Проблемы и методы создания понижающих конверторов СВЧ и КВЧ диапазонов
Чечулин В. В.
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.
конвертор диапазон интегральный обжиг
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 Ки 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 tgд 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 tgд 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.