конспект лекций за второй семестр преподаватель Ляхова 2 (21_Электронные ИС)

Посмотреть архив целиком

2. Радиочастотные ИС.


Интегральные схемы (ИС) более сложны и дороги в изготовлении, чем печатные платы на органических подложках. Их используют, если необходимы

- малые размеры (высокую разрешающую способность обусловливают малая толщина пленки),

- большое значение диэлектрической проницаемости ε керамики (важно для длинноволновых устройств, длина волны в линии передачи λ Л = λ0 √εэф, λ0длина волны в свободном пространстве),

- резисторы, конденсаторы, индуктивности.

ИС строятся из элементов, размеры которых или существенно меньше рабочей длины волны или сравнимы с ней. Первых считают элементами с сосредоточенными параметрами, вторых – с распределенными параметрами. Очевидно, с уменьшение длины волны первые трансформируются во вторые.


Пленочные элементы с сосредоточенными параметрами.


Рис. Тонкопленочные резисторы.


Сопротивление резистора R = Rуд l / (b h),

где Rуд – удельное сопротивление резистивного покрытия, l длина резистора, b – ширина резистора, h – толщина резистивного покрытия. Площадь резистора зависит от уровня мощности, необходимой для рассеивания. В противном случае резистор будет разрушен.


Рис. Пленочные последовательные конденсаторы.


Рис. Пленочные параллельные ёмкости (второй обкладкой служит металлизированный экран).


Рис. Пленочные катушки индуктивности: а – в виде меандра, б – в виде спирали, в – прямоугольная. Варианты (б) и (в) требуют дополнительной операции пайки или сварки.


Устройства с распределенными параметрами.



Рис. Распределенные поглощающие покрытия: 2 – проходной аттенюатор, 3 – оконечная поглощающая нагрузка. (Поглощающие покрытия эффективны, когда они расположены параллельно силовым линиям электрического поля.)


Линии передачи (ЛП) на керамических подложках характеризуются волновым сопротивлением:

Z = √ L/C,

где L – погонная индуктивность, а C – погонная емкость. Типичным значением волнового сопротивления для СВЧ линий передачи – 50 Ом (для телевизионных трактов – 75 Ом).

Основными типами высокочастотных пленочных линий передачи являются микрополосковая, щелевая, копланарная.

Рис. Пленочные линии передачи: (а) – микрополосковая линия, (b) – двухпроводная линия возможно расположение в одной плоскости), (c) – щелевая линия, (d) – копланарная линия.


Переходы между линиями передачи расширяют возможности интегральной технологии, уменьшают число монтажных операций.


Рис. Элементы конструкции линий передачи СВЧ с переходами на прямоугольный волновод: (а) - микрополосковая линия → волновод, (б) – волновод → двухпроводная линия (волноводно-щелевая линия) → микрополосковая линия, (в) - волновод → щелевая линия. 1 - микрополосковая плата, 2 - прямоугольный волновод со ступенчатым переходом к П - волноводу; 3 - соединительная перемычка (со стороны экрана тоже), 4 - плата.

Рис. Связь двух микрополосковых линий с помощью щелевой линии.



Рис. Переходы между различными пленочными линиями передачи: (a) двумя микрополосковыми линиями через щелевую, (b) – микрополосковой и двухпроводной, (c) - микрополосковой и щелевой, (d) – копланарной и микрополосковой.


Наиболее используемой является микрополосковая линия, благодаря легкому соединению отдельных пассивных и активных устройств без дополнительных технологических операций. Конструкция имеет малый вес и габариты. Однако открытая конфигурация предполагает излучение, переотражение энергии и паразитную электромагнитную связь между устройствами. Поскольку поглощающие покрытия эффективны, когда они расположены параллельно силовым линиям электрического поля, нанесение их на поверхность подложки нецелесообразно.

Рис. Излучения в микрополосковой структуре


Линии передачи (ЛП) хорошо моделируются теорией длинных линий. В линии передачи с волновым сопротивление 50 Ом, нагруженная на сопротивление 50 Ом распространяется бегущая волна, отражение отсутствует. Во всех других случаях падающая волна отражается от нагрузки. Суперпозиция падающей и отраженной волн формирует стоячую волну.


Рис. Эпюры напряжения, тока и входного сопротивления в (А) – разомкнутой (режим холостого хода – ХХ) и (Б) короткозамкнутой (КЗ) линий передачи.

  • в линии, разомкнутой на конце, устанавливается режим стоячей волны, напряжение U, ток I и входное сопротивление Xвх вдоль линии изменяются по периодическому закону с периодом λЛ/2;

  • входное сопротивление разомкнутой линии является чисто мнимым за исключением точек с координатами z = n λЛ/4, n = 0,1,2,...;

  • если длина разомкнутой линии меньше λЛ/4, то такая линия эквивалентна емкости;

  • разомкнутая на конце линия длиной λЛ/4 эквивалентна последовательному резонансному на рассматриваемой частоте контуру и имеет нулевое входное сопротивление;

  • линия, длина которой лежит в интервале от λЛ/4 до λЛ/2, эквивалентна индуктивности;

  • разомкнутая на конце линия длиной λЛ/2 эквивалентна последовательному резонансному контуру на рассматриваемой частоте и имеет бесконечно большое входное сопротивление.

  • Отрезок короткозамкнутой линии, длиной меньше λЛ/4 имеет индуктивный характер входного сопротивления, а при длине λЛ/4 такая линия имеет бесконечно большое входное сопротивление на рабочей частоте.


Шлейфы. Отрезки линий передачи, включенные параллельно в основную ЛП, называются шлейфами. В зависимости от длины и режима на его конце (ХХ или КЗ) входное сопротивление шлейфа может быть емкостным, индуктивным или комплексным. Шлейфы используются в качестве элементов согласования активных устройств.


Рис. Согласующий шлейф транзисторного устройства.


Для высоких частот резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности характеризуются комплексными сопротивлениями. Существенно увеличиваются паразитные емкость и индуктивность, а также влияние короткозамыкателя. Традиционная схема с металлизированным отверстием между контактной площадкой и заземленным экраном представляет собой контур с резонансной частотой около 10 ГГц для поликоровой подложки толщиной 0.5 мм. Для узкополосных (в пределах 10%) устройств короткозамыкатель может быть заменен разомкнутым шлейфом: режим ХХ через λЛ/4 трансформируется в режим КЗ.

Рис. Резистор со шлейфовым короткозамыкателем.


Геометрическая длина шлейфа зависит от величины эффективной диэлектрической проницаемости εэфф

l ш = λЛ/4 = λ0/4 √εэфф


λЛ – длина волны в ЛП, λ0 - длина волны в свободном пространстве.

Рис. Силовые линии электрического поля в микрополосковой линии передачи.


Величина εэфф зависит от доли электрического поля в диэлектрической подложке. Чем шире микрополосковый проводник, тем больше εэфф.

λЛ = λ0 √εэфф



Трансформаторы. Отрезки линий передачи, включенные последовательно (каскадно) в основную ЛП, называются трансформаторами полных сопротивлений.



Рис. Схема четвертьволнового трансформатора.


Входное сопротивление трансформатора Zin, сопротивления нагрузки ZL , ZO – волновое сопротивление ЛП трансформатора.



Обычно задача состоит в определении волнового сопротивления трансформатора:


Z0 =√ Zin ZL

Трансформатор с высоким волновым сопротивлением эквивалентно последовательной индуктивности, а с низким – емкости.

Рис. Эквивалентная схема последовательной индуктивности (а) и её топология (б)


Делители мощности.


Наиболее простые делители мощности для согласования узла разветвления используют трансформаторы. 50 -Омное подводящее плечо в точке разветвления подключается к параллельному соединению 2-х 50 –Омных отводящих плеч с результирующим входным сопротивлением 25 Ом. Необходимо получить входное сопротивление в точке разветвления – 100 Ом. (Zin = 100 Ом, ZL = 50 Ом)

ZO = √ (ZinZL ) = √ (100 ∙ 50) =70.7 Ом.

Четвертьволновый трансформатор в отводящем плече должен обладать волновым сопротивлением 70.7 Ом. Другой вариант – сформировать трансформатор в подводящем плече. Zin = 50 Ом, ZL = 25 Ом. Волновое сопротивление трансформатора:

ZO = √ (ZinZL ) = √ (50 ∙ 25) =35.35 Ом.


Рис. Ненаправленный делитель мощности с согласующим одноступенчатым трансформатором (а) - в отводящем плече, (б) - в подводящем плече.


Одноступенчатые делители работают в узком диапазоне частот. Для расширения частотного диапазона используют многоступенчатые трансформаторы.


Рис. Ненаправленные делители с многоступенчатыми трансформаторами.


Рис. Частотные характеристики коэффициента стоячей волны делителей с одноступенчатыми и многоступенчатыми трансформаторами.


Ненаправленные делители мощности могут работать на хорошо согласованную нагрузку и только в режиме деления, поскольку согласование проводилось лишь со стороны входного плеча. При подаче сигнала в одно из отводящих плеч он непременно поступает во второе отводящее плечо. Для изоляции отводящих плеч используется кольцевой делитель с омической нагрузкой. В режиме деления от плеча 1 амплитуды и фазы разделенных пополам сигналов на выходах 2 и 3 одинаковы. Разность потенциалов на контактах резистора отсутствует, ток через резистор не течет. В режиме деления нет диссипативных потерь.






Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.