Київський політехнічний інститут”

Голубєва Ірина Петрівна

УДК 621.372.413

ЕЛЕКТРИЧНО КЕРОВАНІ ФАЗООБЕРТАЧІ НВЧ
НА ОСНОВІ МІКРОПОЛОСКОВИХ ТА
КОПЛАНАРНИХ ЛІНІЙ

05.27.01 – твердотільна електроніка

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис

Дисертація виконана на кафедрі фізичної та біомедичної електроніки
Національного Технічного університету України “КПІ”
Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: | кандидат технічних наук, доцент,

Прокопенко Юрій Васильович

Національний Технічний університет України “КПІ”,

доцент кафедри фізичної та біомедичної електроніки | Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Осінський Володимир Іванович

Центр оптоелектронних технологій ДП НДІ мікроприладів,

директор | кандидат технічних наук,

Наритник Теодор Миколайович

Інститут електроніки та зв’язку Української академії наук національного прогресу,

директор |

Провідна організація: ВАТ Науково-виробниче підприємство “Сатурн” (м. Київ)

Захист відбудеться 16 квітня 2007р. о 14 год 30 хв.
на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.08 при
Національному технічному університеті України “КПІ”
за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, корп. №12.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці НТУУ “КПІ”, 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розіслано “____” ________ 2007р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 26.002.08,

д.т.н., професор В. Г. Савін

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Фазообертачі є невід’ємною частиною багатьох електронних систем. Розробка цих елементів набула особливої актуальності завдяки сучасній тенденції до побудови приймально-передавальних трактів комунікаційних систем за багатоканальними схемами. Керування фазою та амплітудою сигналу у кожному каналі дозволяє впровадити досконаліші методи обробки сигналів та, за рахунок цього, істотно поліпшити чутливість приймачів та знизити вимоги до потужності передавачів.

В сучасній електроніці набули вжитку швидкодіючі цифрові системи, які характеризуються високою надійністю, а їх можливості зростають завдяки невпинному підвищенню тактових частот. Завдяки досягненням технології напівпровідників широко застосовуються також інтегральні схеми надвисоких частот (НВЧ), основою яких є інтегральні лінії передачі НВЧ та елементи на їх основі. В зв’язку з цим, актуальною є задача створення швидкодіючих, ефективних та мініатюрних компонентів, які були б технологічно сумісними з інтегральними мікросхемами, що дало б змогу інтегрувати радіочастотну частину та систему обробки сигналів на одному кристалі.

Твердотільні фазообертачі виготовляються переважно з використання варакторів та p-діодів. Вони характеризуються малими габаритами, мають високу швидкодію, однак діапазон робочих частот таких приладів обмежений. Суттєвими недоліками фазообертачів на p-діодах є порівняно високий рівень втрат та наявність фазової похибки при роботі у широкому діапазоні частот. Тому актуальною є задача вдосконалення відомих конструкцій фазообертачів на p-діодах з метою зменшення внесених втрат, а також зменшення фазової похибки.

У науковій літературі є повідомлення про створення GaAs фазообертачів, які працюють у діапазоні довжин хвиль до 1 мм. Однак принцип їх роботи ґрунтується на керуванні провідністю, що неминуче призводить до збільшення рівня внесених втрат. Разом з тим, у публікаціях останніх років повідомляється про спроби створення фазообертачів з використанням сегнетоелектричних плівок. Очікується, що такі прилади матимуть широкий діапазон робочих частот та привабливі показники, однак, все ще є технологічні труднощі при їх виготовленні.

Разом з тим, з кінця 80_х років ХХ ст. в Україні почав розвиватися новий напрямок створення фазообертачів з використанням електромеханічного керування. Так, в одній з реалізацій переміщувалась діелектрична пластина біля поверхні хвилеводної фін-лінії. Пізніше в зарубіжних публікаціях з’явилися повідомлення про спроби створити фазообертачі з подібним принципом керування, але стосовно мікрополоскових та копланарних ліній. Переміщення діелектричного тіла поблизу лінії передачі збурює розподіл її електромагнітного поля, що можна спостерігати як зміну ефективних параметрів приладу. Такий підхід забезпечує ряд переваг. Зокрема, у таких лініях передачі поширюється квазі-ТЕМ хвиля, тому пристрої на їх основі характеризуються широким діапазоном робочих частот. Завдяки використанню високодобротних діелектричних матеріалів є можливість знизити рівень внесених втрат. Однак існують і суттєві обмеження. Так, для практичного використання необхідно забезпечити достатню швидкодію приладу. Разом з тим, передбачається, що керування буде відбуватися за допомогою п’єзоелектричного актюатора, який забезпечує високу швидкодію тільки при порівняно малих механічних переміщеннях. Тому актуальною є задача пошуку таких принципів електромеханічного керування, які характеризуються високою чутливістю та дозволяють зменшити керуючі напруги, збільшити відносний фазовий зсув, а за рахунок зменшення маси переміщуваних частин – підвищити стійкість до вібрацій.

Отже, в роботі розглядаються принципи застосування електромеханічного керування для створення фазообертачів надвисоких частот на основі мікрополоскових та копланарних ліній.

Зв’язок роботи з науковими програмами. Частину результатів, висвітлених у роботі, було отримано у ході спільної роботи в університеті провінції Чунгбук, м. Чонджу, Республіка Корея, відповідно до договору про з співпрацю цього університету з Національним технічним університетом України „Київський політехнічний інститут”. Здобувачем було побудовано та досліджено моделі прохідних фазообертачів з відбивними ланками на p-діодах, які дозволяють оптимізувати співвідношення величин фазової похибки та втрат пристрою у широкому діапазоні частот. У дисертації також відображено результати, отримані під час роботи по проекту „Частотно-перестроювані діелектричні компоненти НВЧ із швидкодіючими п’єзоактюаторами” за програмою Фонду цивільних досліджень та розвитку (США), #UK_2609_. Здобувачем було виконано моделювання та аналіз діелектричних фазообертачів з електромеханічним керуванням.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є побудова методики проектування прохідного фазообертача з відбивними ланками на p-діодах, яка дозволяє зменшити величину втрат та фазової похибки, а також знаходження принципів електромеханічного керування діелектричними фазообертачами на основі інтегральних ліній передачі, які характеризуються низькими втратами і забезпечують більший фазовий зсув при малих переміщеннях керуючого елемента.

Для досягнення поставленої мети було розв’язано такі задачі:

- побудовано модель прохідного фазообертача з відбивними ланками на p-діодах, яка дозволяє врахувати у заданому діапазоні частот залежність фазової похибки та втрат у відбивних ланках фазообертача від його конструктивних параметрів;

- проведено дослідження впливу конструктивних параметрів прохідного фазообертача з відбивними ланками на p-діодах на величину фазової похибки та втрат у пристрої;

- запропоновано методику аналізу ліній передач НВЧ складного поперечного перерізу, яка ґрунтується на обчисленні властивостей електромагнітного поля у поперечному перерізі лінії методом скінчених елементів з подальшим переходом до ефективних параметрів лінії передачі та використанням методів теорії кіл НВЧ для обчислення характеристик пристрою;

- запропонована методика верифікована шляхом порівняння отриманих результатів з результатами, отриманими відомими методами на прикладі розрахунку характеристик мікрополоскових та копланарних ліній передачі, а також шляхом порівняння з експериментальними даними;

- проведено дослідження та запропоновано принципи побудови діелектричних фазообертачів з електромеханічним керуванням, які дозволяють отримати більший фазовий зсув та менші втрати при малих переміщеннях, ніж раніш відомі конструкції того ж класу;

–

Об’єктом дисертаційного дослідження є прохідні фазообертачі з відбивними ланками на p-діодах, а також діелектричні фазообертачі на основі відрізків мікрополоскових та копланарних ліній передач з електромеханічним керуванням.

Предметом дослідження є електродинамічні властивості та характеристики прохідних фазообертачів з відбивними ланками на p-діодах, а також характеристики різних модифікацій діелектричних фазообертачів фазообертачі на основі відрізків мікрополоскових та копланарних ліній передач з електромеханічним керуванням.

Методика наукових досліджень включає методи аналізу та синтезу НВЧ-приладів, обчислювальні методи електродинаміки, чисельні методи розв’язання математичних задач, аналітичне моделювання, методи вимірювання кіл НВЧ.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у тому, що:

? показано можливість зменшення фазової похибки та внесених втрат фазообертачів з відбивними ланками на p-діодах за рахунок оптимального вибору конструктивних параметрів відбивних ланок фазообертача;

? запропоновано методику аналізу ліній передачі складного поперечного перерізу методом скінчених елементів з подальшим переходом до ефективних параметрів лінії передачі та використанням методів теорії кіл НВЧ;

? обґрунтовано можливість значного підвищення чутливості до керуючих впливів фазообертачів на основі відрізків мікрополоскових та копланарних ліній передачі шляхом уведення неоднорідності у вигляді повітряного зазору змінної величини;

? запропоновано принципи електромеханічного керування, придатні для створення фазообертачів на основі відрізків мікрополоскових та копланарних ліній передачі, які можуть бути інтегровані у монолітні мікросхеми НВЧ і мають менші втрати та більший фазовий зсув порівняно з іншими типами аналогових фазообертачів.

Практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що:

- розроблено комплекс алгоритмів та прикладних програм для проектування та розрахунку основних характеристик прохідного фазообертача з відбивними ланками на p-діодах, який дозволяє покращити співвідношення фазової похибки та внесених втрат у заданому діапазоні частот;

- розроблено комплекс алгоритмів та прикладних програм для обчислення характеристик фазообертачів з електромеханічним керуванням на основі відрізків ліній передач зі складним поперечним перерізом;

- проведено дослідження різних принципів електромеханічного керування фазообертачами, за результатами якого дано ряд практичних рекомендацій щодо їх проектування;

- розроблено алгоритм керування фазообертачами у багатоканальній приймально-передавальній системі, який дозволяє визначати параметри керуючих сигналів у слідкуючому режимі.

Особистий внесок здобувача. У дисертаційній роботі узагальнено результати досліджень, виконаних здобувачем особисто, а також разом з Ю. М. Поплавком та В. А. Казміренком. Здобувачем виконано:

- побудовано модель прохідного фазообертача з відбивними ланками на p-діодах, яка враховує втрати у відбиваючій ланці, використання якої при проектуванні дозволяє знайти оптимальні значення конструктивних параметрів фазообертача за критерієм внесених втрат та фазової похибки;

- запропоновано методику аналізу ліній передач НВЧ складного поперечного перерізу, яка ґрунтується на обчисленні властивостей електромагнітного поля у поперечному перерізі лінії методом скінчених елементів з подальшим переходом до ефективних параметрів лінії передачі та використанням методів теорії кіл НВЧ;

- проведено дослідження характеристик діелектричних фазообертачів з електромеханічним керуванням, а також запропоновано ряд можливих принципів керування, які дозволяють отримати більший фазовий зсув і менші втрати при малих переміщеннях керуючого елемента;

- проведено експериментальне дослідження запропонованих принципів електромеханічного керування та доведено їх ефективність порівняно з раніш описаними у літературі.

Апробація роботи. Основні результати роботи доповідались та обговорювались на 14-й та 16-й міжнародних конференціях “НВЧ-техніка и телекомунікаційні технології КриМіКо” (2004, 2006 рр., Севастополь), Міжнародному симпозіумі по частотному керуванню (2004 р., Монреаль, Канада), 35-й Європейській НВЧ конференції (EuMC) (2005 р., Париж, Франція), Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми фізичної та біомедичної електроніки” (2006 р., Київ), Міжнародній конференції з НВЧ-техніки, радіолокації та радіозв’язку МІКОН (2006 р., Краків, Польща), 7-му Міжнародному симпозіумі з радіочастотних MЕМС та радіочастотних мікросистем (2006 р., Орвето, Італія), 36-й Європейській НВЧ конференції (EuMC) (2006 г., Манчестер, Великобританія).

Публікації. Основний зміст роботи викладено у 5 публікаціях у спеціалізованих журналах та 8 збірниках міжнародних конференцій.

Структура і об’єм дисертації. Дисертація складається із вступу, 4 розділів з підсумками та висновками, викладеними на 161 сторінці машинописного тексту, списку використаних джерел із 125 публікацій вітчизняної та зарубіжної літератури. Робота містить 90 ілюстрацій, 11 таблиць, додаток. Загальний обсяг роботи – 180 сторінок.

Основний зміст роботи

У вступі викладено загальну характеристику роботи, обґрунтовано актуальність проблеми, сформульовано мету та основні завдання досліджень, викладено наукову новизну роботи, показано її практичну цінність та апробацію.

У першому розділі проведено критичний огляд сучасних типів фазообертачів НВЧ за ознакою використовуваного фізичного явища, проведено їх порівняння за характером зміни фази, рівнем внесених втрат, діапазоном робочих частот, масою та габаритами. По розглянутих типах фазообертачів визначено обмеження щодо їх застосування та встановлено природу цих обмежень. Особливу увагу приділено встановленню сумісності розглянутих типів фазообертачів з технологією виготовлення мікросхем НВЧ. На основі проведеного аналізу публікацій у вітчизняних та зарубіжних виданнях обґрунтовано вибір напрямку досліджень і визначені завдання дисертаційної роботи. Так, встановлено, що одними з найпоширеніших є фазообертачі з використанням p-діодів. Такі прилади характеризуються дискретним характером зміни фази і мають порівняно високі втрати. Разом з тим, такі прилади ще будуть широко застосовуватися протягом найближчого часу, тому доцільним є пошук шляхів оптимізації існуючих конструкцій фазообертачів.

Однак заходи щодо оптимізації існуючих конструкцій фазообертачів не знімають питання розширення діапазону робочих частот та зниження втрат. З цієї точки зору перспективним є застосування механічного керування ефективними параметрами інтегральних ліній передачі за допомогою мікропереміщень складових частин пристрою. Застосування високодобротних діелектричних матеріалів може дати змогу знизити рівень втрат і розширити діапазон робочих частот. Однак головною перешкодою на цьому шляху є недостатня чутливість відомих конструкцій, що унеможливлює застосування швидкодіючих приводів та робить конструкцію громіздкою. Тому за головний напрям дослідження взято пошук таких принципів електромеханічного керування ефективними параметрами відрізків ліній передач, які б не тільки забезпечили низький рівень втрат, але й потребували б для роботи малих переміщень, які можуть бути реалізовані за допомогою швидкодіючих п’єзоактюаторів.

У другому розділі з використанням підходів теорії кіл НВЧ розроблено модель прохідного фазообертача з відбивними ланками на p-діодах, яка враховує втрати відбивної ланки, зумовлені як діелектричними втратами у основі, так і втратами діода (рис. ). На основі розробленої моделі побудовано цільову функцію, яка із заданими ваговими коефіцієнтами враховує втрати та фазову похибку пристрою в заданому діапазоні частот (рис. ).

Рис. . а – відбивна ланка фазообертача, б – її модель із каскадно включених чотириполюсників. | Рис. . Залежність середньої фазової похибки та втрат у заданій смузі частот як функція довжини підстройочного елемента . |

Дисипативні втрати у відбивних ланках фазообертача справляють вплив на співвідношення падаючої та відбитої хвиль. Тому цільова функція має глобальний мінімум, який відповідає оптимальному значенню довжини підстройочного елемента за рівнем внесених втрат та фазової похибки. Разом з тим, встановлено, що навіть використання подібних оптимізаційних процедур проектування не дає змоги знизити рівень внесених втрат нижче певного рівня, який переважно визначається втратами діода. Тому подальше дослідження зосереджено на розробці принципів електромеханічного керування ефективними параметрами відрізків ліній передач, придатних для створення фазообертачів.

Більшість традиційних методів аналізу інтегральних ліній передач виходять із припущень про високу симетрію аналізованої лінії, а також нехтують товщиною електродів. Через ці обмеження вони непридатні для аналізу ліній передач зі складним поперечним перерізом. Тому третій розділ присвячено розробці методики аналізу таких ліній.

Електродинамічна задача розв’язана із застосуванням електричних та магнітних скалярних , та векторних , потенціалів:

;

.

Використання електричних та магнітних потенціалів дозволяє розкласти електромагнітне поле на типи, у яких одна зі складових поля тотожно дорівнює нулю. Накладаючи умови калібровки Лоренца

за відсутності сторонніх струмів та вільних зарядів електродинамічна задача зводиться до рівняння

.

За умови поздовжньої однорідності вдається провести розділення змінних і подати розв’язок у формі

,

де  — функція розподілу скалярного потенціалу у площині Оху,  — функція розподілу скалярного потенціалу вздовж осі Oz. Рівняння розділяється на

,

,

де

.

Таким чином, просторова задача зводиться до плоскої задачі і становить собою рівняння Гельмгольця відносно компонент електричного потенціалу із узагальненими граничними умовами Неймана. Ця задача розв’язується чисельно методом скінчених елементів на триангулярній сітці. Компоненти поля виражаються через потенціали:

де Ом – характеристичний опір вільного простору.

Інтегральні характеристики, такі як ефективна діелектрична проникність та характеристичний опір можуть бути знайдені шляхом порівняння потужності або енергії, що передається у лінії складного поперечного перерізу з потужністю або енергією у однорідно заповненій системі, наприклад:

;

.

На основі інтегральних параметрів методами теорії кіл НВЧ розраховуються параметри пристрою в цілому.

Запропонована методика верифікована шляхом порівняння отриманих з її допомогою результатів з результатами розрахунку мікрополоскових та копланарних ліній передачі традиційними методами, такими, як метод конформних перетворень, а також з результатами експериментальних вимірювань. Встановлено добру відповідність результатів розрахунку регулярних ліній з результатами, отриманими традиційними методами, а також задовільне узгодження розрахункових та експериментальних результатів для ліній складного поперечного перерізу.

Четвертий розділ присвячено розгляду фазообертачів на основі відрізків мікрополоскових та копланарних ліній з електромеханічним керуванням. Взаємне переміщення частин лінії передачі складного поперечного перерізу вносить збурення у розподіл електромагнітного поля, що спостерігається як зміна ефективних параметрів лінії. Так, для керування ефективними параметрами мікрополоскових та копланарних лінії над їх поверхнею можна переміщувати діелектричне тіло, що призводить до перерозподілу електромагнітної енергії хвилі, що поширюється і спостерігається як зміна ефективної діелектричної проникності, а відтак і електричної довжини лінії. Використання високодобротних діелектричних матеріалів дає змогу знизити рівень втрат таких пристроїв. Головну увагу приділено питанню забезпечення високої чутливості, яка дала б змогу реалізувати прилади з використанням швидкодіючих п’єзоактюаторів, діапазон переміщень яких не перевищує 100 мкм. Для цього запропоновано віддавати перевагу таким принципам керування, у яких при малих переміщеннях керуючого елемента виникає сильне збурення електромагнітного поля. Таке збурення можна реалізувати шляхом уведення сильної неоднорідності на шляху силових ліній поля, наприклад повітряного зазору змінної ширини (рис. ), наприклад шляхом відривання від основи 2 сигнального електрода 3 мікрополоскової лінії або центрального електрода 3 копланарної лінії разом з рухомим діелектричним тілом 4.

Рис. . Електромеханічне керування фазою хвилі у відрізках мікрополоскової (а) та копланарноїб) ліній: 1, 3 –електроди, 2 – основа лінії, 4 -рухоме діелектричне тіло.

Аналіз показує, що завдяки такому принципу керування чутливість покращується в кілька разів порівняно з випадком, коли електрод не переміщується і керування відбувається лише за допомогою переміщення над поверхнею лінії діелектричного тіла (рис. ).

Рис. . Ефективна діелектрична проникність мікрополоскової (а) та копланарної (б) ліній. Нерухомий електрод – над лінією переміщується діелектричне тіло, рухомий електрод – як показано на рис. .

Характеристики фазообертачів на основі збурюваних ліній передачі залежать від багатьох чинників: співвідношення діелектричних проникностей частин приладу, його геометричних особливостей. У роботі проведено аналіз впливу цих чинників.

Важливою особливістю запропонованого принципу керування є значущість відносних переміщень, нормованих на характерний розмір лінії ( для мікрополоскової та для копланарної). Тому для отримання певного фазового зсуву у приладі певної довжини величину переміщень можна привести у відповідність до можливостей актюатора шляхом пропорційного зменшення розмірів лінії.

Наведені на рис. , а залежності ілюструють, що серед фазообертачів на основі мікрополоскових ліній загалом вищі показники чутливості мають прилади на основі ліній з нижчим характеристичним опором, що пояснюється збільшенням частини електромагнітної енергії, що замикається у повітряному зазорі.

Рис. . Залежність фазового зсуву у фазообертачах на основі мікрополоскової лінії від а) геометрії лінії, б) діелектричної проникності основи, в) діелектричної проникності рухомого діелектрика. Довжина лінії дорівнює довжині хвилі у вакуумі.

Разом з тим, суттєвий вплив на показники приладу справляє величина діелектричної проникності основи, оскільки вона безпосередньо конкурує з повітряним зазором при перерозподілі електромагнітної енергії хвилі (рис. , б). Рухоме діелектричне тіло незначною мірою впливає на розподіл електромагнітного поля мікрополоскової лінії, тому збільшення його діелектричної проникності не призводить до значного покращення показників приладу (рис. , в).

У фазообертачах на основі копланарної лінії геометричні параметри лінії не справляють значного впливу на чутливість приладу (рис. , а). Разом з тим, величини діелектричної проникності основи та рухомого діелектрика мають значний вплив на показники приладу, що пояснюється сильним зв’язком електромагнітного поля копланарної лінії з діелектричними тілами поблизу неї.

Рис. . Залежність фазового зсуву у фазообертачах на основі копланарної лінії від а) геометрії лінії, б) діелектричної проникності основи, в) діелектричної проникності рухомого діелектрика. Довжина лінії дорівнює довжині хвилі у вакуумі.

Як показано на рис. , у процесі керування характеристичний опір лінії зазнає суттєвих змін. Тому для підтримання узгодженого режиму роботи приладу слід вживати відповідних заходів. В роботі проведено аналіз багатоступеневих узгоджуючих трансформаторів методами теорії кіл НВЧ. Такий же підхід може бути застосовано для їх проектування.

Рис. . Характеристичний опір фазообертача на основі а) мікрополоскової та б) копланарної лінії з рухомим електродом.

Запропонований принцип керування ефективними параметрами ліній передачі допускає гнучкість при практичному застосуванні. Наприклад, замість переміщення сигнального електрода мікрополоскової лінії можна переміщувати заземлюючий електрод 1 (рис. , а). Подібний принцип керування, що ґрунтується на перерозподілі електромагнітної енергії між повітряними та діелектричними частинам пристрою, можна також реалізувати, переміщуючи над поверхнею лінії металевий місток 1, що виконує роль заземлюючого електрода, тоді як сигнальний електрод захоронено під шаром діелектричної плівки (рис. , б).

Рис. . Варіанти електромеханічного керування ефективними параметрами мікрополоскової лінії.

Також встановлено, що високі показники керованості вдається зберегти, якщо під сигнальним електродом лінії підтравлювати канавку, як показано на рис. . При цьому є можливість зменшення втрат, зумовлених втратами у основі лінії за рахунок перерозподілу енергії хвилі, що поширюється, у середовище з меншими втратами.

Рис. . Варіанти фазообертачів з електромеханічним керуванням на основі мікрополоскової (а, б) та копланарної (в, г) ліній: 1 – основа лінії, 2 – тонка плівка, 3, 5, 7 – електроди, , 4 – рухоме діелектричне тіло, 6 –канавка.

Запропоновані принципи керування перевірено розрахунками за допомогою розробленої у третьому розділі методики та експериментальними дослідженнями. Похибка обчислень може бути оцінена за співвідношеннями:

де , – відносні похибки обчислень ефективної діелектричної проникності та характеристичного опору лінії; – чутливість ефективної діелектричної проникності до параметра ;  — чутливість характеристичного опору до параметра .

За умови адекватного вибору розмірів області, що аналізується, та ступеня деталізації сітки основний вплив на похибки обчислень справляють похибки вхідних даних. Знайдені чутливості інтегральних характеристик ліній передачі (табл. , ) вказують на високу точність розрахунків. Так, якщо діелектрична проникність основи відома з похибкою до 5%, а геометричні розміри лінії – з похибкою до 1%, то похибка обчислень ефективної діелектричної проникності та характеристичного опору не перевищуватиме %.

Таблиця 1

Чутливість ефективної проникності та характеристичного опору мікрополоскової лінії

Параметр | Товщина основи, Ширина електрода, Чутливість 0,2071 | 0,05508 | 0,02357 | Чутливість Z00,1002 | 0,3635 | 0,1623 | Таблиця 2

Чутливість ефективної проникності та характеристичного опору копланарної лінії

Параметр | Товщина основи,
Ширина централь-ного електрода, Ширина боко-вого електрода,
Відстань між електродами,
Чутливість 0,1755 | 0,06550 | 0,01572 | 4,857?10–40,07791Чутливість Z00,0853 | 0,1029 | 0,02606 | 1,810?10–40,5804 |

Разом з тим, найсильніший вплив на ефективні параметри пристрою справляє точність установки повітряного зазору . У розрахунках, показаних на рис. , параметром при обчисленні чутливостей вибране інваріантне співвідношення . Найбільша чутливість до установки повітряного зазору спостерігається при малих відношеннях . При цьому відносна похибка фазового зсуву у 2 – 7 перевищує відносну похибку установки зазору. Це також підтверджує високу ефективність запропонованого принципу керування.

Рис. . Чутливість ефективної діелектричної проникності до точності встановлення повітряного зазору у фазообертачах на основі мікрополоскої лінії з рухомим електродом.

Експеримент проведено з використанням показаного на рис.  макета зі спеціально підготовленими основами з мікрополосковими та копланарними лініями. |

Рис. . Фото експериментального макета: 1 – мікрометричний гвинт, 2 _корпус, 3 – рухома платформа, 4 – основа, 5 – тримач основи.

Рухомий електрод лінії закріплено на контактних площадках основи 4. За допомогою мікрометричного гвинта 1 переміщується рухома платформа 3, яка разом з діелектричним тілом переміщую і електрод. Параметри розсіяння макета виміряно за допомогою векторного панорамного вимірювача. Модель експериментального макета побудовано з використанням хвильових матриць передачі та методів теорії кіл НВЧ. Експериментом встановлено добру відповідність результатів вимірювань результатам розрахунків (рис. ).

Рис. . Результати моделювання та вимірювання фази (а) та модуля (б) коефіцієнта передачі на різних частотах макета фазообертача на основі мікрополоскової лінії з сигнальним електродом, закріпленим на основі.

Вимірюванням фазообертачів з рухомими електродами підтверджено, що за показниками керованості вони більш, ніж у два рази перевищують показники фазообертачів з нерухомими електродами (рис. , а). Амплітудно-частотна характеристика (рис. , б) демонструє гладкий характер та низькі втрати в широкому діапазоні частот.

Рис. . Характеристики фазообертача на основі мікрополоскової лінії: а – виміряна та розрахована залежність фазового зсуву від величини повітряного зазору; б – амплітудно-частотна характеристика. Основа – полікор, довжина пристрою – 5 см, довжина його керованої частини – 2 см.

Запропоновані принципи керування дозволяють отримати значні фазові зсуви при малих переміщеннях, тому для їх створення можуть бути використані швидкодіючі п’єзоактюатори.

Для керування фазообертачами у багатоканальних приймально-передавальних системах запропоновано спосіб вибору керуючих сигналів на основі алгоритму постійного модуля. На кожній ітерації розв’язується задача мінімізації відхилення модуля прийнятого сигналу від очікуваної сталої величини. Фази знайдених комплексних вагових коефіцієнтів можуть використовуватися для формування керуючих сигналів фазообертачів у слідкуючому режимі. Такий режим роботи дозволяє знизити вимоги до точності калібровки керуючої характеристики, а також дозволяє враховувати зміну параметрів системи, зумовлених зовнішніми факторами, наприклад, зміною температури.

У додатку наведено таблиці, що ілюструють збіжність методу скінчених елементів при аналізі мікрополоскових та копланарних лінії.

Основні результати та висновки

В роботі розв’язано такі проблеми:

1. Побудовано модель прохідного фазообертача з відбивними ланками на p-i-n-діодах, яка враховує втрати у відбивних ланках. На основі побудованої моделі розроблено комплекс алгоритмів та прикладних програм для аналізу та проектування таких фазообертачів.

2. Проведено дослідження впливу конструктивних параметрів прохідного фазообертача з відбивними ланками на p-діодах на величину фазової похибки та втрат у пристрої, показано можливість зменшення фазової похибки та внесених втрат шляхом оптимального вибору конструктивних параметрів відбивних ланок фазообертача.

3. Запропоновано методику аналізу ліній передач НВЧ складного поперечного перерізу, яка ґрунтується на обчисленні електромагнітного поля у поперечному перерізі лінії методом скінчених елементів з подальшим переходом до ефективних параметрів лінії передачі та використанням хвильових матриць передачі та методів теорії кіл НВЧ для обчислення характеристик пристрою.

4. Запропонована методика розрахунку реалізована у вигляді прикладних програм, перевірена на збіжність та верифікована шляхом порівняння отриманих результатів з результатами, отриманими відомими методами на прикладі розрахунку характеристик мікрополоскових та копланарних ліній передачі, а також шляхом порівняння з експериментальними даними.

5. Проведено аналіз електродинамічних властивостей фазообертачів на основі мікрополоскових та копланарних ліній з електромеханічним керуванням шляхом уведення сильної неоднорідності у вигляді повітряного зазору змінної величини. Показано високу ефективність такого принципу керування з точки зору чутливості та обґрунтовано можливість отримання низького рівня внесених втрат. Проведено аналіз модифікацій запропонованого принципу керування та вироблено практичні рекомендації щодо вибору тієї чи іншої конструкції в залежності від конкретної інженерної задачі.

6. Розроблено алгоритм керування фазообертачами у багатоканальній приймально-передавальній системі, який дозволяє визначати параметри керуючих сигналів у слідкуючому режимі.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Поплавко Ю. М., Казмиренко В. А., Прокопенко Ю. В., Голубева И. П., Джонг М., Бек С. Диэлектрические фазовращатели с пьезоуправлением. // Электроника и связь._2002._№15.– С. . Здобувачем проведено дослідження ефективної діелектричної проникності композиту „діелектрик-повітря”.

2. Поплавко Ю. М., Казмиренко В. А., Прокопенко Ю. В., Голубева И. П., Джонг М., Бек С. Гибридные диэлектрические фазовращатели с пьезоуправлением. // Электроника и связь._2003._№18.–, С. . Здобувачем розроблено та теоретично досліджено принцип електромеханічного керування характеристиками ліній передачі.

3. Голубева И. П., Прокопенко Ю. В., Казмиренко В. А. Машино-ориентированный метод анализа наклонного падения электромагнитных волн на многослойные структуры. // Электроника и связь._2004._№22, том 9._С. . Здобувачем розроблено методику чисельного аналізу кіл НВЧ з використанням хвильових матриць передачі та застосування її для аналізу похилого падіння електромагнітних хвиль на багатошарові структури.

4. Голубева И. П., Прокопенко Ю. В., Че И. Метод расчета и оптимизации конструктивных параметров проходных фазовращателей с отражающими фазовращательными элементами на p_диодах. // Электроника и связь._2004._№ ._C. 5-10. Здобувачеві належить створення моделі прохідного фазообертача з відбивними елементами на -діодах, яка дозволяє врахувати втрати відбивної ланки.

5. Голубева И. П., Поплавко Ю. М., Прокопенко Ю. В E.. МЭМС-фазовращатели на микрополосковой и компланарной линии с пьезоуправлением // Электроника и связь._2006.– ч.2.– C.17-20. Здобувачем запропоновано різновиди принципів електромеханічного керування, придатні для створення ефективних фазообертачів НВЧ при використанні основ з порівняно високими втратами, та проведено їх аналіз.

6. Голубева И. П., Прокопенко Ю. В., Казмиренко В. А, Поплавко Ю. М.. Метод расчета микроэлектромеханического аналогового фазовращателя // 14th International Conference. “Microwave & Telecommunication Technology”, КрыМиКо, Севастополь._2004, С. 433-434.

7. FurmanLanaganGolunevaPoplavko Piezo-controlled Microwave frequency Agile Dielectric devices // Proceedings of the 2004 IEEE International Frequency Control Symposium and Exposition, August, 2004, Montrйal, Canada.– 2004.– P. 266 – 271.

8. Poplavko Y., Golubeva I., KazmirenkoJeong M., and Baik Piezo-controlled Dielectric Phase Shifter with Microstrip and Coplanar Lines // 35th European Microwave Conference, 2005, Paris.– 2005.– P. 1335 – 1337.

9. PoplavkoGolubevaProkopenko MEMS-Like Phase Shifter with Piezoelectric Control // Proc. Microwave & Radar Week in Poland, MIKON-2006.– Krakow, Poland.– 2006.– 3.

10. Poplavko Y., PashkovMolchanovKazmirenkoProcopenkoEremenkoGolubevaand Shmigin Tunable Microwave Devices Based On The Design Reconfiguration By Piezoelectric Actuator // Proc. Microwave & Radar Week in Poland, MIKON-2006.– Krakow, Poland, 2006.– 4.

11. Poplavko Y., Golubeva, and Prokopenko Piezo-Operated Mems Dielectric Phase Shifter. MEMSWAVE-2006, 7th International Symposium on RF MEMS and RF Microsystems, Orvieto, Italy.– 4

12. Poplavko Y., Golubeva, and Prokopenko Development Of Piezo-Operated Dielectric Phase Shifter // 16th Int. Crimean Conference “Microwave & Telecommunication Technology” (CriMiCo’2006).– Sevastopol, Crimea.– 2006.– P. 600-603.

13. Poplavko Y., ProkopenkoPashkovMolchanovGolubeva, Kazmirenkoand Shmigin Low Loss Microwave Piezo-Tunable Devices // Proceedings of the 36th European Microwave Conference.– Manchester, UK.– 2006.– P. 657–660.

Анотації

Голубєва І. П. Електрично керовані фазообертачі НВЧ на основі мікрополоскових та копланарних ліній. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 5.27.01 – твердотільна електроніка. – Національний технічний університет України “КПІ”, Київ, .

Дисертація присвячена покращенню характеристик прохідних фазообертачів з відбивними ланками на -діодах, а також розробці принципів електромеханічного керування характеристиками ліній передачі НВЧ, придатних для створення фазообертачів.

З використання методів теорії кіл НВЧ побудована модель відбивної ланки фазообертача на -діодах, яка враховує втрати цієї ланки. З використанням цієї моделі побудовано цільову функцію, яка із заданими коефіцієнтами враховує фазову похибку та втрати пристрою у заданому діапазоні частот у залежності від довжини підстройочного елемента та показано можливість покращення показників пристрою за рахунок оптимального вибору його конструктивних параметрів.

Основна частина роботи присвячена розробці та дослідженню принципів електромеханічного керування ефективними параметрами ліній передачі, придатних для створення широкосмугових фазообертачів, які к мали низькі втрати та могли працювати в діапазоні до міліметрових хвиль.

Запропоновано методику аналізу ліній передач НВЧ складного поперечного перерізу, яка ґрунтується на обчисленні властивостей електромагнітного поля у поперечному перерізі лінії методом скінчених елементів з подальшим переходом до ефективних параметрів лінії передачі та використанням методів теорії кіл НВЧ для обчислення характеристик пристрою.

Запропонована методика верифікована шляхом порівняння отриманих результатів з результатами, отриманими відомими методами на прикладі розрахунку характеристик мікрополоскових та копланарних ліній передачі, а також шляхом порівняння з експериментальними даними.

Проведено дослідження та запропоновано принципи побудови діелектричних фазообертачів з електромеханічним керуванням, які дозволяють отримати більший фазовий зсув та менші втрати при малих переміщеннях, ніж раніш відомі конструкції того ж класу.

Розроблено методику керування фазовим зсувом фазообертачів у багатоканальній приймально-передавальній системі.

Ключові слова: фазообертач, надвисокі частоти, мікрополоскова лінія, копланарна лінія, діелектрик, п’єзоактюатор.

Голубева И. П. Электрически управляемые фазовращатели на основе микрополосковых и копланарных линий. _ Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 5.27.01 _твердотельная электроника. Национальный технический университет Украины “КПИ”, Киев, .

Диссертация посвящена улучшению характеристик проходных фазовращателей с отражательными звеньями на -диодах, а также разработке принципов электромеханического управления характеристиками линий передачи СВЧ, пригодных для создания фазовращателей.

С использованием методов теории цепей СВЧ построена модель отражающего звена проходного фазовращателя на -диодах, которая учитывает потери этого отражающего звена. С использованием этой модели построена целевая функция, которая с заданными весами учитывает фазовую ошибку и потери устройства в заданном диапазоне частот в зависимости от длины подстроечного элемента. Показана возможность улучшения соотношения фазовой ошибки и вносимых потерь фазовращателя в заданном диапазоне частот за счет оптимального выбора конструктивных параметров устройства.

Основная часть работы посвящена разработке и исследованию принципов электромеханического управления эффективными параметрами линий передачи, пригодными для создания широкополосных фазовращателей, которые обладали бы низкими вносимыми потерями и могли работать в диапазоне вплоть до миллиметровых волн.

Для исследования предлагаемых линий передачи СВЧ сложного поперечного сечения разработана методика анализа таких линий, основанная на расчете электромагнитного поля в поперечном сечении. Задача формулируется с применением электрических и магнитных скалярных и векторных потенциалов. Решение производится методом конечных элементов. По найденным параметрам поля определяются интегральные характеристики, такие как эффективная диэлектрическая проницаемость и характеристическое сопротивление. На их основе с использованием методов теории цепей СВЧ находятся параметры рассеяния всего устройства. Предложенная методика верифицирована путем сравнения полученных результатов, с результатами, полученными другими известными методами на примере расчета характеристик микрополосковых и копланарных линий передачи, а также путем сравнения с экспериментальными данными.

Предложены принципы электромеханического управления постоянной распространения интегральных линий передач СВЧ, пригодные для создания фазовращателей СВЧ диапазона. Для этого предлагается производить механическую реконфигурацию линий передачи на диэлектрических подложках с помощью электромеханического привода. Применение высокодобротных материалов позволяет реализовать устройства с низкими потерями. Быстродействующие пьезоактюаторы реализуют перемещения порядка ста микрометров, поэтому для их использования необходима высокая чувствительность к малым перемещениям. Для ее достижения предлагается на пути силовых линий поля встраивать сильную неоднородность в виде воздушного зазора переменной величины. Практически это может быть достигнуто путем отрыва с помощью пьезопривода сигнального или заземляющего электрода микрополосковой линии. Подобный принцип может быть также реализован и в микрополосковых линиях. В работе проведен всесторонний анализ зависимости характеристик таких устройств от параметров используемых материалов и геометрии линии. Предложен ряд возможных модификаций принципа управления, основанного на перераспределении энергии поля между диэлектрическими и воздушными частями прибора и выработаны рекомендации по их практическому использованию.

Предложенные принципы управления проверены экспериментально. Результаты измерений хорошо соответствуют расчету и подтверждают высокую эффективность предложенных принципов управления.

Для управления фазовращателями в многоканальных приемно-передающих системах на основе алгоритма постоянного модуля предложена методика для нахождения управляющих сигналов фазовращателей в следящем режиме.

Ключевые слова: фазовращатель, сверхвысокие частоты, микрополосковая линия, копланарная линия, диэлектрик, пьезоактюатор.

GolubevaElectrically controlled phase shifters on the basis of microstrip and coplanar lines. – Manuscript.

PhD thesis on speciality 5.27.01 – solid-state electronics. National technical university of Ukraine “KPI”, Kiev, .

The thesis is devoted to enhancement of phase shifters with -diodes based reflecting circuits as well as to development and study of principles of electromechanic control over effective parameters of microwave lines suitable for phase shifter applications.

Model of reflecting circuit of -diodes based phase shifter is developed using microwave circuits theory. The model accounts reflecting circuit’s loss. Using this model optimization problem was stated, which makes it possible to minimize phase error and loss of the device in the prescribed frequency range by proper selection of tuning parameter.

The main focus is on development of the principles of electromechanical control over effective parameters of microwave transmission lines, which have low loss and may work at millimeter waves.

For the transmission lines with complex cross section method of analysis is proposed. It is based on finite elements method. Then effective parameters of the line are calculated and wave transmission matrices are used to calculate scattering parameters of the device. The method is verified by comparison with known techniques and by experiment.

Electromechanically tunable phase shifters capable to provide low loss and larger phase shift are proposed and studied. Method for phase shifters’ control in multichannel system is proposed.

Keywords: phase shifter, microwave, microstrip line, coplanar line, piezoactuator.