Mikrohullámú integrált áramkörök

Dft. B É R C É L 1 T Í B Ó R — G Á B O R G Y ÖR G Y— H Á M M É R G É Z A MARKÓ SZILÁRD — DR. R E I T E R

GYÖRGY

Távközlési Kutatóintézet

Mikrohullámú integrált áramkörök ETO

Az integrált á r a m k ö r ö k alkalmazásával a berendezé­ sek méretei számottevően csökkenthetők, és a meg­ bízhatóságuk növelhető. Ezek az előnyök a mikro­ hullámú f r e k v e n c i a t a r t o m á n y b a n is jelentkeznek. P r o b l é m á t okoz i t t azonban, hogy a méretcsökkentés­ sel a csillapítás növekedése j á r e g y ü t t . A csillapításnövekedés elsősorban a nagy szelekti­ vitású áramköröknél jelentős. E z é r t az integrált áramkörös berendezésekben a nagy szelektivitású mikrohullámú fokozatokat csőtápvonalban vagy koaxiális t á p v o n a l b a n alakítjuk k i , míg a kisebb szelektivitású fokozatokat szalagtápvonalas vagy mikroszalag-tápvonalas kivitelben készítjük. Ebben a cikkben először a mikroszalag-tápvonalak tulajdonságaival foglalkozunk, majd á t t e k i n t é s t adunk kísérleti á r a m k ö r e i n k r ő l és technológiai eljá­ rásainkról. A t o v á b b i a k b a n a kidolgozott Gunnoszcillátorok, vevőkeverők, sáváteresztő szűrők, Y I G szűrők, ferrites cirkulátorok és izolátorok, illesztett lezárók és szélessávú iránycsatolók kerülnek részletes ismertetésre. A z elért eredmények szerint a mikro­ hullámú integrált á r a m k ö r ö k a berendezésekben jól alkalmazhatók. A mikroszalag-tápvonalak tulajdonságai A mikroszalag-tápvonalakat nagy dielektromos tényezőjű l a p k á n , vékonyréteg-technika segítségével alakítjuk k i . A mikroszalag-tápvonal vázlatos rajza az 1. á b r á n l á t h a t ó . A z egyik vezetőt a fémes alap­ lemez, a másik vezetőt a l a p k á r a felvitt fémszalag képezi [1].

\HZí,5^BT1\ 1. ábra. Mikroszalag-tápvonal vázlatos rajza

A lapka dielektromos tényezőjének lehetőleg nagy­ nak kell lennie, hogy a hullámhossz jelentősen rövidül­ jön, és ezáltal az á r a m k ö r méretei számottevően csökkenjenek. A l a p k á k anyaga alumíniumoxid­ kerámia vagy g r á n á t s t r u k t ú r á j ú ferrit. A k e r á m i a l a p k á k a t a Híradástechnikai Ipari K u t a t ó i n t é z e t b e n , a g r á n á t l a p k á k a t a Távközlési K u t a t ó i n t é z e t b e n dolgozták k i . A kerámia lapka relatív dielektromos Beérkezett: 1973. I X . 15.

821.3.029.8-111:121.372.821:621.373.01

tényezője 10, amelynek szórása ± 2 % , veszteségi tényezője pedig 5-10-*. A g r á n á t lapka relatív dielektromos tényezője 15. Ennek szórása szintén ± 2 % , veszteségi tényezője pedig 1 0 körül van. A l a p k á k a t csiszoljuk, majd polírozzuk. A l a p k á k végső vastagsága 0,8 m m ± 2 % . Nagy gondot kell fordítani a lapka vastagsági méretének pontos be­ t a r t á s á r a , mivel ez befolyásolja a t á p v o n a l hullámellenállását és elektromos hosszát. Ugyanezekre a jellemzőkre a dielektromos tényezőnek és a szalag méreteinek a szórása is hatással van. A hullámellen­ állás változása elsősorban az illesztésnél okoz nehéz­ séget, míg az elektromos hossz változása a kihangolást nehezíti meg. A dielektrikum csak részben tölti k i a mikroszalagt á p v o n a l t e r é t . A számítások egyszerűsítése érdeké­ ben ezért egyenértékű dielektromos t é n y e z ő t h a t á r o ­ zunk meg. A z egyenértékű dielektromos tényező is­ meretében a mikroszalag-tápvonal elektromos jellem­ zői a dielektrikummal teljesen k i t ö l t ö t t szalag­ t á p v o n a l a k r a érvényes összefüggések segítségével kiszámíthatók. A m i k r o h u l l á m ú integrált á r a m k ö r ö k tervezésénél nehézséget okoz, hogy a gyakorlatban megvalósítható mikroszalag-tápvonalak hullámellenállása csak szűk t a r t o m á n y b a n mozoghat. Ugyanis a nagy hullám­ ellenállású mikroszalag-tápvonalak elektromos jel­ lemzői n a g y m é r t é k b e n függenek a geometriai m é r e ­ tektől, és e t á p v o n a l a k csillapítása is jelentős. E z é r t 100 o h m n á l nagyobb hullámellenállású t á p v o n a l a k a l k a l m a z á s á t k e r ü l n ü n k kell. Kis hullámellenállás esetén viszont a szalag szélességi méretei összemérh e t ő k k é v á l n a k a hullámhofszal, ami a magasabb t á p v o n a l m ó d u s o k megjelenésével j á r e g y ü t t . E z é r t 20 ohmnál kisebb hullámellenállású mikroszalagt á p v o n a l a k a t lehetőleg nem alkalmazunk. A m i k r o h u l l á m ú integrált á r a m k ö r ö k b e n jelentős veszteséget okoznak a mikroszalag-tápvonalak, ezért ezek csillapításának a csökkentése fontos kérdés. A mikroszalag-tápvonalak csillapítását főleg a vezető felületek simasága h a t á r o z z a meg. Mivel ezek a lapka felületi simaságától függenek, a l a p k á t igen finoman kell polírozni. Megfelelő polírozással 1 m i k r o n n á l k i ­ sebb felületi érdességet é r ü n k el. A z ilyen kerámia lapkán k i a l a k í t o t t 50 ohmos mikroszalag-tápvonal csillapítása méréseink szerint 0,1—0,2 dB k ö z ö t t van hullámhosszanként, ami kedvező érték. A méréseket á t m e n ő t í p u s ú félhullámú rezonátorokon (2. á b r a 13. lapkája) és egyenes t á p v o n a l a k o n (2. á b r a 6. lap­ kája) végeztük [3]. - 3

Kísérleti áramkörök áttekintése A 2. á b r á n összeállítás l á t h a t ó főbb kísérleti á r a m ­ köreinkről. Ezek á t t e k i n t é s é t a számozás sorrendjé­ ben végezzük. Az á b r a a k e r á m i á r a f e l v i t t v é k o n y r é -

11

H Í R A D Á S T E C H N I K A X X V . É V F . 1. SZ.

t e g - á r a m k ö r ö k e t mutatja a doboz és a csatlakozók nélkül. H i á n y o z n a k az ábráról a mikroszalag-tápvonalakhoz csatlakozó félvezetők és morzsa alkatrészek. A fehér alapszínű l a p k á k anyaga alumíniumoxid­ k e r á m i a , m é r e t e 25x25x0,8 m m . A fekete alapszínű l a p k á k anyaga g r á n á t s t r u k t ú r á j ú ferrit, m é r e t e

12,5x25x0,8 m m .

2. ábra. Kísérleti áramkörök

Az 1. l a p k á n vevőkeverő d i ó d a á r a m k ö r e van elhe­ lyezve középen szintfigyelésr'e szolgáló iránycsatoló­ val, jobb oldalt pedig aluláteresztő szűrővel. A z u t ó b b i megakadályozza a m i k r o h u l l á m ú j e l k i j u t á s á t a középfrekvenciás erősítőbe. A 2. l a p k á n k é t különálló á t m e n ő t í p u s ú r e z o n á t o r l á t h a t ó eltérő p a r a m é t e r e k k e l . A csatolt vonalak a k i - és a becsatolást biztosítják. A 3. lapka egyszerű kivitelű cirkulátorhoz készült. Középre, a vonalak közé, ferrittárcsa kerül. A 4. l a p k á n szélessávú iránycsatoló szerepel. A fő­ vonal h á r o m csatoló vonallal van a mellékvonallal összekötve. A fő- és mellékvonalon k i a l a k í t o t t impe­ dancia-transzformátorok biztosítják, hogy a csatoló t á p v o n a l a k szélessége megvalósítható m é r e t ű legyen. Az 5. l a p k á n csatolt t á p v o n a l a k b ó l k i a l a k í t o t t k é t független sáváteresztő szűrő l á t h a t ó eltérő p a r a m é t e ­ rekkel. A sávszűrők három-rezonátorosak. A 6. l a p k á n 50 ohmos egyenes t á p v o n a l van. A 7. l a p k á n h i b r i d l á t h a t ó . A h á r o m csatoló t á p ­ vonal nagy sávszélesség elérését biztosítja.

12

A 8. l a p k á n egyszerű d i ó d a á r a m k ö r van, mely aluláteresztő szűrőt tartalmaz. A 9. lapka cirkulátorhoz készült. A vonalak közé kerül a ferrittárcsa. A rövid széles vonalak illesztés célját szolgálják. A 10. l a p k á n a végén szakadással lezárt leágazó t á p v o n a l a k k a l k i a l a k í t o t t aluláteresztő szűrő l á t h a t ó . A fővonal egyik szakasza igen vékony, vagyis nagy hullámellenállású. A 11. lapka a 10. l a p k á n á l lényegesen bonyolultabb aluláteresztő szűrőt tartalmaz. A 12. l a p k á n ferrites cirkulátorból kialakított izolátor l á t h a t ó . A cirkulátor sávszélességét impedancia-transzformátoros illesztés növeli. A cirkulátor harmadik k a p u j á t morzsaellenállás zárja le. A 13. l a p k á n á t m e n ő típusú félhullámú rezonátor van. A t á p v o n a l k é t megszakítása képezi a rezonátor be-, illetve kicsatolását. A 14. l a p k á n Y I G rezonátor á r a m k ö r e l á t h a t ó . A Y I G g ö m b ö t a lapka közepére, a k é t merőleges t á p v o n a l közé kell helyezni. A 15. l a p k á n hibrid l á t h a t ó . A fő- és a mellékvonal között h á r o m csatoló vonal van. A vonalak görbületei azt a célt szolgálják, hogy az á r a m k ö r a lapkán elfér­ jen. A 16. lapka ferrites cirkulátorból kialakított izolá­ tor. I t t a 12. lapkától eltérően a cirkulátor harmadik k a p u j á t hosszú t á p v o n a l zárja le. A 17. l a p k á n impedancia-transzformáló és illesztő­ á r a m k ö r szerepel. A 18. l a p k á n kétféle illesztett lezárás l á t h a t ó . A 19. l a p k á n Gunn-diódás oszcillátor áramkörének két v á l t o z a t a szerepel. A dióda a legszélesebb vona­ lakhoz csatlakozik. Az e g y e n á r a m o t a vékony vona­ lak vezetik a diódához megfelelő elválasztással. A 20. lapkán keskenysávú cirkulátorból kialakított izolátor l á t h a t ó . A 21. l a p k á n a 14. lapkához hasonló YIG-rezonátor van eltérő paraméterekkel. A 22. lapka kétrezonátoros sáváteresztő szűrőt tartalmaz. A rezonátorok a 2. l a p k á n levőkhöz ha­ sonlóak. A 23. l a p k á n a 8. lapkától kissé eltérő megoldású, egyszerű d i ó d a á r a m k ö r szerepel. A 24. lapka k é t Gunn-diódás oszcillátor-áramkört tartalmaz a 19. lapkától eltérő megoldásban. A 25. l a p k á n a 4. lapkától kissé eltérő megoldású szélessávú iránycsatoló l á t h a t ó . A 26. lapka az 5. lapkához hasonlóan csatolt t á p ­ vonalakból k i a l a k í t o t t k é t független sáváteresztő szűrőt tartalmaz eltérő paraméterekkel. A 27. lapka csatolt t á p v o n a l a s iránycsatoló kísér­ letekhez készült. A 28. l a p k á n illesztő á r a m k ö r k é t változata sze­ repel. Technológiai eljárások A megtervezett áramkörökről r u b y l i t h fólián tíz­ szeres nagyítású, ±25 \im pontosságú rajzot készí­ t ü n k precíziós rajzgép segítségével. Ezt a rajzot tíz­ szeres kicsinyítéssel lefényképezve olyan fotomaszkot n y e r ü n k , amely az á r a m k ö r t eredeti méreteiben, de

D R . B E R C E L I T.—GÁBOR G Y . — H A M M E R G.—MARKÓ S Z . — D R . R E I T E R G Y : M I K R O H U L L Á M Ú I N T E G R Á L T ÁRAMKÖRÖK

m á r ±2,5 [xm pontossággal ábrázolja. A fotomaszkról változatlan m é r e t ű k r ó m m a s z k o t készítünk. A k r ó m m a s z k előnye a fotomaszkkal szemben, hogy mechanikailag stabilabb és ellenállóbb. H o r d o z ó k é n t kerámia vagy g r á n á t l a p k á t h a s z n á ­ lunk. Több lépcsős kémiai tisztítás u t á n a lapka egyik oldalát v á k u u m - p á r o l o g t a t á s o s vagy katódporlasztásos eljárással v é k o n y fémréteggel vonjuk be. A réteg vastagsága 1 |xm körül van, anyaga pedig elektromosan jó vezető (például réz vagy ezüst). A vezető réteget rendszerint nem közvetlenül visszük fel a hordozóra, mivel t a p a d á s a nem kielégítő. E z é r t a hordozót először igen v é k o n y rétegben valamilyen jól t a p a d ó anyaggal vonjuk be, és erre kerül a vezető vékonyréteg. A fémezett lapkára, centrifuga segítségével, ultra­ ibolya fényre érzékeny fotolakkot hordunk fel, amit az á r a m k ö r rajzának megfelelő maszkon keresztül megvilágítunk. Az ultraibolyafény h a t á s á r a polimerizálódó fotolakk jól ellenáll a maratószereknek, míg a meg nem világított felületekről a fotolakk leold­ ható. A mikrosztrip á r a m k ö r t e z u t á n kétféle eljárással alakítjuk k i : fotogalvamzálással vagy f o t o m a r a t á s sal. A fotogalvanizálásnál pozitív maszkot használunk. Ekkor megvilágítás és előhívás u t á n a lakk azokat a felületeket hagyja szabadon, ahol vezetőnek kell lennie. E felületekre galvanizálással kb. 30 [xm vas­ tag vezető réteget viszünk fel. A hordozóról e z u t á n a lakkot, majd az előzetesen párologatatással felvitt vékony fémréteget leoldva nyerjük a k í v á n t á r a m ­ köri á b r á t . F o t o m a r a t á s n á l a párologtatással létrehozott vé­ kony fémréteget először galvanizálással a lapka tel­ jes felületén k b . 30 (xm-ig megvastagítjuk, s e z u t á n vonjuk be fotolakkal. A megvilágításhoz negatív maszkot használunk. Előhívás u t á n a lakk azokat a felületeket fedi le, ahol vezetőnek kell lennie. A le nem fedett felületekről kémiai m a r a t á s s a l távolítjuk el a fölösleges fémet, s így kapjuk meg a k í v á n t á r a m ­ köri á b r á t . Az á r a m k ö r i elemek geometriai mérete, valamint a pontossági igény dönti el, hogy melyik technológiai a l t e r n a t í v a felhasználása célszerű. F o t o m a r a t á s s a l

L ;üp:

1

^^^^^

f-'r

MM i i l l

• "ív*

iiiiiiiilli

Ili

Ím*-

J. ábra. Interdigitális kondenzátor feliilnézete

4. ábra. Áthidalás keresztmetszete

d u r v á b b , fotogalvanizálással finomabb, 10 j i m alatti pontosságú vezetőélek érhetők el. Finomabb struk­ t ú r á k esetén pólusváltós galvanizálással biztosítható a k í v á n t pontosság. Az ismertetett technológia továbbfejlesztésével rendkívül kis m é r e t ű k o n c e n t r á l t ellenállás, i n d u k t i ­ v i t á s és k a p a c i t á s kialakításával is foglalkoztunk. A 3. á b r á n interdigitális kondenzátor l á t h a t ó . A vezető felületek fehér színűek, a hordozó szürke. A kondenzátor egyes ágainak vonalszélessége 50 [xm. M i n t az á b r á n l á t h a t ó , a vonalszélek pontossága n é h á n y [xm. A k o n d e n z á t o r teljes m é r e t e 2x2,5 m m , kapacitása 2,5 pF, üzemi feszültsége pedig 100 V . A 4. á b r á n légszigetelésű áthidalás keresztmetszete l á t h a t ó . A metszet a lapka síkjára merőlegesen k é ­ szült. Az egyik mikroszalag-tápvonal az á b r a síkjára merőleges, a másik pedig az á b r a síkjában van. A k é t t á p v o n a l kereszteződésénél az érintkezést az á t h i d a ­ lással kerüljük el. Ilyen áthidalásokra például spirá­ lis i n d u k t i v i t á s belső végének a kivezetésénél és k ü ­ lönféle tápvonal-kereszteződéseknél van szükség, Gunn-oszciüatorok Gunn-oszcillátort mikroszalag-tápvonalas és cső­ t á p v o n a l a s kivitelben k é s z í t e t t ü n k . A mikroszalagt á p v o n a l a s oszcillátor lényegesen kisebb m é r e t ű , m i n t a csőtápvonalas oszcillátor. A mikroszalagt á p v o n a l a s megoldásnak a jósági tényezője is kisebb, és ezért az F M zaja nagyobb a csőtápvonalas elrende­ zéshez viszonyítva. Ennek megfelelően e n y h é b b zaj­ követelmény esetén a mikroszalag-kivitélű, szigo­ r ú b b zaj követelmény esetében pedig a csőtápvonalas Gunn-oszcillátort lehet alkalmazni. A mikroszalag-kivitelű oszcillátor elrendezése az 5. á b r á n l á t h a t ó . A Gunn-dióda az á b r a síkjára m e r ő ­ legesen helyezkedik el, ; és k é t mikroszalag-tápvonalhoz csatlakozik. Az 1 t á p v o n a l a végén szakadással van lezárva, ennek feladata a dióda kihangolása. A 2 t á p v o n a l végéhez a 3 kimenő t á p v o n a l és a 4 illesztő tápvonalcsonk csatlakozik. A tápvonalcsonk hosszának és a diódától való távolságának, valamint a t á p v o n a l a k hullámellenállásának megválasztásával a terhelés értéke állítható be. A Gunn-diódához az egyenfeszültséget a nagy hullámellenállású 5 t á p v o n a l l a l vezetjük, amely kis

13

H Í R A D Á S T E C H N I K A X X V . É V F . 1. SZ.

Keverő dióda

Dióda Diádaáramkör-

3 — - Középfrekvencia

^Egyenáram * bevezetése K

Jel­ frekvencia

Szúrok

Lokál frekvencia W&5-BT6]

6. ábra. Vevőkeverő vázlatos rajza

Mikrohullámú kimenet

\ríus-BT5\

5. ábra. Gunn-dlódás oszcillátor áramköre

impedanciájú pontra csatlakozik. A nagyfrekvenciás jelnek az e g y e n á r a m ú oldal felé való kiszivárgását a 6 és 7 t á p v o n a l c s o n k o k t o v á b b csökkentik. A Gunndióda h ű t é s t k í v á n ó vége az alapelemhez csatlakozik, amely j ó hőelvezetést biztosít. A stabilizált t á p e g y ­ ség szintén integrált kivitelű. Az oszcillátor nagy­ frekvenciás á r a m k ö r é n e k t o v á b b i v á l t o z a t a i l á t h a t ó k a 2. á b r a 19. és 24. lapkáin. Az oszcillátor 8 GHz-en 10 m W kimenő teljesít­ m é n y t szolgáltat. Nagy előnye, hogy kis m é r e t ű és viszonylag olcsó. H á t r á n y a azonban, hogy csak kis m é r t é k b e n h a n g o l h a t ó és jósági tényezője is kicsi. Az u t ó b b i k ö v e t k e z m é n y e k é n t az F M zaj viszonylag nagy, vizometrikus súlyozással m é r v e 70 dB-lel van a j e l szintje alatt. A zaj csökkentése érdekében csőtápvonalas k i v i ­ telű Gunn-oszcillátort is kifejlesztettünk. E n n é l a megoldásnál a Gunn-dióda téglalap keresztmetszetű csőtápvonalban van elhelyezve, t o v á b b á az egyik oldalán írisz, a másik oldalán pedig t o l o g a t h a t ó r ö ­ vidzár van a c s ő t á p v o n a l b a n . Az üregrezonátor m é ­ reteinek és a dióda helyzetének megfelelő megválasz­ t á s á v a l elértük, hogy az oszcillátor F M zaja igen kicsi. A frekvencia stabilizálását az oszcillátorba é p í t e t t hőmérséklet-szabályozó egység biztosítja. Ez az oszcillátor környezeti hőmérsékletét közel állandó értéken tartja, és így jelentősen lecsökkenti a frekven­ ciának mind a dióda, mind pedig az üregrezonátor hőmérsékletfüggése következtében előálló v á l t o z á ­ sait. A csőtápvonalas kivitelű oszcillátor 8 GHz-es, 30 m W kimenő teljesítményt szolgáltat és ± 3 0 0 M H z széles s á v b a n á t h a n g o l h a t ó . F M zaja vizometri­ kus súlyozással 85 dB-lel van a jel szintje alatt, a frekvencia stabilitása pedig ± 5 , 1 0 . - 5

Yevőkeverő Kifejlesztettünk vevőkeverő á r a m k ö r t a 8 GHz-es frekvenciasávra. Ebben a mikroszalag-tápvonalas és a csőtápvonalas k i v i t e l kombinációját alkalmaztuk. A, nagy szelektivitású szűrőket csőtápvonalban, a kis szelektivitású d i ó d a á r a m k ö r t pedig mikroszalagtápvonalban alakítottuk ki. Az á r a m k ö r felépítését vázlatosan a 6. á b r a m u ­ tatja. A c s ő t á p v o n a l b a n k i a l a k í t o t t jelfrekvenciás szűrő utolsó ürege közös á lokálfrekvenciás szűrő

14

utolsó üregével. E b b ő l a közös üregből szondával csatoljuk k i a jelfrekvenciás és a lokálfrekvenciás teljesítményt a diódaáramkör számára. A szűrők ilyen kialakítása a tükörfrekvencián r e a k t á n s lezá­ r á s t biztosít a dióda részére, ami a keverési veszteség csökkenését eredményezi. A mikroszalag-tápvonalas diódaáramkör a gene­ rátor-impedancia megfelelő beállítását, a keverő dióda kihangolását és a középfrekvenciás erősítőhöz való c s a t l a k o z t a t á s á t biztosítja. A keverő dióda és a középfrekvenciás erősítő közé aluláteresztő szűrő van iktatva, amely gátolja a mikrohullámú jelek kiszi­ v á r g á s á t a középfrekvenciás erősítő felé. A k ö z é p ­ frekvenciás erősítő szintén integrált áramkörös k i v i ­ telben készült. A diódaáramkör kísérleti változatai a 2. á b r a 1., 8. és 23. lapkáján l á t h a t ó k . A vevőkeverő eredő zajtényezője 8 dB a jelfrek­ venciás szűrő csillapítása nélkül. Mivel a középfrek­ venciás erősítő zajtényezője 3 d B , a keverési veszte­ ség 5 dB-nek adódik, ami kedvező érték az alkalma­ zott Schottky—Barrier-dióda esetén. A dióda keve­ rési vesztesége ugyanis ohmos tükörfrekvenciás lezá­ rás mellett, k a t a l ó g u s a d a t o k szerint 6 dB, t e h á t a r e a k t á n s tükörfrekvenciás lezárással a keverési vesz­ t e s é s 1 dB-es csökkentését é r t ü k el. Sáváteresztő szűrők Mikroszalág-tápvonalból k i a l a k í t o t t sáváteresztő szűrők az irodalomban á l t a l á b a n kétféle felépítésben t a l á l h a t ó k . A z egyik esetben a szűrő félhullámú n y i t o t t csonkok és k ö z ö t t ü k levő negyedhullámú vonalszakaszok segítségével van kialakítva. Ezt mutatja a 7a á b r a . Szelektívebb átviteli karakterisz­ t i k a megvalósításához i t t n é h á n y ohm hullámellenállású csonkokat kellene alkalmazni, amelyek mikroszalag-tápvonalakkal m á r nem valósíthatók meg. E z é r t ezzel az elrendezéssel csak 10%-nál nagyobb relatív sávszélességű szűrők készíthetők. A másik esetben a szűrő negyedhullámú csatolt vezetékpárokból van kialakítva, amint ez a 7b á b r á n , illetve a 2. á b r a 5. és 26. lapkáján l á t h a t ó . Ez a típus az előbbinél kisebb relatív sávszélességű szűrők meg­ valósítására alkalmas. Nagyobb relatív sávszélesség elérése ugyanis szorosan csatolt vezetékpárokat kí­ v á n n a , ami toleranciaérzékeny elrendezést eredmé­ nyezne. Mindkét v á l t o z a t nehezen hangolható, mivel a mikroszalag-tápvonalaknak csak elektromos hosszú­ sága v á l t o z t a t h a t ó , és ez nem elegendő a k í v á n t á t ­ viteli karakterisztika beállítására. A megfelelő hango-

D R . B E R C E L I T.—GÁBOR G Y . — H A M M E R G.—MARKŐ S Z . — D R . R E I T E R G Y : MIKROHULLÁMÜ INTEGRÁLT ÁRAMKÖRÖK

1/4

roztuk az előírásokat teljesítő sáváteresztő alapszűrő kapcsolását. A z alapszűrő létrakapcsolású négypólus, amely soros ágaiban soros rezgőkört, p á r h u z a m o s ágaiban p á r h u z a m o s rezgőkört tartalmaz. Ezt a kap­ csolást á t a l a k í t o t t u k egy olyan hálózattá, amely változatlan terhelt jósági tényezőjű soros rezgőkörök­ ből és inverterekből van kialakítva (9. ábra), A z i n verterek Y a d m i t t a n c i á j á t a mikrohullámú szűrők tervezése számára kidolgozott eljárás segítségével számítottuk ki. A soros rezgőkörök félhullámú mikroszalag-tápvonalakkal valósíthatók meg. Az egyes invertereket egy nyolcadhullámú csatolt t á p v o n a l p á r b ó l és k é t nyolcadhullámú tápvonalból k é p e z t ü k k i (10. á b r a ) . Az inverter admittanciája a k í v á n t értékre a csatolt t á p v o n a l p á r vezetőinek távolságával állítható be.. A 10. á b r á n levő elrendezés csak abban az esetben viselkedik inverterként, ha a mikroszalag-tápvonalak L-lel jelölt hosszát negatív nyolcadhullámúra választ­ j u k . A csatolt t á p v o n a l p á r o k közötti t á p v o n a l s z a k a ­ szok hosszát úgy kapjuk meg, hogy az in verterek negatív nyolcadhullámú szakászait összevonjuk a soros rezgőköröket megvalósító félhullámú t á p v o n a ­ lakkal. I l y m ó d o n a csatolt t á p v o n a l p á r o k közé ne­ gyedhullámú t á p v o n a l s z a k a s z o k a t kell helyeznünk* Szűrőelrendezésünk t e h á t a 7b á b r á n l á t h a t ó meg­ oldáshoz hasonlóan félhullámú rezonátorokból épül fel. E s e t ü n k b e n azonban ezek a rezonátorok csak nyolcadhullám hosszúságú szakaszon vannak egy­ mással csatolásban. A szűrő hangolását a csatolt t á p v o n a l p á r o k végeire és a negyedhullámú tápvonalszakaszok közepére helyezett hangolóelemekkel végezzük. A csatolt t á p ­ vonalpároknál levő hangolókkál a rezonátorok közötti csatolást, a negyedhullámú tápvonalszakaszokban levő hángolókkal pedig a rezonátorok rezonancia­ frekvenciáját t u d j u k beállítani a k í v á n t értékre. A rezonancia-frekvencia hangolását intezívebbé t e h e t j ü k azáltal, hogy a negyedhullámú mikroszalagt á p v o n a l egy részét k e t t é o s z t v a k ö r g y ű r ű t képezünk i k

a)

X/4 , X/4_, Xj4 l/4_,

ti)

\H2*5-BT7t

7. ábra. Mikroszalag-tápvonalas sáváteresztő szűrők két fő típusa: a) tápvonalcsonkos szűrő, b) negyedhullámú csatolt tápvonalas szűrő

J

L —

2IL

Ml

• « •

1 IHZ'tS-BTBl

8. ábra. Nyolcadhullámú csatolt tápvonalas szűrő -0_rvírvj|-oO-

Inveríer

Inverter

o-

Inverter

VN Inverter

9. ábra. Sáváteresztő szűrő inverteres helyettesítő kapcsolása

HIOO 11. ábra. Megvalósított nyolcadhullámú csatolt tápvonalas szűrő

Imerter lHÍ<,5-BriO\

Mérési pontok

10. ábra. Inverter megvalósítása

láshóz v á l t o z t a t n i kellene a mikroszalag-tápvonalak szélességi m é r e t é t vagy a csatolt t á p v o n a l p á r o k t á ­ volságát, ami viszont a gyakorlatban nem lehetséges. Ezen h á t r á n y o k kiküszöbölésére olyan sávszűrő á r a m k ö r t fejlesztettünk k i , amely jól h a n g o l h a t ó , és kisebb t e r ü l e t ű l a p k á n is elfér [9]. A szűrő nyolcad­ h u l l á m ú csatolt t á p v o n a l p á r o k b ó l és k ö z ö t t ü k ne­ g y e d h u l l á m ú t á p v o n a l a k b ó l van kialakítva. A szűrő elvi felépítését a 8. á b r a mutatja. A szűrőt az alábbiak szerint t e r v e z t ü k : a hálózat­ elméletben kidolgozott módszerek^alapján m e g h a t á ­

4P 4,1 4,2 4,3 4,4 4,5 FrekvenciaGHz r

12. ábra. Áteresztő csillapítás a frekvencia függvényében

15

H Í R A D Á S T E C H N I K A X X V . fiVF. 1. SZ.

k i , majd a hangolót a g y ű r ű belsejébe helyezzük. A csatolt t á p v o n a l p á r o k t á v o l s á g á t nagyobbra ve­ h e t j ü k , ha k é t nyolcadhullámú t á p v o n a l p á r t alkal­ mazunk. A z e m l í t e t t szempontok szerint k i a l a k í t o t t s z ű r ő t a 11. á b r a mutatja. A hangolóelemek végükön fémezett dielektromos rudak, amelyek a g y ű r ű k síkjára merőlegesen m o z g a t h a t ó k . A 1 1 . á b r á n bemutatott szűrőt kétrezonátoros k i ­ vitelben v a l ó s í t o t t u k meg (lásd a 2. á b r a 22. lapkáját). A szűrő áteresztősávjának középső frekvenciáját 4250 MHz-re, 3 dB-es pontjainak t á v o l s á g á t 210 MHz-re v á l a s z t o t t u k . A z áteresztősáv középső frek­ venciáján m é r h e t ő csillapítás 1,6 dB-re a d ó d o t t . A m é r t csillapítás-karakterisztikát a 12. á b r a m u ­ tatja. A tervezéskor elvégzett számítások és a méré­ sek eredményei jó egyezést mutatnak.

Gránát lapka

IH24S-BTÍ3] 13. ábra. Egyszerű y-cirkulátor

YIG-szűrö A Y I G egykristályból nagy terheletlen jósági t é ­ nyezőjű és egyben kisméretű r e z o n á t o r t készíthetünk. A rezonátor magnetosztatikus a l a p m ó d u s á n a k rezo­ nancia-frekvenciáját homogén mágneses térrel állít­ hatjuk be. A 2. á b r a 14. és 2 1 . lapkája egyrezonátoros s á v ­ áteresztő YIG-szűrő elrendezést m u t a t . A g ö m b a l a k ú Y I G - r e z o n á t o r t a k é t egymásra merőleges sza­ lagvonal metszéspontjában helyezzük el. A Y I G g ö m b a k e r á m i a lapka síkjára merőleges i r á n y ú homogén mágneses t é r h a t á s á r a a magnetosztatikus rezgési alapmódos rezonancia-frekvenciájának kör­ nyezetében csatolást létesít az egymásra merőleges szalagvonalak k ö z ö t t . A szorosabb csatolás elérésé­ hez mágneses t é r m a x i m u m o t kell létrehozni a Y I G rezonátor környezetében. E z t a k é t háromszög alakú fóliadarabbal érjük el. A szűrő sávszélessége a 8 GHz-es frekvenciasávban 60 M H z , áteresztő-csillapítása 8 d B . A statikus m á g ­ neses t é r n a g y s á g á n a k állításával a szűrő áteresztő­ t a r t o m á n y á t v á l t o z t a t n i lehet a 7,9—8,5 GHz frek­ venciasávban. A z áteresztő-csillapítás csökkentésére másik Y I G szűrő konstrukciót is kidolgoztunk. Ez h á r o m — a Távközlési K u t a t ó i n t é z e t b e n készített — YIG-rezo­ n á t o r t tartalmaz. A szűrő á t h a n g o l h a t ó a 4 GHz-től 8 GHz-ig terjedő f r e k v e n c i a t a r t o m á n y b a n , az á t ­ eresztősáv szélessége 40 M H z , az áteresztő-csillapí­ tás 3 dB.

W245-grft)

14. ábra. Tárcsarezonátor alapmódusának erővonalképe: a) polarizáló mágneses tér nélkül, b) polarizáló mágneses tér jelenlétében

anyagoké, ezért ferrites eszközeink az első változat­ ban készültek. Az izolátorokat a cirkulátorok egyik k a p u j á n a k lezárásával valósítottuk meg. A 13. á b r á n egy egyszerű Y-cirkulátor ferrimágne­ ses hordozója l á t h a t ó a felvitt vezetőelrendezéssel. A középső, tárcsa alakú rész a lapjaira merőleges irányú polarizáló mágneses térben van, és rezonátor­ ként működik. A tárcsarezonátor a l a p m ó d u s á n a k elektromágne­ ses tere abban az esetben, amikor nincs polarizáló mágneses t é r a 14a á b r á n l á t h a t ó . A megfelelő nagy­ ságú polarizáló mágneses t é r megjelenésekor a ferri­ mágneses anyag aszimmetrikus tenzor permeabilitása folytán az elektromágneses t é r 30°-kal elfordul a pola­ rizáló mágneses t é r értelmétől függő i r á n y b a n (lásd a 14£> á b r á t ) . Ekkor — m i n t ez a 146 á b r á n l á t h a t ó — a 3. kapuba torkolló szalagtápvonal nem gerjesztő­ dik, mivel o t t az elektromos térerősség nulla, illetve a mágneses térerősségnek nincs transzverzális kom­ Ferrites cirkulátorok és izolátorok ponense. A tárcsarezonátor m i n d k é t esetben az 1. kapun keresztül kapja gerjesztését. A mikroszlag-tápvonalas Y-cirkulátorok k é t fő k i v i t e l i formában k é s z ü l h e t n e k : vagy a teljes cirku­ A tárcsa elektromágneses terének elfordulását az l á t o r ferrimágneses hordozón van kialakítva, vagy a okozza, hogy a ferrimágneses anyagban az elektro­ cirkulátor r e z o n á t o r a k é n t m ű k ö d ő ferrimágneses mágneses t é r k é t ellenkező i r á n y b a n forgó, egyforma t á r c s á t dielektrikum hordozón k i a l a k í t o t t lyukban amplitúdójú t é r r e bomlik, amelyekre nézve az anyag helyezzük el. effektív permeabilitása eltérő, és így különböző lesz A z első v á l t o z a t előnye, hogy lényegesen egysze­ a k é t m ó d u s rezonancia-frekvenciája [7]. A cirkulá­ r ű b b technológiát igényel, h á t r á n y a , hogy kis d i ­ tor m ű k ö d é s i frekvenciája az egyik i r á n y b a n forgó elektromos veszteségű anyagot kell alkalmazni. M i ­ t é r rezonancia-frekvenciája alatt, m í g a másik irány­ ban forgó t é r rezonancia-frekvenciája felett van. vel a rendelkezésünkre álló, a H I K I által készített alumina hordozók dielektromos veszteségei nem sok­ A beállítás olyan, hogy az egyik i r á n y b a n forgó t é r 30°-ot késik, a másik i r á n y b a n forgó t é r pedig 30°-ot k a l kisebbek, m i n t a T K I - b a n kifejlesztett g r á n á t -

16

D R . B E R C E L I T.—GÁBOR G Y . — H A M M E R G.—MARKÓ S Z . — D R . R E 1 T E R G Y : MIKROHULLÁMÚ INTEGRÁLT ÁRAMKÖRÖK

siet a gerjesztő térhez képest, és így j ö n létre az eredő t é r 30°-os elfordulása. A 14b á b r a erővonalképe a k é t forgó t é r eredője. A szalagtápvonalas Y-cirkulátorok méretezésének elméleti alapjait Bosma [5] dolgozta k i . A mikrosza­ lag-tápvonalas cirkulátorok tervezéséhez is jól be­ v á l t módszert Fay és Comstock m u n k á i [8] adnak. M i az ő módszerük alapján t e r v e z t ü k cirkulátor­ elrendezéseinket. A méretezés adott anyag esetén a tárcsarezonátor átmérőjét, a negyedhullámú illesztő t á p v o n a l s z a k a ­ szok hullámellenállását és a polarizáló mágneses teret adja meg. Ez u t ó b b i finom beállítása kísérletekkel történik. A cirkulátorokat 50 ohmos csatlakozásra t e r v e z t ü k Roome és Hair [10], illetve Schneider [11] m u n k á i alapján. A ferritanyag kiválasztásánál fő szempont, hogy a szükséges telítési mágnesezettség mellett az anyag dielektromos vesztesége és a rezonancia vonalszéles­ sége kicsi legyen, t o v á b b á , hogy az anyag telítési mágnesezettsége minél kevésbé legyen hőfokfüggő. Az a l k a l m a z h a t ó anyag telítési mágnesezettségének a működési frekvenciával a r á n y o s felső h a t á r a van (rezonancia alatti beállításnál), de a szükségesnél k i ­ sebb telítésű anyag alkalmazása is kerülendő, mert csökkenti a cirkulátor elérhető sávszélességét. A s z á m í t o t t értékek a kísérletekkel kapott o p t i m á ­ lis p a r a m é t e r e k k e l jó egyezést mutattak. A kísérle­ tek alapján a cirkulátor középrészének átmérőjét k b . 16%-kal csökkenteni, a negyedhullámú szakaszok hosszát pedig n é h á n y százalékkal rövidíteni kellett. Ennek nyilvánvalóan a számításba nem v e t t szórt terek, illetve szórt kapacitások az okai. A z izolátorokat a cirkulátorok egyik k a p u j á n a k a lezárásával a l a k í t o t t u k k i . A lezárást kisméretű 50 ohmos p á r o l o g t a t o t t ellenállással v a l ó s í t o t t u k meg. Az ellenállást szakadással lezárt, közelítőleg negyedhullámú hosszú tápvonalszakasz k ö v e t t e , amely az ellenállás végére r ö v i d z á r a t transzformált. Az izolátorokat és a cirkulátorokat gadolíniummal és a l u m í n i u m m a l h e l y e t t e s í t e t t g r á n á t hordozó lap­ k á n a l a k í t o t t u k k i . A telítési mágnesezettség 1200

Gránát lapka

Lezáróellenállás

Tárcsarezonátor

Impedancia-^ transzfer mator

Impedancia'rqnszfbrmátor

16. ábra. Szélessávú izolátor áramköri elrendezése

a)

ffGHzJ

WZk5-BTT7\ 17. ábra. Szélessávú izolátor jelleggörbéi a irekvencia függvé­ nyében : a) zárócsillapítás, b) áteresztő-csillapítás

40

\HZ
18. ábra. Illesztett lezáró helyettesítő kapcsolása

Gauss v o l t . A polarizáló állandó mágneses teret b á r i u m ferrit mágnespogácsákkal hoztuk létre. A 15. á b r a a 13. á b r á n l á t h a t ó elrendezésnek meg­ felelő egyszerű izolátor záró (a^) és áteresztő (a ) csillapítását adja meg a frekvencia függvényében. Az izolátor áteresztő i r á n y a az 1 k a p u t ó l a 2 kapu felé mutat. A 16. á b r á n n e g y e d h u l l á m ú impedancia-transzfor­ m á t o r o k k a l megvalósított szélessávú izolátor elren­ dezése szerepel. Ennek jelleggörbéit a 17. á b r a m u ­ tatja. A sávszélesség i t t lényegesen nagyobb. n

15. ábra. Keskenysávú izolátor jelleggörbéi a frekvencia függ­ vényében: a) zárócsillapítás, b) áteresztő-csillapítás

17

H Í R A D Á S T E C H N I K A X X V . É V F . 1. SZ.

Illesztett lezáró A mikroszalag-tápvonal illesztett lezárását — tech­ nológiai okokból — a 18. á b r a szerinti elrendezéssel tudjuk kényelmesen megvalósítani. Az R koncent­ r á l t kivitelű ellenállást a lezárandó t á p v o n a l Z hullámellenállásával megegyező értékűre választjuk, míg a B t á p v o n a l elektromos hossza negyed hullám, í g y az A síkban a sávközépi frekvencián rövidzárat kapunk. A B t á p v o n a l n y i t o t t végének szórt kapa­ citását a C elemmel vesszük figyelembe. A lezáró működési frekvenciasávját a B t á p v o n a l b e m e n ő impedanciájának meredeksége h a t á r o z z a meg. Minél szélesebb frekvenciasávban kicsi e t á p ­ vonalszakasz bemenő impedanciája a hullámellenálláslioz képest, a n n á l szélesebb frekvenciasávban lesz a lezáró kis reflexiójú. K é t v á l t o z a t o t v a l ó s í t o t t u n k meg. Az egyik v á l t o ­ zatban B t á p v o n a l k é n t homogén tápvonalszakaszt v á l a s z t o t t u n k , így az r = l , 2 állóhullámarányhoz tar­ tozó relatív frekvenciasáv 25%-os volt. A másik vál­ tozatban a B t á p v o n a l inhomogén, ami a működési frekvenciasáv 30%-os növekedését eredményezte. 0

0

Szélessávú irányesatoló és hibrid Mikroszalag kivitelű irányesatoló tervezésére t ö b b ú t kínálkozik. A z egyik szokásos elrendezés csatolt t á p v o n a l a k a t alkalmaz. Ilyen megoldásban szoros csatolást nehéz elérni, mert ehhez a t á p v o n a l a k a t egymáshoz nagyon közel kell helyezni, ami a gyártási tűrések m i a t t csak bizonyos mértékig lehetséges. A másik, gyakran alkalmazott elrendezésben a csa­ tolást a 19. á b r á n l á t h a t ó módon, ú n . csatoló t á p v o ­ nalak segítségével állíthatjuk be. Szoros csatolásnál

d JJ

19. ábra. Szélessávú iránycsatoló elrendezése afdBJ

\H!HS-Sfít\ 21. ábra. Dobozba szerelt iránycsatoló miniatűr koaxiális csatlakozókkal

i t t a D szalagszélesség összemérhetővé válik a hul­ lámhosszal, így az elágazás lényegesen módosítja az á r a m k ö r elektromos tulajdonságait: megváltozik a csatoló t á p v o n a l hullámellenállása és elektromos hossza. E z t a csatoló t á p v o n a l a k alkalmas módosítá­ sával kompenzálni tudjuk. Laza csatolásnál viszont a d szalagszélesség megvalósíthatatlanul kicsi lesz. Ezen úgy segíthetünk, hogy az egész iránycsatoló impedanciaszintjét lépcsős transzformátorok segítsé­ gével lecsökkentjük. E z á l t a l elérhetjük, hogy a leg­ nagyobb hullámellenállás is kisebb lesz 100 ohmnál A 20. á b r a mutatja az így tervezett 10 dB-es irány­ csatoló m é r t görbéit. A csatolás igen széles frekven­ ciasávban közel állandó. Az irány csatoló végleges kivitelét a 2 1 . ábra mu­ tatja. A kerámia l a p k á n levő mikroszalag-tápvonalas á r a m k ö r t fémdobozba szereltük, ennek fedele az á b ­ rán nem l á t h a t ó . A doboz oldalain helyeztük el a miniatűr, 50 ohmos koaxiális csatlakozókat, amelyek belső vezetője a mikroszalaggal fémesen érintkezik. K é s z í t e t t ü n k hibridet is mikroszalag-tápvonalas kivitelben. Ez a 2. á b r a 7. lapkáján l á t h a t ó . A csato­ lás és a beiktatási csillapítás együttesen 3,5 dB, ami azt jelenti, hogy a teljesítmény feleződik és még 0,5 dB csillapítás adódik. A teljesítmény feleződése a 7,9—8,5 GHz-frekvenciasávban + 0 , 2 dB eltéréssel következik be. Az i r á n y h a t á s ugyanakkor 13 dB felett van.

Következtetések Összefoglalva megállapíthatjuk, hogy a kidolgo­ zott mikrohullámú integrált á r a m k ö r ö k jól alkalmaz­ h a t ó k . Ezek az á r a m k ö r ö k részben felhasználásra ke­ rültek egy 24 F D M vagy 32 PCM csatornát á t v i v ő mikrohullámú berendezésben. A berendezés méretei ezáltal lényegesen lecsökkentek. IRODALOM

20. ábra. Szélessávú iránycsatoló jelleggörbéi a frekvencia függvényében

18

[1] Assadourian, F.—Rimái, E.: Simplified theory of microstrip transrhission systems. Proc. I R E , 1952. dec. 1651— 1657. old. [2] Bársony P.: Szalagtápvonalas Y-cirkulátor. Híradás­ technika, 1967. máj. 138—143. old.

D R . B E R C E L I .T—GÁBOR G Y . — H A M M E R G.—MARKŐ SZ.—1

. R E I T E R G Y : MIKROHULLÁMÚ INTEGRÁLT ÁRAMKÖRÖK

[3] Berceli, T.: Attenuation measurements on microstrips. IMEKO-Symposium on Microwave Meásurement, Buda­ pest, Hungary, 1972. máj. 10—13. [4] Berceli T.—Bíró V.—Hammer G.—Reiter Gij.: Integrált mikrohullámú áramkörök fejlesztése. Mikroelektronikai Alkatrész Ankét, Szombathely, 1971. szept. 20. [5] Bosma, H.: On stripline Y-circulation at U H F . I E E E Trans. MTT. 1964. jan. 61—72. old. [6] Caulton, M.—Hughes, J. J.—Sobol, H.: Measurements on the properties of microstrip transmission lines f or micro­ wave integrated circuits. R C A Rev., 1966. szept. 377— 391. old. [7] Csurgay Á.—Markó Sz.: Mikrohullámú passzív hálóza­ tok. Tankönyvkiadó, Budapest, 1965.

[8] Fay, C. E.—Comstock, R. L . : Operation of the ferrite junction circulator. I E E E Trans. MTT. 1965. jan. 15—27. old. [9] Reiter Gy.: A proposed microwave filter construction. Microelektronik 4. R . Oldenbourg, München—Wien, 1970. 210—222. old. [10] Roome, G. T.—Hair, H. A.: Thin ferrite devices for microwave integrated circuits. I E E E Trans. MTT. 1968. júl. 411—420. old. [11] Schneider, M. V.: Microstrip lines for microwave integra­ ted circuits. Bell System Techn. Journal, 1969. máj.—jun. 1421—1444. old. [12] Sobol, H.: Applications of integrated circuit technology to microwave frequencies. Proc. I E E E , 1971. aug. 1202—1213. old.