НЕОДНОРОДНОСТИ В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТРУКТУРАХ СВЧ

July 17, 2012 by admin Комментировать »

Молчанов В. И., Татарчук Д. Д.

Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт» Киев, Проспект Победы 37, 03056, Украина e-mail tatar@phbme. ntu-kpi. kiev. ua


Аннотация — Проведенные исследования показали, что одним из эффективных методов решения задачи управления частотой резонансного устройства может стать введение в структуру диэлектрического резонатора неоднородности с управляемыми характеристиками. Наличие такой неоднородности искажает поле диэлектрического резонатора, что приводит к изменению его характеристик. Изменяя свойства такой неоднородности можно управлять характеристиками всей резонансной системы.

I.  Введение

Работы по исследованию резонансных свойств в диэлектриках начались более пятидесяти лет назад. За это время создано множество эффективных частотно-избирательных устройств на основе диэлектрических резонаторов. Использование резонансных свойств диэлектрических резонаторов позволило значительно улучшить массогабаритные свойства частотно-избирательных устройств и снизить их стоимость [1, 2]. Поэтому понятно стремление использовать их и в дальнейшем при создании современных устройств связи. Однако развитие средств связи привело к ужесточению требований к частотноизбирательным устройствам, в частности одним из важнейших требований к таким устройствам сегодня является возможность управления их характеристиками. В связи с этим использование диэлектрических резонаторов наталкивается на серьёзные трудности, поскольку по своей природе диэлектрические резонаторы являются устройствами пассивными [3, 4].

За последние годы предпринимались различные попытки решить эту проблему. Разработано много способов построения управляемых резонансных систем на основе диэлектрических резонаторов, однако однозначного решения данной проблемы до сих пор нет. Связано это с тем, что известные способы управления приводят к значительному ухудшению добротности, удорожанию, ухудшению массогабаритных характеристик, либо имеют серьезные ограничения по частотному диапазону. Поэтому работы по поиску эффективных методов управления характеристиками диэлектрических резонаторов продолжаются.

II.   Решение электродинамической задачи

Проведенные нами исследования показали, что одним из эффективных методов решения этой задачи может стать введение в структуру диэлектрического резонатора неоднородности с управляемыми характеристиками. Наличие такой неоднородности искажает поле диэлектрического резонатора, что приводит к изменению его характеристик. Изменяя свойства такой неоднородности можно управлять характеристиками всей резонансной системы [5, 6, 7, 8]. Однако не всякая неоднородность может иметь достаточно сильное влияние на структуру поля резонансной системы. Поэтому ключевым в данном случае является вопрос о характере неоднородности. Ответить на этот вопрос можно в том случае, если найти распределение полей при резонансе в системе резонатор-неоднородность.

Математически эта задача сводится к решению уравнений Гельмгольца (1) в системе резонаторнеоднородность при соответствующих граничных условиях (2) на границах неоднородности.

где Гет, соответственно электрический и магнитный вектора Герца, е,.диэлектрическая проницаемость областей резонансной системы, -магнитная проницаемость областей резонатора, jsнормальная к границе раздела компонента плотности тока , pcsповерхностная плотность заряда на

границе раздела областей.

Решение задачи (1) при граничных условиях (2) для различных неоднородностей показали, что наиболее эффективными с точки зрения влияния на характеристики резонатора являются включения, реализующие скачкообразные изменения диэлектрической проницаемости, приводящие к разрыву линий электрического поля Е, или включения, реализующие скачкообразные изменения магнитной проницаемости, приводящие к разрыву линий магнитного поля Н . Это могут быть включения в виде слоев сегнетоэлектрических, ферроэлектрических материалов или воздушного зазора с изменяемой шириной.

III.  Экспериментальные результаты

Для проверки полученных расчетных результатов были проведены экспериментальные исследования. Они были проведены для составных диэлектрических резонаторов, у которых область диэлектрического включения была выполнена в виде воздушного зазора между составными частями резонатора. При этом одна половина резонатора жестко крепилась на подложке из материала с низким значением диэлектрической проницаемости, а вторая к штоку, соединенному с микрометрическим винтом, снабженным шкалой и лимбом для измерения величины воздушного зазора рис.1 (1-отрезок волновода, 2подложка, 3составной резонатор с воздушным зазором, 4шток, 5микрометрический винт). При исследовании резонатор располагался так, что его торцевая сторона была параллельна узкой стенке волновода для колебаний Н-типа (ТЕ-типа) и широкой стенке волновода для колебаний Е-типа. Это позволило легко провести исследования в широком диапазоне изменения ширины области включения. Резонансная частота измерялась по минимуму амплитудно-частотной зависимости коэффициента отражения.

где Vzполный объём резонатора (учитывая и объём включения), a Vt -объём той области (резонатора

или включения), для которой рассчитывается структурный коэффициент.

Расчёт и экспериментальные исследования показали, что наилучшим с точки зрения добротности является использование поперечного воздушного зазора для колебаний Н-типа. Для примера на рис.4 приведена зависимость добротности от ширины зазора для составного резонатора, изготовленного из керамики ТБНС с диэлектрической проницаемостью 78 и тангенсом угла диэлектрических потерь 3-10′4.

Рис./Fig. 4.

Из приведенной зависимости видно, что при включении неоднородности малой толщины с низким значением диэлектрической проницаемости и низким значением потерь, можно на десятки процентов увеличивать добротность всей системы. Это может быть использовано для повышения добротности составных диэлектрических резонаторов, а также линий передачи (например, микрополосковых) и устройств на их основе [12].

На основании полученных результатов был разработан ряд резонансных устройств с электромеханическим управлением [13-22], таких как фильтры, фазовращатели, в том числе и с электромеханическим управлением. Параметры некоторых фильтров с электромеханическим управлением приведены в таблице 1.

Таблица/ТаЫе 1. Результаты экспериментального исследования фильтров с электромеханическим управлением на основе составных диэлектрических резонаторов.

Форма резонатора

со

i_

i_

О

Af, ГГц

h, мкм

Тип позиционера

Размер позиционера, мм

и, В

Пр

80

3.5

1.2

250

БК

50x6x1

100

Ц

80

3.5

1.2

250

ББ

80x6x1

120

ц

40

4.4

1.1

250

БК

50x6x1

100

ц

40

4.4

1.1

250

ББ

80x6x1

120

Пр

80

9

2.8

150

БК

40x5x0.5

70

Ц

40

38

12

60

ББ

20x5x0.5

140

Ц

40

38

0.9

2

П

5x5x20,

N=90

150

Пр-прямоугольная структура;

Ццилиндрическая структура;

БК-микропозиционер биморфного консольного типа;

ББмикропозиционер биморфного балочного типа;

Пмикропозиционер пакетного типа.

I.       Заключение

Таким образом, на основании полученных результатов можно сделать следующие выводы:

1.     Введение неоднородности, приводящей к разрыву нормальной по отношению к ней составляющей электрического или магнитного поля, в резонансную структуру существенно изменяет резонансные свойства этой структуры.

2.     Изменяя электрофизические свойства этого включения можно управлять СВЧ характеристиками составных резонаторов, что позволяет создавать на основе составных диэлектрических резонаторов управляемые резонансные устройства СВЧ.

3.     Использование в качестве таких включений высокодобротных материалов позволяет повышать на десятки процентов добротность резонансных систем на основе составных диэлектрических резонаторов.

V. Литература

1.     Диэлектрические резонаторы / М. Е. Ильченко,

В.          Ф. Взятышев, Л. Г. Гассанов и др.; Под ред.

М. Е. Ильченко,М.: Радио и связь, 1989. 328 с.

2.     Безбородов Ю. М., Нарытник Т. Н., Фёдоров В. Б. Фильтры СВЧ на диэлектрических резонаторах. Киев: Тэхника, 1989. 184 с

3.     Алексейчик П. В., Беглов В. И., Геворкян В. М. Быстрая электрическая перестройка резонансной частоты диэлектрического СВЧ-резонатора //Труды МЭИ.-1981 .Вып.522.-С.75-81.

4.     Проблемы электрической перестройки миниатюрных диэлектрических резонаторов и резонансных структур / Алексейчик Л. В., Плохих Н. А. // Проектирование радиоэлектронных устройств на диэлектрических волноводах и резонаторах: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. 25-27 октября 1988.-Тбилиси, 1988.-С.69-71.

5.     Молчанов В. И., Пятчанин С. В.,Прокопенко Ю. В. II Составной диэлектрический резонатор с воздушным зазором // Известия вузов. Радиоэлектроника. 1987. Т. 30, №1. С. 31-35.

6.    Молчанов В. И., Бутко В. И., Прокопенко Ю. В., Пятчанин С. В., Васильев В. В. /Собственные частоты прямоугольного составного диэлектрического резонатора // Известия вузов. Радиоэлектроника. 1990. Т. 33, N°10

7.    Д. Д. Татарчук, В. И. Молчанов, Ю. В. Прокопенко. Решение электродинамической задачи о собственных частотах составных диэлектрических резонаторов с Етипом колебаний // «Электроника и связь» ,1998, №5,

C.             123-125.

8.    Д. Д. Татарчук. Власж коливання прямокутних комбшованих д1електричних резонатор1в з Е типом коливань // «Электроника и связь» ,1999, №7, С.42-44.

9.    В. И. Молчанов. Собственная добротность составных диэлектрических резонаторов // “Электроника и связь”, 1997, №3, 4.1, С. 119-125.

10.  Д. Д. Татарчук. Добротность составных диэлектрических резонаторов с Етипом колебаний // «Электроника и связь» ,1998, №5, С.117-119.

11.  Татарчук Д. Д. Добротнють прямокутних комбЫованих резонатор1в з Етипом коливань // HayK.BicTi НТУУ "КП1".-2000.-№2.-С.9-12.

12.  Татарчук Д. Д. КомбЫоваы структури НВЧ з д1електричним резонансом Е-типу: Дис. … канд. техн. наук : 05.27.01 .-К., 2001 .-С.169.

13.  Пашков В. М., Молчанов В. И. I Сегнетоэлектрический амплитудный СВЧ-модулятор на диэлектрическом резонаторе// Диэлектрики и полупроводники. Киев: “Вища школа”, изд. КГУ. 1981. вып. 19. С. 48-50.

14.  Молчанов В. И., Пятчанин С. В.,Прокопенко Ю.В. I Составной диэлектрический резонатор с воздушным зазором// Известия вузов. Радиоэлектроника. 1987. Т. 30, №1. С. 31-35.

15.  Пятчанин С. В., Прокопенко Ю. В., Молчанов В. И. I Составной перестраиваемый диэлектрический резонатор СВЧ //Диэлектрики и полупроводники. Киев: “Вища школа”, изд. КГУ. 1987. вып. 32. С. 33-35.

16.  Молчанов В. И., Якименко Ю. И., Пашков В. М., Селиванов С.А. I Перестраиваемый СВЧ-фильтр // Авт.свид. N1259370 от 22.05.1986.

17.  Молчанов В. И., Мархелюк А. М., Пятчанин С. В., Мирских Г.А. I Перестраиваемый диэлектрический резонатор // Авт.свидет. N1517684 от 22.06.1989.

18.   Д. Д. Татарчук, В. И. Молчанов, Ю. В. Прокопенко.

СВЧ фильтры на основе диэлектрических резонаторов с перестраиваемыми характеристиками // Тематический выпуск сборника "Электроника и связь" по материалам Международной научно-технической конференции "Проблемы физической и биомедицинской электроники", "Электроника и связь", 1997, №2, С.441-446.

19.  У. Prokopenko, У. Poplavko, Young Soo You, V.Molchanov and D.Tatarchuk. Bandpass and Band-Rejection Filters with Electrically Controlled Dielectric Resonators // Proceedings of 1997 Wireless Communication Conference, August 1113, 1997, Boulder, Colorado. IEEE Catalog Number 07803-4194-5/97, 1997, pp.170-174.

20.  У. Prokopenko, V. Molchanov and Y. Poplavko. Frequency control of the microwave resonator filters //Journal of the Korean Physical Sosiety, Vol. 32, 1998, pp. S1784-1786.

21.  У. Prokopenko, Y. Poplavko, Young Soo You’,

V. Molchanov and D. Tatarchuk. Bandpass and BandRejection Filters with Electrically Controlled Dielectric Resonators // Proceedings of 1997 Wireless Communication Conference, August 11-13, 1997, Boulder, Colorado. IEEE Catalog Number 0-7803-4194-5/97, 1997, pp.170-174.

22.  У. Poplavko, M. Ilchenko, Y. Prokopenko, V. Molchanov,

D.         Tatarchuk and Yong Soo Yoo. Electrically controlled microwave filters built on dielectric resonators // Proceeding of 27-th European microwave conference, September 8-12, 1997.

NON-HOMOGENEITIES IN MICROWAVE DIELECTRIC STRUCTURES

Molchanov V. I., TatarchukD. D.

National Technical University of Ukraine ‘Kyiv Polytechnical Institute’

Abstract Our studies have shown that the problem of frequency control for a dielectric resonant device can be solved by inserting a non-homogeneous resonator with controlled parameters. This insert distorts electromagnetic field inside the dielectric resonator. Resonant performance of the whole system may be controlled by modifying the insert properties. Existing methods of the DR resonant frequency mechanical tuning are characterised by low operating range, while known electronic methods of adjustment considerably compromise the Q-factor. In this work a new method of the DR resonant frequency control is proposed using composite resonant designs: a resonant system is built on two dielectrics or uses a dielectric with metallic mirror. The suggested designs were analysed theoretically to calculate their principal parameters and choose the best components and materials. Electrodynamic calculations gave been verified by experiments.

In frequency-tuned microwave filters the YIG-type ferrite resonators are usually implemented. Modern microwave communications systems use other, sometimes very complicated systems. In view of this, the development of electrically adjusted filters based on microwave DRs may be of interest. Highquality electrically-tuned bandpass and bandstop microwave filters could be designed based on frequency-tuned DRs. Such filters offer fast control of their central frequency f0over a wide scope. Fast automatic control of the filter attenuation-frequency curve may also be achieved. In some specific but essential applications DRs are used for the frequency stabilisation of semiconductor microwave oscillators whose frequency may also be rapidly controlled by the tuned DRs.

Dielectric resonators are ‘passive’ elements by their very nature: they are fabricated from thermally stable and linear ceramics. For this reason, it seems impossible to change the DR resonant frequency and even to implement its electric control, unless the DR design is radically modified. In our research the high dielectric constant (ei = 40-100) and low-loss (Q* = 103104) thermal stable microwave ceramics have been used. To implement the electrically adjustable DR, virtually all known types of resonators have been studied, including those with the

ТЕ, ТМ, ТЕМ and mixed modes. We have concluded that only an adjustable insert made of the low-loss material s2 of a different type incorporated into the microwave dielectric resonator is likely to change the DR resonant frequency substantially.

The resultant system is a kind of a composite structure in which the inclusion of a foreign material must cross the DR ‘electric field lines’ to maximise the effect of the insert. In this case the system should be more sensitive to the insert parameters (which are electrically controlled). For instance, a paraelectric element (whose dielectric permittivity s2 could be controlled by a bias electric field) may be used as an inclusion integrated with DR. However, experiments have shown that the Q-factor of such ‘paraelectric microwave dielectric’ composite decreases due to a high loss factor of paraelectric ceramics available for our research.

The basic model of proposed resonant systems comprises a dielectric resonator crossed by an air-gap whose width can be modified by a micro actuator to achieve the f0 control. Another tuneable element may also be inserted in the air-gap. This element may be a microwave semiconductor device (PIN-diode or varactor diode) or a microwave tuneable dielectric: paraelectric ceramics or a film with electrically controlled dielectric permittivity.

The most successful experimental results have been achieved by using electromechanical control. In order to avoid hysteresis in the actuation a special type of electrostrictive ceramics was used. A similar mode of frequency control was employed in the tests: resonant devices allow for their resonant frequency to be modified while retaining a high Q-factor. Because of a very high dielectric constant of the dielectric used in the DR, the required mutual displacement of system components was small enough. A reliable frequency control may be by all means achieved utilizing such micro actuators; modern ceramic actuators provide considerable, non-hysteresis and fast electrically-controlled shifting.

Composite resonant structures formed of two 1/2 parts of a DR separated by a narrow air-gap have been studied. By means of a piezoelectric control of the air-gap thickness between the two DR parts it is possible to modify significantly the resonant frequency of the composite structure while retaining its high-quality attenuation-frequency characteristics. Experimentally examined piezoelectric-controlled resonant devices display a high Q-factor and allow for the alteration of their resonant frequency. A computer simulation technique has been devised to optimise the design of a composite DR. Based on the above concepts, several bandpass and bandstop frequency-tuned filters have been fabricated.

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