Микрополосковые линии. Линии задержки

Исключительным свойством СВЧ схем, отличающим их от низкочастотных интегральных схем, является применение микрополосковых линий (МПЛ) как основных элементов схемы. МПЛ относится к элементам с распределенными параметрами и представляет собой, как правило, проводящую дорожку на изолированной подложке. Одно из основных требований к МПЛ – минимизация потерь при прохождении сигнала.

В сверхскоростных ЭВМ работают транзисторы, способные обеспечить логические операции при передаче информации импульсами тока или напряжения длительностью 10^-10 с крутизной фронта до 10^-11 с. Спектр таких импульсов несет частоты до 100 – 200 ГГц. При прохождении столь коротких импульсов по обычной полосковой линии из меди или алюминия сказывается частотная дисперсия, т.е. зависимость фазовой скорости от частоты. Уже на длине линии передачи в несколько сантиметров частотная дисперсия разрушает форму импульса.

Сверхпроводящие МПЛ выгодно отличаются от медных отсутствием дисперсии и малым затуханием сигналов в очень широком диапазоне частот (для ВТСП 0–10¹² Гц). Существенный выигрыш в параметрах, однако, реализуется только для достаточно длинных и узких микрополосков. Приведем значения длин полосковых линий в зависимости от ширины микрополоска, начиная с которых замена меди на ВТСП приводит к уменьшению времени распространения импульса более чем на 33% при Т = 77 К.

Таблица 3.1

Зависимость ширины микрополоска от длины линии

Для решения о замене проводниковой на ВТСП линию необходимо учитывать выигрыш и необходимые затраты. Так, если в супер-ЭВМ на джозефсоновских элементах использование сверхпроводниковых межэлементных соединений естественно, то в случае аналогичных ЭВМ на транзисторах целесообразность их использования не столь очевидна.

Существует, однако, целый ряд причин, не связанных с быстродействием и затуханием, по которым сверхпроводящие МПЛ могут оказаться предпочтительней медных и при длинах, меньших указанных в табл. 3.1. Одна из таких причин заключается в том, что замена меди сверхпроводниками уменьшает паразитную связь между микрополосковыми линиями.

Одно из существенных ограничений использования сверхпроводящих МПЛ связанно с их ограниченной токонесущей способностью. Для того чтобы линия оставалась в сверхпроводящем состоянии, транспортный ток не должен превышать критической величины. Этот ток, в свою очередь, определяется произведением площади поперечного сечения на плотность критического тока ј_с:

I_C=adj_C, (3.8)

где d – толщина микрополосковой линии;

а – ее ширина.

С учетом того, что плотность критического тока ограничена
(~10⁶ А/см²), а толщина пленки определяется технологией, величина транспортного тока связана с шириной пленки и последняя, как следует из табл. 3.1, зависит от длины линии.

На основе МПЛ может быть построена линия задержки, которая является простейшим процессором сигналов и предназначена для временной задержки сигналов без заметных их искажений. Линии задержки используются при необходимости обеспечения задержки сигнала от пикосекунд до микросекунд при его минимальном ослаблении. Поэтому ВТСП линия задержки предпочтительнее линий на традиционных металлах. В отрезке линии сверхпроводника ослабление может быть на три порядка ниже, чем в золотом проводнике той же длины и с таким поперечным сечением. В табл. 3.2. приведены сравнительные данные по параметрам линий задержки на поверхностно акустических волнах (ПАВ), спиновых волнах (МСВ), МПЛ на низкотемпературных сверхпроводниках и на ВТСП линиях.

Таблица 3.2

Линии задержки

Эти оценки (ВТСП) получены для эпитаксиальных пленок Y-123 и Hg-1234. Для этих пленок микрополосковые линии имеют потери в 30-40 раз меньше, чем медные МПЛ таких же размеров. Время задержки определяется отношением длины линии к скорости распространения волны.

Для получения максимальной задержки в заданном объеме микрополосковые ВТСП линии можно изготавливать в виде меандра или спирали на тонких диэлектрических подложках, а уже из них создавать многоярусную структуру. Чтобы предотвратить перекрестные связи между различными линиями, необходимо формировать поверхность заземления (а еще лучше две поверхности, расположенные симметрично по обе стороны от проводников микрополосковой линии).

Линии задержки являются одним из основных элементов устройств обработки сигналов таких, как трансверсальный фильтр, конвольвер. Линии задержки с заданным законом дисперсии служат основой формирователей импульсов с внутренней частотной модуляцией, на основе таких линий задержки осуществляется Фурье-преобразование сигнала в реальном масштабе времени.

Фильтры

Устройства частотной селекции представляют собой процессоры, предназначенные для выделения необходимых сигналов на фоне шумов и помех. К устройствам частотной селекции относятся фильтры и резонаторы. Фильтры можно классифицировать по следующим независимым признакам:

· По виду частотной характеристики: полосовые (пропускающие определенную полосу частот ∆f), режекторные (подавляющие определенную полосу частот ∆f), нижних частот (пропускающие частоты от 0 до f_в), верхних частот (пропускающие частоты выше f_н).

· По физическому принципу: резонансные (по электрическому или акустическому резонансу), трансверсальные (по фазо-частотной характеристике), нетрансверсальные (по амплитудно-частотной характеристике).

· По виду обрабатываемых сигналов: аналоговые (обработка сигналов в виде непрерывной функции), цифровые (обработка сигналов в виде дискретной функции).

В СВЧ технике связи преимущественно используются полосовые фильтры. Селективность приемника напрямую зависит от системы фильтрации. В табл. 3.3 приводится сравнительная характеристика основных параметров традиционных и ВТСП полосовых фильтров.

Таблица 3.3

Полосовые фильтры

Традиционные микрополосковые фильтры вносят большие потери в полосе пропускания полезного сигнала, проявляющиеся в ухудшении соотношении сигнал – шумприемника и, следовательно, приводящие к снижению его чувствительности. Для кардинального решения задачи необходимо использовать технологию высокотемпературных сверхпроводников. Кроме того, ключевые элементы передающей станции, изготавливаемые из тонкопленочных элементов ВТСП, позволяют обеспечить увеличение чувствительности приемника как за счет уменьшения вносимых ВТСП элементами искажений, так и благодаря увеличению отношения сигнал – шум охлаждаемых элементов.

Для полосового фильтра, полностью изготавливаемого на ВТСП пленках, вносимые потери являются функцией поверхностного сопротивления пленки, тангенса диэлектрических потерь в подложке и соотношения мощности, рассеянной в корпусе, к мощности, запасенной в диэлектрике, которое зависит от конструкции фильтра. Однако в конечном итоге вносимые потери определяются числом элементов фильтра и суммарным значением коэффициента передачи, которые задают полосу пропускания. Наибольшее преимущество использование ВТСП пленок может обеспечить при создании фильтров с большим коэффициентом прямоугольности (узкая полоса пропускания, большое число звеньев и высокий коэффициент передачи).

Простейший в проектировании и изготовлении тип фильтра представляет собой цепь связанных отрезков длинных линий (рис. 3.1, а). В некоторых случаях с целью уменьшения габаритов, линейные элементы фильтра изгибают, придавая им форму прямоугольной спирали.

а) б)

Рис.3.1. Микрополосковый фильтр (а) и его частотная характеристика (б):
∆f / f = 0,5%, L₀ ≤ 0,5 дБ

Более сложный 8-полосковый узкополосный фильтр, разработанный специалистами Denso Corporation (Japan), представлен на рис. 3.2.

а) б)

Рис.3.2. Узкополосный фильтр (а) и его частотная характеристика (б)

Характеристики фильтра: центральная частота пропускания – 1,95 ГГц; полоса пропускания фильтра – 5 МГц, неравномерность АЧХ в полосе пропускания – не более 0,5 дБ, вносимые затухания – около 0,35 дБ. Фильтр выполнен из Y-123 – пленки на подложке MgO и представляет собой цепочку из восьми связанных полуволновых резонаторов, имеющих переменный коэффициент связи. Особенность этого фильтра заключается в том, что при ширине пропускания 0,25%, АЧХ фильтров для различных значений добротности (Q – 5000, 10000, 100000) незначительно отличаются друг от друга.

Поскольку максимально узкая полоса фильтрации обеспечивается при слабой связи между резонаторами, то такая связь в простейшем случае реализуется путем их пространственного разнесения. Разнесение резонаторов, приводящее к необходимой величине связи между ними, требует увеличения размеров подложки. Для устранения этого недостатка было использовано круговое размещение резонаторов. Коэффициент связи определяется величиной углов θ между осями, проходящими через середины щелей и центр.

Весьма привлекательным является использование электрически перестраиваемых фильтров для применения их в адаптивных следящих приемниках. Изменяя величину внешнего магнитного поля, можно осуществлять перестройку в заданном частотном диапазоне.

Такой фильтр был разработан в СПБЭТУ на базе спиновых волн в монокристалле железоиттриевого граната (ЖИГ). Ферритовая эпитаксиальная пленка ЖИГ, выращенная на подложке галлийгадолиниевого граната, непосредственно прикладываемая к пленочной ВТСП структуре. Перестройка частоты осуществляется при изменении подмагничивающего поля, миниатюрными электромагнитами.

Резонаторы

К устройствам частотной селекции относятся также резонаторы. Они предназначены для отбора колебаний путем возникновения резонанса колебаний определенной частоты. Частота резонанса зависит от конструкции резонатора.

СВЧ резонаторы используются в качестве узкополосного фильтра или элемента фильтра. Это один из наиболее важных пассивных микроэлектронных компонентов СВЧ диапазона. Считается, что применение ВТСП пленок в резонаторах позволит снизить шумовой сигнал в 100 и более раз, а полосу пропускания уменьшить в 10 раз.

Простейшие плоские СВЧ резонаторы имеют в плане форму треугольника, диска или кольца. Резонансная частота определяется линейными размерами и величиной диэлектрической проницаемости.

Специфика сотовой связи в России требует больших уровней пиковых мощностей (до тысяч ватт) передающих базовых станций. Для достижения поставленной задачи фильтры в традиционном исполнении не пригодны в силу ограниченности транспортного тока. Наиболее подходящим в данном случае является использование дисковых ВТСП резонаторов, работающих с колебаниями тока ТМ 010 и текущих радиально с ВЧ – токами. Если для фильтров приемных устройств большое значение имеют малые габариты, то одним из основных требований к фильтрам передающих устройств является большая допустимая пропускаемая мощность. При создании компактных планарных фильтров с высокой добротностью (> 100) и допустимой мощностью 50 мВт перспективно использование дисковых резонаторов. Разработаны резонаторы на базе Y-123 и Tl-2232 пленок. При этом достигается выигрыш в 8 – 10 раз в габаритах и массе по сравнению с традиционными объемными резонаторами.

На микрополосковых резонаторах был создан трехполосный фильтр (f0 = 1,95 ГГц). Каждый резонатор был создан из пленки Y-123, осажденный на обе стороны подложки LaAlO₃ диаметром 50,8 мм. Цепочка состоит из трех вертикально связанных микрополосковых резонаторов, разделенных прокладкой. Такой фильтр при мощности 70 Вт обеспечивает ток 1,2 А, диссипативные потери составляют 40 мВт, что предъявляет определенные требования к системе охлаждения. Относительная полоса пропускания фильтра составляет 1,2% при неравномерности 0,6 дБ. Расчеты показывают, что 9 – полосный фильтр аналогичной конструкции будет иметь относительную полосу пропускания 0,75% и сможет коммутировать мощность свыше 1 кВт.