Устройства и модули сверхвысоких частот
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Электроэнергетика. Электротехника
Издательство:
Инфра-Инженерия
Год издания: 2022
Кол-во страниц: 400
Дополнительно
Вид издания:
Учебник
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-9729-0841-7
Артикул: 788205.02.99
Представлены основные положения теории устройств сверхвысоких частот и решения научно-практических задач в области разработки СВЧ-устройств. Рассмотрены сверхвысокочастотные линии передачи, двух-, четырех-, шести-, восьми-, десяти- и двенадцатиполюсные, а также ферритовые устройства СВЧ, резонаторы и фильтры СВЧ, микрополосковые линейные элементы СВЧ, твердотельные элементы, микро-сборки и модули СВЧ, электронные приборы СВЧ. Приведены примеры решения задач согласования и моделирования различных устройств сверхвысоких частот.
Для студентов и аспирантов, обучающихся по укрупненной группе специальностей и направлений подготовки 11.00.00 «Электроника, радиотехника и системы связи». Может быть использовано студентами других направлений подготовки в рамках изучения курсов устройств сверхвысоких частот.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 11.03.01: Радиотехника
- 11.03.04: Электроника и наноэлектроника
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
М. С. КОСТИН, А. Д. ЯРЛЫКОВ УСТРОЙСТВА И МОДУЛИ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ Учебник Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022
УДК 621.371 ББК 32.841+22.336 К72 Рецензенты: доктор технических наук, профессор, профессор кафедры радиоволновых процессов и технологий РТУ МИРЭА Коваленко Александр Николаевич; доктор физико-математических наук, профессор, заведующий теоретическим отделом ИОФ РАН Гусейн-заде Намик Гусейнага оглы Костин, М. С. К72 Устройства и модули сверхвысоких частот : учебник / М. С. Костин, А. Д. Ярлыков. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. – 400 с. : ил., табл. ISBN 978-5-9729-0841-7 Представлены основные положения теории устройств сверхвысоких частот и решения научно-практических задач в области разработки СВЧ-устройств. Рассмотрены сверхвысокочастотные линии передачи, двух-, четырех-, шести-, восьми-, десяти- и двенадцатиполюсные, а также ферритовые устройства СВЧ, резонаторы и фильтры СВЧ, микрополосковые линейные элементы СВЧ, твердотельные элементы, микросборки и модули СВЧ, электронные приборы СВЧ. Приведены примеры решения задач согласования и моделирования различных устройств сверхвысоких частот. Для студентов и аспирантов, обучающихся по укрупненной группе специальностей и направлений подготовки 11.00.00 «Электроника, радиотехника и системы связи». Может быть использовано студентами других направлений подготовки в рамках изучения курсов устройств сверхвысоких частот. УДК 621.371 ББК 32.841+22.336 ISBN 978-5-9729-0841-7 © Костин М. С., Ярлыков А. Д., 2022 © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 2
СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................ 7 ГЛАВА 1. НАПРАВЛЯЮЩИЕ ЛИНИИ СВЧ, ИХ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И СПОСОБЫ ВОЛНОВОГО СОГЛАСОВАНИЯ ......... 10 1.1. Классификация направляющих линий СВЧ и их параметры ..................... 10 1.2. Коаксиальные линии и их характеристики .................................................. 12 1.3. Двухпроводные линии и их характеристики ................................................ 13 1.4. Линии типа «витая пара» и их характеристики ........................................... 14 1.5. Прямоугольные волноводы и их характеристики ....................................... 15 1.6. Круглые волноводы и их характеристики .................................................... 19 1.7. Полосковые линии и их характеристики ...................................................... 21 1.8. Методы и средства волнового согласования в направляющих линиях .... 24 1.8.1. Согласование четвертьволновым трансформатором ........................ 27 1.8.2. Согласование сосредоточенной реактивностью ................................ 29 1.8.3. Согласование диэлектрическим трансформатором ........................... 31 1.8.4. Согласование коротко-замкнутым шлейфом ..................................... 32 1.8.5. Согласование тремя реактивными шлейфами ................................... 33 Контрольные вопросы ............................................................................................. 36 ГЛАВА 2. МАТРИЧНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ N-ПОЛЮСНИКОВ СВЧ ......................................................................................... 37 2.1. Матрицы рассеяния многополюсников ........................................................ 37 2.2. Передаточные волновые матрицы многополюсников ................................ 42 Контрольные вопросы ............................................................................................. 44 ГЛАВА 3. N-ПОЛЮСНИКИ СВЧ И ИХ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ .............................................................................................. 45 3.1. Двухполюсные устройства СВЧ .................................................................... 45 3.1.1. Согласование нагрузки ......................................................................... 45 3.1.2. Реактивные нагрузки ............................................................................ 47 3.1.3. Преобразователи мощности СВЧ-сигналов ....................................... 49 3.2. Четырехполюсные устройства СВЧ .............................................................. 51 3.2.1. СВЧ-разъемы и соединения ................................................................. 52 3.2.2. СВЧ-переходы (адаптеры) ................................................................... 54 3.2.3. Реактивные нерегулярности в волноводах ......................................... 57 3.2.4. Волноводные изгибы ............................................................................ 59 3.2.5. Аттенюаторы ......................................................................................... 60 3.2.6. Фазовращатели ...................................................................................... 63 3.2.7. Согласующие трансформаторы сопротивления ................................ 67 3.3. Шестиполюсные устройства СВЧ ................................................................. 70 3.3.1. Тройники Y-типа ................................................................................... 71 3.3.2. Тройники Е- и Н-типа ........................................................................... 72 3
3.3.3. Делители мощности .............................................................................. 73 3.4. Восьмиполюсные устройства СВЧ................................................................ 74 3.4.1. Направленные ответвители .................................................................. 74 3.4.2. Мостовые устройства ........................................................................... 81 3.4.3. Делители и соединения X-типа ........................................................... 87 3.4.4. Кольцевой резонатор бегущей волны ................................................. 88 3.5. Десяти- и двенадцатиполюсные устройства СВЧ ....................................... 91 Контрольные вопросы ............................................................................................. 95 ГЛАВА 4. ФЕРРИТОВЫЕ УСТРОЙСТВА СВЧ ................................................. 96 4.1. Ферромагнетические свойства и явления ..................................................... 96 4.2. Ферритовые устройства СВЧ на эффекте Фарадея ................................... 100 4.2.1. Ферритовые вентили с поперечным подмагничиванием ................ 103 4.2.2. Фазовые циркуляторы на ферритовых пластинах ........................... 105 Контрольные вопросы ........................................................................................... 108 ГЛАВА 5. РЕЗОНАТОРЫ И ФИЛЬТРЫ СВЧ ................................................... 109 5.1. Резонаторы СВЧ ............................................................................................ 109 5.1.1. Объемные резонаторы СВЧ и их характеристики ........................... 109 5.1.2. Эквивалентные схемы резонаторов разных типов и способы возбуждения объемных резонаторов .............................. 114 5.1.3. Резонаторы открытого типа и их характеристики ........................... 118 5.1.4. Диэлектрические резонаторы и их характеристики ........................ 121 5.1.5. Проходные резонаторы и их характеристики .................................. 123 5.1.6. Микрополосковые резонаторы и их характеристики ...................... 124 5.2. Фильтры СВЧ ................................................................................................ 131 5.2.1. Низкочастотные прототипированные и синтез фильтров СВЧ ..... 132 5.3. Общие принципы построения фильтров СВЧ на неоднородных линиях .............................................................................. 134 5.3.1. Построение фильтров СВЧ на микрополосковых линиях .............. 137 5.3.2. Построение фильтров СВЧ на микрополосковых резонаторах ..... 141 5.4. Волноводные фильтры СВЧ ......................................................................... 143 Контрольные вопросы ........................................................................................... 144 ГЛАВА 6. МИКРОПОЛОСКОВЫЕ ЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СВЧ ........... 144 6.1. Разомкнутый отрезок микрополосковой линии ......................................... 144 6.2. Прямоугольное симметричное расширение микрополосковой линии .... 145 6.3. Разрыв микрополосковой линии .................................................................. 146 6.4. Прямоугольный изгиб микрополосковой линии ....................................... 147 6.5. Сосредоточенные элементы модулей СВЧ ................................................ 148 6.5.1. Сосредоточенные резисторы и индуктивности ............................... 149 6.5.2. Сосредоточенные емкостные элементы ........................................... 152 6.6. Квазисосредоточенные микрополосковые элементы ................................ 154 6.6.1. Микрополосковые отрезки с высоким и низким импедансами ..... 154 4
6.6.2. Замкнутые и разомкнутые микрополосковые отрезки типа шлейф .......................................................................................... 156 Контрольные вопросы ........................................................................................... 157 ГЛАВА 7. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ СВЧ ............................................... 158 7.1. Лавинно-пролетные диоды СВЧ.................................................................. 159 7.1.1. Явление лавинного пробоя ................................................................ 161 7.1.2. Режимы работы лавинно-пролетного диода .................................... 162 7.2. СВЧ-диод Ганна ............................................................................................ 166 7.2.1. Эффект Ганна и механизм работы диода с объемной неустойчивостью заряда ................................................ 167 7.2.2. Режимы работы генератора на диоде Ганна .................................... 171 7.3. СВЧ-диод с барьером Шоттки ..................................................................... 173 7.4. Диод СВЧ с управлением импедансом (p-i-n диод) .................................. 176 7.5. Транзисторы СВЧ .......................................................................................... 178 7.5.1. Биполярные транзисторы СВЧ .......................................................... 178 7.5.2. Униполярные (полевые) транзисторы СВЧ ..................................... 190 7.5.2.1. Полевые транзисторы СВЧ с барьером Шоттки ................ 192 7.5.2.2. Эквивалентная схема полевого транзистора СВЧ .............. 197 Контрольные вопросы ........................................................................................... 200 ГЛАВА 8. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ МИКРОСБОРКИ И МОДУЛИ СВЧ .............. 201 8.1. Гибридные сборки и модули СВЧ ............................................................... 201 8.2. Микросхемы и микромодули СВЧ .............................................................. 206 8.3. Функциональные модули СВЧ .................................................................... 210 8.3.1. Модульные генераторы СВЧ ............................................................. 210 8.3.2. Модульные усилители мощности СВЧ ............................................ 215 8.3.3. Модульные однокаскадные усилители мощности СВЧ ................. 220 8.3.4. Частотно-преобразовательные модули СВЧ .................................... 225 8.3.4.1. Преобразование частоты в смесителях СВЧ...................... 227 8.3.4.2. Характеристики модульных смесителей СВЧ ................... 228 8.3.4.3. Небалансные модульные смесители СВЧ .......................... 231 8.3.4.4. Балансные модульные смесители СВЧ .............................. 236 Контрольные вопросы ........................................................................................... 240 ГЛАВА 9. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ СВЧ .................................................... 241 9.1. Классификация электронных приборов СВЧ ............................................. 243 9.2. Характеристики электронных приборов СВЧ ............................................ 243 9.3. Триоды и тетроды СВЧ ................................................................................ 245 9.3.1. Электронный механизм работы триода СВЧ ................................... 247 9.4. Клистроны и их характеристики ................................................................. 249 9.4.1. Двухрезонаторный усилитель ............................................................ 250 9.4.2. Многорезонаторный усилительный клистрон ................................. 254 9.4.3. Отражательные клистроны ................................................................ 256 5
9.5. СВЧ-лампы бегущей и обратной волны О-типа ........................................ 261 9.5.1. Лампа бегущей волны О-типа ........................................................... 261 9.5.2. Лампа обратной волны О-типа .......................................................... 267 9.5.3. Гибридные электронные СВЧ-приборы О-типа .............................. 271 9.6. Электронные СВЧ-приборы М-типа ........................................................... 272 9.6.1. Лампа бегущей волны М-типа ........................................................... 277 9.6.2. Лампа обратной волны М-типа ......................................................... 280 9.6.3. Многорезонаторный магнетрон ........................................................ 283 9.6.4. Генераторы магнетронного типа ....................................................... 287 Контрольные вопросы ........................................................................................... 288 ГЛАВА 10. ЗАДАЧИ РАСЧЕТА И МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ И МОДУЛЕЙ СВЧ ................................................................................................ 289 10.1. Одношлейфное согласование линии передачи с нагрузкой ..................... 290 10.2. Моделирование микрополоскового аттенюатора ...................................... 297 10.2.1. Линейное моделирование микрополоскового аттенюатора на резисторах ..................................................................................... 297 10.2.2. Электромагнитное моделирование микрополоскового аттенюатора ...................................................... 304 10.3. Моделирование фильтра на микрополосковых линиях .......................... 309 10.4. Проектирование фильтра нижних частот ................................................. 317 10.5. Проектирование фильтра верхних частот ................................................ 330 10.6. Проектирование полосно-пропускающего фильтра ................................ 339 10.7. Проектирование делителя мощности ........................................................ 349 10.8. Проектирование линии задержки .............................................................. 356 10.9. Проектирование малошумящего усилителя ............................................. 363 10.10. Проектирование балансного смесителя на диодах ................................ 370 10.11. Проектирование секций проходного волноводного дискретного фазовращателя ..................................................................... 382 10.12. Проектирование проходного волноводного дискретного фазовращателя ..................................................................... 391 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .................................................................. 393 6
ВВЕДЕНИЕ Развитие сверхвысокочастотной (СВЧ) индустрии в области разработки и производства радиоэлектронных средств в настоящий момент является одним из ключевых векторов изменений, происходящих в модернизации и создании современных радиоэлектронных изделий. Тренд на переход к сверхвысоким частотам охватывает практически все возможные области радиотехники, начиная с изучения и создания технологий производства материалов, приборных структур и электронных компонентов и заканчивая радиоинжинирингом конечных функциональных изделий, а также систем и комплексов радиолокации, навигации, связи и телеметрии на их основе. Кроме того, СВЧ-техника активно проникает в целый ряд смежных направлений гражданского производства, находит широкое применение в следующих отраслях: контрольно-измерительное и аналитическое оборудование; телекоммуникационная индустрия; транспортная промышленность (авиация, железнодорожный, автомобильный и водный транспорт); медицинская техника; машиностроительное оборудование; химическая промышленность и др. С учетом экспоненциального развития технологий и материалов в последние десятилетия на данный момент СВЧ-электроника исполняет ту же роль, которая ранее выполняла традиционная радиоэлектроника, базирующаяся на планарной технологии сверхбольших интегральных схем (СБИС). На современном этапе развития новые материалы и микроэлектронные СВЧ-технологии в значительной мере определяют требуемые характеристики радиоэлектрон- ной аппаратуры. Именно микроэлектронные СВЧ-технологии определяют темп развития и требуемые технические характеристики конечных изделий, поскольку основные технические характеристики радиоэлектронной аппаратуры различного функционального предназначения (требуемые дальность, точность и др. параметры) легко пересчитываются по известным соотношениям в электрические параметры СВЧ приборов и устройств (выходная мощность, коэффициент шума, полоса частот, поляризация и т. д.). Кроме того, СВЧ-технологии в значительной мере определяют тактико-технические характеристики современных систем вооружений, военной и специальной техники. Именно поэтому технологии создания изделий СВЧ относятся к критически значимым технологиям. Современные модули и техника СВЧ включает широкий спектр различных направлений, связанных с разработкой, производством и внедрением СВЧ элементной базы, конечных устройств и систем. Существует несколько возможных способов их сегментации: 1. Сегментация по уровню производственного передела: электронно-компонентная база – широкая номенклатура электронных изделий и приборов, определяющих технические и потребительские характеристики конечной продукции; модули – изделия техники СВЧ для диапазона частот от 3 до 30 ГГц, имеющее законченное конструктивное исполнение и состоящие из одного или нескольких функциональных узлов, взаимозаменяемые и неремонтопригодные в условиях 7
эксплуатации, являющиеся базовыми компонентами РЭС (так, к современным модулям СВЧ предъявляется большое число сложных, часто взаимоисключающих требований: высокий уровень электрических параметров с учетом конструктивно-технологических запасов; прочность и устойчивость к внешним воздействующим факторам (механическим, климатическим, биологическим и специальным); надёжность и длительная сохраняемость; минимальные габариты, установочные и присоединительные размеры и масса; приемлемые способы охлаждения и крепления в аппаратуре; требования стандартизации и унификации и т. д.); конечные изделия радиоэлектроники. 2. Технологическая сегментация. В области элементной базы можно выделить несколько обширных групп приборов, отличающихся по назначению, физическому принципу действия, конструкции и технологии изготовления: x Устройства на направляемых линиях СВЧ: фидеры и соединительные элементы, делители мощности, мостовые устройства, развязывающие устройства, аттенюаторы, направленные ответвители; x Ферритовые приборы СВЧ: вентили, циркуляторы, переключатели, фильтры, фазовращатели, приборы многофункциональные, модуляторы, ограничители, преобразователи, нагрузки ферритовые; x Твердотельные приборы СВЧ в дискретном, монолитном, гибридном и гибридно-монолитном интегральном исполнении: СВЧ транзисторы и диоды, малошумящие усилители, усилители мощности, генераторы, синтезаторы частот, фазовращатели, аттенюаторы, переключатели, модуляторы, преобразователи частот (умножители, делители, смесители); x Модули СВЧ: приемные, передающие, приемо-передающие; генераторные, усилительные, преобразовательные, управляющие, многофункциональные, вентили, коаксиально-волноводные; x Электровакуумные приборы СВЧ: магнетроны, усилители магнетронного типа, усилители на быстрых волнах, лампы бегущей волны (ЛБВ), лампы обратной волны (ЛОВ), клистроны, клистроны, гироприборы, эндотроны, защитные газоразрядные устройства. x Комплексированные изделия СВЧ: электровакуумные, твердотельные и вакуумно-твердотельные, с применением в своём составе ЭВП СВЧ, твердотельных дискретных приборов и модулей СВЧ, ферритовых приборов СВЧ, изделий силовой и микроэлектроники. В отечественной и зарубежной СВЧ индустрии активно разрабатывается и производится отдельный класс элементной базы СВЧ-электроники – высоко интегрированные изделия СВЧ, включающие в себя законченные функциональные СВЧ-модули с цифровым интерфейсом для работы с полностью сформированным СВЧ-сигналом, компоненты с интегрированными антеннами, в том числе с динамически перестраиваемыми диаграммами направленности, исключающие необходимость работы с аналоговыми СВЧ-трактами. Важно отметить, что в рамках развития отечественной СВЧ индустрии в России с 2012 по 2020 гг. была реализована стратегическая программа «СВЧ технологии». Именно поэтому перспективные направления по созданию изделий 8
СВЧ отнесены к критическим технологиям, которые во многом определяют радиопромышленный облик и тактико-технические характеристики образцов радиоэлектронного вооружения военной техники. Отсюда одним из ключевых направлений развития отечественной техники СВЧ является диверсификация структуры производимых изделий СВЧ двойного назначения на всех уровнях обозначенной сегментации. 9
ГЛАВА 1 НАПРАВЛЯЮЩИЕ ЛИНИИ СВЧ, ИХ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И СПОСОБЫ ВОЛНОВОГО СОГЛАСОВАНИЯ 1.1. Классификация направляющих линий СВЧ и их параметры Линией передачи (англ. – transmission line) называют устройство, которое ограничивает пространство распространения электромагнитных волн и направляет поток электромагнитной энергии в заданном направлении от источника к нагрузке. С помощью линий передачи осуществляется передача мощности от генератора к нагрузке, трансформируются величины полных сопротивлений нагрузок, образуются резонансные системы – объемные резонаторы и колебательные контуры с распределенными параметрами. Отрезки линий передачи применяют для объединения отдельных микроволновых устройств в единую схему. Линию передачи называют регулярной (англ. – regular), если она прямолинейна и в продольном направлении не изменяются её поперечное сечение и электромагнитные свойства сред, которые её заполняют. Линию передачи характеризуют комплексной постоянной распространения (англ. – propagation constant) j J D E . Коэффициент затухания (англ. – attenuation constant) D [Нп/м] – величина, обратная расстоянию, которое должна пройти волна вдоль регулярной линии, чтобы её амплитуда уменьшилась в е раз. Такому затуханию соответствует 1 Нп (8,686 дБ). Постоянная распространения, фазовая постоянная или волновое число (англ. – phase constant, wavenumber) E [1/м] численно равна фазовому сдвигу, который приобретает волна при прохождении по регулярной линии расстояние единичной длины 2 Z S E Q / . (1.1) ф Длина волны в линии (англ. – wavelength) / равняется расстоянию, которое должна пройти волна вдоль регулярной линии, чтобы её фаза изменилась на 360° (2ʌ рад), 2 ф f Q S E / . (1.2) Фазовая скорость (англ. – phase velocity) ф Q – скорость перемещения фазового фронта волны (поверхности равных фаз) в направлении продольной оси z регулярной линии, 10