Закономерности миниатюризации

Конструктивные, технологические и эксплуатационные преи­мущества миниатюрных радиотехнических устройств сопровож­даются увеличением диссипативных потерь в них обрат­но пропорционально полосе пропускания и объему. Таким обра­зом, в миниатюрных устройствах необходимо серьезно считаться с ухудшением собственной добротности элементов; в крупнога­баритных устройствах такой необходимости нет. В результате оценивать качество миниатюрных устройств следует с учетом связей между основными параметрами.

Рассмотрим один из таких методов, в котором габаритные размеры устройства рассматривают не обособленно, а системно— в сочетании с другими параметрами устройства. В итоге форми­руется показатель качества (ПК) устройства; если ПК достигает определенного уровня, то миниатюризация считается успешной. В этой процедуре учитывают следующие параметры: объем устрой­ства (v, см³), минимальное значение диссипативных потерь в по­лосе пропускания (Aо, дБ), полоса пропускания (Df/fo) 100%, чи­сло включенных звеньев п. Коэффициент, образованный сочета­нием этих параметров

 ,                                      (2.1)

называют габаритным индексом потерь. Он зависит от час­тоты, и эта зависимость линейна. Используя линейность, получа­ем из

 ,                                                 (2.2)

Как показывает опыт, при ПК>3 миниатюризация устройства неудачна, не использованы в достаточной мере структурные, кон­структивные и технологические резервы, которые могли бы ком­пенсировать неблагоприятный характер связей между объемом ус­тройства, его диссипативными потерями и полосой пропускания.

При ПК  миниатюризация тривиальна, т. е. потери в уст­ройстве увеличиваются примерно во столько же раз, во сколько уменьшился его объем (если полоса пропускания фиксирована).

При ПК<3 или ПК<<3 миниатюризация соответственно успеш­на и весьма успешна; неблагоприятные связи между параметра­ми удалось ослабить в достаточной мере. Известны варианты ре­ализации миниатюрных фильтров, в которых достигнут ПК=0,8...2. При всех этих расчетах следует помнить, что под объе­мом устройства понимают его действующий объем. Дело в том, что для нормализации работы многих устройств приходится вво­дить различные приспособления: экраны, термостаты, магниты, криостаты, фильтры (для подавления паразитных полос) и др.

В действующий объем устройства входит и объем всех исполь­зуемых в каждом конкретном случае приспособлений. Изложен­ный метод оценки качества миниатюризации складывался в тече­ние последних 15…20 лет в результате изучения связей между габаритами устройства и собственной добротностью  его эле­ментов.

Комплексные оценки для ПФ с полиномиальной частотной характеристикой могут быть использованы и для других вариантов ПФ, например, на ПАВ, фильтров с полюсами затухания на конечных частотах. Для этой цели необходимо найти эквивалентное число звеньев полиномиального ПФ, имеющего такой же коэффициент прямоугольности частотной характеристики, как и исследуемый ПФ.

Направления миниатюризации

В настоящее время развиваются шесть основных направлений миниатюризации.

Первое, традиционное, направление основано на применении печатных микрополосковых устройств в стандартных микросбор­ках при достаточно высоком  подложки. Резонаторами ПФ слу­жат полуволновые и четвертьволновые отрезки линий. Часто ис­пользуют подложки из поликора ( =9,6). Второе направление основано на применении полусосредо­точенных элементов, образуемых короткими отрезками линий. Удачный вариант такого устройства — гребенчатый фильтр; его габаритные размеры сравнимы с размерами микрополоскового ПФ, но имеется выигрыш в диссипативных потерях.

Третье направление миниатюризации устройств УВЧ и ОВЧ связано с применением сосредоточенных индуктивностей и емкос­тей в печатном исполнении (возможны и навесные конденсаторы), размеры которых существенно меньше длины, волны. Габаритные размеры таких элементов очень малы; малая собственная доброт­ность ограничивает их применение устройствами с полосами про­пускания не меньше чем 15...20%. Исследования в этой области в последние годы весьма интенсивны, и применение сосредото­ченных элементов растет.

Четвертое направление основано на применении диэлект­рических резонаторов в запредельном волноводе. Используются диэлектрики с =3,8...80. При поперечном расположении диэлектрических резонаторов в запредельном волноводе обеспе­чивается простота «сшивания» полей в волноводе и в диэлектри­ке и соответственно разреженный спектр паразитных полос пропу­скания фильтра. В некоторых вариантах конструкции таких ПФ достигается ПК=1...2. Интересен также и другой вариант расположения диэлектрических резонаторов — продольный. Резонаторы  располагаются на нижней стенке запредельного вол­новода в виде дисков. Поле в волноводе здесь более сложной структуры, чем в первом случае, что сказывается неблагоприятно на спектре паразитных полос пропускания.

В рассматриваемом направлении имеются неиспользованные возможности. Например, в последнее время удалось реализовать ПФ на диэлектрических резонаторах с использованием двух по­ляризаций поля в запредельном волноводе. Это обеспечивает АЧХ с полюсами затухания на конечных частотах, что существенно увеличивает крутизну скатов АЧХ. В настоящее время рассмат­риваемое направление может быть реализовано лишь в диапазо­нах СВЧ и УВЧ. Для реализации в диапазоне ОВЧ необходима разработка керамики с весьма высоким  при приемлемом .

Пятое направление основано на применении функциональ­ных сред, в которых создается поверхностная акустическая вол­на либо поверхностная магнитостатическая волна (ПМСВ). Эта техника специфична и требует высокой технологической культу­ры.

Шестое направление миниатюризации рассмотрено в книге подробно. Сущность используемых эффектов заключается в ак­тивизации влияния магнитной связи между проводами НВЛ. В традиционных вариантах включения линия определяется полно­стью двумя параметрами: волновым сопротивлением р и электри­ческой длиной . Взаимная индуктивность между проводами ли­нии проявляется лишь в НВЛ; она характеризуется коэффициен­том магнитной связи k. Рациональное сочетание трех варьируе­мых параметров р,  и k обеспечивает одновременно миниатюр­ность и широкополосность устройства УВЧ и ОВЧ диапазонов. Во многих случаях для создания  вводится магнитопровод, однако он ухудшает термостабильность и уве­личивает габаритные размеры устройства.