Плескач В. В., Вендік І. Б. Санкт-Петербурзький Державний Електротехнічний Університет каф. Мікрорадіоелектронікі і Технології радіоапаратури буд.5, вул. Проф. Попова, 197376, Санкт-Петербург, Росія Тел.: +7 812 3460867 e-mail: MWLab@eltech.ru

Анотація Розглянуто параметр комутаційного якості різних керуючих компонентів, що використовуються для створення перебудовуються пристроїв НВЧ діапазону. Наведено приклади реалізації перебудовуються фільтрів НВЧ на основі сегнетоелектричних конденсаторів.

I. Вступ

Порівняння різних компонентів на основі електрично керованого конденсатора може бути виконано з використанням інтегрального критерію комутаційного якості, який визначається ефективністю перебудови ємності і величиною втрат в керуючому пристрої. Незалежність комутаційного якості від фізичної природи керованих компонентів дозволила виконати порівняльний аналіз ефективності електрично перебудовуються ємнісних компонентів, що використовуються в НВЧ діапазоні: р-/-п-діода, мікроелектромеханічних ключів, варикапа на керованої ємності р-п-переходу і сегнетоелектричних конденсатора. Ефективність мікрополоскових перебудовуються фільтрів, що використовують як керуючих елементів сегнетоелектрічеськие конденсатори, залежить як від властивостей конденсаторів, так і від характеристик мікрополоскових ланцюгів цих пристроїв. Параметри якості перебудовуються фільтрів можна оцінити, використовуючи величину комутаційного якості керуючих компонентів на яких ці перебудовувані пристрої виготовляються.

II. Основна частина

Fig. 1. Equivalent circuit of a tunable capacitive component in two states

Рис. 2. Частотна залежність комутаційного якості різних керуючих компонентів

Fig. 2. Frequency dependence of commutation quality factor for different tunable components

Для розрахунку використані характерні еквівалентні параметри, властиві даними типами компонентів, наведені в [3].

Конденсатори на основі сегнетоелектричних плівок обрані в якості керуючих компонентів через те, що вони володіють високою швидкістю перебудови ємності, легко інтегруються в планарную технологію виробництва мікрополоскових фільтрів, мають низьку вартість. Основними параметрами керуючих сегнетоелектричних конденсаторів є керованість n = CxjC2,

де Сх і С2 ємність конденсатора при нульовому і максимальному керуючому напрузі відповідно, а також тангенс кута діелектричних втрат tan і tan (У2 ПРІ нульовому і максимальному керуючому напрузі. Хороші зразки сегнетоелектричних конденсаторів мають такі параметри: і «2, tan <0.01, зміна величини

тангенса кута втрат при додатку напруги залежить від характеристик конкретного зразка конденсатора.

© г

Рис. 3. Мікрополоскових перебудовувані резонатори: (а) короткозамкнений,

(Б) розімкнутий

Для створення перебудовуються мікрополоскових фільтрів на сегнетоелектричних конденсаторах використовуються два типи резонаторів: короткозамкнений і розімкнутий. Ці резонатори схематично зображені на рис. 3

Рис. 4. Топологія перебудовується фільтра на короткозамкнених мікрополоскових перебудовуються резонаторах

Fig. 4. Layout of the tunable filter based on shortcircuited microstrip tunable resonators


Fig. 3. Microstrip tunable resonators: (a) short circuited, (b) open-circuited

Електричні довжини мікрополоскових ліній резонаторів позначені ©0 і 0g, С мінлива ємність СЕ конденсатора, що залежить від прикладеної напруги. Вибір даних типів резонаторів обумовлений зручністю їх реалізації з використанням планарной технології виробництва мікрополоскових перебудовуються фільтрів.

Параметр якості перебудовується фільтра прямо пропорційний числу смуг перебудови фільтру і обернено пропорційний внесеним втрат в двох станах [4]:

де L рівень внесених втрат фільтра (в дБ), ®0 центральна частота, Ашіріна смуги

пропускання, індекси low і up позначають стану фільтра ні нижньої і верхньої центральних частотах. Якщо мікрополоскових провідники фільтра неідеальні, а також є втрати в керуючих ємнісних компонентах, параметр якості визначаться за такою формулою [4]:

)

V»• у

де Q ненавантаженої добротність резонаторів фільтра [5], N порядок фільтра, у = зі “р / З1™ –

перекриття частотного діапазону перебудови.

Топологія експериментального перебудовується микрополосковой фільтра третього порядку на короткозамкнених резонаторах наведена на рис. 4. Кожен з резонаторів фільтра має спеціальну ланцюг подачі напруги зміщення для управління величиною ємності СЕ конденсатора. Виміряні та розрахункові характеристики фільтра представлені на рис. 5. На рис. 6 зображена топологія фільтру другого порядку на півхвильових резонаторах, його розрахункові характеристики представлені на рис. 7.

Frequency (GHz)

Puc. 5. Характеристики перебудовується фільтра на короткозамкнених резонаторах

Fig. 5. Performance of the tunable filter based on short-circuited resonators

Puc. 6. Топологія перебудовується фільтра на розімкнутих мікрополоскових перебудовуються резонаторах

Fig. 6. Layout of the tunable filter based on opencircuited microstrip tunable resonators

Frequency, (GHz)

Рис. 7. Характеристики перебудовується фільтра на розімкнутих резонаторах (Ci = 0.3 пФ, С2= 0.15пФ)

Fig. 7. Performance of the tunable filter based on open-circuited resonators (Ci=0.3pF, C2=0.15pF)

Параметр якості експериментального фільтра F ‘exp = 0.34 (дБ ‘1), Що дуже добре узгоджується з

розрахунковою величиною F ‘calc = 0.38 (дБ ‘1).

У випадку, коли добротність мікрополоскових ліній велика в порівнянні зі зворотним величиною

tan <5 СЕ конденсатора (0() » tan^-1), Параметр якості пов’язаний з комутаційним якістю сегнетоелектричних конденсатора АТ [1], і дорівнює:

Параметр якості перебудовується фільтра без втрат в мікрополоскових лініях є граничною величиною, яка може бути досягнута при використанні перебудовуються конденсаторів зданим комутаційним якістю.

III. Висновок

Представлена ​​оцінка граничних характеристик перебудовуються мікрополоскових фільтрів. Наведено експериментальні характеристики перебудовується микрополосковой фільтра.

IV. Список літератури

[1] /. В. Vendik. О. G. Vendik. Є. L. Kollberg. Commutation quality factor of two-state switching devices, IEEE Trans, on Microwave Theory and Tech., Vol. 48, pp. 802-808, May 2000.

[2] F. A. Miranda, F. W. Van Keuis, R. R. Romanofsky, and G. Subramanyan. Tunable Microwave Components for Kuand К-Band Satellite Communications, Integrated Ferroeiectrics, vol. 22, No. 1-4, pp. 269-277, 1998.

[3] B. В. Плескач, І. Б. Вендік. Комутаційне якість електрично керованих СВЧ компонентів, Листи в Журнал Технічної Фізики, 2003 (прийнята до публікації).

[4] В. В. Плескач, І. Б. Вендік. Оцінка якості перебудовуються СВЧ фільтрів на сегнетоелектричних конденсаторах, Журнал Технічної Фізики, 2003 (прийнята до публікації).

[5] /. Vendik, О. Vendik, V. Pieskachev, М. Nikoi’ski. Tunable Microwave Filters Using Ferroelectric Materials, Integrated Ferroeiectrics. 2003.

TUNABLE MICROWAVE FILTERS BASED ON FERROELECTRIC CAPACITORS

Pleskachev V. V., Vendik I. B.

Department of Microelectronics and Radio Engineering, St Petersburg Electrotechnical University

5  Professora Popova Str., St.-Petersburg, Russia, 197376 phone +7 (812) 3460867; e-mail: MWLab@eltech.ru

Abstract A commutation quality factor for various tuning components used in tunable microwave devices is considered. Examples of a tunable filter design are presented.

I.  Introduction

Various tunable components based on electrically tunable capacitors may be compared using a special criterion known as the Commutation Quality Factor (CQF). The CQF depends on capacitance tunability and the value of losses in the tuning device. The CQF does not depend on physical nature of tunable components, which makes it possible to compare various types of tunable capacitive components: p-i-n diodes, MEMS switches, varactor diodes and ferroelectric capacitors. The efficiency of tunable microwave filters using ferroelectric capacitors depends both on capacitor properties and on the characteristics of filter microstrip lines. Performance of tunable filters may be estimated by the CQF of ferroelectric capacitors around which those filters are built.

II.  Main part

The equivalent circuit of a tunable capacitive component is presented in Fig. 1. The CQF ofthe tunable component [1], [2] is determined using (1). The comparison ofthe CQF for different tunable capacitive components is shown in Fig. 2. Tunable ferroelectric capacitors have a fast switching time, are easily integrated into the planar technology of filter production and have low costs. The most important parameters of the ferroelectric capacitors are the tunability n = Ci/C2, where Cj і

C2 are the capacitance at the zero and maximum biasing voltages respectively, and dielectric dissipation tan^j and tan<52 ■ High-quality ferroelectric capacitors have the n«2 and

tan <5’1 < 0.01.

Consider tunable microstrip resonators with ferroelectric capacitors which are suitable for a planar tunable filter design. Schematics of the resonator sections are shown in Fig. 3. The electrical length of the microstrip sections are lettered ©0 and

@ G, while З is the variable capacitance of the ferroelectric capacitor.

The figure of merit for tunable filters is determined by (2), where L is the insertion loss of the filter (in dB), wn is the

central frequency, Am is the passband width, indexes low and up correspond to the states of the filter at the bottom and top central frequencies [4]. This figure of merit may be described as (3), where Про is the unloaded Q-factor of the filter resonators [5], N is the filter order, у = j (o \ °w is the

tunability ofthe central frequency.

Layouts of prototype filters are presented in Figs. 4 and 6. Experimental performance of the filter in Fig. 4 is shown in Fig. 5, while the calculated performance of the filter shown in Fig. 6 is presented in Fig. 7. The figure of merit for the prototype filter is F’ = 0.34 dB’1, which is in very good agreement with the calculated value equal to F’ = 0.38 dB’1 .

If the filter has lossless electrodes, the figure of merit depends on the CQF ofthe ferroelectric capacitors (4).

III.  Conclusion

The estimates of limiting characteristics of tunable microstrip filters are presented. Experimental characteristics of tunable microstrip filters are considered.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.