Исследование микрополосковых структур с активными средами и создание управляемых СВЧ фазовращателей на их основе

Лемберг, Константин Вячеславович

Исследование микрополосковых структур с активными средами и создание управляемых СВЧ фазовращателей на их основе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Лемберг, Константин Вячеславович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Красноярск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование микрополосковых структур с активными средами и создание управляемых СВЧ фазовращателей на их основе»

Автореферат диссертации на тему "Исследование микрополосковых структур с активными средами и создание управляемых СВЧ фазовращателей на их основе"

На правах рукописи

Лемберг Константин Вячеславович

ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОПОЛОСКОВЫХ СТРУКТУР С АКТИВНЫМИ СРЕДАМИ И СОЗДАНИЕ УПРАВЛЯЕМЫХ СВЧ ФАЗОВРАЩАТЕЛЕЙ НА ИХ ОСНОВЕ 01.04.03 - радиофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 9 СЕН 2013

005533166

Красноярск 2013

005533166

Работа выполнена в Учреждении Министерства образования и науки РФ ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор, Беляев Борис Афанасьевич

доктор физико-математических наук, профессор, Слабко Виталий Васильевич, зав. кафедрой фотоники и лазерной техники ФГАОУ ВПО

«Сибирский федеральный университет»

кандидат технических наук, доцент, Бутаков Сергей Владимирович, проректор ФГБОУ ВПО

«Красноярский государственный педагогический университет им. В. П. Астафьева»

ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский Государственный Университет»

Защита состоится « И » 2013 г. в 14.30 на заседании диссер-

тационного совета Д 003.055.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки «Институт физики им. Л. В. Киренского» Сибирского отделения Российской академии наук по адресу: 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50, стр. 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики им. Л. В. Киренского СО РАН.

Автореферат разослан « Ц » ^гм^ллмл,Ь^2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук

Втюрин А. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

В настоящее время происходит интенсивное развитие радиотехнических систем общего (связь, локация, навигация) и специального назначений. Одним из направлений развития таких систем является улучшение их характеристик за счет применения пространственной селекции сигналов, для чего используются различные виды фазированных антенных решеток (ФАР). Применение ФАР позволяет существенно увеличить информационную емкость телекоммуникационных, быстродействие радиолокационных и помехозащищенность радионавигационных систем, а также улучшить другие их характеристики.

Важнейшими элементами фазированных антенных решеток являются сверхвысокочастотные фазовращатели (СВЧ ФВ), к которым в связи с вышесказанным предъявляются все более высокие требования по электрическим характеристикам и другим параметрам - таким как габариты, технологичность изготовления и стоимость, что обуславливает актуальность исследований, направленных на улучшение параметров этих устройств.

На сегодняшний день разработано большое количество конструкций СВЧ фазовращателей, основанных на разных физических принципах построения и использующих для управления фазой электромагнитной волны различные активные материалы или элементы (такие материалы или элементы, параметры которых изменяются под воздействием управляющего электрического или магнитного поля, температуры, давления и т.д., в данной работе названы активными средами). Наиболее широкое распространение в фазированных антенных решетках получили ферритовые фазовращатели на основе волноводных линий передачи, однако в современной радиоаппаратуре они зачастую не удовлетворяют требованиям по массогабаритным и электрическим характеристикам. Именно поэтому в последние годы активно ведется поиск и исследование новых типов СВЧ фазовращателей, использующих новые активные среды и принципы построения. Один из таких принципов, названный резонансным, был предложен в Институте физики им. Л. В. Киренского СО РАН. Он заключается в использовании связанных микрополосковых резонаторов с активными средами для построения целого ряда управляемых устройств СВЧ техники: фильтров, устройств защиты от радиоимпульса и др.

(ЖК), планарные структуры на основе тонких магнитных пленок (ТМП) и ферриты. Применение ферритов в микрополосковых линиях (МПЛ) позволяет совместить преимущества феррита как активной среды и миниатюрность МПЛ. В свою очередь, тонкие ферромагнитные пленки на основе сплавов Бе, N1, Со, по сравнению с массивными ферритами, требуют меньшей напряженности управляющего поля вследствие большего значения намагниченности насыщения и малости полей анизотропии, а планарные устройства на их основе лучше совместимы с интегральной технологией изготовления СВЧ схем. Интерес к жидким кристаллам связан с тем, что они являются перспективной активной средой для фазовращателей миллиметрового диапазона длин волн, благодаря сравнительно низким потерям и высокому значению анизотропии диэлектрической проницаемости в этом диапазоне.

В связи с этим резонансные конструкции фазовращателей на основе указанных активных сред представляют большой интерес для технических приложений радиофизики, а исследования таких конструкций являются весьма актуальными.

Целью работы являлось исследование резонансных конструкций СВЧ фазовращателей с использованием в качестве активных сред жидких кристаллов, тонких магнитных пленок и ферритов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- исследование особенностей распространения электромагнитных волн в микрополосковых структурах, содержащих активные среды;

- исследование основных характеристик различных конструкций резонансных фазовращателей на микрополосковых структурах с активными средами;

- разработка и создание действующих макетов резонансных фазовращателей на основе микрополосковых структур, содержащих жидкие кристаллы, магнитные пленки, ферриты, а также исследование их характеристик.

Научная новизна работы

- Изучены закономерности поведения амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик резонансных микрополосковых структур с активными средами, позволившие выявить их особенности, важные для улучшения параметров электрически управляемых фазовращателей;

- показана возможность создания электрически управляемых резонансных фазовращателей с жидкокристаллической активной средой, перспективных для применения в миллиметровом диапазоне длин волн;

- разработаны новые, перспективные для применения в сантиметровом и

дециметровом диапазонах длин волн конструкции резонансных СВЧ фазовращателей на основе микрополосковых структур, содержащих в качестве активных сред ферриты и тонкие магнитные пленки.

Практическая значимость работы

- Результаты исследований позволяют определить необходимые конструктивные параметры резонансных фазовращателей для реализации устройств с заданными основными характеристиками;

- сформулированы рекомендации, позволяющие при проектировании резонансных фазовращателей улучшить их основные характеристики;

— показано, что на основе исследованных конструкций фазовращателей могут быть реализованы устройства дециметрового, сантиметрового и даже миллиметрового диапазонов длин волн, имеющие управляемый фазовый сдвиг до 360° и высокий фактор качества — до 150 °/дБ;

— выявлены достоинства и недостатки разработанных конструкций фазовращателей, предложены пути улучшения их характеристик, а также обозначены перспективы их применения.

Методы исследования

В работе были использованы: феноменологическое описание зависимостей характеристик резонансных микрополосковых структур от их основных параметров, численный расчет параметров микрополосковых структур на основе квазистатического приближения, метода моментов и метода конечных элементов. Проверка теоретических положений и расчетов выполнялась экспериментально посредством измерения частотных зависимостей элементов матрицы рассеяния изготавливаемых макетов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Для фильтров, имеющих чебышевскую характеристику, отношение величины набега фазы в полосе пропускания к количеству звеньев фильтра может изменяться от 90° до 180°, возрастая с увеличением коэффициента отражения в полосе пропускания фильтра и количества его звеньев.

2. Характер зависимости величины управляемого фазового сдвига резонансного фазовращателя на основе полосно-пропускающего фильтра от его основ-

ных конструктивных параметров определяется формулой Аф = . f-, где

Ф - величина набега фазы в полосе пропускания фильтра, 5f jf0 — относительная полоса рабочих частот фазовращателя, и 5е - величина, характеризующая

анизотропию эффективной диэлектрической (или магнитной) проницаемости подложки устройства.

3. На основе связанных микрополосковых резонаторов на подложке с управляемой диэлектрической или магнитной проницаемостью возможно создание электрически управляемого СВЧ фазовращателя с габаритами существенно меньшими, чем у фазовращателя на основе согласованной линии передачи на той же подложке с тем же значением управляемого фазового сдвига.

Степень достоверности полученных результатов

Обоснованием достоверности полученных теоретических выводов является их согласие с результатами экспериментальных исследований. Достоверность результатов измерений подтверждается использованием оборудования, обеспечивающего необходимую точность эксперимента. Достоверность результатов использованных в работе численных расчетов подтверждается применением адекватных решаемым задачам современных методов расчета.

Апробация результатов исследования

По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 3 статьи в журналах из перечня ВАК, получен 1 патент на изобретение.

Результаты работы докладывались на Всероссийских с международным участием научно-технических конференциях «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2009, 2010 и 2011 гг.), на Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ аспирантов и молодых ученых (Санкт-Петербург, 2010), на Международных научно-практических конференциях «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2010 и 2012 гг.), на Международной Крымской конференции «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, 2010), и на Всероссийской конференции по жидким кристаллам (Иваново, 2012).

Результаты, полученные в процессе работы над диссертацией, явились основой для участия автора в НИР «Разработка основанных на новых физических принципах управляемых частотно-селективных устройств для систем радиолокации, радионавигации и связи» (2010-2012 гг.) и НИР «Создание управляемых СВЧ фазовращателей на новых физических принципах» (2010-2011 гг.), проводимых в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», в качестве исполнителя и руководителя, соответственно.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 108 страницах, включает 69 рисунков и 6 таблиц. Список литературы включает 83 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, показана научная новизна и практическая значимость результатов работы, перечислены положения, выносимые на защиту, а также приведены сведения об апробации материалов диссертации.

В первой главе рассмотрена классификация СВЧ фазовращателей, их основные характеристики, а также проведен обзор современных исследований по данной тематике, на основе которого сформулированы достоинства и недостатки существующих устройств. В качестве основного признака, по которому проведена классификация, принят тип используемой активной среды. По этому признаку можно выделить ферритовые, полупроводниковые, сегнетоэлектриче-ские и микроэлектромеханические (МЭМС) фазовращатели. В результате анализа литературы установлено, что основными недостатками ферритовых ФВ являются большие габариты и масса, а также большая величина управляющих полей. Полупроводниковые и сегнетоэлектрические ФВ имеют высокие потери в верхней части сантиметрового и миллиметровом диапазонах длин волн, кроме того, для последних необходимы большие управляющие напряжения. МЭМС фазовращатели весьма сложны в производстве и имеют ограниченное количество переключений. Сделан вывод о том, что разработка и исследование новых устройств, способных преодолеть указанные недостатки, является актуальной задачей. При этом особое внимание следует уделить устройствам на основе активных сред, способных работать в миллиметровом диапазоне длин волн, устройствам на основе миниатюрных и технологичных в производстве микро-полосковых линий, а также устройствам на основе новых физических принципов построения, позволяющих улучшить характеристики управляемых ФВ. В связи с этим представляют интерес миниатюрные резонансные конструкции микрополосковых фазовращателей, одна из которых была впервые предложена в[1].

В качестве важного параметра, характеризующего конструкцию фазовращателя, выделен фактор качества (ФК) - отношение максимального управляемого сдвига фазы к средним потерям в рабочей полосе частот [2]. ФК исследуемых в различных работах фазовращателей лежит в диапазоне от нескольких десятков до нескольких сотен градусов на децибел, а у применяемых на практике ФВ он составляет не менее 100 °/дБ.

Во второй главе описывается резонансный принцип построения управляемых СВЧ фазовращателей, рассматриваются типы микрополосковых струк-

тур, которые могут использоваться для создания резонансных фазовращателей, а также приводятся результаты теоретического исследования зависимостей их основных характеристик - управляемого фазового сдвига и полосы рабочих частот, от конструктивных параметров.

Принцип работы резонансного фазовращателя наиболее удобно пояснить, если представить его как микрополосковый фильтр, выполненный на подложке с управляемой диэлектрической или магнитной проницаемостью, параметры которого

специальным образом оптимизированы для Рисунок 1 - АЧХ (а) и ФЧХ (б)

резонансного фазовращателя при использования в качестве управляемого изменении диэлектрической или фазовращателя. На рис. I изображен сдвиг магнитной проницаемости подложки амплитудно-частотной (АЧХ) и фазо-

частотной (ФЧХ) характеристик микрополоскового полосно-пропускающего фильтра по оси частот при изменении параметров подложки. Как видно, существует область частот 5/ в которой прямые потери прошедшего сигнала практически не изменяются, а его фаза изменяется существенно. Эта область называется полосой рабочих частот резонансного фазовращателя. Управляемый фазовый сдвиг сигнала при изменении параметров подложки в резонансном фазовращателе оказывается существенно большим, чем у известной конструкции на основе согласованной линии передачи [3], имеющей длину, равную сумме длин резонаторов в рассматриваемой структуре. Резонансный фазовращатель по сравнению с упомянутой конструкцией обладает не только увеличенным фазовым сдвигом, но и частотной избирательностью, что может исключить применение дополнительных частотно-селективных цепей в некоторых устройствах.

Для создания резонансных фазовращателей могут использоваться большинство микрополосковых структур, применяемых для создания микрополос-ковых фильтров. Это структуры на основе гальванически связанных полуволновых резонаторов (рис. 2, а), электромагнитно связанных полуволновых резонаторов (рис. 2, б), электромагнитно связанных четвертьволновых резонаторов (рис. 2, в), и другие.

Резонансный фазовращатель, в зависимости от ширины полосы рабочих частот, анизотропии активной среды, количества резонаторов (звеньев) используемой микрополосковой структуры, может иметь различную величину

— -

управляемого сдвига фазы. Характер перечисленных зависимостей не является очевидным и был установлен в диссертационной работе, для чего, в первую очередь, были исследованы особенности ФЧХ полосно-пропускающих фильтров. Исследования проводились на моделях с сосредоточенными элементами без потерь, однако их результаты обобщены на Рисунок 2 - Примеры микрополосковых любые фильтры, имеющие чебышевскую структур, которые могут быть использо-

характеристику, в том числе и микропо- ваны дм создания Ре™сных фазовра-

гцателеи

лосковые, так как их частотные характеристики вблизи полосы пропускания описываются одной и той же комплексной функцией.

В результате установлено, что величина набега фазы в полосе пропускания по уровню —3 дБ чебышевского фильтра, отнесенная к количеству звеньев фильтра (набег фазы на одно звено, обозначенный в работе как Ф\), может изменяться от 90° до 180° и зависит только от количества звеньев и максимальной величины коэффициента отражения в полосе пропускания /?тах, на которую фильтр настроен. Зависимости для количества звеньев п = 1... 12 при различных значениях коэффициента отражения приведены на рис. 3.

С использованием полученной зависимости, для Ятлх = —14 дБ была получена аппроксимация ФЧХ полосно-пропускающего фильтра и формула

лф,

Дер =

8///о ц'

(1)

бе

где

5е =

Ф = их(-0,34И2+9,2« + 81,2),

л/ё %/е

Де/

72 V /2 Она описывает зависимость величины управляемого фазового сдвига в ра-

150 140 130 120 110 100 90 80

8 10 12

Рисунок 3 — Зависимости набега фазы на бочей полосе частот резонансного фазо- одно звено от числа звеньев в ППФ, по-

вращателя Дф от количества резонаторов

в нем п, относительной ширины полосы

его рабочих частот Ь/, величины £ и ани-

строенные для различных уровней коэффициента отражения в полосе пропускания

зотропии Де диэлектрической проницаемости подложки. Фазовращатель на магнитной подложке будет описываться теми же формулами с заменой 8 на ц.

Полученная формула позволила выявить следующие закономерности поведения управляемого сдвига фазы резонансного фазовращателя:

- при фиксированной анизотропии активной среды и увеличении полосы рабочих частот Д<р уменьшается по закону, близкому к гиперболическому. При этом полоса фильтра, необходимая для обеспечения заданной ширины полосы рабочих частот линейно растет (рис. 4, а);

- при фиксированной ширине полосы рабочих частот увеличение анизотропии активной среды будет приводить к росту величины Д<р по закону, близкому к логарифмическому, с одновременным линейным увеличением необходимой ширины полосы устройства как фильтра (рис. 4, б)\

- при увеличении количества звеньев и неизменности остальных параметров Дф растет практически линейно (рис. 4, в).

Получаемые по формуле (1) значения фазового сдвига носят характер предельно достижимых. Они будут иметь место при бесконечной собственной добротности резонаторов фазовращателя. Управляемый фазовый сдвиг реальных устройств, имеющих потери в проводниках и диэлектриках, будет ниже. Тем не менее, на качественном уровне полученная формула адекватно описывает поведение основных характеристик управляемого резонансного фазовращателя, что подтверждается сравнением получаемых с ее помощью зависимостей с таковыми, рассчитанными в квазистатическом приближении. Также она позволяет в первом приближении оценить необходимые параметры конструкции для достижения заданного фазового сдвига и ширины полосы устройства.

В заключении второй главы сформулированы рекомендации по проектированию резонансных ФВ, заключающиеся в необходимости использования для получения максимального управляемого сдвига фазы как можно более широко-

(а) (б) («)

Рисунок 4 - Зависимости управляемого сдвига фазы резонансного фазовращателя и требуемой ширины полосы пропускания фильтра, на котором он построен, от различных параметров

полосных фильтров, позволяющих реализовать заданную ширину рабочей полосы частот устройства, и фильтров, настроенных на максимально возможный уровень коэффициента отражения.

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований микрополосковых структур с жидкими кристаллами и резонансных фазовращателей на их основе.

Молекулы ЖК способны ориентироваться по направлению внешнего электрического или магнитного поля, благодаря чему жидкие кристаллы в СВЧ диапазоне обладают анизотропией диэлектрической проницаемости. Кроме того, в этом диапазоне они характеризуются сравнительно низкими потерями, что позволяет использовать их в качестве активных сред для создания резонансных фазовращателей.

Резонансный ЖК фазовращатель может быть изготовлен на основе инвертированной микрополосковой линии передачи, у которой подложкой служит, например, кварцевое стекло, а пространство между подложкой и экраном заполняется жидким кристаллом (рис. 5, а). Управление при этом возможно осуществлять напряжением, прикладываемым между микрополосковым проводником и экраном линии (рис. 5, б). При этом должна быть обеспечена гальваническая связь между резонаторами устройства и развязка между управляющим и СВЧ сигналами. Для задания ориентации молекул жидкого кристалла в отсутствие управляющего поля на поверхностях, контактирующих с ЖК, путем специальной обработки создается микрорельеф. Также для этих целей может быть использовано постоянное магнитное поле.

На основе описанной линии передачи был изготовлен макет девя-тизвенного резонансного фазовращателя (рис. 6) с центральной частотой рабочей полосы 25.5 ГГц, у которого активной средой служил нематиче-ский жидкий кристалл 5СВ, имеющий параметры е ~ 2.9, Де = ец - £j_ ~ 0.3 и tg5 = 0.02. Топология микрополосковых проводников фазовращателя была синтезирована с помощью расчета в квазистатическом приближении в программе AWR Microwave Office, а

Инвертированная подложка

иш

Микрополосковый проводник

Е|| > ЕХ

Рисунок 5 — Поперечный разрез микрополосковой линии с ЖК в качестве управляемой среды

затем уточнена с помощью расчета методом конечных элементов в программе CST Microwave Studio. Микрополосковые проводники изготавливались методом гравировки по лаку на автоматизированном координатографе Скальпель-07. Измерения макета проводились с помощью векторного анализатора цепей Rhode&Schwarz ZVK. При этом для подачи управляющего напряжения использовался специальный вход анализатора, т.е. развязка между управляющим и СВЧ сигналами обеспечивалась внутренними цепями прибора, а для задания ориентации молекул ЖК в отсутствие управляющего электрического поля использовалось поле постоянного магнита напряженностью 3 кЭ.

Фазовращатель был настроен на вторую полосу пропускания полуволновых резонаторов. При этом площадь подложки составила 58.6*4.2 мм , а габариты корпуса устройства (с разъемами) 90x15x5 мм3. На рис. 7 приведены амплитудно-частотные характеристики изготовленного макета для минимального, максимального (прямые потери) и среднего (обратные потери) значений управляющего напряжения. Серым цветом на рисунке показана рабочая полоса частот фазовращателя 8/, которая составила 9% относительно центральной частоты. В этой полосе частот фазовый сдвиг является равномерным (рис. 8) и плавно

растет при увеличении управляющего напряжения (рис. 9, кривая 1).

Зависимость фазового сдвига от напряжения является нелинейной. Она имеет участок насыщения, обусловленный практически полной переориентации молекул ЖК вдоль управляющего поля, который начина-

Рисунок 6 - Макет девятизвенного резонансного жидкокристаллического фазовращателя

Я, дБ ехся ПрИ напряжении выше 10 В, или напряженности поля около 20 В/мм. Следует отметить, что такая напряженность управляющего поля является весьма низкой для управляемых устройств. Для сравнения на рис. 9 приведена аналогичная зависимость для фазовращателя на согласованной

линии передачи (кривая 2) тех же га-Рисунок 7 - Прямые и обратные потери девя- т&кже ^ исследо_

тизвенного жидкокристаллического фазовра- г г

щателя при перестройке электрическим по- ван экспериментально. Величина фа-лем зового сдвига на частоте 25.5 ГГц для

300 250 200 150 100 50 0,

Дф, 0

_и=_18.7 В и = 9.8 В _(У=_7^8 В

и= 5 В

17=0

25.0 25.2 25.4 25.6 25.8 /ГГц

и, В

Рисунок 8 - Частотные зависимости управля- Рисунок 9 - Зависимость управляемого

емого фазового сдвига девятизвенного жид- фазового сдвига жидкокристаллических

кокристаллического фазовращателя при раз- фазовращателей от напряжения {1 - ре-

личных управляющих напряжениях зонансный, 2 - на согласованной линии)

него оказалась вдвое ниже, что соответствует в два раза меньшим габаритам резонансного ФВ при одинаковом фазовом сдвиге. Характеристики исследованного макета резонансного ЖК фазовращателя приведены в табл. 1.

Таким образом, в третьей главе диссертации продемонстрирована работоспособность предложенной конструкции ЖК фазовращателя на частотах верхней части сантиметрового диапазона длин волн и ее высокая миниатюрность. Из других работ известно [4], что анизотропия жидких кристаллов сохраняется вплоть до частот в сотни гигагерц, поэтому сделан вывод о применимости данной конструкции и для миллиметрового диапазона длин волн. Вместе с тем, выявлены некоторые недостатки устройства - это низкая скорость переключения и невысокий по сравнению с микроэлектромеханическими и ферритовыми ФВ фактор качества. Последний недостаток, однако, обусловлен невысокими характеристиками использованного ЖК, и может быть устранен. Электродинамическим расчетом показано, что при уменьшении тангенса угла диэлектрических потерь ЖК до 0.002 фактор качества исследованного ФВ возрастает до 140 °/дБ. Для увеличения скорости переключения фазовращателя предложено капсулиро-вать жидкие кристаллы в матрицу, Таблица 1

так как известно, что время переориентации ЖК слоя пропорционально квадрату его толщины. При преодолении указанных недостатков исследованная конструкция является весьма перспективной для применения в миллиметровом диапазоне длин волн, где традиционные ферритовые фазовращатели требуют больших управ-

Характеристики макета

Центральная частота 25.5 ГГц

Полоса рабочих частот 9%

КСВн в полосе <2

Макс, управл. сдвиг фазы 300°

Средние потери 6.5 дБ

Фактор качества 46 °/дБ

Время переключения ~3 с

Габариты 90x15x5 мм3

Управляющее напряжение 15В

ляющих полей, а полупроводниковые имеют недопустимо высокие потери.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований микрополосковых структур с магнитными активными средами и резонансных фазовращателей на их основе.

К магнитным активным средам относятся ферриты и тонкие магнитные пленки. Ферритовая пластина, являясь диэлектриком, может быть использована в качестве подложки микрополосковой линии (рис. 10, а), что позволяет управлять параметрами МПЛ. Ферромагнитная пленка, лежащая в плоскости, перпендикулярной линиям электрического поля в микрополосковой структуре, и имеющая толщину меньше глубины скин-слоя на рабочей частоте, практически не будет проявлять своих проводящих свойств и может быть использована как среда с высоким значением магнитной проницаемости, зависящим от внешнего магнитного поля. Из-за малой толщины такой пленки (сотни нанометров в сантиметровом диапазоне), коэффициент заполнения линии активным материалом оказывается небольшим, и для его увеличения используют многослойные структуры из ферромагнитных пленок, разделенных слоями диэлектрика (рис. 10, б).

Микрополосковый Микрополосковый

проводник ^ ' проводник

Ферритовая -- Диэлектрическая

подложка | г подложка

Слои диэлектрик/ Экран Экран ферромагнетик

Рисунок 10 - Поперечные сечения микрополосковых линий с активными средами в виде феррита (я) и многослойной ТМП (б)

Поведение характеристик таких линий передачи из-за явления ферромагнитного резонанса (ФМР) оказывается сложно зависящим от напряженности внешнего магнитного поля и его ориентации относительно магнитного поля СВЧ. Для более полного понимания этих зависимостей была разработана методика измерения характеристик микрополосковых структур с пленками, изготавливаемыми в Институте физики им. Л. В. Киренского СО РАН, в которой исследуемыми параметрами являлись частотные зависимости потерь и эффективной магнитной проницаемости микрополосковой структуры от управляющего поля. Измерительная ячейка представляла собой согласованный с трактом отрезок микрополосковой линии передачи, диэлектрик в центральной части которой был удален, а микрополосковый проводник выполнен на инвертированной керамической подложке (рис. 11). Вместо удаленного участка могла вставляться подложка с напыленной на нее ТМП. Искажения, вносимые пленкой в АЧХ и

ФЧХ линии, пересчитывались в ее эффективные параметры - частотно-зависимые магнитную проницаемость и магнитные потери. Методика позволяла исследовать поведение параметров микрополосковой линии в зависимости от материала пленки, количества ее слоев, направления оси лег- ■ ■ '

кого намагничивания (ОЛН), и внешнего Рисунок 11 - Измерительная ячейка магнитного поля.

Были измерены зависимости частоты ФМР, модуля эффективной магнитной проницаемости линии, и магнитных потерь от управляющего поля для нескольких пленок - 1 и 7 -слойных пленок пермаллоя (Бе№) с толщиной слоя 500 А, полученных вакуумным напылением, и 2 и 8 -слойных пленок кобальта (Со) с толщиной слоя 300 А, полученных химическим осаждением. ОЛН пленок была направлена параллельно СВЧ магнитному полю в линии Нсвч- При этом управляющее поле Я было направлено перпендикулярно #свч и лежало в плоскости подложки. Полученные зависимости частоты ФМР и модуля эффективной магнитной проницаемости линии показаны на рис. 12 и 13, соответственно. На рис. 12 хорошо видно значение собственного поля анизотропии, которое для пер-маллоевых пленок составило около 15 Э, а для пленок кобальта около 25 Э. Также видно, что увеличение эффективной магнитной проницаемости МПЛ практически пропорционально количеству слоев пленки (рис. 13).

Для экспериментального исследования возможности применения ТМП в резонансных фазовращателях была использована семислойная пермаллоевая пленка, обладающая наибольшей эффективной магнитной проницаемостью. Эксперимент проводился на частоте около 0.5 ГГц, так как естественный ФМР

3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5

--РеГ\Ч - 1 слой

---Р'еМ! - 7 слоев

_ . — . Со - 2 слоя ......... Со - 8 слоев

1.2 1.1 1.0 0.9

Цэфф

--Ре№ - 1 слой

---РеЫ1 - 7 слоев

— ■ — ■ Со - 2 слоя ................Со - 8 слоев

/= 500 МГц

80 Я, Э

100 я, Э

Рисунок 12 - Зависимости частоты ФМР от Рисунок 13 - Зависимость эффективной поля подмагничивания для пленок с раз- магнитной проницаемости микрополоско-личным количеством слоев вой линии с различными магнитными плен-

ками от поля подмагничивания на частоте 0.5 ГГц

пленки расположен выше этой частоты, и для управления параметрами линии при этом требуется наименьшая напряженность магнитного поля.

Для данной частоты был изготовлен макет пятизвенного фазовращателя, в котором была использована топология фильтра на четвертьволновых элекгромагнитно связанных резонаторах (рис. 14). Часть подложки микрополосковой структуры, расположенная в пучности электрического поля резонаторов, была выполнена из керамики ТБНС с диэлектрической проницаемостью е = 80, а другая ее часть, расположенная в пучности магнитного поля, выполнена воздушной, причем проводники резонаторов располагались на инвертированной подвешенной подложке из керамики. Воздушная часть могла замещаться ферритовой вставкой или стеклянной подложкой с напыленной на нее магнитной пленкой.

Методика расчета и изготовления микрополосковых конструкций с магнитными активными средами была аналогична методике для жидкокристаллических фазовращателей. Для экспериментальных исследований изготовленных макетов была использована установка, состоящая из двух ортогональных пар колец Гельмгольца, в которые могло помещаться исследуемое устройство, источника питания, и векторного анализатора цепей Микран Р4М-18.

Исследовались характеристики описанного макета с двумя типами активной магнитной среды: восьмислойной пермаллоевой пленкой на стеклянной подложке и ферритом марки ЗОСЧ. Амплитудные и фазовые характеристики устройства с ТМП при различных управляющих полях приведены на рис. 15. Для пленки управляющее поле изменялось в пределах 0-20 Э, при этом эффективная магнитная проницаемость активной части подложки изменялась от 1 до 1.3 (см. рис. 13). Следует отметить, что коэффициент заполнения пленкой микрополосковой структуры был крайне низок — порядка 10 3. При увеличении коэффициента заполнения, то есть с увеличением количества слоев пленки, пропорционально будет расти эффективная магнитная проницаемость подложки и фазовый сдвиг в устройстве. Характеристики устройства с ферритом приведены на рис. 16.

Для феррита ЗОСЧ создавалось поле подмагничивания 400 Э, направленное параллельно СВЧ магнитному полю в устройстве. Перпендикулярное ему управляющее поле изменялось в пределах 75-325 Э, при этом магнитная прони-

Рисунок 14 - Макет пятизвенного резонансного фазовращателя на магнитодиэлектрической подложке

-10 -20 -30 -40 -50 -60

U дБ

4£,дБ

Л, дБ

0.3

0.4

0.5

0.6

160 120 80 40 0

Дф,'

/ГГц

(б)

(в)

040 0.45 АЛф,°

0.50 0.55 /, ГГц

20 Э

ОЭ

-7~

10 Э

400 300 200 100

0.48

0.49 0.5 0.51 /ГГц

_325 Э _275 Э Г??5 Э J 75 Э 125 Э

(б)

0.47

0.48

0.49

/ГГц

Рисунок 15 - Частотные характеристики Рисунок 16 - Частотные характеристики пятизвенного фазовращателя с много- пятизвенного фазовращателя с ферритом слойной пермаллоевой ТМП (а - АЧХ, б - 30СЧ (а - АЧХ, б - управляемый фазовый управляемый фазовый сдвиг) сдвиг)

цаемость феррита для СВЧ волны изменялась в пределах 1.1-1.7. Фактор качества макета с ферритом составил 103 °/дБ при управляемом фазовом сдвиге 360°. Было показано, что на том же макете может быть получен ФК 150 °/дБ, для чего управляющее поле должно изменять ориентацию от 0 до 35° по отношению к направлению СВЧ магнитного поля при неизменной напряженности 500 Э. Характеристики макетов фазовращателей приведены в табл. 2.

Электродинамическое моделирование показало, что исследованный фазовращатель обладает в семь раз большим фазовым сдвигом, чем ФВ на согласованной линии передачи длиной, равной сумме длин резонаторов в исследованной конструкции, или в семь раз меньшими габаритами при одинаковом фазовом сдвиге. Такое существенное уменьшение габаритов достигается благодаря применению четвертьволновых резонаторов и составной подложки с использованием диэлектрика с высокой

Таблица 2

Характеристики макетов резонансных фазовращателей с

С 8 -слойной пленкой FeNi С ферритом ЗОСЧ

Центральная частота 500 МГц 490 МГц

Полоса рабочих частот 12% 4%

КСВн в полосе <2 <2

Макс, управл. сдвиг фазы 140° 360°

Средние потери 6 дБ 3.5 дБ

Фактор качества 23 7дБ 103 °/дБ

Время переключения десятки мкс (определяется системой подмагничивания)

Габариты 40x35x8 мм1

Управляющее поле 20 Э | 250 Э

диэлектрической проницаемостью.

Таким образом, в четвертой главе диссертации показана возможность создания миниатюрных резонансных фазовращателей с магнитными активными средами. При этом установлено, что ферритовые ФВ могут отличаться высоким фактором качества, но для них необходимы большие управляющие поля (сотни Э). Тонкие магнитные пленки как активная среда требуют на порядок меньших управляющих полей (десятки Э), однако имеют высокие магнитные потери, и, как следствие, фазовращатели с ними обладают низким фактором качества. При этом следует отметить, что, также как и жидкие кристаллы, ТМП являются сравнительно новой активной средой и потенциальные возможности уменьшения поглощения СВЧ энергии в них изучены пока недостаточно.

Исследованные конструкции ФВ с магнитными активными средами могут быть перспективны для применения в дециметровом диапазоне длин волн в целях существенного уменьшения габаритов блоков фазовращателей ФАР, а также в сантиметровом и дециметровом диапазонах для замены полупроводниковых фазовращателей в применениях, где требуется высокая стойкость к излучениям.

В заключении приведены основные результаты работы, проведено сравнение разработанных резонансных фазовращателей с существующими аналогами, сделаны выводы о перспективах применения исследованных конструкций.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Исследовано поведение ФЧХ полосно-пропускающих фильтров с чебы-шевской характеристикой. Показано, что величина набега фазы в полосе пропускания таких фильтров, приходящаяся на одно звено, может изменяться от 90° до 180° в зависимости от величины коэффициента отражения в полосе фильтра и количества звеньев в нем.

2. Установлен характер зависимости величины управляемого фазового сдвига резонансных фазовращателей от их основных конструктивных параметров, что позволяет проводить оценку предельно достижимых характеристик таких устройств, а также рассчитывать параметры конструкции, необходимые для достижения заданных фазового сдвига и ширины полосы устройства.

3. Экспериментально исследованы макеты резонансных СВЧ фазовращателей с использованием в качестве активных сред жидких кристаллов в верхней части сантиметрового диапазона. Показана перспективность их применения в миллиметровом диапазоне.

4. Разработана методика исследования зависимостей характеристик микро-полосковых структур с тонкими ферромагнитными пленками от управляющего магнитного поля. С ее помощью исследованы МПЛ с тонкими пленками FeNi и Со, оценены возможности их применения в качестве активных сред для резонансных ФВ.

5. Экспериментально исследованы макеты резонансных СВЧ фазовращателей с использованием в качестве активных сред ферритов и тонких магнитных пленок в дециметровом диапазоне длин волн. Продемонстрирована возможность получения в резонансных конструкциях фазовращателей значений управляемого фазового сдвига до 360° и высокого фактора качества — до 150 °/дБ.

6. На основании экспериментальных исследований выявлены достоинства и недостатки разработанных конструкций фазовращателей, предложены пути улучшения их характеристик, а также обозначены перспективы их применения.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах по списку ВАК:

1. Лемберг К. В., Сержантов А. М. Исследование управляемого микрополос-кового жидкокристаллического фазовращателя // Изв. вузов. Физика. - Томск: Томский Государственный Университет. - 2010. — Том 53. - №9(2). - С. 224225.

2. Лемберг К. В., Сержантов А. М. Исследование управляемого сверхвысокочастотного жидкокристаллического фазовращателя // Журнал СФУ. Техника и технологии. - Красноярск: ИПК СФУ. - 2011. - № 2. - С. 185-192.

3. Лемберг К. В., Сержантов А. М. Управляемый резонансный микрополос-ковый фазовращатель на магнитодиэлектрической подложке // Изв. вузов. Физика. - Томск: Томский Государственный Университет. - 2012. - Том 55. -№8/3.-С. 106-107.

Патенты:

4. Управляемый фазовращатель // Патент РФ №2431221. — Опубл. 10.10.2011.-Бюл.№ 28.

Статьи и тезисы в материалах конференций:

5. Лемберг К. В., Сержантов А. М. Исследование управляемого микрополос-кового жидкокристаллического фазовращателя // Современные проблемы радиоэлектроники. Сборник научных статей - Красноярск: ИПК СФУ, 2008. -С. 130-133.

6. Лемберг К. В., Сержантов А. М. Электрически управляемый микрополос-ковый жидкокристаллический фазовращатель // Современные проблемы радиоэлектроники. Сборник научных статей - Красноярск: ИПК СФУ, 2009. - С. 111114.

7. Лемберг К. В., Сержантов А. М. Электрически управляемый жидкокристаллический фазовращатель // Материалы 5-ой международной молодежной научно-технической конференции РТ-2009 - Севастополь: «Вебер», 2009. -С. 140.

8. Лемберг К. В., Сержантов А. М. Исследование величины управляемого фазового сдвига в конструкции микрополоскового жидкокристаллического фазовращателя // Современные проблемы радиоэлектроники. Сборник научных статей - Красноярск: ИПК СФУ, 2010. - С. 137-141.

9. Лемберг К. В., Сержантов А. М. Исследование управляемого жидкокристаллического фазовращателя // 20-я Международная Крымская конференция

«СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»: Материалы конференции. - Украина, Крым, Севастополь: «Вебер». - 2010.

10. Лемберг К. В., Сержантов А. М. Управляемый резонансный микрополос-ковый фазовращатель на магнитной подложке // Современные проблемы радиоэлектроники. Сборник научных статей. - Красноярск: ИПК СФУ. - 2011. -С. 125-127.

11. Lemberg К. V., Serzhantov А. М. Tunable resonant microstrip phase shifter with the magnetodielectric substrate // Proceedings of International Siberian Conference on Control and Communications SIBCON. - Russia, Krasnoyarsk. - 2011. -P. 212-214.

12. Лемберг К. В. Сверхвысокочастотный микрополосковый жидкокристаллический фазовращатель // Сборник тезисов докладов конференции РКЖК-2012. -Иваново: Ивановский Государственный Университет. - 2012. - С. 182.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Беляев Б. А., Лексиков А. А., Сержантов А. М., Шабанов В. Ф. Управляемый сверхвысокочастотный жидкокристаллический фазовращатель // Письма в ЖТФ.-2008.-№11. -С. 19-28.

2. Вендик О. Г., Парнес М. Д. Антенны с электрическим сканированием [Текст]: науч. изд. / Под ред. Л. Д. Бахраха. - М.: САЙНС. - 2002. - 250 с.

3. Romanofsky, R. R. Array Phase Shifters: Theory and Technology. - 2007. -32 p.

4. Mueller, S., Goelden, F„ Schelle, P., et all. Passive Phase Shifter for W-Band Applications using Liquid Crystals // Proceedings of the 36th European Microwave Conference. - 2006. - P. 306-309.

Подписано в печать 24.07.2013. Печать плоская. Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,3. Тираж 100 экз. Заказ 2793

Отпечатано полиграфическим центром Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а Тел./факс: 8(391)206-26-67,206-26-49 E-mail: print_sfu@mail.ru; http://lib.sfu-kras.ru

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Лемберг, Константин Вячеславович, Красноярск

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201362623 Лемберг Константин Вячеславович

ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОПОЛОСКОВЫХ СТРУКТУР С АКТИВНЫМИ СРЕДАМИ И СОЗДАНИЕ УПРАВЛЯЕМЫХ СВЧ ФАЗОВРАЩАТЕЛЕЙ НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность 01.04.03 - радиофизика

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

д. т. н., профессор Беляев Б.А.

Красноярск 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................4

ГЛАВА I. СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ФАЗОВРАЩАТЕЛИ.............................9

1. Классификация и основные характеристики сверхвысокочастотных фазовращателей..........................................................................................................9

2. Активные среды для управляемых устройств СВЧ и типы фазовращателей на их основе...................................................................................................................12

2.1. Ферриты.........................................................................................................12

2.2. Полупроводники...........................................................................................15

2.3. Сегнетоэлектрики.........................................................................................17

2.4. Микроэлектромеханические структуры....................................................20

2.5. Жидкие кристаллы.......................................................................................24

2.6. Тонкие ферромагнитные пленки................................................................29

3. Сравнение различных типов фазовращателей на основе фактора качества.. 31

4. Выводы..................................................................................................................34

ГЛАВА II. РЕЗОНАНСНАЯ КОНСТРУКЦИЯ УПРАВЛЯЕМОГО СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ФАЗОВРАЩАТЕЛЯ...........................................36

1. Резонансная конструкция управляемого микрополоскового фазовращателя 36

2. Типы микрополосковых структур, используемые для резонансных фазовращателей........................................................................................................40

3. Фазовые характеристики многозвенных полосно-пропускающих фильтров 43

4. Управляемый сдвиг фазы микрополоскового резонансного фазовращателя 48

5. Фактор качества микрополоскового резонансного фазовращателя...............56

6. Выводы..................................................................................................................58

ГЛАВА III. МИКРОПОЛОСКОВЫЕ СТРУКТУРЫ С ЖИДКИМИ КРИСТАЛЛАМИ И РЕЗОНАНСНЫЕ ФАЗОВРАЩАТЕЛИ НА ИХ ОСНОВЕ... 60

1. Физические основы применения жидких кристаллов в управляемых микрополосковых СВЧ устройствах......................................................................60

2. Методика экспериментальных исследований...................................................62

3. Фазовращатель на основе согласованной линии передачи с жидким кристаллом 5ЦБ........................................................................................................63

4. Резонансный фазовращатель на основе жидкого кристалла 5ЦБ...................66

5. Выводы..................................................................................................................69

ГЛАВА IV. МИКРОПОЛОСКОВЫЕ СТРУКТУРЫ С АКТИВНЫМИ МАГНИТНЫМИ СРЕДАМИ И РЕЗОНАНСНЫЕ ФАЗОВРАЩАТЕЛИ НА ИХ ОСНОВЕ.........................................................................................................................71

1. Физические основы применения магнитных сред в микрополосковых управляемых СВЧ устройствах...............................................................................71

2. Методика экспериментальных исследований...................................................74

3. Измерение параметров микрополосковых структур с тонкими магнитными пленками....................................................................................................................76

4. Резонансный фазовращатель на основе многослойной структуры с тонкими пленками пермаллоя.................................................................................................83

5. Резонансный фазовращатель на основе многослойной структуры с тонкими пленками кобальта....................................................................................................86

6. Резонансный фазовращатель на основе феррита ЗОСЧ....................................91

7. Выводы..................................................................................................................96

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................................................................98

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ..............................101

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................102

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

помехозащищенность радионавигационных систем, а также улучшить другие их характеристики.

На сегодняшний день разработано большое количество конструкций СВЧ

фазовращателей, основанных на разных физических принципах построения и

использующих для управления фазой электромагнитной волны различные

активные материалы или элементы (такие материалы или элементы, параметры

которых изменяются под воздействием управляющего электрического или

магнитного поля, температуры, давления и т.д., в данной работе названы

активными средами). Наиболее широкое распространение в фазированных

антенных решетках получили ферритовые фазовращатели на основе волноводных

линий передачи, однако в современной радиоаппаратуре они зачастую не

удовлетворяют требованиям по массогабаритным и электрическим

характеристикам. Именно поэтому в последние годы активно ведется поиск и

исследование новых типов СВЧ фазовращателей, использующих новые активные

среды и принципы построения. Один из таких принципов, названный

резонансным, был предложен в Институте физики им. Л. В. Киренского СО РАН. Он заключается в использовании связанных микрополосковых резонаторов с активными средами для построения целого ряда управляемых устройств СВЧ техники: фильтров, устройств защиты от радиоимпульса и др.

В диссертационной работе проведено исследование микрополосковых резонансных конструкций фазовращателей, до сих пор систематически не исследованных, в качестве активных сред в которых используются жидкие кристаллы (ЖК), планарные структуры на основе тонких магнитных пленок (ТМП) и ферриты. Применение ферритов в микрополосковых линиях (МПЛ) позволяет совместить преимущества феррита как активной среды и миниатюрность МПЛ. В свою очередь, тонкие ферромагнитные пленки на основе сплавов Бе, N1, Со, по сравнению с массивными ферритами, требуют меньшей напряженности управляющего поля вследствие большего значения намагниченности насыщения и малости полей анизотропии, а планарные устройства на их основе лучше совместимы с интегральной технологией изготовления СВЧ схем. Интерес к жидким кристаллам связан с тем, что они являются перспективной активной средой для фазовращателей миллиметрового диапазона длин волн, благодаря сравнительно низким потерям и высокому значению анизотропии диэлектрической проницаемости в этом диапазоне.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: - исследование особенностей распространения электромагнитных волн в микрополосковых структурах, содержащих активные среды;

Научная новизна работы

- разработаны новые, перспективные для применения в сантиметровом и дециметровом диапазонах длин волн конструкции резонансных СВЧ фазовращателей на основе микрополосковых структур, содержащих в качестве активных сред ферриты и тонкие магнитные пленки.

Практическая значимость работы

- показано, что на основе исследованных конструкций фазовращателей могут быть реализованы устройства дециметрового, сантиметрового и даже миллиметрового диапазонов длин волн, имеющие управляемый фазовый сдвиг до 360° и высокий фактор качества - до 150 °/дБ;

- выявлены достоинства и недостатки разработанных конструкций фазовращателей, предложены пути улучшения их характеристик, а также обозначены перспективы их применения.

Методы исследования

На защиту выносятся следующие положения:

2. Характер зависимости величины управляемого фазового сдвига

резонансного фазовращателя на основе полосно-пропускающего фильтра от его

основных конструктивных параметров определяется формулой Дер = , -, где

ч/ I Jo |

5е

Ф - величина набега фазы в полосе пропускания фильтра, д///0 - относительная полоса рабочих частот фазовращателя, и 8е - величина, характеризующая анизотропию эффективной диэлектрической (или магнитной) проницаемости подложки устройства.

Степень достоверности полученных результатов

Апробация результатов исследования

Результаты, полученные в процессе работы над диссертацией, явились основой для участия автора в НИР «Разработка основанных на новых физических принципах управляемых частотно-селективных устройств для систем радиолокации, радионавигации и связи» (2010-2012 гг.) и НИР «Создание управляемых СВЧ фазовращателей на новых физических принципах» (20102011 гг.), проводимых в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», в качестве исполнителя и руководителя, соответственно.

ГЛАВА I. СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ФАЗОВРАЩАТЕЛИ

К настоящему времени создано большое количество различных типов и разработано множество разнообразных конструкций СВЧ фазовращателей. В связи с этим, возникает необходимость провести их классификацию, а также ознакомиться с основными характеристиками существующих устройств.

В данной главе рассмотрены классификация СВЧ фазовращателей, их основные характеристики, а также проведен обзор литературы по тематике диссертационной работы, на основе которого сформулированы достоинства и недостатки существующих устройств. Проведено сравнение различных типов фазовращателей на основе универсального параметра — фактора качества.

1. Классификация и основные характеристики сверхвысокочастотных фазовращателей

По способу построения СВЧ фазовращатели можно классифицировать на отражательные и проходные. В схемах ФВ отражательного типа фазовый сдвиг осуществляется путем изменения коэффициента отражения нагрузок, подключаемых к выходам гибридного устройства. В качестве гибридного устройства используются циркуляторы, шлейфные и кольцевые направленные ответвители, мосты Ланге и другие типы 3-дБ делителей-сумматоров мощности. Нагрузками с управляемой фазой коэффициента отражения могут служить варакторы или переключаемые линии передачи (ЛП) различной длины.

Проходные ФВ могут быть выполнены в виде переключаемых линий передачи, переключаемых цепей, нагруженной линии передачи. Самой простой является конструкция фазовращателя на переключаемых ЛП. В ней линии передачи (обычно микрополосковые) разной электрической длины коммутируются с помощью полупроводниковых либо микроэлектромеханических (МЭМ) ключей. Схемы на переключаемых цепях устроены аналогично, но в них сигнал проходит через цепи с различными фазовыми характеристиками

(например, НЧ и ВЧ фильтры). Они реализуются, как правило, на сосредоточенных элементах в виде монолитных интегральных схем СВЧ.

По способу управления СВЧ фазовращатели классифицируются на механические, электрические, и электромеханические. В настоящее время, в силу целого ряда преимуществ перед механическими и электромеханическими, наиболее распространены электрически управляемые ФВ. Их, в свою очередь, можно разделить на управляемые электрическими и магнитными полями. Исследуются также оптические методы управления, к преимуществам которых относится легкость передачи управляющего сигнала на большие расстояния и хорошая развязка между управляющим и СВЧ сигналами.

По характеру изменения фазы управляемые ФВ можно разделить на плавные и дискретные (иногда дискретные ФВ называют цифровыми). Дискретные фазовращатели изменяют фазу выходного сигнала ступенчато, на величину Д=360°/М. Значение М для удобства управления ЭВМ выбирают равной двум в целой степени, т. е. М = 2Р, где р= 1, 2, 3 - количество разрядов фазовращателя. Дискретный ФВ вносит максимальную величину фазовой ошибки Д/2. Фазовращатели с плавным изменением фазы управляются аналоговым сигналом, например, величиной тока или напряжения. В них возможна установка произвольного значения фазового сдвига, поэтому они не вносят фазовой ошибки.

Также различают взаимные и невзаимные фазовращатели. Взаимным ФВ называют такой, который обладает одинаковым вносимым фазовым сдвигом при прямом и обратном направлении распространения волны. Невзаимные ФВ этим свойством не обладают. Как правило, они используют в электрически управляемой среде невзаимный эффект, например эффект