Математическая морфология.

Электронный математический и медико-биологический журнал. - Т. 13. -

Вып. 1. - 2014. - URL:

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTM

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-41-html/TITL-41.htm

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-41-html/cont.htm

УДК 621.396.621.53

Проблемы и методы создания понижающих конверторов СВЧ и КВЧ диапазонов

Ó 2014 г. Чечулин В. В., Строев Н. Н.

(chechulin.doc)

В работе рассмотрена классификация понижающих конверторов, их особенности и основные трудности реализации в СВЧ и КВЧ диапазонах. Рассмотрена гибридная технология многослойных интегральных схем на основе керамики с низкой температурой обжига— КНТО ее особенности использования в понижающих конверторах СВЧ и КВЧ диапазонов. Рассмотрена методика расчета фильтра на КНТО.

Ключевые слова: понижающие конверторы, керамика с низкой температурой обжига, методика расчета фильтра.

К ключевым моментам, определившим современный уровень развития радиоэлектроники, относятся: смещение несущей частоты радиосигналов в область сверхвысоких частот (СВЧ) и крайне высоких частот (КВЧ), применение цифровой обработки сигналов, внедрение интегральных технологий.

Повышение несущей частоты радиосигнала (уменьшение длины волны) было связано, прежде всего, с перегруженностью низкочастотной области спектра, а также с необходимостью резкого увеличения емкости каналов связи и скорости передачи информации. Уменьшение длины волны излучения также привело к повышению разрешающей способности радаров, позволило применять помехоустойчивые виды модуляции и т. д.

Повсеместный переход к цифровым системам вызван колоссальными возможностями цифровой обработки сигналов — кодирования, управления, организации сервисов и др. Приемо-передающие устройства современных телекоммуникационных систем включают антенну, СВЧ-тракт, преобразователь частоты (смеситель) и цифровую часть.

Проблема создания широкополосных приемных устройств (ШПУ) с расширенным динамическим диапазоном (ДД) традиционно является одной из основных задач радиоэлектроники СВЧ. Основной причиной, препятствующей расширению полосы принимаемых частот, являются побочные (паразитные) каналы приема (ПКП). Они ограничивают реальный динамический диапазон приемного устройства а, следовательно, тактико-технические характеристики аппаратуры и области ее применимости. Существуют несколько путей решения указанной проблемы. Все они имеют свои достоинства и недостатки, связанные со схемотехническими и конструктивными особенностями конкретных устройств. Универсальные системотехнические подходы к созданию ШПУ СВЧ еще не сформированы. Единая система параметров и определений также не установлена.

Рассмотрим термины, определения и классификацию ШПУ СВЧ, а также описание некоторых заслуживающих внимания вариантов реализации приемных устройств с расширенным динамическим диапазоном и их оптимального комплексирования.

Для удобства дальнейшего изложения определимся с терминологией. Представляется логичным считать приемное устройство СВЧ широкополосным, если последнее предназначено для приема сигналов в полосе от 10 % до 100 % относительно нижней границы диапазона рабочих частот. Нижний предел в 10 % отделяет рассматриваемый класс приемных устройств от большинства сравнительно узкополосных приемников активной радиолокации и радиосвязи. Верхний предел в 100 % также имеет смысл, потому что октавная полоса по входу приемного устройства означает ограничение реального ДД за счет неизбежного наличия ПКП вызванного второй гармоникой входного сигнала. Как правило, такие приемные устройства содержат входной коммутируемый или перестраиваемый преселектор и ряд других схемотехнических и конструктивных особенностей, позволяющих выделить их в самостоятельный подкласс. Предлагается считать приемные устройства с полосой рабочих частот более одной октавы сверхширокополосными, хотя в дальнейшем изложении при общем упоминании будет также использоваться общий термин – ШПУ.

Существует несколько критериев верхней и нижней границ ДД [1]. Обычно нижняя граница определяется чувствительностью приемника, рассчитываемой по формуле Найквиста, а верхняя граница – заданным уровнем компрессии входного сигнала. Это определение корректно описывает узкополосные приемники, в которых отсутствуют ПКП, либо ими можно пренебречь. 

В широкополосных приемниках ДД правильней определять как отношение полезного сигнала к максимальному ПКП. При работе преобразователя в многосигнальном режиме по входу верхнюю и нижнюю границу ДД наиболее корректно определять с учетом интермодуляционных составляющих (ИМС). Если при этом рассматривать ИМС как частный случай ПКП, то это и есть определение реального ДД ШПУ. 

По принципу схемотехнического построения ШПУ подразделяются на супергетеродинные и инфрадинные. Супергетеродинный принцип преобразования заключается в том, что сигнал рабочего диапазона частот с помощью нижнего или верхнего гетеродина преобразуется на более низкую промежуточную частоту.

В инфрадинном ШПУ сигнал рабочего диапазона частот преобразуется на первую промежуточную частоту, которая лежит выше верхней границы рабочего диапазона частот [2]. Такое построение позволяет, как правило, уйти от наиболее мощных ПКП низких порядков, упростить требования к преселекторам и расширить реальный динамический диапазон приемника. Второе преобразование в инфрадине осуществляется вниз по частоте.

Важно отметить, что принципиально достижимый динамический диапазон широкополосных инфрадинных приемников СВЧ зависит от коэффициента инфрадинности, определяемого как отношение значения нижней границы первой промежуточной частоты к верхней границе рабочего диапазона частот [3]. На практике увеличение К_и означает продвижение вверх по частоте в мм-диапазон длин волн и связанное с этим усложнение конструкции приемника.

По принципу формирования гетеродинных сигналов инфрадины подразделяются на когерентные и квазикогерентные. В когерентных ШПУ - сигналы гетеродинов для первого и второго преобразований синтезируются из высокостабильного опорного сигнала с низким уровнем фазового шума. Квазикогерентная схема строится на основе принципа возвратного гетеродинирования с компенсацией частотных уходов и фазовых шумов нестабилизированного гетеродина. В квазикогерентной схеме перестройка приемника обеспечивается синтезатором СВЧ-диапазона. В целом квазикогерентная схема построения инфрадинов имеет перспективу в ряде применений благодаря относительной простоте реализации.

Ниже будут рассмотрены квазикогерентные широкополосные инфрадинные преобразователи (ШИП) с однополосной и суммарно-разностной схемой построения гетеродинных цепей, а также неперестраиваемые инфрадинные преобразователи – переносчики частоты. Термин ШИП расширяет понятие инфрадинного ШПУ, т.к. инфрадины часто используются в качестве обратных преобразователей в передающем канале. 

Радиометрические приемные устройства СВЧ и приемники с мгновенным измерением частоты характеризуются в настоящее время невысокими значениями реального ДД в многосигнальном режиме по входу, поэтому их рассматривать в данном обзоре не целесообразно. А также не будут рассматриваться приемные устройства, не имеющие в своем составе нелинейных преобразователей - приемники прямого усиления и детекторные приемники.

На основании изложенного выше предлагается следующая классификация широкополосных приемных устройств СВЧ с расширенным динамическим диапазоном [5].

Рисунок. 1. Классификация ШПУ СВЧ с расширенным динамическим диапазоном.

Перестраиваемые супергетеродинные ШПУ СВЧ с расширенным ДД всегда имеют в своем составе преселекторы построенные, как правило, на основе ЖИГ-резонаторов. Высокие электрические параметры последних в сочетании с многодиодными высоколинейными смесителями, сложной схемой частотообразования и последующей цифровой обработкой сигналов позволяют создавать высококачественные сверхширокополосные приемные устройства, широко применяющиеся в измерительной технике [5]. Более широкому использованию ШПУ с перестраиваемыми преселекторами препятствуют ограничения по мгновенной полосе частот и стойкости к внешним воздействующим факторам, присущие ЖИГ- резонаторам.

Коммутируемые преселекторы, в общем, решают проблему создания широкополосных супергетеродинных приемных устройств с приемлемым ДД. Принципиальным недостатком супергетеродинов является необходимость подавления довольно мощных ПКП низких порядков за счет предельных параметров преселекторов и смесителей [5]. Тем не менее, такие приемники успешно применяются в некоторых типах широкополосной радиоприемной аппаратуры.

Многоканальные (по частоте) неперестраиваемые супергетеродинные приемники также получили довольно большое распространение [6,7,8]. Многоканальность дает потребителям приемного устройства одно важное преимущество – возможность непрерывного наблюдения требуемого диапазона частот без пропусков, неизбежных в сканирующем приемнике. Очевидно, что при этом существенно возрастают масса, габариты и стоимость аппаратуры. Необходимо отметить, что последние успехи в области монолитных и гибридно-монолитных интегральных схем СВЧ [1] позволяют считать многоканальность перспективным направлением создания ШПУ СВЧ.

Неперестраиваемые ШИП СВЧ – переносчики частоты применяются для преобразования сигналов в широких, близкорасположенных или стыкующихся между собой полосах частот. Такие задачи зачастую возникают при модернизации СВЧ аппаратуры, связанной с расширением полосы рабочих частот, а также в измерительной технике, когда применение переносчиков позволяет расширить диапазон рабочих частот с минимальными затратами.

Основной трудностью при разработки конвертора в диапазоне КВЧ, является повышение потерь в микрополосковых дорожках, для уменьшение этого эффекта необходимо выбирать материалы с минимальным tgδ и максимально уменьшать длину проводников. Также для уменьшения вероятности возникновения объемного резонанса в материале микрополоска необходимо уменьшить толщину материла. Данным условиям хорошо соответствует выполнение отдельных элементов и целых функционально законченных узлов высокочастотных частей устройства в виде малогабаритных интегральных схем (ИС).

Новейшие многослойные технологии позволяют объединять все пассивные компоненты СВЧ-тракта, включая антенну, в единую ИС. Использование трехмерной конструкции позволяет создавать миниатюрные структуры с высокой степенью интеграции и открывает широкие возможности для улучшения электродинамических, массогабаритных, климатических, экономических и других параметров [2].

Первые объемные ИС СВЧ-диапазона, идея создания которых логично следовала из опыта разработки полупроводниковых ИС с высокой степенью интеграции, использовали монолитно-интегральную технологию. В последнее время широкое распространение получила гибридная технология многослойных ИС СВЧ на основе керамики с низкой температурой обжига— КНТО (Low Temperature Cofired Ceramics — LTCC). Благодаря использованию толстопленочной технологии такие ИС обладают низкой себестоимостью, что представляет значительный интерес с точки зрения массового производства СВЧ-устройств для систем мобильной и беспроводной связи.

На пассивную многослойную ИС могут устанавливаться элементы, изготовленные с применением других технологий: полупроводниковые приборы, монолитно-интегральные схемы управления сигналом, микроэлектромеханические системы (МЭМС), перестраиваемые компоненты на основе сегнетоэлектрических материалов и др. Это позволяет создавать многофункциональные модули, выполненные на единой подложке. Компоновка на единой подложке (System-on-Chip — SoC) или в едином корпусе (System- in-Package — SiP) является самым быстроразвивающимся и перспективным направлением современной микроэлектроники.

Изготовление пассивных ИС СВЧ- и КВЧ-диапазонов в виде многослойных структур на основе КНТО обеспечивает малые габариты и низкую себестоимость СВЧ-устройств, кроме того за счет более плотной компоновки СВЧ элементов благодаря многослойности структуры и низкого tgδ для специализированных материалов можно получить меньше потери в линиях передачи энергии между СВЧ элементами. Например, фирма Dupont предлагает материал Green Tape 9K7 работающий до 100 ГГц. Технология многослойных ИС на КНТО обладает широким спектром возможностей как по реализации элементов внутри многослойной структуры, так и по интеграции с компонентами, изготовленными с применением других технологий.

Многослойные ИС СВЧ имеют развитую элементную базу, которая включает элементы с распределенными параметрами, использующиеся в традиционных (однослойных) гибридных ИС СВЧ, а также квазисосредоточенные RLC-элементы, которые могут выполняться в одном или нескольких слоях. Многослойная керамическая структура с размещенными внутри элементами пассивной ИС СВЧ может выступать в роли подложки, на кото- рую монтируются другие, в том числе активные, элементы СВЧ-тракта, преобразователь частоты (смеситель) и отдельные схемы цифровой обработки сигналов. Это позволяет создавать малогабаритные многофункциональные приемопередающие модули для средств беспроводной и мобильной связи, выполненные на единой подложке.

Многослойные ИС СВЧ, в которых плоские токонесущие проводники располагаются на разных уровнях между слоями диэлектрика, представляют собой весьма сложные многосвязные структуры. Некоторые из электромагнитных связей между элементами схемы необходимы для функционирования устройства, другие связи, неизбежно возникающие при компоновке многослойной структуры (особенно с высокой степенью интеграции), являются паразитными, и их влияние должно быть минимизировано. Поэтому основная проблема при разработке СВЧ-устройств в виде многослойных ИС заключается в необходимости достаточно строгого математического моделирования, основанного на рассмотрении трехмерных электродинамических структур.

Проектирование СВЧ-устройств выполняется, как правило, в два этапа. Первый этап включает в себя синтез устройства на уровне эквивалентной схемы. На втором этапе после определения предварительной геометрии устройства выполняется моделирование распределения электромагнитного поля в полученной структуре на основе решения системы уравнений Максвелла численными методами. При необходимости геометрия устройства корректируется и вновь подвергается электродинамическому анализу. Процесс повторяется итерационно до получения требуемых характеристик устройства.

Выбор того или иного метода электродинамического моделирования определяется его эффективностью для конкретных геометрических, физических и электрических параметров анализируемой структуры.

Методы электродинамического анализа и, соответственно, программные средства моделирования СВЧ-устройств, реализованные на их основе, подразделяются на трехмерные (3D), трехмерные для существенно планарных структур (2.5D) и двумерные (2D).

3D-методы являются наиболее универсальными и одновременно наиболее сложными по постановке, поскольку не используют ограничений на пространственную конфигурацию исследуемых объектов, характер их взаимодействия и физические параметры материалов. Наиболее популярным и универсальным методом является метод конечных разностей во временной области (Finite Difference in Time Domain — FDTD). К группе 3D-методов также относятся: метод линий (Method of Lines — ML), метод матричного описания линии передачи (Transmission Line Matrix— TLM), метод конечных элементов (Finite Elements Method — FEM) и метод согласования мод (Mode-Matching — MM). В современных пакетах электродинамического моделирования используются гибридные комбинации данных трехмерных методов. Такие программные средства целесообразно применять для расчета электромагнитных полей во временной или частотной областях в сложных объемных структурах с различными электрическими, физическими, геометрическими и размерными параметрами отдельных составляющих; для расчета антенн и анализа переходных процессов [6].

2.5D-методы удобны для моделирования характеристик существенно планарных многослойных структур с произвольным числом и произвольными свойствами диэлектрических слоев, наличием плоских электродов произвольной конфигурации в нескольких поверхностях раздела. Как правило, в такой постановке решаются электродинамические задачи в частотной области, с представлением электромагнитного поля, изменяющегося во времени по гармоническому закону. Классическими являются метод интегральных уравнений для электрического поля (Electric Field Integral Equation — EFIE) и метод интегральных уравнений в смешанных потенциалах (Mixed Potential Integral Equation — MPIE). Их численная реализация выполняется с помощью метода моментов Галеркина (Method of Moments—MoM), представляющего собой наиболее точный и устойчивый алгоритм электромагнитного анализа, который используется в качестве основного метода в большинстве коммерческих программных средств для расчета существенно планарных структур. 2.5D-методы наиболее эффективны для электродинамической верификации синтезированной топологии многослойных ИС СВЧ.

Современные системы автоматизированного проектирования СВЧ-устройств реализуют комплексный подход и позволяют осуществлять сквозной цикл проектирования: от расчета электрической схемы до компоновки устройства, состоящего из многих компонентов, и экспорта готовых чертежей. Помимо собственно модуля электродинамического моделирования такие программные продукты включают в себя средства визуализации и контроля топологии, методы многопараметрической оптимизации, анализа разброса параметров и статистической обработки результатов. Обязательными составляющими также являются библиотеки стандартных компонентов, модули приема внешних данных от измерительной аппаратуры и конверторы топологии.

Фильтр СВЧ формирует спектр выходного сигнала, обеспечивая прохождение сигнала в заданной полосе частот и отражая прочие частотные составляющие входного сигнала. Фильтры находят широкое применение в системах связи и телекоммуникаций. На основе КНТО реализуются СВЧ-фильтры как на элементах с распределенными параметрами, так и на квазисосредоточенных элементах, а также фильтры, использующие их комбинацию [6].

Накопленный многолетний опыт проектирования планарных фильтров на отрезках линий передачи был успешно перенесен разработчиками на фильтры, реализуемые на КНТО. Такие фильтры, как правило, являются аналогами традиционных планарных конструкций, расширенных специфическими возможностями технологии многослойных ИС, например использованием связанных линий передачи с лицевой связью. На КНТО одинаково удобно реализуются фильтры в полосковом, микрополосковом и копланарном исполнениях. Тем не менее, на практике наиболее часто используется структура полосковой линии передачи, имеющей заземленные экраны сверху и снизу. Фильтры на распределенных элементах наиболее целесообразно применять в миллиметровом диапазоне длин волн, где размеры устройств получаются достаточно малыми даже при использовании полуволновых резонаторов. Аналогичным же образом в КНТО могут выполняться фильтры на рифленых волноводах. При этом для расчета может применяться стандартная теория волноводных фильтров.

Снизить временные и финансовые затраты при разработке СВЧ фильтров на КНТО можно за счет применения численных методов расчета электромагнитных полей, опираясь на возросшие возможности вычислительной техники. Однако переход к численному проектированию связан и с некоторыми трудностями: необходимо обеспечить достоверность расчетов при приемлемых вычислительных затратах и упростить создание расчетной модели инженером-разработчиком, не предъявляя высоких требований к опыту работы со специальными программными средствами и вычислительными методами. Рассматриваемая методика проектирования, решает поставленные задачи [8].

Процесс проектирования СВЧ фильтра на КНТО включает в себя следующие этапы:

1. Расчет фильтра-прототипа;

2. Синтез базовой конструкции фильтра;

3. Оптимизация конструкции фильтра с целью достижения требуемых электрических параметров на основе численных расчетов:

а) создание расчетной модели;

б) расчет;

в) анализ результатов расчета, коррекция топологии фильтра;

4. Изготовление образцов фильтра и измерение их характеристик (первая итерация);

5. Анализ полученных результатов, а в случае необходимости – коррекция конструкции фильтра и выполнение второй итерации по изготовлению образцов фильтра.

Алгоритм заключается в синтезе и оптимизации конструкции (геометрических размеров и топологии проводников, формирующих резонансные звенья) фильтра с целью достижения требуемых электрических параметров [3].

Рассматриваемая методика проектирования основана на численном решении электродинамической задачи. Применение численных электродинамических расчетов позволяет сократить экспериментальную отработку фильтров до двух итераций. На основе анализа возможностей коммерческих программных продуктов, реализующих различные численные методы, выбран программные комплексы ANSYS и CST Studio.

Ключевым моментом численного проектирования является создание расчетной модели монолитного СВЧ фильтра. Модель должна включать в себя топологию фильтра и конечно-элементное разбиение, причем именно построение разбиения представляет особую сложность, поскольку необходимо обеспечить, с одной стороны, хорошую аппроксимацию поля, с другой стороны – приемлемую трудоемкость решения.

Для примера был рассчитан фильтр Чебышева 5 порядка с полосой пропускания 18,3-18,6 ГГц во внутренних слоях КНТО на материале DuPontt GreenTape 943 с толщиной слоя 217 мкм. Синтез и первичный расчет производился в ANSYS, конечной расчет 3D модели в CST Studio. Внешний вид фильтра представлен на рисунке 2, S-параметры приведены на рисунке 3, распределение электромагнитного поля на рисунках 4 и 5 [4].

Рисунок 2. Внешний вид рассчитанного фильтра

Рисунок 3. S-параметры рассчитанного фильтра

Рисунок 4. Распределение Е поля

Рисунок 5. Распределение Н поля

Технология многослойных ИС СВЧ на основе КНТО получает в последнее время все большее распространение благодаря широкому спектру предоставляемых возможностей и низкой себестоимости.

Размещение в нескольких слоях КНТО обеспечивает высокую степень интеграции пассивных компонентов, а хорошая совместимость с другими интегральными технологиями позволяет включать в состав устройств навесные активные компоненты, полупроводниковые ИС, МЭМС и т. д. Вдобавок возможность вертикальной коммутации компонентов заметно упрощает конструкцию СВЧ-устройств.

На основе современных материалов КНТО можно изготавливать многослойные ИС как для любой части СВЧ-диапазона, так и для КВЧ-диапазона. При этом могут использоваться как традиционная элементная база планарных ИС СВЧ, так и новые оригинальные решения. С помощью КНТО могут реализовываться малогабаритные устройства на квазисосредоточенных элементах, преимущества которых особенно заметны в нижней части СВЧ-диапазона. В миллиметровом диапазоне длин волн могут быть реализованы СВЧ-устройства на основе волноводов и объемных резонаторов с высокой добротностью, выполненных внутри многослойных керамических структур.

Дальнейшее совершенствование технологической базы КНТО и увеличение степени интеграции реализуемых устройств может оказать существенное влияние на развитие систем связи [7].

Литература

1. Куприянов П. В. Широкополосные инфрадинные преобразователи СВЧ / П.В. Куприянов // Электронная техника. Сер.1: СВЧ-техника. - 2003, вып.1(481)

2. Куприянов П.В. Исследование динамического диапазона широкополосного инфрадинного преобразователя СВЧ / П.В. Куприянов, С.А. Дудко. – Радиотехника. – 1999. - № 4. – С.15-21

3. Куприянов П.В. Широкополосные приемные устройства СВЧ с расширенным динамическим диапазоном / П.В.Куприянов // http://www.centeradc.ru/stati/web-servisy/shirokopolosnye-priemnye-ustrojstva-svch-s

4. Радиоприемные устройства / Под ред. И.Н. Фомина. - М.: Радио и связь, 1996. – 288 с.

5. Симин А. Многослойные интегральные схемы сверхвысоких частот на основе керамики с низкой температурой обжига / А. Симин, Д. Холодняк, И. Вендик // Компоненты и технологии = Components & Technologies. – 2005. – №5. – С.81-88

6. Симин А. Многослойные интегральные схемы сверхвысоких частот на основе керамики с низкой температурой обжига: Ч.2 Средства проектирования и реализации пассивных устройств / А. Симин, Д. Холодняк, И. Вендик // Компоненты и технологии = Components & Technologies. – 2005. – №6. –– С.75-82

7. Симин А. Многослойные интегральные схемы сверхвысоких частот на основе керамики с низкой температурой обжига: Ч.3 Активные устройства, антенны и многофункциональные СВЧ-модули / А. Симин, Д. Холодняк, И. Вендик // Компоненты и технологии = Components & Technologies. – 2005. – №7. –– С.101-109

8. Фомин Н.Н. Радиоприемные устройства: учеб. для вузов / Н.Н. Фомин, Н.Н. Буга, О.В. Головин [и др.]. – М.: Горячая линия-Телеком, 2007. – 520 с.

PROBLEMS AND METHODS OF CREATING DOWN Converter microwave SHF AND EHF

Chechulin V. V., Stroev N. N.

The paper deals with the classification of down converters, their features and the main difficulties in the implementation of SHF and EHF bands. Considered hybrid technology multi-layer integrated circuits based ceramics with low temperature firing-LTCC its particular use in down converters SHF and EHF bands. The method of calculating the filter LTCC.

Key words: down converters, low temperature ceramic, technique filter calculation.

Филиал ФГБОУВПО

«Национальный исследовательский университет»МЭИ»

в г. Смоленске

Поступила в редакцию 23.02.2014.