ПРОЕКТИРОВАНИЕ И КОНСТРУИРОВАНИЕ СВЧ ИНТЕГРАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ - Радиоэлектроника - Скачать бесплатно
на
отрезках линий. Однако в полосе 10% Ксви< 1,1, переходное затухание C31 (
3,05 дБ, развязка плеч С23 >= 25 дБ. Следовательно, в этой полосе частот
делители (сумматоры) на сосредоточенных элементах могут заменять схемы из
отрезков линий.
В микрополосковых устройствах широко используют частотно-избирательные
фильтры. ФНЧ обычно имеют ступенчатую структуру. Полосовые фильтры
(ППФ.ПЗФ) выполняют на резонансных отрезках линий, связанных
электромагнитной и кондуктивной связью. Строгая теория фильтров на
микрополосковой линии отсутствует. Следовательно, и расчет фильтра будет
приближенным. Экспериментальная настройка микрополоскового фильтра
чрезвычайно затруднена из-за малых размеров всех элементов.
Кроме того, относительно высокие потери в микрополосковой линии не
позволяют изготовить очень узкополосные фильтры. В последние годы
исследуются вопросы построения узкополосных фильтров из диэлектрических
резонаторов с полосой пропускания порядка 0,1%. Однако пока еще остается
нерешенной проблема стабильности частотных характеристик таких фильтров из-
за больших значений температурных коэффициентов емкости материалов с
высокой диэлектрической проницаемостью.
Управление амплитудой и фазой СВЧ сигналов.
В современных радиотехнических системах широко применяют устройства
управления амплитудой (многоканальные переключатели, аттенюаторы,
амплитудные модуляторы, ограничители) и фазой (фазовращатели) СВЧ сигнала.
Для этих целей используют СВЧ диоды. Управляющий СВЧ диод может
включаться в линию последовательно или параллельно.
В микрополосковую линию бескорпусные диоды обычно включают
параллельно.
Принцип работы многоканального переключателя (рис. 2.22) заключается в
том, что при подаче положительного смещения диод открывается, его
сопротивление становится намного меньше Z0 и линия в этом сечении
шунтируется диодом. Подводимая мощность отражается от этого сечения линии.
Если же на диод подать отрицательное смещение, то он закрывается, его
сопротивление становится большим и не шунтирует линию. В диоде поглощается
небольшая доля переключаемой мощности. Это позволяет выполнять
переключатели для относительно большой мощности на маломощных приборах.
Если эта мощность мала (менее 1 Вт), то можно применять СВЧ диоды различных
типов: варакторы, туннельные диоды и др. Если же уровень мощности превышает
1 Вт, то пригодны только р—i—n - диоды, способные рассеять до 10 Вт средней
мощности. Необходимо отметить, что вносимые потери в переключателе в режиме
пропускания LП и запирания LЗ связаны зависимостью
[pic]
где Rmax, Rmin — сопротивления диода при подаче отрицательного и
положительного смещения соответственно, К — качество р—i — n-диода.
Обычно переключатели разрабатывают на максимальный уровень
переключаемой мощности. В этом случае режим работы переключателя
целесообразно выбрать таким, чтобы в положениях «включено» и «выключено» в
диоде поглощалась одинаковая мощность. При этом в диоде поглощается около
6% коммутируемой мощности. Потери в режиме «включено» составляют 0,5 дБ, в
режиме «выключено» 26...28 дБ. Если требуется увеличить вносимые потери в
режиме «выключено», вдоль линии можно установить несколько диодов на
расстоянии четверти длины волны. Мощность управления одним р—i—n - диодом
составляет 0,03...0,1 Вт.
Если нужно уменьшить мощность управления (например, при большом числе
диодов), можно применить варакторы МДП. У этих приборов при изменении
напряжения смещения изменяется емкостная проводимость. Ток утечки в них не
превышает 10-14 А, из за чего требуемая мощность управления существенно
уменьшается.
На основе одноканального переключателя созданы электрически
управляемые аттенюаторы. В них напряжение смещения диода плавно изменяют в
пределах ±Uсм При этом вносимое затухание изменяется в пределах 0,5...28
дБ.
Если в линию включить варактор или диод с барьером Шоттки без внешнего
смещения, то на нем за счет проходящего сигнала поддерживается постоянное
напряжение порядка 1 В, т. е. происходит амплитудное ограничение сигнала.
Такие схемы используются в РЛС для защиты входных цепей приемников и в ЧМ
приемниках для устранения паразитной амплитудной модуляции.
Переключающие свойства р—i—n -диодов используют длч создания
дискретных микрополосковых фазовращателей (рис. 2.23). Такие фазовращатели
для упрощения управления ими строят in принципу двоичной разрядности
(первый разряд обеспечивает изменение фазы на величину ((, второй — на 2
((, третий — на 4 (( и т. д.).
На рис. 2,24 показаны 3 схемы одного разряда микрополосковых
фазовращателей. В схеме, приведенной на рис. 2.24, а, изменение фазы
обеспечивается переключением отрезков линии разной длины. В фазовращателе,
изображенном на рис. 2.24, б, используются свойства моста (как правило, это
микрополосковый квадратный мост).
В шлейфном фазовращателе (рис. 2.24, в) фаза изменяется за счет того,
что с помощью диода на конце шлейфа создается режим короткого замыкания или
холостого хода. При этом изменяется характер сопротивления, включенного в
линию. Такой фазовращатель может давать любые дискретные значения фазы,
кроме 180°. При значении фазы, близком к 180°, требуются слишком большие
волновые сопротивления шлейфов, и их невозможно реализовать.
[pic]
Достоинство полупроводниковых дискретных фазовращателей заключается в
том, что точность установки фазы определяется не уровнем управляющего
напряжения, а только фактом его наличия. Этим самым снижаются требования к
управляющему устройству.
Современные ФАР требуют трех- или четырехрядных фазовращателей (Дф =
45 или 22,5°). Трехразрядный фазовращатель Х-диапазона имеет потери порядка
1,5 дБ.
Интегральные СВЧ ферритовые приборы.
В технике СВЧ широко применяются ферритовые устройства. Это
объясняется тем, что феррит является практически единственной освоенной в
производстве средой с управляемым параметром (, обладающей невзаимными
свойствами. Попытки создать аналогичные приборы на магнитной плазме и
сегнетоэлектриках хороших результатов пока не дали.
Переход к интегральному исполнению этих устройств представляет большой
интерес. Трудность построения ферритовых приборов на микрополосковой линии
связана с тем, что в ней магнитное поле линейно поляризовано. Для создания
же невзаимных приборов требуется круговая или близкая к ней поляризация
магнитного поля. Потому не все ферритовые СВЧ приборы можно выполнить в
микрополосковой конструкции.
Наиболее разработаны мостовые трехплечие микрополосковые Y-циркуляторы
(рис. 2.25). Одна из конструкций микроциркулятора выглядит следующим
образом. На заземленное основание укладывается ферритовая подложка толщиной
0,6 мм. Центральная полоска шириною 0,064 мм напыляется на феррит. В центре
120°-ного разветвления полосковой линии напыляется металлический диск
диаметром 0,58 мм. Постоянный магнит имеет диаметр, несколько больший
диаметра центрального металлического диска. Таким образом, намагничивается
только часть феррита непосредственно в области разветвления. Прямые потери
в таком циркуляторе Х - диапазона не превышают 0,6 дБ, развязка плеч не
менее 20 дБ.
При включении в одно плечо циркулятора согласованной нагрузки он
превращается в вентиль.
4. Активные СВЧ устройства
СВЧ полупроводниковые приборы.
СВЧ устройства в гибридном исполнении с полупроводниковыми активными
элементами используют в основном в маломощных трактах радиопередающих
устройств и в приемных трактах радиоэлектронной аппаратуры в качестве
генераторов, модуляторов, усилителей и преобразователей.
К наиболее употребительным в настоящее время активным
полупроводниковым элементам СВЧ можно отнести транзисторы и диоды с
отрицательным сопротивлением разных типов. Кроме того, применяют диоды,
имеющие нелинейную зависимость емкости р—n - перехода от напряжения,
например параметрические диоды, варакторы и диоды с накоплением заряда
(ДНЗ). За исключением параметрических усилителей и генераторов, устройства
с нелинейной емкостью не обладают активными свойствами. Это пассивные
умножители СВЧ, а также устройства для амплитудной, частотной и фазовой
модуляции.
Рассмотрим кратко свойства СВЧ устройств, построенных на активных и
нелинейных пассивных элементах.
Усилители СВЧ мощности на транзисторах применяют в метровом и
дециметровом диапазонах при выходных мощностях от сотен ватт (в метровом
диапазоне) до единиц и долей ватта на длинноволновой границе сантиметрового
диапазона. Широкополосность таких усилителей составляет 10...15%.
Коэффициент усиления от 20... ... 25 дБ в длинноволновом участке указанного
диапазона, до единиц децибел в коротковолновой части этого диапазона.
К.П.Д. = 15... ...50%, что заметно больше, чем у усилителей мощности,
построенных на других полупроводниковых активных элементах СВЧ.
На транзисторах строят малошумящие усилители СВЧ вплоть до
сантиметрового диапазона волн при коэффициенте усиления 20...30 дБ и
коэффициенте шума 5...8 дБ. Кроме того, на транзисторах выполняют
автогенераторы в диапазоне от метровых до сантиметровых волн как с
механической, так и с электронной перестройкой частоты. В таких
автогенераторах, как правило, используют внешние цепи обратной связи, что
усложняет их по сравнению с диодными генераторами. К основным достоинствам
транзисторных устройств СВЧ следует отнести повышенное значение К. П. Д. и
обеспечение однонаправленных свойств усилителей без введения дополнительных
невзаимных элементов.
Генераторы и усилители на диодах с отрицательным сопротивлением
используют главным образом в сантиметровом и миллиметровом диапазонах.
Принцип действия таких устройств основан на компенсации сопротивления
потерь колебательной системы (с учетом сопротивления, вносимого нагрузкой)
отрицательной активной составляющей полного сопротивления диода. При полной
компенсации потерь в генераторе устанавливаются автоколебания. При
частичной компенсации потерь происходит регенеративное усиление внешних
колебаний. Для получения автоколебаний в диодном генераторе не требуется
внешних цепей обратной связи. Регенеративные усилители не обладая
однонаправленными свойствами, требуют использования невзаимных устройств,
например, циркуляторов.
В диодных генераторах и усилителях СВЧ используют диоды с различной
природой образования отрицательного сопротивления, а именно: лавинно-
пролетные диоды (ЛПД), диоды с переносом электронов (ДПЭ), туннельные диоды
(ТД).
На ЛПД строят генераторы с выходной мощностью единицы ватт в
сантиметровом диапазоне и сотни милливатт в миллиметровом. Широкому
применению усилителей на ЛПД препятствуют неудовлетворительные шумовые
характеристики, обусловленные лавинным механизмом генерирования носителей
заряда в этих диодах. Генераторы на ДПЭ в 3...10 раз уступают по мощности
генераторам на ЛПД, однако ДПЭ характеризуются несколько лучшими, чем ЛПД,
шумовыми свойствами: коэффициент шума усилителей на ДПЭ 10...15 дБ. Оба
типа генераторов имеют приближенно одинаковый к. п. д., измеряемый
единицами процентов.
Туннельные диоды применяют в малошумящих усилителях дециметрового и
сантиметрового диапазонов. Коэффициент усиления таких усилителей составляет
10...20 дБ при коэффициенте шума 5...7 дБ. Использованию ТД в генераторах и
мощных усилителях СВЧ препятствует малое значение рабочего напряжения на
диоде (доли вольта), что вызывает необходимость увеличивать ток диода для
увеличения мощности. В режиме больших токов и малых напряжений при М-
образной вольт-амперной характеристике трудно обеспечивать устойчивость
цепи питания ТД. Устойчивость цепи питания используемых на практике
источников может быть обеспечена только при рассеянии существенной части
мощности источника в стабилизирующем резисторе, а следовательно, при
значительном снижении К. П. Д. генератора.
Наилучшими шумовыми свойствами по сравнению с рассмотренными обладают
полупроводниковые параметрические усилители, коэффициент шума которых
порядка 0,5...3 дБ. Усилители на параметрических диодах применяют в
диапазоне от дециметровых до миллиметровых волн с коэффициентами усиления
15...40 дБ. В генераторах накачки параметрических усилителей могут быть
использованы ЛПД и ДПЭ. К стабильности частоты, уровню мощности и
спектральным характеристикам таких генераторов предъявляют жесткие
требования.
Умножители СВЧ на варакторах и ДНЗ применяют обычно для умножения
частоты колебаний транзисторных усилителей мощности. С помощью таких
транзисторно-варакторных цепочек получают колебания в коротковолновой части
дециметрового диапазона и в сантиметровом диапазоне с удовлетворительными
для многих практических применений значениями мощности и к. п. д. На выходе
варакторных умножителей, работающих с запертым р — n - переходом, могут
быть получены колебания миллиметрового диапазона. Как уже отмечаясь, такие
умножители не имеют усилительных свойств, коэффициент передачи по мощности
у них всегда меньше единицы и тем меньше, чем больше коэффициент умножения.
Особенности гибридных устройств СВЧ с активными и нелинейными
элементами.
Полупроводниковые активные элементы СВЧ в настоящее время не могут
быть выполнены интегрально с остальными элементами СВЧ устройства.
Устройства СВЧ с полупроводниковыми элементами состоят из электромагнитных
систем СВЧ, выполненных по тонкопленочной технологии, и навесных
полупроводниковых приборов в обычном или бескорпусном исполнении, т. е
являются гибридными. Основной задачей в этом случае является миниатюризация
устройства. Малые размеры активных полупроводниковых элементов и
ограниченность электронного К. П. Д. приводя к чрезмерной локализации
тепловыделения и необходимости применять в случае больших мощностей
рассеяния эффективные теплоотводы и устройства охлаждения, ограничивающие
степень миниатюризации.
Возможности миниатюризации электромагнитных систем в пленочном
исполнении связаны со следующим. Основным типом электромагнитной системы в
пленочном исполнении является микрополосковая несимметричная линия.
Колебательные цепи генераторов и усилителей СВЧ должны содержать
резонансные отрезки линий. длина которых соизмерима с длиной полуволны. Для
уменьшения эффективной длины волны в линии (примерно в 2,5 раза), а также
для сокращения поперечных размеров линии (до десятых долей миллиметра)
можно использовать тонкие диэлектрические подложки с большими значениями
диэлектрической проницаемости (порядка 10). Однако столь малые поперечные
размеры приводят к увеличению потерь проводимости. Кроме того, диэлектрики
с большими значениями диэлектрической проницаемости обладают повышенными
потерями. В результате добротность колебательных систем такого типа
оказывается в среднем на 0,5... 1,5 порядка меньше, чем у волноводных и
коаксиальных колебательных систем. В результате уменьшается
электромагнитный К. П. Д. мощных усилителей и генераторов и ухудшаются
шумовые свойства маломощных устройств.
В дециметровом диапазоне резонансные отрезки линий даже при
использовании материалов подложек с большой диэлектрической проницаемостью
получаются неприемлемо длинными. Поэтому в указанном диапазоне волн
приходится отказываться от использования микрополосковых линий и строить
колебательные системы на сосредоточенных индуктивных элементах в виде
плоских спиралей в сосредоточенных конденсаторах навесного типа или в
пленочном исполнении. Для уменьшения уровня излучения таких элементов их
размеры должны быть достаточно малы по сравнению с длиной волны, а
следовательно, поперечные размеры проводников (например, плоских спиралей)
уменьшаются по сравнению с размерами полосковых линий, потери же
проводимости соответственно увеличиваются. Тем не менее значения
добротности сосредоточенных элементов могут быть порядка сотни (рис. 2.26).
При малых значениях частоты добротность уменьшается из-за уменьшения
реактивного сопротивления, а при больших значениях частоты — из-за
увеличения потерь проводимости, вызванных скинэффектом, и главным образом
потерь на излучение. Практически сосредоточенные индуктивные и емкостные
элементы применяют на частотах, не превышающих 1 ГГц.
Отметим еще одну особенность гибридных СВЧ устройств трудность
введения элементов настройки и регулировки электромагнитных систем.
Введение навесных элементов механической регулировки резко ухудшает
технологичность изделия. Неизбежный разброс параметров полупроводниковых
элементов, а также ошибки изготовления при отсутствии регулировочных
элементов могуг затруднить реализацию оптимальных режимов работы
устройства. Поэтому желательно предусматривать элементы подбора параметров
электро-магнитных систем, а также использовать электронные способы
перестройки.
Итак, гибридные устройства СВЧ могут иметь худшие параметры, чем
аналогичные устройства на объемных электромагнитных системах. Тем не менее
их применение оправдывается существенным улучшением технологичности, а
также уменьшением габаритов и массы, особенно для маломощных устройств.
Конструктивные и топологические решения
При конструировании гибридных устройств СВЧ возможны разнообразные
решения, различающиеся способами установки диэлектрических подложек с
пленочными и навесными элементами в металлический корпус, способами
соединения элементов, выполненных на отдельных подложках, а также способами
крепления полупроводниковых приборов.
В маломощных устройствах полупроводниковые приборы можно навешивать на
диэлектрическую подложку так же, как и пассивные навесные элементы. При
повышенных мощностях желательно обеспечить контакт полупроводникового
прибора с корпусом устройства, который в этом случае выполняет роль
теплоотвода и радиатора. Для эгого в подложке делают отверстие, в котором и
устанавливают полупроводниковый прибор. Соединение усчройств, выполненных
на отдельных подложках, может быть либо с использованием коаксиальных
разъемов, либо безразъемное. В последнем случае подложки соединяемых
устройств располагают вплотную друг к другу в одной плоскости и паяют
пленочные проводники и металлизированные основания подложек. При
безразъемном соединении могут быть применены как отдельные металлические
корпуса, так и один общий для нескольких подложек корпус.
При разработке топологии устройств учитывают требования к плотности
размещения микрополосковых и других плeнoчныx элементов, требования
минимизации неоднородностей при изгибах и ответвлениях, а также некоторые
технологические требования, например, к минимальной ширине полоски или
зазора между полосками. В некоторых случаях учитывают соображения,
связанные с тепловым режимом устройства. Колебательные системы
однокаскадного транзисторного усилителя выполнены на основе микрополосковых
линий с использованием навесных конденсаторов в системе блокировки
источника питания. Выводы транзистора соединяются с соответствующими
контактными поверхностями, обозначенными буквами на рисунке
Расчет геометрических размеров пленочных элементов.
В случае реализации электромагнитных систем СВЧ устройств с
использованием отрезков несимметричных микрополосковых линий их
геометрические размеры, необходимые для обеспечения заданных электрических
характеристик, рассчитывают по формулам и графикам.
Значения пленочных индуктивных элементов, используемых в СВЧ
диапазоне, лежат в пределах от единиц до нескольких десятков наногенри.
Индуктивные элементы могут быть выполнены в виде отрезков пленочного
проводника, а также в виде плоских спиралей.
Значение индуктивности [нГ] металлической полоски без учета влияния
металлического основания подложки равно
[pic] (10)
где l, o —длина и ширина полоски, мм
С учетом влияния металлического оспорения индуктивность рассчитывают
по формле:
[pic] (11)
где h — толщина подложки
Значение индуктивности в форме круглой или квадратной спирали равно
[pic] (12)
где k — коэффициент (k = 5 для круглой и k = 6 для квадратной
спирали), Dk—внешний диаметр (сторона) спирали, мм; dк — внутренний диаметр
(сторона) спирали, мм; Nк — число витков. Для внешнего диаметра спирали
справедлива формула
Dk-dk+(2Nk—1)sk+2(, (13)
где sk — шаг спирали, мм; (— ширина спиральной полоски, мм.
Число витков спирали
Nk = [(Dk+sk)-(dk+2()]/2sk, (14)
Добротность пленочных индуктивных элементов определяют как
[pic] (15)
где k' = 2 для круглой и k = 1,6 для квадратной спирали; f— частота
ГГц.
Погрешность расчета индуктивных спиральных элементов по приведенным
формулам составляет ± 10%. Для расчета геометрических размеров по заданному
значению индуктивности следует пользоваться последовательными
приближениями.
5. Автоматизированное проектирование типовых технологических процессов
и систем производства РЭС
Автоматизация проектирования технологических процессов
механообрабатывающего производства деталей РЭС
Принципы построения и общая структура САПР ТП механообработки. В общем
объеме трудовых затрат на изготовление РЭС ТП, изготовление деталей БНК РЭС
методами формообразования занимают в среднем 15 – 20%. В состав ТП
формообразования входят заготовительное производство (литье, прессование,
штамповка) и механообработка (точение, сверление, фрезирование). Наиболее
сложными для автоматизации проектирования деталей БНК РЭС являются ТП
механообработки. В связи с этим, нами рассматриваются основные принципы и
структура САПР ТП механообработки 3-го поколения.
Систему автоматизированного проектирования (САПР) технологии
механообработки целесообразно ориентировать на функционирование в составе
ГПС. Поэтому в основу построение системы положены результаты работ по
декомпозиции процесса проектирования, созданию методического,
лингвистического, алгоритмического и программного обеспечения для ТП САПР,
выявлению мест визуализации и фиксации проектных результатов в целях
управления процессом проектирования, обеспечению возможности проверки
генерируемых моделей на адекватность.
При автоматизированном проектировании ТП изготовление деталей в
условиях функционирования ГПС в комплексе задач значительное место занимают
размерный анализ точности основных выходных параметров ТП (операционных
размеров, припусков), а также оценка точности ТП в целом. Особо важное
значение приобретают создание и реализация на ЭВМ формализованных моделей
размерного анализа (синтеза), позволяющих проводить прогнозирование
точностных характеристик параметров ТП на стадии проектирования, где поиск
рациональных решений не связан со значительными материальными затратами.
Система автоматизирует решение следующих задач: технологический анализ
чертежа с определением возможности обработки данной детали в условиях
функционирования ГПС конкретной конфигурации; выбор рациональных видов и
способов получения заготовки; компоновку ТП по этапам, выделение множества
элементов, обрабатываемых на каждом этапе, и сравнение вариантов
принципиальных схем ТП по экономическим критериям; выбор оборудования для
выполнения каждого этапа; выбор маршрута обработки детали внутри этапа ТП;
выбор системы оборудования и закрепления заготовки и модели оборудования на
каждой операции; проектирование вариантов общего маршрута ТП с объединением
операций по общности обрабатываемых элементов и поверхностей вращения,
принятых в качестве баз; проведение размерного анализа для элементов
поверхности вращения с учетом принятых в качестве баз или с учетом принятых
в качестве баз плоскостей и требований взаимного расположения; назначение и
анализ определенных линейных размеров с минимизацией состава
технологических размерных цепей, замыкающими звеньями которых служат
конструкторские размеры и припуски; определение излишеств, допусков и
отклонений операционных линейных размеров посредством технологического
размерного анализа, который в ходе проектирования маршрута изготовления
детали обеспечивает назначение операционных размеров и оценку возможности
их реализации на настроенном оборудовании автоматически; формирование
инструментальных наладок и составление расчетно-технологических карт для
операции, на которых применяются станки с ЧПУ; расчет режимов обработки и
норм времени по операциям ТП; расчет себестоимости изготовления детали по
вариантам и выбор из них варианта, имеющего минимальную себестоимость при
заданной производительности; проектирование и выпуск управляющих программ
для станков с ЧПУ с использованием САПР, например типа «Техран»; расчет
накладок управляющих кулачков для токарно-револьверных автоматов с
использованием систем RAKTA, RASKUL; печать технологической документации
(маршрутных и операционных карт).
САПР позволяет осуществить
|
