ХАРАКТЕРИСТИКИ СВЯЗИ КВАЗИОПТИЧЕСКОГО ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РЕЗОНАТОРА ИЗ ЛЕЙКОСАПФИРА С МИКРОПОЛОСКОВОЙ ЛИНИЕЙ

February 3, 2013 by admin Комментировать »

Нечаев О. Г., Скресанов В. Н. Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины ул. Ак. Проскуры,12, Харьков, 61085, Украина тел.:(057) 720-34-55, e-mail: valery@ire.kharkov.ua

Аннотация – Экспериментально исследованы закономерности связи квазиоптического диэлектрического резонатора (КДР) из лейкосапфира с микрополосковой линией (МПЛ) из армированного фторопласта-4 в Ки диапазоне. Предложено организовывать связь в пространстве «МПЛ под КДР», что отличается от известного способа связи «ЬЗДР на подложке МПЛ». Показано, что при связи способом «МПЛ под КДР» потери энергии резонансного поля в подложке пренебрежимо малы по сравнению с собственными потерями в КДР. Установлено наличие нескольких зон связи, разделённых зонами отсутствия связи как для квази-Е, так и для квази-Н типов колебаний.

I.                                       Введение

Известным способом связи микрополосковой линии (МПЛ) с КДР является установка резонатора непосредственно на диэлектрическую подложку рядом с полоской [1]. Точно также поступают, связывая МПЛ с диэлектрическими резонаторами, возбуждаемыми на низших типах колебаний [2]. Совершенно очевидно, что при таком способе связи неизбежны потери Ss на рассеяние запасённой в резонаторе энергии в диэлектрике и в металлическом экране МПЛ.

Потери Sl нагруженного КДР будут складываться из собственных потерь дов материале резонатора и на излучение, внешних потерь на возбуждение волны в МПЛ (потери в нагрузке), а так же потерь Ss в материале МПЛ отличных от дех. Вносимые потери ds ухудшают показатели качества любых устройств, использующих КДР, и, поэтому, следует стремиться к их снижению. Для сапфировых КДР, имеющих рекордно низкий тангенс диэлектрических потерь и, следовательно, низкий уровень до ~ tg5, поиск новых способов связи с меньшим уровнем вносимых потерь особенно актуален.

В данном сообщении экспериментально показана возможность реализации распределённой связи сапфирового КДР с МПЛ при выполнении условия Ss « (5одаже в режиме сильной связи, если расположить МПЛ в пространстве так, что плоскость диэлектрической подложки будет ниже плоскости основания КДР.

II.                              Основная часть

Данное экспериментальное исследование выполнено на цилиндрическом КДР из лейкосапфира производства НПО «Монокристалл». Резонатор имел диаметр-40,11 мм и высоту- 12,18 мм. Был измерен спектр КДР и для исследования связи с МПЛ выбраны два основных типа колебаний EHi2.i i и НЕц ^ ^с преимущественными поляризациями поперёк и вдоль оси цилиндра. Резонансные частоты колебаний оказались равными 13244 МГц и 13348 МГц, а собственная добротность составила 8.2×10"* и 9.1×1 о"*, соответственно.

Изучалась связь с МПЛ, изготовленными из армированного фторопласта-4 (ФАФ-4) из материала двух толщин: fi = 1.0 мм и = 0.5 мм. Ширина полосок И/ рассчитывалась так, чтобы волновое сопротивление

МПЛ было равным 50 Ом {W=3mm и 1,4мм, соответственно). Исследовалась зависимость резонансных значений модулей элементов (d, h) \,                                                                                      ]     =

1,2,3,4 матрицы рассеяния КДР, связанного с двумя МПЛ, от расстояния h между плоскостью основания КДР и подложкой МПЛ, а также от расстояния d между полоской и краем КДР. Семейства зависимостей Si3(d, h) и S24(d, h) также как и семейства зависимостей S34(d, h) и Si2(d, h) (см. пример на рисунке) имеют ярко выраженный зонный характер. В пространстве «под КДР» выделяются две зоны, в которых может быть реализована эффективная связь КДР с МПЛ, разделённые граничной областью, в которой колебания в КДР не возбуждаются с помощью МПЛ. Коэффициент направленности 201д (S23/S13) составляет не менее минус 20 дБ, что косвенно указывает на возбуждение в КДР преимущественно бегущих волн.

Рис. 1. Зависимость 812(d) для различных h и двух толщин подложки ФАФ.

Fig. 1. Dependence 812(d) for different h and two values of a substrate thickness

Качественно зависимости для квази-Е и квази-Н поляризованных типов колебаний похожи между собой, однако полная режекция, или, наоборот, отсутствия возбуждения колебаний в КДР достигается для значительно различающихся взаимных положений МПЛ и КДР в пространстве.

Пространственное расположение зон возбуждения или, наоборот, отсутствия возбуждения КДР зависит также от параметров МПЛ даже в случае одинакового материала диэлектрической подложки. Зависимости, представленные на рисунке иллюстрируют сказанное. В частности, если края полоски и КДР имеют одинаковую координату (d =0), то для МПЛ из материала 1 мм толщины может быть достигнута полная режекция сигнала, тогда как для МПЛ из материала 0,5 мм толщины – возбуждение КДР практически отсутствует.

Теоретическое объяснение установленных закономерностей (наличие пространственных зон возбуждения, зависимость границ зон от типа колебаний КДР и параметров МПЛ) можно сделать, воспользовавшись методикой расчёта связи, приведенной в [3]. Суть расчётов состоит в пространственном интегрировании компонент поля КДР, которые топологически соответствуют полю МПЛ, то есть могут «связываться» между собой.

Анализ результатов измерения нагруженной добротности Ql (h), а также добротности Qso(h) КДР с учётом подложки МПЛ над основанием КДР позволяет сделать вывод о преимуществе зон связи «под КДР» по сравнению с зоной связи «на подложке МПЛ». Собственная добротность с учётом рассеяния в подложке Qso определялась следующим образом. Измерялась зависимость добротности КДР, к основанию которого с заведомо большого расстояния h подносилась пластина ФАФ-4 плоскостью, с которой была снята металлизация. Затем, вычислялась обратная величина добротности рассеяния Qs (h) как разность обратной величины добротности КДР с пластиной ФАФ-4 и добротности КДР при бесконечном удалении пластины. Наконец, собственная добротность с учётом рассеяния в подложке вычислялась по формуле:где

00=9.1×10"* – собственная добротность КДР. Данные расчётов сведены в таблицу.

Таблица 1.

Table 1.

h

4.0 MM

2.0 MM

1.0 MM

0.5 MM

0.0 MM

Ql

5,5-10^

1,2-10^

0,6-10”

0,2-10"

Qs

2,7-10®

1,5-10®

7,2-10®

4,9-10®

2,2-10®

Qso

8,8-10”

8,5-10"

7,9-10”

7,6-10”

6,4-10”

Из данных, представленных в таблице можно сделать вывод, что при удалении КДР от подложки МПЛ менее, чем на 2 мм, уровень вносимых потерь Ss узлом связи заметно снижает добротность КДР и его необходимо учитывать.

III.                                     Заключение

Предложено возбуждать КДР с помощью МПЛ, размещаемой в «пространстве под КДР». Показано, что при таком способе возбуждения вносимые потери в КДР из-за рассеяния в подложке могут быть сделаны пренебрежимо малыми. Экспериментально установлены закономерности связи. Полученные результаты были использованы при разработке транзисторного автогенератора Ки диапазона с низким уровнем фазовых шумов.

IV.                              Список литературы

[1]     CrosD., Guillon P. Whispering Gallary Dielectric Resonator Mode forW-Band Devices. // IEEE Tras. Microwave Theory Tech., 1990, Vol. MTT-38, No. 11, pp. 1667-1674.

[2]     Гольдберг Л. Б. Теоретическое исследование связи диэлектрического резонатора с микрополосковой линией передачи. // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ, 1983, Вып.7, С. 41-47.

[3]     Khairuddin I. U., Hunter I. С. Computation of coupling between whispering gallery mode dielectric resonators and a microstrip transmission line. // IEEE Pros. Microw. Antennas Propag., 1995. Vol. 142, No. 3, pp. 265-268.

COUPLED CHARACTERISTICS OF A SAPPHIRE QUASIOPTICAL DIELECTRIC RESONATOR TO THE MICROSTRIP LINE

O.                        G. Nechaev, V. N. Skresanov A. Usikov institute of Radio Physics and Eiectronics Nationai Academy of Sciences of Ukraine 12, Akademika Proskury Str, Kharkiv, 61085, Ukraine

Abstract – Experimental regularities of coupling a quasioptical dielectric resonator (QDR) to a microstrip line are discussed in Kj- band. It is offered to organize coupling in «a microstrip line placed under QDR» space, which differs from a known mode of «QDR placed on a microstrip substrate» connection. It is shown, that at connection by «a microstrip line placed under QDR» mode a resonance field energy losses in a substrate are negligibly small as contrasted to natural energy losses in QDR. Presence of several coupling areas, disjointed by zones of lack of coupling both for quasi-E, and for quasi-H oscillation modes is revealed.

I.                                            Introduction

Known method of coupling microstrip line to QDR is installation of the resonator immediately on a dielectric substrate near to a strip [1]. Abundantly clearly, that at such mode of coupling losses Ss on scattering the energy accumulated in dielectric substrate and in metal shield of a microstrip is imminent. Insertion losses Ss aggravate merit numbers of any arrangements using QDR, and, therefore, it is necessary to be aimed to their decrease. For sapphire QDR, dielectric losses having record low tangent and, therefore, a low level So – tg5, search of new modes of connection with a smaller level of insertion losses is especially actual.

The possibility of realization of the distributed coupling sapphire QDR to microstrip line at realization of a requirement Ss « *is shown experimentally even in a condition ofthe strong coupling if one arrange the microstrip line in space so, that the plane of a dielectric substrate will be lower than base plane QDR.

II.                                           Main Part

The investigated resonator had a diameter of 40,11 mm and height of 12,18 mm. QDR spectrum has been metered and for research of coupling QDR to microstrip line two basic oscillation modes EHi2,i,iand HEn i i. Resonance frequencies of oscillations appeared equal 13244 MHz and 13348 MHz, and unloaded Q-factor was 8.2×104 and 9.1×104, accordingly. Resonance meanings of modules of S, (d, h) \, \ = 1,2,3,4 of scattering matrixes QDR, coupled to two microstrip lines, was examined. Dependencies upon distance h between base plane of QDR and a substrate ofthe microstrip line, and also upon distance d between a strip and edge QDR were investigated. Sets of dependencies h) and S24(d, h) as well as Ss/d, h) and Si2(d, h) (see figure) have zonal character.

The analysis of outcomes of measuring of Q-loaded Ql (h)), and also Q-factor Qso(h) of QDR with substrate of microstrip above QDR basis allows drawing an output on advantage of coupling areas «under QDR» as contrasted to a coupling area «QDR on microstrip substrate«.

h

4.0 mm

2.0 mm

1.0 mm

0.5 mm

0.0 mm

Ql

5.5-10”

1.2-10”

0.6-10”

0.2-10”

Qs

2.7-10®

1.5-10®

7.2-10®

4.9-10®

2.2-10®

Qso

8.8-10”

8.5-10”

7.9-10”

7.6-10”

6.4-10”

III.                                          Conclusion

It is offered to excite QDR with the help of microstrip line placed in space under QDR. It is shown, that at such mode of excitation insertion losses in QDR because of scattering in a substrate can be made negligible small. Experimentally regularities of connection are established.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

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