Полосковые резонаторы на подвешенной подложке и частотно-селективные устройства на их основе

Актуальность темы диссертационного исследования и степень её
разработанности. Важнейшими компонентами систем связи, радионавигации,
радиолокации, измерительной и специальной радиоаппаратуры являются
частотно-селективные устройства (ЧСУ) диапазона сверхвысоких частот (СВЧ).
Особое место среди ЧСУ занимают фильтры. В настоящее время существует
потребность в надежных и дешевых фильтрующих устройствах, имеющих
одновременно миниатюрные размеры и высокие частотно-избирательные
свойства. Вышеупомянутым требованиям по большинству параметров
удовлетворяют фильтры на основе полосковых и микрополосковых резонаторов
[1–3], которые повсеместно используются в СВЧ-технике.
К настоящему времени предложено множество конструкций фильтров на
основе микрополосковых резонаторов (МПР). МПР надежны в работе и дешевы в
производстве, миниатюрны, а также устойчивы к вибрационным воздействиям.
Применение подложек с высоким значением диэлектрической проницаемости
(εr=20…80) позволило использовать МПР для фильтров нижней части диапазона
ультравысоких частот (Ultra high frequency − UHF) [4, 5]. Однако на частотах
ниже 500 МГц их размеры становятся, как правило, неприемлемо большими, даже
на подложках с εr=80. В этом диапазоне частот широко распространены фильтры
на основе взаимодействующих LC-контуров [6, 7]. К сожалению, такие фильтры
нетехнологичны и обладают меньшей устойчивостью к вибрационным нагрузкам.
Одним из путей уменьшения размеров ЧСУ является поиск новых конструкций и
новых принципов их построения, которые позволили бы создавать миниатюрные
и технологичные устройства с характеристиками лучшими, чем у известных
аналогов.
Фильтры на основе полосковых резонаторов на подвешенной положке
(ПРПП) [8, 9] сочетают в себе достоинства фильтров на МПР и сосредоточенных
элементах. ПРПП немного уступают микрополосковым резонаторам в
технологичности, но демонстрируют практически такую же вибро- и
термоустойчивость. Также они имеют более широкую по сравнению с
микрополосковыми высокочастотную полосу заграждения, конкурируя в этом
плане с фильтрами на сосредоточенных элементах. Кроме того, ПРПП
значительно превосходят МПР по собственной добротности (при одинаковой
собственной частоте).
Оригинальная конструкция регулярного двухпроводникового резонатора на
подвешенной подложке (ДПРПП) [10] позволяет реализовать компактные
фильтры, даже в метровом диапазоне длин волн, с широкой (в несколько октав)
высокочастотной полосой заграждения и высоким уровнем подавления в ней, а
также малыми вносимыми потерями в полосе пропускания [11]. Несмотря на все
достоинства регулярного ДПРПП, систематических исследований о влияния
конструктивных параметров такого резонатора на его собственные свойства
(собственная добротность и спектр собственных частот) не проводилось. Для
разработки ЧСУ с наилучшими характеристиками такие исследования являются
необходимыми.
Исследование собственных свойств регулярных ДПРПП актуально также и
с точки зрения развиваемых в настоящее время технологий печатных плат (Printed
Circuit Board − PCB) и технологий осаждения тонких пленок (Atomic Layer
Deposition – ALD), которые в настоящее время считаются очень перспективными
для изготовления СВЧ-устройств.
Таким образом, исследование собственных свойств регулярного ДПРПП
является важным и актуальным. Результаты исследований позволят
проектировать различные ЧСУ на основе таких резонаторов с характеристиками,
в большей степени удовлетворяющими современным требованиям, в сравнении с
характеристиками устройств на основе микрополосковых резонаторов.
Целью диссертационной работы является исследование собственных
свойств двухпроводниковых резонаторов на подвешенной подложке с
использованием электромагнитного моделирования и разработка миниатюрных
конструкций частотно-селективных устройств на их основе. Для достижения
поставленной цели сформулированы следующие задачи:
1. Исследование зависимостей собственной добротности и спектра
собственных частот регулярного двухпроводникового резонатора, выполненного
на подвешенной подложке с диэлектрической проницаемостью εr<11 от его конструктивных параметров. 2. Разработка метода расширения высокочастотной полосы заграждения для фильтров на основе регулярных двухпроводниковых резонаторов на подвешенной подложке и исследование его возможностей. Создание фильтров гармоник на основе этого метода. 3. Исследование способа увеличения взаимодействия между регулярными двухпроводниковыми резонаторами на подвешенной подложке с помощью дополнительной гальванической связи и создание сверхширокополосного полосно-пропускающего фильтра на основе этого способа. 4. Исследование влияния конструктивных параметров свёрнутого двухпроводникового резонатора на подвешенной подложке на его собственные свойства и на коэффициенты связи двухзвенных секций из таких резонаторов. Разработка миниатюрного полосно-пропускающего фильтра, на основе свёрнутого двухпроводникового резонатора на подвешенной подложке. 5. Разработка методики приведения добротности резонатора к его собственной частоте, с целью сравнения свойств разнотипных резонаторов. Научная новизна работы состоит в следующем: 1. Впервые выявлены закономерности в поведении собственной добротности и спектра собственных частот регулярного двухпроводникового резонатора на подвешенной подложке с диэлектрической проницаемостью εr<11. Показано, что в таком резонаторе можно добиться увеличения собственной добротности и отношения частоты второй моды колебаний к частоте первой моды колебаний как увеличивая ширину полосковых проводников и высоту экрана, так и уменьшая толщину подложки. Применение подложек с большим значением диэлектрической проницаемости, позволяет увеличить отношение частоты второй моды колебаний к частоте первой моды колебаний. 2. Впервые разработан метод расширения высокочастотной полосы заграждения для полосно-пропускающих фильтров на основе регулярных двухпроводниковых резонаторов на подвешенной подложке. Показано что, существует оптимальное соотношение между шириной полосковых проводников резонаторов в фильтре гармоник, которое позволяет значительно расширить высокочастотную полосу заграждения. 3. Впервые выявлены закономерности в поведении коэффициентов связи между регулярными двухпроводниковыми резонаторами на подвешенной подложке с использованием дополнительной гальванической связи между ними. Разработана конструкция сверхширокополосного полосно-пропускающего фильтра с дополнительной гальванической связью между резонаторами, имеющего протяженную высокочастотную полосу заграждения. 4. Разработана методика приведения добротности резонатора к его собственной частоте, впервые позволившая сравнить добротности разнотипных резонаторов, имеющих различные собственные частоты. 5. Впервые исследованы собственные свойства свёрнутых двухпроводниковых резонаторов на подвешенной подложке. Исследования показали, что для разработки миниатюрных и высокоселективных многозвенных полосно-пропускающих фильтров подходит только одна, из четырёх возможных конфигураций свёрнутого двухпроводникового резонатора на подвешенной подложке. Теоретическая значимость результатов диссертационной работы Научные результаты диссертационной работы вносят вклад в теоретические основы методов улучшения электрических характеристик СВЧ-устройств. Практическая значимость результатов диссертационной работы: 1. Используя метод расширения высокочастотной полосы заграждения, разработаны и изготовлены две конструкции СВЧ фильтров гармоник на основе регулярных двухпроводниковых резонаторов на подвешенной подложке с высокочастотными полосами заграждения: 7,9f0 по уровню минус 50 дБ и 9,7f0 по уровню минус 60 дБ. В таких фильтрах высокочастотные полосы заграждения более чем в два раза протяжённее, чем в аналогичных фильтрах с резонаторами одинаковой ширины. 2. Разработана конструкция сверхширокополосного полосно- пропускающего фильтра на основе регулярных двухпроводниковых резонаторов на подвешенной подложке с использованием дополнительной гальванической связи между резонаторами, имеющего 80% относительную ширину полосы пропускания и высокочастотную полосу заграждения 6,4f0 по уровню минус 30 дБ. Применение дополнительной гальванической связи между регулярными двухпроводниковыми резонаторами на подвешенной подложке позволило разработать также фильтр с относительной шириной полосы пропускания на 27% большей, чем у аналогичного фильтра без дополнительной гальванической связи между резонаторами. 3. Разработан и изготовлен миниатюрный высокоселективный полосно- пропускающий фильтр на свёрнутых двухпроводниковых резонаторах на подвешенной подложке. Применение таких резонаторов позволило уменьшить площадь подложки изготовленного фильтра практически на 50%, по сравнению с аналогичным полосно-пропускающим фильтром на основе регулярных двухпроводниковых резонаторов на подвешенной подложке. 4. На основе регулярных двухпроводниковых резонаторов на подвешенной подложке разработаны и изготовлены миниатюрные диплексеры и высокоселективные полосно-пропускающие фильтры для работы в нижней части UHF диапазона и на стыке VHF/UHF диапазонов. Разработан высокоселективный фильтр нижних частот с частотой среза fс=2 ГГц на подвешенной подложке с широкой полосой заграждения. На защиту выносятся следующие положения: 1. Использование в структуре полосно-пропускающего фильтра на основе регулярных двухпроводниковых резонаторов на подвешенной подложке резонаторов с разной шириной полосковых проводников позволяет значительно расширить высокочастотную полосу заграждения. 2. Применение дополнительной гальванической связи между регулярными двухпроводниковыми резонаторами на подвешенной подложке позволяет проектировать сверхширокополосные полосно-пропускающие фильтры с протяженными высокочастотными полосами заграждения. 3. Использование методики приведения добротности резонатора к его собственной частоте позволяет сравнивать добротности разнотипных резонаторов, имеющих различные частоты. 4. Использование свёрнутых двухпроводниковых резонаторов на подвешенной подложке, позволяет проектировать высокоселективные полосно- пропускающие фильтры, имеющие в два раза меньшие размеры подложки, по сравнению с фильтрами на основе регулярных двухпроводниковых резонаторов на подвешенной подложке. Апробация работы. Результаты работы докладывались на X Всероссийской научно-практической конференции творческой молодежи «Актуальные проблемы авиации и космонавтики» (Красноярск, 2014 г.), XII Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Новосибирск, 2014 г.), ХVIII Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2015 г.), XXV Международной Крымской конференции «СВЧ- техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, 2015 г.), XIII Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Новосибирск, 2016 г.), VII Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2017 г.), V Всероссийской научно-технической конференции «Системы связи и радионавигации» (Красноярск, 2018 г.), Конкурс-конференция ФИЦ КНЦ СО РАН для молодых ученых, аспирантов и студентов. Секция «Физика» (Красноярск, 2019 г.), XXII Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2020 г.). Публикации по теме работы. Всего по теме работы опубликовано 13 работ из них: опубликовано в журналах из перечня ВАК, индексируемых базами WoS и Scopus – 3 статьи; получено патентов на изобретение РФ – 2 шт. Личный вклад автора. Все представленные в работе результаты получены лично автором или при непосредственном его участии: автор принимал участие в разработке методики приведения добротности резонатора к его собственной частоте; автор исследовал влияние конструктивных параметров регулярного ДПРПП на его собственные свойства; автор принимал участие в разработке и исследовании метода расширения высокочастотной полосы заграждения для фильтров на основе регулярных ДПРПП; автор разработал и исследовал конструкцию сверхширокополосного полосно-пропускающего фильтра (СШППФ) на основе регулярных ДПРПП с использованием дополнительной гальванической между ними; автор исследовал закономерности поведения собственных свойств свёрнутых ДПРПП от его конструктивных параметров; автор принимал участие в разработке и изготовлении различных конструкций ЧСУ на подвешенной положке; автор проводил измерения характеристик изготовленных макетов устройств. Методы диссертационного исследования. В работе использованы методы электродинамики СВЧ, в частности, метод конечного интегрирования и метод моментов для расчёта электрических характеристик, а также методы экспериментальных исследований СВЧ-устройств. Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием апробированных методов расчета и верифицированного программного обеспечения электромагнитного моделирования, хорошим согласием характеристик моделей и измеренных экспериментальных макетов устройств, соответствием ряда полученных результатов ранее известным данным, а также использованием современной измерительной аппаратуры (ZVA 50 – фирмы Rohde & Schwarz). Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы и 5 приложений. Общий объем диссертации – 124 страницы, включая 55 рисунков и 1 таблицу. Список литературы содержит 118 наименований. Первая глава диссертационной работы представляет собой обзор конструкций полосковых резонаторов, фильтров и диплексеров на подвешенной подложке. Задачей главы является описание способов миниатюризации резонаторов на подвешенной подложке, классификация различных конструкций фильтров на подвешенной подложке по их типу и ширине полосы пропускания, а также диплексеров на подвешенной подложке по способу построения. Особое внимание уделено способам построения фильтров гармоник и сверхширокополосных фильтров. Для них приводятся существующие на данный момент достигаемые характеристики и присущие таким фильтрам достоинства и недостатки. Вторая глава посвящена описанию исследования собственных свойств регулярного ДПРПП в зависимости от его конструктивных параметров. Даны рекомендации для получения наибольшего значения собственной добротности и раздвижки частот основной и второй моды колебаний у резонаторов такого типа. Третья глава посвящена методу для расширения высокочастотной полосы заграждения для конструкций фильтров на основе регулярного ДПРПП. Работоспособность данного метода подтверждается экспериментально двумя изготовленными макетами фильтров гармоник. Четвертая глава посвящена описанию исследования влияния дополнительной гальванической связи на взаимодействие между регулярными ДПРПП. Описана конструкция сверхширокополосного полосно-пропускающего фильтра с использованием дополнительной гальванической связи между резонаторами на основе регулярного ДПРПП. Пятая глава посвящена исследованию поведения собственных свойств и коэффициентов связи свёрнутых ДПРПП в зависимости от их конструктивных параметров. Приводится изготовленный макет высокоселективного миниатюрного полосно-пропускающего фильтра (ППФ) на основе таких резонаторов. Полученные по результатам электромагнитного моделирования амплитудно-частотные характеристики сравниваются с измеренными характеристиками макетов устройств. В приложениях А–Г приведено описание конструкций ЧСУ, разработанных на основе регулярных ДПРПП: высокоселективных ППФ для каналов L2 (1226…1254 МГц) и L1 (1574...1610 МГц), миниатюрных диплексеров для работы в нижней части UHF диапазона и на стыке VHF/UHF диапазонов, а также приведены их характеристики. Описана конструкция высокоселективного фильтра нижних частот (ФНЧ). В приложении Д приведены патенты на изобретения.