Молчанов В. І., Татарчук Д. Д.

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут» Київ, Проспект Перемоги 37, 03056, Україна e-mail tatar @ phbme. ntu-kpi. kiev. ua


Анотація – Проведені дослідження показали, що одним з ефективних методів вирішення задачі управління частотою резонансного пристрою може стати введення в структуру діелектричного резонатора неоднорідності з керованими характеристиками. Наявність такої неоднорідності спотворює поле діелектричного резонатора, що призводить до зміни його характеристик. Змінюючи властивості такої неоднорідності можна управляти характеристиками всій резонансної системи.

I.  Введення

Роботи з дослідження резонансних властивостей в діелектриках почалися понад п’ятдесят років тому. За цей час створено безліч ефективних частотно-виборчих пристроїв на основі діелектричних резонаторів. Використання резонансних властивостей діелектричних резонаторів дозволило значно поліпшити масогабаритні властивості частотно-виборчих пристроїв і знизити їх вартість [1, 2]. Тому зрозуміле прагнення використовувати їх і в подальшому при створенні сучасних пристроїв зв’язку. Однак розвиток засобів зв’язку привело до посилення вимог до частотноізбірательним пристроїв, зокрема одним з найважливіших вимог до таких пристроїв сьогодні є можливість управління їх характеристиками. У зв’язку з цим використання діелектричних резонаторів наштовхується на серйозні труднощі, оскільки за своєю природі діелектричні резонатори є пристроями пасивними [3, 4].

За останні роки робилися різні спроби вирішити цю проблему. Розроблено багато способів побудови керованих резонансних систем на основі діелектричних резонаторів, проте однозначного рішення даної проблеми до цих пір немає. Пов’язано це з тим, що відомі способи управління призводять до значного погіршення добротності, подорожчання, погіршення масогабаритних характеристик, або мають серйозні обмеження по частотному діапазону. Тому роботи з пошуку ефективних методів управління характеристиками діелектричних резонаторів тривають.

II.   Рішення електродинамічної задачі

Проведені нами дослідження показали, що одним з ефективних методів розв’язання цього завдання може стати введення в структуру діелектричного резонатора неоднорідності з керованими характеристиками. Наявність такої неоднорідності спотворює поле діелектричного резонатора, що призводить до зміни його характеристик. Змінюючи властивості такої неоднорідності можна управляти характеристиками всій резонансної системи [5, 6, 7, 8]. Проте не всяка неоднорідність може мати досить сильний вплив на структуру поля резонансної системи. Тому ключовим у даному випадку є питання про характер неоднорідності. Відповісти на це питання можна в тому випадку, якщо знайти розподіл полів при резонансі в системі резонатор-неоднорідність.

Математично ця задача зводиться до вирішення рівнянь Гельмгольца (1) в системі резонаторнеоднородность при відповідних граничних умовах (2) на кордонах неоднорідності.

де Ге, Гт, Відповідно електричний і магнітний вектора Герца, е,. Діелектрична проникність областей резонансної системи,-магнітна проникність областей резонатора, jsнормальна до кордону розділу компонента щільності струму, pcsповерхнева щільність заряду на

межі розділу областей.

Рішення задачі (1) при граничних умовах (2) для різних неоднорідностей показали, що найбільш ефективними з точки зору впливу на характеристики резонатора є включення, реалізують стрибкоподібні зміни діелектричної проникності, що призводять до розриву ліній електричного поля Е, або включення, реалізують стрибкоподібні зміни магнітної проникності, що призводять до розриву ліній магнітного поля Н. Це можуть бути включення у вигляді шарів сегнетоелектричних, ферроелектріческіх матеріалів або повітряного зазору із змінною шириною.

III. Експериментальні результати

Для перевірки отриманих розрахункових результатів були проведені експериментальні дослідження. Вони були проведені для складових діелектричних резонаторів, у яких область діелектричного включення була виконана у вигляді повітряного зазору між складовими частинами резонатора. При цьому одна половина резонатора жорстко кріпилася на підкладці з матеріалу з низьким значенням діелектричної проникності, а друга до штоку, сполученого з мікрометричним гвинтом, забезпеченим шкалою та лімбом для вимірювання величини повітряного зазору рис.1 (1-відрізок хвилеводу, 2подложка, 3составной резонатор з повітряним зазором, 4шток, 5мікрометріческій гвинт). При дослідженні резонатор розташовувався так, що його торцева сторона була паралельна вузької стінці хвилеводу для коливань Н-типу (ТЕ-типу) і широкій стінці хвилеводу для коливань Е-типу. Це дозволило легко провести дослідження в широкому діапазоні зміни ширини області включення. Резонансна частота вимірювалася по мінімуму амплітудно-частотної залежності коефіцієнта відбиття.

де Vzповний обсяг резонатора (враховуючи і обсяг включення), a Vt -Об’єм тієї області (резонатора

або включення), для якої розраховується структурний коефіцієнт.

Розрахунок та експериментальні дослідження показали, що найкращим з точки зору добротності є використання поперечного повітряного зазору для коливань Н-типу. Для прикладу на рис.4 наведена залежність добротності від ширини зазору для складеного резонатора, виготовленого з кераміки ТБНС з діелектричною проникністю 78 та тангенсом кута діелектричних втрат 3-10 ‘4.

Рис. / Fig. 4.

З наведеної залежності видно, що при включенні неоднорідності малої товщини з низьким значенням діелектричної проникності і низьким значенням втрат, можна на десятки відсотків збільшувати добротність всієї системи. Це може бути використано для підвищення добротності складових діелектричних резонаторів, а також ліній передачі (наприклад, мікрополоскових) і пристроїв на їх основі [12].

На підставі отриманих результатів був розроблений ряд резонансних пристроїв з електромеханічним управлінням [13-22], таких як фільтри, фазообертачі, в тому числі і з електромеханічним управлінням. Параметри деяких фільтрів з електромеханічним управлінням наведені в таблиці 1.

Таблиця / ТаИе 1. Результати експериментального дослідження фільтрів з електромеханічним управлінням на основі складових діелектричних резонаторів.

Форма резонатора

з

= Г

i_

i_

Про

Af, ГГц

h, мкм

Тип позиціонера

Розмір позиціонера, мм

і, В

Пр

80

3.5

1.2

250

БК

50x6x1

100

Ц

80

3.5

1.2

250

ББ

80x6x1

120

ц

40

4.4

1.1

250

БК

50x6x1

100

ц

40

4.4

1.1

250

ББ

80x6x1

120

Пр

80

9

2.8

150

БК

40x5x0.5

70

Ц

40

38

12

60

ББ

20x5x0.5

140

Ц

40

38

0.9

2

П

5x5x20,

N=90

150

Пр-прямокутна структура;

Цціліндріческая структура;

БК-мікропозіціонер біморфного консольного типу;

ББмікропозіціонер біморфного балочного типу;

Пмікропозіціонер пакетного типу.

I.       Висновок

Таким чином, на підставі отриманих результатів можна зробити наступні висновки:

1. Введення неоднорідності, що призводить до розриву нормальної по відношенню до неї складовою електричного або магнітного поля, в резонансну структуру істотно змінює резонансні властивості цієї структури.

2. Змінюючи електрофізичні властивості цього включення можна управляти СВЧ характеристиками складових резонаторів, що дозволяє створювати на основі складових діелектричних резонаторів керовані резонансні пристрої НВЧ.

3. Використання як таких включень високодобротних матеріалів дозволяє підвищувати на десятки відсотків добротність резонансних систем на основі складових діелектричних резонаторів.

V. Література

1. Діелектричні резонатори / М. Є. Ільченко,

В. Ф. Взятишев, Л. Г. Гассанов та ін; Під ред.

М. Є. Ільченко, М.: Радіо і зв’язок, 1989. 328 с.

2. Безбородов Ю. М., Наритнік Т. Н., Федоров В. Б. Фільтри НВЧ на діелектричних резонаторах. Київ: Техніка, 1989. 184 с

3. Алексейчик П. В., Бєглов В. І., Геворкян В. М. Швидка електрична перебудова резонансної частоти діелектричного СВЧ-резонатора / / Праці МЕІ.-1981. Вип.522.-С .75-81.

4. Проблеми електричної перебудови мініатюрних діелектричних резонаторів і резонансних структур / Алексейчик Л. В., Поганих Н. А. / / Проектування радіоелектронних пристроїв на діелектричних хвилеводах і резонаторах: Тез. докл. Всесоюз. наук.-техн. конф. 25-27 жовтня 1988.-Тбілісі, 1988.-С.69-71.

5. Молчанов В. І., Пятчанін С. В., Прокопенко Ю. В. II Складовою діелектричний резонатор з повітряним зазором / / Известия вузів. Радіоелектроніка. 1987. Т. 30, № 1. С. 31-35.

6. Молчанов В. І., Бутко В. І., Прокопенко Ю. В., Пятчанін С. В., Васильєв В. В. / Власні частоти прямокутного складеного діелектричного резонатора / / Вісті вузів. Радіоелектроніка. 1990. Т. 33, N ° 10

7. Д. Д. Татарчук, В. І. Молчанов, Ю. В. Прокопенко. Рішення електродинамічної задачі про власні частотах складових діелектричних резонаторів з Етіпом коливань / / «Електроніка і зв’язок », 1998, № 5,

C.             123-125.

8. Д. Д. Татарчук. Власж Коливань прямокутніх комбшованіх д1електрічніх резонатор1в з Е типом Коливань / / «Електроніка та зв’язок», 1999, № 7, С.42-44.

9. В. І. Молчанов. Власна добротність складових діелектричних резонаторів / / “Електроніка та зв’язок”, 1997, № 3, 4.1, С. 119-125.

10. Д. Д. Татарчук. Добротність складових діелектричних резонаторів з Етіпом коливань / / «Електроніка та зв’язок», 1998, № 5, С.117-119.

11. Татарчук Д. Д. Добротнють прямокутніх комбИованіх резонатор1в з Етіпом Коливань / / HayK.BicTi НТУУ “КП1”. -2000. – № 2.-С.9-12.

12. Татарчук Д. Д. КомбИоваи структури НВЧ з д1електрічнім резонансом Е-типу: Дис. … канд. техн. наук: 05.27.01.-К., 2001.-С.169.

13. Пашков В. М., Молчанов В. І. I Сегнетоелектричних амплітудний СВЧ-модулятор на діелектричному резонаторі / / Діелектрики та напівпровідники. Київ: “Вища школа”, вид. КГУ. 1981. вип. 19. С. 48-50.

14. Молчанов В. І., Пятчанін С. В., Прокопенко Ю.В. I Складовою діелектричний резонатор з повітряним зазором / / Известия вузів. Радіоелектроніка. 1987. Т. 30, № 1. С. 31-35.

15. Пятчанін С. В., Прокопенко Ю. В., Молчанов В. І. I Складовою перебудовується діелектричний резонатор СВЧ / / Діелектрики та напівпровідники. Київ: “Вища школа”, вид. КГУ. 1987. вип. 32. С. 33-35.

16. Молчанов В. І., Якименко Ю. І., Пашков В. М., Селіванов С.А. I Перебудовуються СВЧ-фільтр / / Авт.свід. N1259370 від 22.05.1986.

17. Молчанов В. І., Мархелюк А. М., Пятчанін С. В., Мирських Г.А. I Перебудовуються діелектричний резонатор / / Авт.свідет. N1517684 від 22.06.1989.

18. Д. Д. Татарчук, В. І. Молчанов, Ю. В. Прокопенко.

НВЧ фільтри на основі діелектричних резонаторів з перебудовується характеристиками / / Тематичний випуск збірника “Електроніка та зв’язок” за матеріалами Міжнародної науково-технічної конференції “Проблеми фізичної та біомедичної електроніки”, “Електроніка та зв’язок”, 1997, № 2, С.441-446.

19. У. Prokopenko, У. Poplavko, Young Soo You, V.Molchanov and D.Tatarchuk. Bandpass and Band-Rejection Filters with Electrically Controlled Dielectric Resonators / / Proceedings of 1997 Wireless Communication Conference, August 1113, 1997, Boulder, Colorado. IEEE Catalog Number 07803-4194-5/97, 1997, pp.170-174.

20. У. Prokopenko, V. Molchanov and Y. Poplavko. Frequency control of the microwave resonator filters / / Journal of the Korean Physical Sosiety, Vol. 32, 1998, pp. S1784-1786.

21. У. Prokopenko, Y. Poplavko, Young Soo You ‘,

V. Molchanov and D. Tatarchuk. Bandpass and BandRejection Filters with Electrically Controlled Dielectric Resonators // Proceedings of 1997 Wireless Communication Conference, August 11-13, 1997, Boulder, Colorado. IEEE Catalog Number 0-7803-4194-5/97, 1997, pp.170-174.

22. У. Poplavko, M. Ilchenko, Y. Prokopenko, V. Molchanov,

D.         Tatarchuk and Yong Soo Yoo. Electrically controlled microwave filters built on dielectric resonators // Proceeding of 27-th European microwave conference, September 8-12, 1997.

NON-HOMOGENEITIES IN MICROWAVE DIELECTRIC STRUCTURES

Molchanov V. I., TatarchukD. D.

National Technical University of Ukraine ‘Kyiv Polytechnical Institute’

Abstract Our studies have shown that the problem of frequency control for a dielectric resonant device can be solved by inserting a non-homogeneous resonator with controlled parameters. This insert distorts electromagnetic field inside the dielectric resonator. Resonant performance of the whole system may be controlled by modifying the insert properties. Existing methods of the DR resonant frequency mechanical tuning are characterised by low operating range, while known electronic methods of adjustment considerably compromise the Q-factor. In this work a new method of the DR resonant frequency control is proposed using composite resonant designs: a resonant system is built on two dielectrics or uses a dielectric with metallic mirror. The suggested designs were analysed theoretically to calculate their principal parameters and choose the best components and materials. Electrodynamic calculations gave been verified by experiments.

In frequency-tuned microwave filters the YIG-type ferrite resonators are usually implemented. Modern microwave communications systems use other, sometimes very complicated systems. In view of this, the development of electrically adjusted filters based on microwave DRs may be of interest. Highquality electrically-tuned bandpass and bandstop microwave filters could be designed based on frequency-tuned DRs. Such filters offer fast control of their central frequency f0over a wide scope. Fast automatic control of the filter attenuation-frequency curve may also be achieved. In some specific but essential applications DRs are used for the frequency stabilisation of semiconductor microwave oscillators whose frequency may also be rapidly controlled by the tuned DRs.

Dielectric resonators are ‘passive’ elements by their very nature: they are fabricated from thermally stable and linear ceramics. For this reason, it seems impossible to change the DR resonant frequency and even to implement its electric control, unless the DR design is radically modified. In our research the high dielectric constant (ei = 40-100) and low-loss (Q* = 103104) thermal stable microwave ceramics have been used. To implement the electrically adjustable DR, virtually all known types of resonators have been studied, including those with the

ТІ, ТМ, ТИМ and mixed modes. We have concluded that only an adjustable insert made of the low-loss material s2 of a different type incorporated into the microwave dielectric resonator is likely to change the DR resonant frequency substantially.

The resultant system is a kind of a composite structure in which the inclusion of a foreign material must cross the DR ‘electric field lines’ to maximise the effect of the insert. In this case the system should be more sensitive to the insert parameters (which are electrically controlled). For instance, a paraelectric element (whose dielectric permittivity s2 could be controlled by a bias electric field) may be used as an inclusion integrated with DR. However, experiments have shown that the Q-factor of such ‘paraelectric microwave dielectric’ composite decreases due to a high loss factor of paraelectric ceramics available for our research.

The basic model of proposed resonant systems comprises a dielectric resonator crossed by an air-gap whose width can be modified by a micro actuator to achieve the f0 control. Another tuneable element may also be inserted in the air-gap. This element may be a microwave semiconductor device (PIN-diode or varactor diode) or a microwave tuneable dielectric: paraelectric ceramics or a film with electrically controlled dielectric permittivity.

The most successful experimental results have been achieved by using electromechanical control. In order to avoid hysteresis in the actuation a special type of electrostrictive ceramics was used. A similar mode of frequency control was employed in the tests: resonant devices allow for their resonant frequency to be modified while retaining a high Q-factor. Because of a very high dielectric constant of the dielectric used in the DR, the required mutual displacement of system components was small enough. A reliable frequency control may be by all means achieved utilizing such micro actuators; modern ceramic actuators provide considerable, non-hysteresis and fast electrically-controlled shifting.

Composite resonant structures formed of two 1/2 parts of a DR separated by a narrow air-gap have been studied. By means of a piezoelectric control of the air-gap thickness between the two DR parts it is possible to modify significantly the resonant frequency of the composite structure while retaining its high-quality attenuation-frequency characteristics. Experimentally examined piezoelectric-controlled resonant devices display a high Q-factor and allow for the alteration of their resonant frequency. A computer simulation technique has been devised to optimise the design of a composite DR. Based on the above concepts, several bandpass and bandstop frequency-tuned filters have been fabricated.

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