ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЕ МИКРОПОЛОСКОВЫЕ СВЧ ФИЛЬТРЫ НА СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНДЕНСАТОРАХ

June 21, 2012 by admin Комментировать »

Плескачёв В. В., Вендик И. Б. Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет каф. Микрорадиоэлектроники и Технологии Радиоаппаратуры д.5, ул. Проф. Попова, 197376, Санкт-Петербург, Россия Тел.: +7 812 3460867 e-mail: MWLab@eltech.ru

Аннотация Рассмотрен параметр коммутационного качества различных управляющих компонентов, используемых для создания перестраиваемых устройств СВЧ диапазона. Приведены примеры реализации перестраиваемых фильтров СВЧ на основе сегнетоэлектрических конденсаторов.

I.   Введение

Сравнение различных компонентов на основе электрически управляемого конденсатора может быть выполнено с использованием интегрального критерия коммутационного качества, который определяется эффективностью перестройки емкости и величиной потерь в управляющем устройстве. Независимость коммутационного качества от физической природы управляемых компонентов позволила выполнить сравнительный анализ эффективности электрически перестраиваемых емкостных компонентов, используемых в СВЧ диапазоне: р-/-п-диода, микроэлектромеханических ключей, варикапа на управляемой емкости р-п-перехода и сегнетоэлектрического конденсатора. Эффективность микрополосковых перестраиваемых фильтров, использующих в качестве управляющих элементов сегнетоэлектрические конденсаторы, зависит как от свойств конденсаторов, так и от характеристик микрополосковых цепей этих устройств. Параметры качества перестраиваемых фильтров можно оценить, используя величину коммутационного качества управляющих компонентов на которых эти перестраиваемые устройства изготавливаются.

II.   Основная часть

Fig. 1. Equivalent circuit of a tunable capacitive component in two states

Рис. 2. Частотная зависимость коммутационного качества различных управляющих компонентов

Fig. 2. Frequency dependence of commutation quality factor for different tunable components

Для расчёта использованы характерные эквивалентные параметры, присущие данным типам компонентов, приведённые в [3].

Конденсаторы на основе сегнетоэлектрических плёнок выбраны в качестве управляющих компонентов по причине того, что они обладают высокой скоростью перестройки ёмкости, легко интегрируются в планарную технологию производства микрополосковых фильтров, имеют низкую стоимость. Основными параметрами управляющих сегнетоэлектрических конденсаторов являются управляемость n = CxjC2,

где Сх и С2 ёмкость конденсатора при нулевом и максимальном управляющем напряжении соответственно, а также тангенс угла диэлектрических потерь tan и tan (У2 ПРИ нулевом и максимальном управляющем напряжении. Хорошие образцы сегнетоэлектрических конденсаторов имеют следующие параметры: и «2, tan< 0.01, изменение величины

тангенса угла потерь при приложении напряжения зависит от характеристик конкретного образца конденсатора.

©г

Рис. 3. Микрополосковые перестраиваемые резонаторы: (а) короткозамкнутый,

(б) разомкнутый

Для создания перестраиваемых микрополосковых фильтров на сегнетоэлектрических конденсаторах используются два типа резонаторов: короткозамкнутый и разомкнутый. Эти резонаторы схематически изображены на рис. 3

Рис. 4. Топология перестраиваемого фильтра на короткозамкнутых микрополосковых перестраиваемых резонаторах

Fig. 4. Layout of the tunable filter based on shortcircuited microstrip tunable resonators


Fig. 3. Microstrip tunable resonators: (a) short circuited, (b) open-circuited

Электрические длины микрополосковых линий резонаторов обозначены ©0 и 0g , С переменная ёмкость СЭ конденсатора, зависящая от приложенного напряжения. Выбор данных типов резонаторов обусловлен удобством их реализации с использованием планарной технологии производства микрополосковых перестраиваемых фильтров.

Параметр качества перестраиваемого фильтра прямо пропорционален числу полос перестройки фильтра и обратно пропорционален вносимым потерям в двух состояниях [4]:

где L уровень вносимых потерь фильтра (в дБ), ®0 центральная частота, Аширина полосы

пропускания, индексы low и up обозначают состояния фильтра ни нижней и верхней центральных частотах. Если микрополосковые проводники фильтра неидеальны, а также имеются потери в управляющих емкостных компонентах, параметр качества определятся по следующей формуле [4]:

)

V» • у

где Q ненагруженная добротность резонаторов фильтра [5], N порядок фильтра, у = со"р /со1™ –

перекрытие частотного диапазона перестройки.

Топология экспериментального перестраиваемого микрополоскового фильтра третьего порядка на короткозамкнутых резонаторах приведена на рис. 4. Каждый из резонаторов фильтра имеет специальную цепь подачи напряжения смещения для управления величиной ёмкости СЭ конденсатора. Измеренные и расчетные характеристики фильтра представлены на рис. 5. На рис. 6 изображена топология фильтра второго порядка на полуволновых резонаторах, его расчётные характеристики представлены на рис. 7.

Frequency (GHz)

Puc. 5. Характеристики перестраиваемого фильтра на короткозамкнутых резонаторах

Fig. 5. Performance of the tunable filter based on short-circuited resonators

Puc. 6. Топология перестраиваемого фильтра на разомкнутых микрополосковых перестраиваемых резонаторах

Fig. 6. Layout of the tunable filter based on opencircuited microstrip tunable resonators

Frequency, (GHz)

Рис. 7. Характеристики перестраиваемого фильтра на разомкнутых резонаторах (C-i=0.3 пФ, С2=0.15пФ)

Fig. 7. Performance of the tunable filter based on open-circuited resonators (Ci=0.3pF, C2=0.15pF)

Параметр качества экспериментального фильтра F’exp = 0.34 (дБ’1), что очень хорошо согласуется с

расчётной величиной F’calc = 0.38 (дБ’1).

В случае, когда добротность микрополосковых линий велика по сравнению с обратной величиной

tan<5 СЭ конденсатора (0() » tan^-1), параметр качества связан с коммутационным качеством сегнетоэлектрического конденсатора АТ[1], и равен:

Параметр качества перестраиваемого фильтра без потерь в микрополосковых линиях является предельной величиной, которая может быть достигнута при использовании перестраиваемых конденсаторов сданным коммутационным качеством.

III.  Заключение

Представлена оценка предельных характеристик перестраиваемых микрополосковых фильтров. Приведены экспериментальные характеристики перестраиваемого микрополоскового фильтра.

IV.  Список литературы

[1]    /.      В. Vendik. О. G. Vendik. Е. L. Kollberg. Commutation quality factor of two-state switching devices, IEEE Trans, on Microwave Theory and Tech., Vol. 48, pp. 802-808, May 2000.

[2]    F.    A. Miranda, F. W. Van Keuis, R. R. Romanofsky, and G. Subramanyan. Tunable Microwave Components for Kuand К-Band Satellite Communications, Integrated Ferroeiectrics, vol. 22, No. 1-4, pp. 269-277, 1998.

[3]    B.    В. Плескачёв, И. Б. Вендик. Коммутационное качество электрически управляемых СВЧ компонентов, Письма в Журнал Технической Физики, 2003 (принята к опубликованию).

[4]    В.    В. Плескачёв, И. Б. Вендик. Оценка качества перестраиваемых СВЧ фильтров на сегнетоэлектрических конденсаторах, Журнал Технической Физики, 2003 (принята к опубликованию).

[5]    /.      Vendik, О. Vendik, V. Pieskachev, М. Nikoi’ski. Tunable Microwave Filters Using Ferroelectric Materials, Integrated Ferroeiectrics. 2003.

TUNABLE MICROWAVE FILTERS BASED ON FERROELECTRIC CAPACITORS

Pleskachev V. V., Vendik I. B.

Department of Microelectronics and Radio Engineering, St Petersburg Electrotechnical University

5  Professora Popova Str., St.-Petersburg, Russia, 197376 phone +7 (812) 3460867; e-mail: MWLab@eltech.ru

Abstract A commutation quality factor for various tuning components used in tunable microwave devices is considered. Examples of a tunable filter design are presented.

I.  Introduction

Various tunable components based on electrically tunable capacitors may be compared using a special criterion known as the Commutation Quality Factor (CQF). The CQF depends on capacitance tunability and the value of losses in the tuning device. The CQF does not depend on physical nature of tunable components, which makes it possible to compare various types of tunable capacitive components: p-i-n diodes, MEMS switches, varactor diodes and ferroelectric capacitors. The efficiency of tunable microwave filters using ferroelectric capacitors depends both on capacitor properties and on the characteristics of filter microstrip lines. Performance of tunable filters may be estimated by the CQF of ferroelectric capacitors around which those filters are built.

II.  Main part

The equivalent circuit of a tunable capacitive component is presented in Fig. 1. The CQF ofthe tunable component [1], [2] is determined using (1). The comparison ofthe CQF for different tunable capacitive components is shown in Fig. 2. Tunable ferroelectric capacitors have a fast switching time, are easily integrated into the planar technology of filter production and have low costs. The most important parameters of the ferroelectric capacitors are the tunability n = Ci/C2 , where Cj и

C2 are the capacitance at the zero and maximum biasing voltages respectively, and dielectric dissipation tan^j and tan<52 ■ High-quality ferroelectric capacitors have the n«2 and

tan <5’1 < 0.01.

Consider tunable microstrip resonators with ferroelectric capacitors which are suitable for a planar tunable filter design. Schematics of the resonator sections are shown in Fig. 3. The electrical length of the microstrip sections are lettered ©0 and

@g , while С is the variable capacitance of the ferroelectric capacitor.

The figure of merit for tunable filters is determined by (2), where L is the insertion loss of the filter (in dB), wn is the

central frequency, Am is the passband width, indexes low and up correspond to the states of the filter at the bottom and top central frequencies [4]. This figure of merit may be described as (3), where О is the unloaded Q-factor of the filter resonators [5], N is the filter order, у = j(o\°w is the

tunability ofthe central frequency.

Layouts of prototype filters are presented in Figs. 4 and 6. Experimental performance of the filter in Fig. 4 is shown in Fig. 5, while the calculated performance of the filter shown in Fig. 6 is presented in Fig. 7. The figure of merit for the prototype filter is F’ = 0.34 dB’1, which is in very good agreement with the calculated value equal to F’ = 0.38 dB’1 .

If the filter has lossless electrodes, the figure of merit depends on the CQF ofthe ferroelectric capacitors (4).

III.  Conclusion

The estimates of limiting characteristics of tunable microstrip filters are presented. Experimental characteristics of tunable microstrip filters are considered.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты