен герметичный корпус для интегральных
микрополосковых схем, работающих в
1,5 –см. диапазоне длин волн.
Материал основания и крышки - ковар. Диэлектрическая пластина
выполнена из поликора, с диэлектрической проницаемостью 9,8. Ширина
диэлектрической
пластины
равна
ширине
микрополоскового
прямоугольного расширения. Последняя выбиралась из соотношения:
𝟎. 𝟕
𝝀𝟎
√Ɛ д
≤ 𝑾 ≤ 𝟎. 𝟖
𝝀𝟎
√Ɛ д
19
и составляет W = 5мм. Длина диэлектрической подложки L выбиралась из
конструктивных соображений с учетом условия L ≥ F и составляет 6 мм.
Длина микрополоскового прямоугольного расширения определялась из
соотношения:
0.5
𝛌𝟎
𝛌
√Ɛд −( 𝟎 )𝟐
.
𝟐𝐖
и составляет 3 мм. Толщина диэлектрической подложки составляет 0,5 мм.
Металлизация изготавливалась по толстоплёночной технологии из пасты
3711(АУЭО.027.005 ТУ). Основание, крышка и СВЧ – соединители паялись
одновременно.
Герметичный корпус в диапазоне частот 20 ГГц имеет электромагнитные
потери не более 0,25 дБ, КСВН не более 1,12. Корпус, созданный по схеме
прототипа, в более низком диапазоне частот (18Ггц) имеет КСВН = 1,25, а
электромагнитные потери 0,5дб.
Таким образом, преимуществами описанного герметичного корпуса по
сравнению с прототипом являются упрощение конструкции, обусловленное
тем, что СВЧ-разъём в корпусе содержит одну диэлектрическую подложку, что
позволяет уменьшить число сочленяемых элементов. Введение прямоугольного
микрополоскового расширения в средней части микрополоскового проводника
позволяет снизить более чем на порядок конструктивный допуск на
расположение крышки относительно СВЧ – разъёмов; снижение на 50% уровня
электромагнитных потерь путём снижения плотности СВЧ тока в токонесущем
микрополосковом проводнике СВЧ –разъёма из-за расширения его центральной
части и путём снижения электромагнитного излучения из-за гальванической
связи
прямоугольного
микрополоскового
расширения
металлизацией узких стенок диэлектрической подложки.
со
сплошной
20
Простой соединитель микрополосковых СВЧ – устройств.
Описываемый в этом разделе соединитель может быть использован
при соединении и настройки микрополосковых СВЧ – устройств в активных
приемопередающих системах СВЧ, а также в пассивных фильтрующих и
распределительных СВЧ – устройствах, имеющих гибридно – интегральное
исполнение.
Прототипом
описываемого
соединителя
является
соединитель
микрополосковых СВЧ – устройств, содержащий металлический экран, на
котором расположены на расстоянии одна от другой две диэлектрических
подложки одинаковой толщины с токонесущими проводниками, соединенными
между собой металлической перемычкой [10].
Недостатком известного соединителя являетс низкий коэффициент
передачи между соединяемыми микрополосковыми СВЧ – устройствами,
который связан со скачком волноводного сопротивления между соединяемыми
микрополосковыми СВЧ – устройствами и излучением СВЧ – линии,
образованной металлической перемычкой и металлическим основанием,, за
счет зазора между торцевыми поверхностями диэлектрических подложек и
выпуклой формы, соединяющей перемычки, находящейся в плоскости
расположения токонесущих проводников.
Цель разработки
–
увеличение коэффициента передачи
между
соединяемыми микрополосковыми СВЧ – устройствами.
Описываемый СВЧ-соединитель микрополсковых СВЧ – устройств,
содержит металлический экран, на котором расположены на расстоянии одна
от
другой
две
диэлектрических
подложки
одинаковой
толщины
с
токонесущими проводниками, соединенными между собой металлической
перемычкой.
Расстояние
от
металлического
экрана
до
металлической
перемычки, расположенной между торцевыми поверхностями диэлектрических
21
подложек, меньше толщины диэлектрических подложек, а расстояние между
диэлектрическими подложками выбрано в интервале λ/10 – λ/4, где λ – средняя
длина рабочего диапазона длин волн в свободном пространстве.
Увеличение коэффициента передачи между соединяемыми СВЧ –
устройствами связано с обеспечением согласования между устройствами путём
выбора волнового сопротивления СВЧ – линии, образованной металлической
перемычкой и металлическим экраном, равным входному сопротивлению
соединяемых микрополосковых СВЧ – устройств. Это достигается за счет
выбора расстояния от металлического экрана до металлической перемычки,
расположенной между торцевыми поверхностями диэлектрических подложек,
менее толщины диэлектрической подложки, а также за счет выбора расстояния
между торцевыми поверхностями диэлектрических подложек из интервала λ/10
– λ/4.
При этом приближение к максимальному коэффициенту передачи между
соединительными микрополосковыми СВЧ – устройствами достигается при
величине расстояния между металлическим экраном и металлической
перемычки менее t, (t – толщина диэлектрических подложек) так как, при
данном расстоянии волновое сопротивление СВЧ – линии, образованной
металлической перемычкой и металлическим экраном, близко волновому
сопротивлению соединяемых токонесущих проводников. Указанный интервал
расстояния λ/10 – λ/4 между торцевыми поверхностями диэлектрических
подложек
позволяет
в
широких
пределах
согласовать
реактивные
составляющие входных сопротивлений соединяемых микрополосковых СВЧ –
устройств.
При
величине
диэлектрических
расстояния
подложек
между
более
λ/4
торцевыми
происходит
поверхностями
увеличение
электромагнитных потерь за счет увеличения длины линии, образованной
металлической перемычкой и металлическим экраном, имеющей повышенные
22
по сравнению с несимметричной микрополосковой линией, выполненной на
диэлектрической подложке, поля рассеяния.
Если расстояние между торцевыми поверхностями диэлектрических
подложек микрополосковых линий составляет менее λ/10, то соединяющая
перемычка представляет сосредоточенный элемент, что ограничивает диапазон
регулировки волнового сопротивления и, следовательно, не позволяет достичь
максимального
уровня
коэффциента
передачи
между
соединяемыми
микрополосковыми СВЧ – устройствами. Кроме того, при малых расстояниях
(менее λ/10) между торцевыми поверхностями диэлектрических подложек
возникают технологические трудности по регулировке изгиба перемычки.
На
рис.
13
(а)
представлен
продольный
разрез
соединителя
микрополосковых СВЧ – устройств; на рис. 13 (б).– то же, вид сверху.
Соединитель микрополосковых СВЧ – устройств содержит металлический
экран
(п.
1),
на
котором
расположены
две
одинаковой
толщины
23
диэлектрические подложки (п. 2, п. 3).
На этих подложках расположены
токонесущие проводники (п. 4, п. 5), концы (п. 6, п.7) которых соединены
металлической перемычкой (п. 8). Расстояние от металлического экрана (п. 1)
до металлической перемычки (п. 8), расположенной между торцевыми
поверхностями диэлектрических подложек (п. 2, п. 3), менее их толщины (t).
Расстояние между диэлектрическими подложками (п. 2, п. 3) выбирается из
интервала λ/10 – λ/4. При расстоянии между металлическим экраном (п. 1) и
металлической перемычки (п. 8) менее t
коэффициент передачи между
соединяемыми
–
микрополосковыми
СВЧ
устройствами
близок
к
максимальной величине.
Соединитель работает следующим образом.
При возбуждении одного из
токонесущих проводников (п. 4) СВЧ – сигнал распространяется через
металлическую перемычку (п. 8). За счет выбора расстояния между
металлическим экраном (п. 1) и токонесущим проводником (п. 8) менее
толщины диэлектрической подложки (п. 2) обеспечивается согласование
входных сопротивлений соединяемых микрополосковых СВЧ – устройств.
Если расстояние между металлическим экраном (п. 1) и металлической
перемычкой (п. 8) менее t , коэффициент передачи между соединяемыми
микрополосковыми СВЧ – устройствами близок к максимальной величине.
Выбор расстояния между диэлектрическими подложками (п. 2) и (п. 3) из
интервала λ/10 – λ/4 позволяет компенсировать не только активную, но и
реактивную
составляющие
входного
импеданса
соединяемых
микрополосковых СВЧ – устройств. Согласование входного импеданса
микрополосковых устройств обеспечивает передачу СВЧ – сигнала через
металлическую перемычку (п. 8) практически без отражения.
Таким образом, соединитель микрополосковых СВЧ – устройств
обеспечивает
высокий
коэффициент
микрополосковыми СВЧ – устройствами.
передачи
между
соединяемыми
24
Список литературы
1. Кирсанов Ю.А. и др. Экспериментальные результаты исследования
волноводно – коаксиальных циркуляторов СВЧ. – Электронная техника. Сер.
Электроника СВЧ, 1980, вып. 2, с. 95 – 98.
2. Кирсанов Ю.А. и др. «Делитель СВЧ – мощности». Патент Р.Ф. № 1145873,
Н 01 Р 5/12, 1983г.
3. Кирсанов Ю.А. и др. «Невзаимный делитель мощности». А.С. СССР
№ 1567050, Н 01 Р 5/16, 1990г.
4. Кирсанов Ю.А. и др. «Развязывающее СВЧ-устройство». А.С. СССР
№ 1340531, Н 01 Р 1 / 36,1987г.
5. Нефёдов Е.Н., Фиалковский А.Т. Полосковые линии передачи, М., Наука
1980г.
6. Кирсанов Ю.А. и др. «Соосный волноводно – микрополосковый СВЧ переход».
А. С. СССР, № 1716582 , Кл. Н 01 Р 5/103, 1991г.
7. Заявка Японии № 63 – 65654, кл. Н 01Р 1/04, 1988 г.
8. Патент Великобритании № 2193601, кл. Н 01 Р 11/00, 1988г.
9. Кирсанов Ю.А. и др. «Герметичный корпус для интегральной схемы СВЧ».
Патент Р.Ф. № 2012172 , Кл. 5 Н 05 К 5/06, Н 01 Р 11/00, 1994г.
10. Заявка Японии № 63 – 65654, кл. Н 01Р 1/04, !988г.
11. Кирсанов Ю.А. и др. «Соединитель микрополосковых СВЧ – устройств».
Патент Р.Ф. № 2058628, Кл. 6 Н 01 Р 1/04, 1996 г.