RU2074436C1

RU2074436C1 - Comb microwave capacitor

Info

Publication number: RU2074436C1
Application number: RU95110983A
Authority: RU
Inventors: М.Ф. Тюхтин; Д.И. Кузнецов; Ю.Л. Лопарев
Original assignee: Казанский государственный технический университет им.А.Н.Туполева
Priority date: 1995-06-27
Filing date: 1995-06-27
Publication date: 1997-02-27
Also published as: RU95110983A

Abstract

FIELD: radio engineering, radars, radio communication. SUBSTANCE: device has dielectric substrate which one side is covered with conducting screen and another side is covered with two plates which are made from conducting material and separated with dielectric slot. Plates have recesses which are located near slot in bases of fork-shaped pieces of plates which are shaped by slot. Recesses may be bent and several slots of different lengths may be adjacent to one point of slot. EFFECT: decreased parasitic resonance in bandwidth, increased relative width of bandwidth, decreased transmission losses. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике, а более конкретно к технике сверхвысоких частот (СВЧ), и может быть использовано в радиолокации, радиосвязи и системах спутникового телевидения преимущественно в качестве проходного конденсатора в полосковых линиях
Известен конденсатор, содержащий кварцевую диэлектрическую подложку, с одной стороны которой расположен проводящий экран, а на другой стороне нанесены концентрические электроды, разделенные концентрическими щелями-зазорами. Подложка пригодна для работы в СВЧ области частот ( А.С. N 519774 СССР, кл. Н 01 G 1/01, Б.И. N 24, 1976).The invention relates to radio engineering, and more particularly to microwave technology, and can be used in radar, radio communications and satellite television systems mainly as a feed-through capacitor in strip lines
A known capacitor containing a quartz dielectric substrate, on one side of which there is a conductive screen, and on the other side are applied concentric electrodes separated by concentric gap gaps. The substrate is suitable for use in the microwave frequency range (A.S. N 519774 USSR, class H 01 G 1/01, B.I. N 24, 1976).

Недостатками указанного устройства являются, во-первых, невозможность работы устройства в СВЧ области частот ввиду несогласованности импедансов выводов; во-вторых, сложность и нетехнологичность конструкции устройства; в-третьих, большие габариты устройства. The disadvantages of this device are, firstly, the impossibility of the device in the microwave frequency range due to inconsistency of the impedances of the conclusions; secondly, the complexity and low-tech design of the device; thirdly, the large dimensions of the device.

Известен высокочастотный конденсатор, содержащий пакет керамических диэлектрических подложек с нанесенными на них электродами, причем в поперечном сечении структура пакета имеет гребенчатый характер (в виде двух встречно-направленных электропроводных гребешков, разделенных диэлектриком в форме меандра). Конденсатор предназначен для работы в высокочастотной области ( А.С. N 1051600 СССР, кл. Н 01 G 4/12, Б.И. N 40, 1983). Known high-frequency capacitor containing a package of ceramic dielectric substrates with electrodes deposited on them, and in cross section the structure of the package is comb-like (in the form of two counter-directional conductive scallops separated by a dielectric in the form of a meander). The capacitor is designed to operate in the high-frequency domain (A.S. N 1051600 USSR, class N 01 G 4/12, B.I. N 40, 1983).

Недостатками указанного устройства являются, во-первых, наличие многочисленных паразитных резонансов в СВЧ области частот, так как при равенстве длины полуволны СВЧ излучения длине полупериода меандра возникает паразитный полуволновой резонанс, когда СВЧ мощность переотражается между концами многочисленных U-образных участков гребешков ("эффект камертона"); во-вторых, малая относительная ширина рабочей полосы частот (устройство работоспособно лишь на участках между паразитными резонансами); в-третьих, малая величина пропускания в СВЧ области частот, так как величина расчетного пропускания ухудшается на величину высоты паразитных резонансных пиков - "всплесков" на амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) устройства; в-четвертых, сложность и нетехнологичность, а также большие габариты конструкции устройства ввиду непланарного объемного характера конструкции, неприемлемого для планарной микрополосковой технологии изготовления интегральных СВЧ схем. The disadvantages of this device are, firstly, the presence of numerous spurious resonances in the microwave frequency range, since if the half-wavelength of the microwave radiation is equal to the length of the half wave of the meander, a spurious half-wave resonance occurs when the microwave power is reflected between the ends of numerous U-shaped sections of the scallops ("tuning fork effect "); secondly, the small relative width of the working frequency band (the device is operable only in areas between spurious resonances); thirdly, a small transmittance in the microwave frequency region, since the calculated transmittance is degraded by the height of the spurious resonant peaks - “bursts” in the amplitude-frequency characteristic (AFC) of the device; fourthly, the complexity and low technology, as well as the large dimensions of the design of the device due to the unplanar three-dimensional nature of the structure, unacceptable for planar microstrip technology for the manufacture of integrated microwave circuits.

Известен гребенчатый конденсатор, содержащий диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположен проводящий экран, а на другой стороне две обкладки, разделенные щелью в виде меандра, причем меандр имеет протяженность в несколько периодов, что обеспечивается благодаря большим поперечным размерам обкладок (Ермолаев Ю.П. Пономарев М.Ф. Крюков Ю.Г. Конструирование и технология микросхем. М. Сов.радио, 1980, с. 93, рис. 2.16). A comb capacitor is known that contains a dielectric substrate, on one side of which there is a conductive screen, and on the other side there are two plates separated by a slit in the form of a meander, and the meander has a length of several periods, due to the large transverse dimensions of the plates (Yermolaev Yu.P. Ponomarev M.F., Kryukov, Yu.G. Design and technology of microcircuits (M. Sov.radio, 1980, p. 93, Fig. 2.16).

Недостатками указанного устройства являются, во-первых, наличие многочисленных паразитных резонансов в СВЧ области частот, так как длина волны СВЧ излучения становится соизмеримой с периодом меандра, а при равенстве длины полуволны длине полупериода меандра возникает паразитный полуволновой резонанс, когда СВЧ мощность переотражается между концами U-образных участков обкладок ("эффект камертона"); во-вторых, невозможность работы в СВЧ области частот из-за несогласованности входного волнового сопротивления (большие поперечные размеры обкладок) и многочисленности паразитных резонансов (из-за многопериодичности меандра), что в итоге приводит к неприемлемому виду АЧХ. The disadvantages of this device are, firstly, the presence of numerous spurious resonances in the microwave frequency range, since the wavelength of the microwave radiation becomes comparable with the meander period, and if the half-wave length is equal to the meander half-wave length, parasitic half-wave resonance occurs when the microwave power is reflected between the ends U -shaped sections of the plates ("tuning fork effect"); secondly, the inability to work in the microwave frequency range due to inconsistency of the input wave impedance (large transverse dimensions of the plates) and the large number of spurious resonances (due to the multiplicity of the meander), which ultimately leads to an unacceptable form of frequency response.

Известен взятый в качестве прототипа гребенчатый СВЧ конденсатор, содержащий диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположен проводящий экран, а на другой стороне две обкладки из проводящего материала, разделенные диэлектрической меандрообразной щелью ( Антенны. Сб. статей. Вып. 34 (Под ред.А.А.Пистолькорса. М. Радио и связь, 1987г, с. 66-67, рис. 9). Known as a prototype is a comb microwave capacitor containing a dielectric substrate, on one side of which there is a conductive screen, and on the other side there are two plates of conductive material separated by a dielectric meander gap (Antennas. Collection of articles. Issue 34 (Ed. A .A. Pistolkors. M. Radio and Communications, 1987, p. 66-67, Fig. 9).

Недостатками указанного устройства являются, во-первых, наличие паразитных резонансов в рабочей полосе частот, так как длина волны СВЧ излучения становится соизмеримой с периодом меандра, а при равенстве длины полуволны длине полупериода меандра возникает паразитный полуволновой резонанс, когда СВЧ мощность переотражается между концами U-образных участков обкладок ("эффект камертона"); в итоге, это приводит к появлению паразитных пиков-"всплесков" на АЧХ в середине рабочей полосы частот (см. "всплески", начиная с 7 ГГц, на рис. 9в указанном источнике); во-вторых, малая относительная ширина рабочей полосы частот (устройство работоспособно лишь на участках, свободных от паразитных резонансов, что составляет лишь половину от расчетной рабочей полосы частот); в-третьих, недостаточное пропускание в высокочастотной части АЧХ, так как пропускаемый сигнал ослабляется на величину высоты паразитного "всплеска" на АЧХ. The disadvantages of this device are, firstly, the presence of spurious resonances in the working frequency band, since the microwave wavelength becomes comparable with the meander period, and if the half-wave length is equal to the meander half-wave length, a spurious half-wave resonance occurs when the microwave power is reflected between the ends of U- shaped sections of the plates ("tuning fork effect"); as a result, this leads to the appearance of spurious peaks - “bursts” on the frequency response in the middle of the working frequency band (see “bursts” starting from 7 GHz in Fig. 9c in the indicated source); secondly, the small relative width of the working frequency band (the device is operable only in areas free from spurious resonances, which is only half of the calculated working frequency band); thirdly, insufficient transmission in the high-frequency part of the frequency response, since the transmitted signal is attenuated by the height of the spurious "burst" on the frequency response.

Задачей изобретения является, во-первых, устранение паразитных резонансов в рабочей полосе частот; во-вторых, увеличение относительной ширины рабочей полосы частот; в-третьих, снижение потерь пропускания в рабочей полосе частот. The objective of the invention is, firstly, the elimination of spurious resonances in the working frequency band; secondly, an increase in the relative width of the working frequency band; thirdly, reduction of transmission losses in the working frequency band.

Это достигается тем, что в гребенчатом СВЧ конденсаторе, содержащем диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположен проводящий экран, а на другой стороне две обкладки из проводящего материала, разделенные диэлектрической меандрообразной щелью, в обкладках выполнены примыкающие к меандрообразной щели выемки, причем выемки расположены в основаниях вилкообразных участков обкладок, образованных меандрообразной щелью, причем выемки могут быть изогнутыми, приэтом к одной точке щели могут примыкать несколько выемок разной длины. This is achieved by the fact that in a comb microwave capacitor containing a dielectric substrate, on one side of which there is a conductive screen, and on the other side there are two plates of conductive material separated by a dielectric meander-shaped gap, in the plates there are made recesses adjacent to the meander-shaped slot, and the recesses are located in the bases of the fork-shaped portions of the plates formed by the meander-shaped gap, and the recesses may be curved, moreover, several recesses of different us.

На фиг 1-3 изображены варианты конструкции предложенного устройства. Figure 1-3 shows the design options of the proposed device.

Вариант конструкции предложенного гребенчатого СВЧ конденсатора (фиг. 1) содержит диэлектрическую подложку 1 (например, пластина толщиной 1 мм с относительной диэлектрической проницаемостью, равной 9, 6), на одной стороне которой расположен проводящий экран (не показан), а на другой стороне две обкладки из проводящего материала 2 и 3 (например, две микрополосковые линии поперечной шириной 1 мм), разделенные диэлектрической меандрообразной щелью 4 (например, шириной 0,1 мм), причем в обкладках выполнены примыкающие к меандрообразной щели выемки 5 (например, шириной 0,02 мм), причем выемки расположены в основаниях вилкообразных участков обкладок. Обкладки 2 и 3 служат также входным и выходным плечами для подключения устройства. A design variant of the proposed comb microwave capacitor (Fig. 1) contains a dielectric substrate 1 (for example, a 1 mm thick plate with a relative dielectric constant of 9.6), on one side of which there is a conductive screen (not shown), and on the other side two plates of conductive material 2 and 3 (for example, two microstrip lines with a transverse width of 1 mm) separated by a dielectric meander-shaped slit 4 (for example, 0.1 mm wide), and the notches 5 (adjacent to the meander-like slit) are made in the plates for example, with a width of 0.02 mm), and the recesses are located in the bases of the fork-shaped sections of the plates. The plates 2 and 3 also serve as input and output arms for connecting the device.

Вариант конструкции предложенного устройства (фиг. 2) отличается выполнением выемок изогнутыми (например, в виде прямоугольной спирали). A design variant of the proposed device (Fig. 2) is distinguished by making curved notches (for example, in the form of a rectangular spiral).

Другой вариант конструкции предложенного устройства (фиг. 3) отличается примыканием нескольких обладающих разной длиной выемок, в том числе изогнутых, к одной точке щели (например, двух (изогнутой и неизогнутой) выемок). Another design option of the proposed device (Fig. 3) is distinguished by adjoining several recesses having different lengths, including curved ones, to one point of the slit (for example, two (curved and non-curved) recesses).

При работе предложенного устройства (фиг. 1 3) мощность СВЧ сигнала (например, со средней рабочей частотой 1,35 ГГц), поступившая в обкладку 2, прошла (с некоторым ослаблением, определяемым конструкцией меандра 4) в обкладку 3. Ввиду симметрии устройства аналогичная картина произошла и при подаче мощности вобкладку 3. Наличие выемок 5 препятствовало возникновению паразитных полуволновых резонансов в рабочей полосе частот. During the operation of the proposed device (Fig. 1 3), the microwave signal power (for example, with an average operating frequency of 1.35 GHz) received in the cover 2 (with some attenuation determined by the design of the meander 4) passed to the cover 3. Due to the symmetry of the device, the picture also occurred when power was applied to the lining 3. The presence of recesses 5 prevented the occurrence of spurious half-wave resonances in the working frequency band.

По сравнению с прототипом в предложенном устройстве устранены паразитные резонансы в рабочей полосе частот. Примыкающие к меандрообразной щели выемки изменяют электрическую длину U-образных (т. е. в виде двузубой вилки) участков обкладок и смещают частоту паразитных резонансов вне пределов рабочей полосы частот. Выполнение выемок расположенными в основаниях вилкообразных участков обкладок (т.е. между зубьями "гребенки") позволяет практически не уменьшить емкость конденсатора (не затрагивается основная рабочая зона сами зубья и щели между их боками) и не влияет на распространение рабочего СВЧ сигнала (ввиду равенства потенциалов по обе стороны выемки). Compared with the prototype in the proposed device eliminated spurious resonances in the working frequency band. Recesses adjacent to the meander-shaped slit change the electric length of the U-shaped (i.e., in the form of a double-toothed fork) sections of the plates and shift the frequency of spurious resonances outside the limits of the working frequency band. The notches located in the base of the fork-shaped sections of the plates (ie between the teeth of the “comb”) practically do not reduce the capacitance of the capacitor (the main working area of the teeth and the gaps between their sides are not affected) and does not affect the propagation of the working microwave signal (due to the equality potentials on both sides of the recess).

По сравнению с прототипом в предложенном устройстве увеличена относительная ширина рабочей полосы частот. Устранение паразитных резонансов из расчетной рабочей полосы частот делает возможным работу на всей расчетной рабочей полосе, а не только на ее участках между паразитными полуволновыми резонансами. По сравнению с прототипом в предложенном устройстве ширина экспериментально измеренной рабочей полосы частот, свободно от паразитных резонансов, увеличилась в 1,8 раза. Compared with the prototype in the proposed device increased the relative width of the working frequency band. Elimination of spurious resonances from the calculated working frequency band makes it possible to work on the entire calculated working band, and not only in its sections between spurious half-wave resonances. Compared with the prototype in the proposed device, the width of the experimentally measured working frequency band, free from spurious resonances, increased 1.8 times.

По сравнению с прототипом в предложенном устройстве снижены потери пропускания в рабочей полосе частот. Устранение паразитных резонансов уменьшает ослабление пропускаемого сигнала на величину высоты (в дБ) устраненного паразитного пика "всплеска". Улучшение пропускания составило 0,7 1,4 дБ. Compared with the prototype in the proposed device reduced transmission loss in the working frequency band. Eliminating spurious resonances reduces the attenuation of the transmitted signal by the height (in dB) of the eliminated spurious peak of the “burst”. The transmittance improvement was 0.7 1.4 dB.

Наличие изогнутости выемок позволяет делать выемку достаточно компактной, а большая длина выемки (по сравнению с неизогнутым вариантом) позволяет дальше удалить частоту паразитного резонанса от средней рабочей частоты. The curvature of the recesses allows the recess to be compact enough, and the large length of the recess (compared to the non-curved version) allows you to further remove the stray resonance frequency from the average operating frequency.

Примыкание нескольких выемок разной длины к одной и той же точке щели позволяет эффективнее смещать паразитные резонансы из рабочей полосы частот, так как несколько выемок подавляют паразитный всплеск в рабочей полосе частот в нескольких частотных точках и позволяет, в итоге, сделать устранение паразитного резонанса более полным. The adjoining of several grooves of different lengths to the same point of the slit allows more efficient displacement of spurious resonances from the working frequency band, since several grooves suppress spurious bursts in the working frequency band at several frequency points and, as a result, can make the elimination of spurious resonance more complete.

Кроме того, к дополнительным достоинствам предложенного устройства относится то, что неравная длина выемок в разных вилкообразных участках позволяет избежать наложения смещенных паразитных резонансов (от разных вилкообразных участков) друг на друга за пределами рабочей полосы (так как смещение частоты паразитного резонанса пропорционально длине выемки). In addition, the additional advantages of the proposed device include the fact that the unequal length of the grooves in different fork-shaped sections allows one to avoid overlapping spurious resonances (from different fork-shaped sections) on each other outside the working band (since the frequency offset of the parasitic resonance is proportional to the length of the groove).

К дополнительным достоинствам предложенного устройства относятся малые поперечные габариты, что позволяет сделать результирующую поперечную ширину устройства равной ширине типовой трактовой 50-омной микрополосковой линии. Это позволяет улучшить согласование (уменьшить отражение СВЧ сигнала на входе) ввиду равенства волнового сопротивления трактовой линии и входного импеданса устройства,
Кроме того, к достоинствам предложенного устройства относится удобный ортогональный характер геометрии топологии (состоит преимущественно из вертикальных и горизонтальных отрезков), который адаптирован к предъявляемым требованиям по программируемому вводу и легко реализуется современными автоматизированными устройствами изготовления фотошаблонов.Additional advantages of the proposed device include small transverse dimensions, which makes it possible to make the resulting transverse width of the device equal to the width of a typical 50-ohm microstrip line. This allows you to improve matching (reduce the reflection of the microwave signal at the input) due to the equality of the wave impedance of the path line and the input impedance of the device,
In addition, the advantages of the proposed device include the convenient orthogonal nature of the geometry of the topology (consists mainly of vertical and horizontal segments), which is adapted to the requirements for programmable input and is easily implemented by modern automated devices for making photo masks.

Изготовленные опытные образцы предложенного устройства показали, что они по эксплуатационным параметрам не уступают известным аналогам и прототипу, причем топология предложенного устройства имеет удобную для реализации компактную геометрическую структуру (малые поперечные размеры). The manufactured prototypes of the proposed device showed that they are not inferior to the known analogues and prototype in operational parameters, and the topology of the proposed device has a compact geometric structure that is convenient for implementation (small transverse dimensions).

Claims

1. A comb-shaped microwave capacitor containing a dielectric substrate, on one side of which there is a conductive screen, and on the other side are two plates of conductive material separated by a dielectric meander-shaped gap, characterized in that the plates have recesses adjacent to the meander-shaped slit, the recesses being located at the base of the fork-shaped sections of the lining formed by a meander-shaped gap.

2. The capacitor according to claim 1, characterized in that the recesses are curved.

3. The capacitor according to claim 1 or 2, characterized in that several recesses of different lengths adjoin one point of the slit.