Исследование микрополосковых структур с активными средами и создание управляемых СВЧ фазовращателей на их основе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

тационного совета Д 003.055.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки «Институт физики им. Л. В. Киренского» Сибирского отделения Российской академии наук по адресу: 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50, стр. 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики им. Л. В. Киренского СО РАН.

Автореферат разослан « Ц » ^гм^ллмл,Ь^2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

В настоящее время происходит интенсивное развитие радиотехнических систем общего (связь, локация, навигация) и специального назначений. Одним из направлений развития таких систем является улучшение их характеристик за счет применения пространственной селекции сигналов, для чего используются различные виды фазированных антенных решеток (ФАР). Применение ФАР позволяет существенно увеличить информационную емкость телекоммуникационных, быстродействие радиолокационных и помехозащищенность радионавигационных систем, а также улучшить другие их характеристики.

Важнейшими элементами фазированных антенных решеток являются сверхвысокочастотные фазовращатели (СВЧ ФВ), к которым в связи с вышесказанным предъявляются все более высокие требования по электрическим характеристикам и другим параметрам - таким как габариты, технологичность изготовления и стоимость, что обуславливает актуальность исследований, направленных на улучшение параметров этих устройств.

На сегодняшний день разработано большое количество конструкций СВЧ фазовращателей, основанных на разных физических принципах построения и использующих для управления фазой электромагнитной волны различные активные материалы или элементы (такие материалы или элементы, параметры которых изменяются под воздействием управляющего электрического или магнитного поля, температуры, давления и т.д., в данной работе названы активными средами). Наиболее широкое распространение в фазированных антенных решетках получили ферритовые фазовращатели на основе волноводных линий передачи, однако в современной радиоаппаратуре они зачастую не удовлетворяют требованиям по массогабаритным и электрическим характеристикам. Именно поэтому в последние годы активно ведется поиск и исследование новых типов СВЧ фазовращателей, использующих новые активные среды и принципы построения. Один из таких принципов, названный резонансным, был предложен в Институте физики им. Л. В. Киренского СО РАН. Он заключается в использовании связанных микрополосковых резонаторов с активными средами для построения целого ряда управляемых устройств СВЧ техники: фильтров, устройств защиты от радиоимпульса и др.

В диссертационной работе проведено исследование микрополосковых резонансных конструкций фазовращателей, до сих пор систематически не исследованных, в качестве активных сред в которых используются жидкие кристаллы

(ЖК), планарные структуры на основе тонких магнитных пленок (ТМП) и ферриты. Применение ферритов в микрополосковых линиях (МПЛ) позволяет совместить преимущества феррита как активной среды и миниатюрность МПЛ. В свою очередь, тонкие ферромагнитные пленки на основе сплавов Бе, N1, Со, по сравнению с массивными ферритами, требуют меньшей напряженности управляющего поля вследствие большего значения намагниченности насыщения и малости полей анизотропии, а планарные устройства на их основе лучше совместимы с интегральной технологией изготовления СВЧ схем. Интерес к жидким кристаллам связан с тем, что они являются перспективной активной средой для фазовращателей миллиметрового диапазона длин волн, благодаря сравнительно низким потерям и высокому значению анизотропии диэлектрической проницаемости в этом диапазоне.

В связи с этим резонансные конструкции фазовращателей на основе указанных активных сред представляют большой интерес для технических приложений радиофизики, а исследования таких конструкций являются весьма актуальными.

Целью работы являлось исследование резонансных конструкций СВЧ фазовращателей с использованием в качестве активных сред жидких кристаллов, тонких магнитных пленок и ферритов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- исследование особенностей распространения электромагнитных волн в микрополосковых структурах, содержащих активные среды;

- исследование основных характеристик различных конструкций резонансных фазовращателей на микрополосковых структурах с активными средами;

- разработка и создание действующих макетов резонансных фазовращателей на основе микрополосковых структур, содержащих жидкие кристаллы, магнитные пленки, ферриты, а также исследование их характеристик.

Научная новизна работы

- Изучены закономерности поведения амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик резонансных микрополосковых структур с активными средами, позволившие выявить их особенности, важные для улучшения параметров электрически управляемых фазовращателей;

- показана возможность создания электрически управляемых резонансных фазовращателей с жидкокристаллической активной средой, перспективных для применения в миллиметровом диапазоне длин волн;

- разработаны новые, перспективные для применения в сантиметровом и

дециметровом диапазонах длин волн конструкции резонансных СВЧ фазовращателей на основе микрополосковых структур, содержащих в качестве активных сред ферриты и тонкие магнитные пленки.

Практическая значимость работы

- Результаты исследований позволяют определить необходимые конструктивные параметры резонансных фазовращателей для реализации устройств с заданными основными характеристиками;

- сформулированы рекомендации, позволяющие при проектировании резонансных фазовращателей улучшить их основные характеристики;

— показано, что на основе исследованных конструкций фазовращателей могут быть реализованы устройства дециметрового, сантиметрового и даже миллиметрового диапазонов длин волн, имеющие управляемый фазовый сдвиг до 360° и высокий фактор качества — до 150 °/дБ;

— выявлены достоинства и недостатки разработанных конструкций фазовращателей, предложены пути улучшения их характеристик, а также обозначены перспективы их применения.

В работе были использованы: феноменологическое описание зависимостей характеристик резонансных микрополосковых структур от их основных параметров, численный расчет параметров микрополосковых структур на основе квазистатического приближения, метода моментов и метода конечных элементов. Проверка теоретических положений и расчетов выполнялась экспериментально посредством измерения частотных зависимостей элементов матрицы рассеяния изготавливаемых макетов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Для фильтров, имеющих чебышевскую характеристику, отношение величины набега фазы в полосе пропускания к количеству звеньев фильтра может изменяться от 90° до 180°, возрастая с увеличением коэффициента отражения в полосе пропускания фильтра и количества его звеньев.

2. Характер зависимости величины управляемого фазового сдвига резонансного фазовращателя на основе полосно-пропускающего фильтра от его основ-

ных конструктивных параметров определяется формулой Аф = . f-, где

Ф - величина набега фазы в полосе пропускания фильтра, 5f jf0 — относительная полоса рабочих частот фазовращателя, и 5е - величина, характеризующая

анизотропию эффективной диэлектрической (или магнитной) проницаемости подложки устройства.

3. На основе связанных микрополосковых резонаторов на подложке с управляемой диэлектрической или магнитной проницаемостью возможно создание электрически управляемого СВЧ фазовращателя с габаритами существенно меньшими, чем у фазовращателя на основе согласованной линии передачи на той же подложке с тем же значением управляемого фазового сдвига.

Степень достоверности полученных результатов

Обоснованием достоверности полученных теоретических выводов является их согласие с результатами экспериментальных исследований. Достоверность результатов измерений подтверждается использованием оборудования, обеспечивающего необходимую точность эксперимента. Достоверность результатов использованных в работе численных расчетов подтверждается применением адекватных решаемым задачам современных методов расчета.

Апробация результатов исследования

По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 3 статьи в журналах из перечня ВАК, получен 1 патент на изобретение.

Результаты работы докладывались на Всероссийских с международным участием научно-технических конференциях «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2009, 2010 и 2011 гг.), на Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ аспирантов и молодых ученых (Санкт-Петербург, 2010), на Международных научно-практических конференциях «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2010 и 2012 гг.), на Международной Крымской конференции «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, 2010), и на Всероссийской конференции по жидким кристаллам (Иваново, 2012).

Результаты, полученные в процессе работы над диссертацией, явились основой для участия автора в НИР «Разработка основанных на новых физических принципах управляемых частотно-селективных устройств для систем радиолокации, радионавигации и связи» (2010-2012 гг.) и НИР «Создание управляемых СВЧ фазовращателей на новых физических принципах» (2010-2011 гг.), проводимых в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», в качестве исполнителя и руководителя, соответственно.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 108 страницах, включает 69 рисунков и 6 таблиц. Список литературы включает 83 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, показана научная новизна и практическая значимость результатов работы, перечислены положения, выносимые на защиту, а также приведены сведения об апробации материалов диссертации.

В первой главе рассмотрена классификация СВЧ фазовращателей, их основные характеристики, а также проведен обзор современных исследований по данной тематике, на основе которого сформулированы достоинства и недостатки существующих устройств. В качестве основного признака, по которому проведена классификация, принят тип используемой активной среды. По этому признаку можно выделить ферритовые, полупроводниковые, сегнетоэлектриче-ские и микроэлектромеханические (МЭМС) фазовращатели. В результате анализа литературы установлено, что основными недостатками ферритовых ФВ являются большие габариты и масса, а также большая величина управляющих полей. Полупроводниковые и сегнетоэлектрические ФВ имеют высокие потери в верхней части сантиметрового и миллиметровом диапазонах длин волн, кроме того, для последних необходимы большие управляющие напряжения. МЭМС фазовращатели весьма сложны в производстве и имеют ограниченное количество переключений. Сделан вывод о том, что разработка и исследование новых устройств, способных преодолеть указанные недостатки, является актуальной задачей. При этом особое внимание следует уделить устройствам на основе активных сред, способных работать в миллиметровом диапазоне длин волн, устройствам на основе миниатюрных и технологичных в производстве микро-полосковых линий, а также устройствам на основе новых физических принципов построения, позволяющих улучшить характеристики управляемых ФВ. В связи с этим представляют интерес миниатюрные резонансные конструкции микрополосковых фазовращателей, одна из которых была впервые предложена в[1].

В качестве важного параметра, характеризующего конструкцию фазовращателя, выделен фактор качества (ФК) - отношение максимального управляемого сдвига фазы к средним потерям в рабочей полосе частот [2]. ФК исследуемых в различных работах фазовращателей лежит в диапазоне от нескольких десятков до нескольких сотен градусов на децибел, а у применяемых на практике ФВ он составляет не менее 100 °/дБ.

Во второй главе описывается резонансный принцип построения управляемых СВЧ фазовращателей, рассматриваются типы микрополосковых струк-

тур, которые могут использоваться для создания резонансных фазовращателей, а также приводятся результаты теоретического исследования зависимостей их основных характеристик - управляемого фазового сдвига и полосы рабочих частот, от конструктивных параметров.

Принцип работы резонансного фазовращателя наиболее удобно пояснить, если представить его как микрополосковый фильтр, выполненный на подложке с управляемой диэлектрической или магнитной проницаемостью, параметры которого

специальным образом оптимизированы для Рисунок 1 - АЧХ (а) и ФЧХ (б)

резонансного фазовращателя при использования в качестве управляемого изменении диэлектрической или фазовращателя. На рис. I изображен сдвиг магнитной проницаемости подложки амплитудно-частотной (АЧХ) и фазо-

частотной (ФЧХ) характеристик микрополоскового полосно-пропускающего фильтра по оси частот при изменении параметров подложки. Как видно, существует область частот 5/ в которой прямые потери прошедшего сигнала практически не изменяются, а его фаза изменяется существенно. Эта область называется полосой рабочих частот резонансного фазовращателя. Управляемый фазовый сдвиг сигнала при изменении параметров подложки в резонансном фазовращателе оказывается существенно большим, чем у известной конструкции на основе согласованной линии передачи [3], имеющей длину, равную сумме длин резонаторов в рассматриваемой структуре. Резонансный фазовращатель по сравнению с упомянутой конструкцией обладает не только увеличенным фазовым сдвигом, но и частотной избирательностью, что может исключить применение дополнительных частотно-селективных цепей в некоторых устройствах.

Для создания резонансных фазовращателей могут использоваться большинство микрополосковых структур, применяемых для создания микрополос-ковых фильтров. Это структуры на основе гальванически связанных полуволновых резонаторов (рис. 2, а), электромагнитно связанных полуволновых резонаторов (рис. 2, б), электромагнитно связанных четвертьволновых резонаторов (рис. 2, в), и другие.

Резонансный фазовращатель, в зависимости от ширины полосы рабочих частот, анизотропии активной среды, количества резонаторов (звеньев) используемой микрополосковой структуры, может иметь различную величину

управляемого сдвига фазы. Характер перечисленных зависимостей не является очевидным и был установлен в диссертационной работе, для чего, в первую очередь, были исследованы особенности ФЧХ полосно-пропускающих фильтров. Исследования проводились на моделях с сосредоточенными элементами без потерь, однако их результаты обобщены на Рисунок 2 - Примеры микрополосковых любые фильтры, имеющие чебышевскую структур, которые могут быть использо-

характеристику, в том числе и микропо- ваны дм создания Ре™сных фазовра-

лосковые, так как их частотные характеристики вблизи полосы пропускания описываются одной и той же комплексной функцией.

В результате установлено, что величина набега фазы в полосе пропускания по уровню —3 дБ чебышевского фильтра, отнесенная к количеству звеньев фильтра (набег фазы на одно звено, обозначенный в работе как Ф\), может изменяться от 90° до 180° и зависит только от количества звеньев и максимальной величины коэффициента отражения в полосе пропускания /?тах, на которую фильтр настроен. Зависимости для количества звеньев п = 1. 12 при различных значениях коэффициента отражения приведены на рис. 3.

С использованием полученной зависимости, для Ятлх = —14 дБ была получена аппроксимация ФЧХ полосно-пропускающего фильтра и формула