ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СВЧ-ЭЛЕКТРОНИКИ

THE ELEMENT BASE OF MICROWAVE ELECTRONICS

Anna Punina

1^st year student MIREA – Russian Technological University,

Russia. Moscow

Olga Shchipkova

1^st year student MIREA – Russian Technological University,

Russia. Moscow

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматриваются основные аспекты элементной базы СВЧ-электроники, играющей ключевую роль в проектировании радиочастотных устройств в диапазоне частот от 300 МГц до 300 ГГц. Ключевыми компонентами являются резисторы, конденсаторы и индуктивности для формирования цепей и согласования импеданса; волноводы и антенны для передачи и приема сигналов; а также микроволновые усилители, фильтры и смесители для обработки сигналов.

ABSTRACT

This article discusses the main aspects of the element base of microwave electronics, which plays a key role in the design of radio frequency devices in the frequency range from 300 MHz to 300 GHz. The key components are resistors, capacitors, and inductors for forming circuits and matching impedance; waveguides and antennas for transmitting and receiving signals; and microwave amplifiers, filters, and mixers for signal processing.

Ключевые слова: СВЧ-компоненты, фильтры, модули, усилители.

Keywords: microwave components, filters, modules, amplifiers.

Введение

Основа СВЧ-электроники состоит из компонентов и устройств, используемых в различных областях, таких как телекоммуникации, радиолокация, спутниковые системы, медицина и научные исследования.

Разработка СВЧ-устройств требует тщательного учёта влияния паразитных элементов, которые могут существенно повлиять на параметры электрических цепей. Специфика высоких частот, при которых длина волны сигнала становится соизмеримой с размерами компонентов, диктует необходимость применения специализированных методов проектирования и моделирования.

Классификация приборов: назначение и технологии

Ферритовые приборы сверхвысоких частот играют ключевую роль в СВЧ-электронике благодаря уникальным магнитным и электрическим свойствам ферритов – магнитных оксидов, чьи характеристики модифицируются под воздействием внешних факторов. Наиболее распространённым типом таких устройств являются ферритовые резонаторы и фильтры, характеризующиеся высокой добротностью и эффективностью в выделении заданных частот. Они оптимально подходят для использования в осцилляторах и генераторах, обеспечивая стабильность генерируемых частот и минимизируя потери сигнала. Помимо этого, ферриты находят применение в качестве изоляторов и циркуляторов в СВЧ-системах. Циркуляторы обеспечивают однонаправленную передачу сигнала, защищая компоненты от воздействия избыточной мощности и отражений. Изоляторы, в свою очередь, минимизируют отражения сигнала, что является критически важным фактором для поддержания качества сигнала в высокочастотных цепях.

Рисунок 1. Внешний вид ферритового циркулятора

Твердотельные приборы сверхвысокой частоты представляют собой группу электронных устройств, которые основаны на полупроводниковых материалах и используются для генерации, усиления и обработки сигналов в диапазоне СВЧ. Эти приборы значительно отличаются от традиционных электровакуумных устройств, таких как магнетроны и клистроны, благодаря своим компактным размерам, высокой эффективности и надежности. Одним из основных типов твердотельных СВЧ-приборов являются МВП (модульные вольтметры), которые используются для генерации СВЧ-сигналов. Они работают на основе диодов, таких как диоды на основе арсенида галлия (GaAs) или кремния (Si). Эти диоды могут генерировать микроволновую энергию с высокой стабильностью и точностью. Микроволновые транзисторы, такие как гемидий-гидридные (HEMT) или биполярные, также широко применяются для усиления сигналов.

Твердотельные усилители — еще одна важная категория, позволяющая усиливать СВЧ-сигналы без значительных потерь. Они обеспечивают высокий уровень выходной мощности и могут работать в различных условиях, что делает их идеальными для использования в телекоммуникациях и радиолокационных системах.

К преимуществам твердотельных СВЧ-приборов можно отнести малые размеры, низкое энергопотребление, хорошую термостабильность и меньшую чувствительность к механическим воздействиям по сравнению с их вакуумными аналогами. Это делает их высокоэффективными и универсальными в современном радиоэлектронном оборудовании. В итоге твердотельные приборы становятся всё более популярными и востребованными в различных отраслях, от мобильной связи до спутниковых технологий.

Рисунок 2. Виды твердотельных приборов (полупроводниковых приборов)

Электровакуумные приборы сверхвысокой частоты играют важную роль в различных областях науки и техники, включая радиолокацию, телекоммуникации и медицинское оборудование. Их работа в вакууме обеспечивает защиту от воздействия атмосферных газов, что положительно сказывается на характеристиках и производительности.

Магнетроны, один из наиболее известных типов электровакуумных приборов, широко используются для генерации СВЧ-излучения в микроволновых печах и радиолокационных системах. Их принцип действия основан на взаимодействии высокочастотного электрического поля с электронным потоком, что приводит к образованию мощных микроволн. Высокая эффективность и способность генерировать значительные уровни мощности делают магнетроны незаменимыми в ряде приложений.

Клистроны, другой важный тип электровакуумных приборов, применяются в качестве усилителей СВЧ-сигналов. Они обеспечивают высокую стабильность и узкую полосу пропускания, что делает их идеальными для радиосвязи и радиолокации. В отличие от магнетронов, клистроны способны работать на значительно более высокой частоте и поддерживают модуляцию сигналов, что критически важно для передачи данных.

Тетродные и триодные усилители используются для усиления слабых СВЧ-сигналов. Эти устройства могут работать как в классе A, так и в классе C, в зависимости от требований к выходной мощности и линейности. Их применение распространяется на различные области, включая телевизионную передачу и радиообмен.

Электровакуумные приборы СВЧ обладают преимуществами в отношении быстродействия и надежности. В отличие от полупроводниковых устройств, которые могут быть подвержены перегреву и другим проблемам, вакуумные приборы способны выдерживать более высокие уровни мощности и работать в более широком диапазоне температур. Это делает их предпочтительными для применения в условиях, где требуются высокая мощность и устойчивость к электромагнитным полям.

Несмотря на растущую конкуренцию со стороны твердотельных устройств, электровакуумные приборы сохраняют свою значимость в современных СВЧ-технологиях благодаря высокой мощности, надежности и возможности работы на различных частотах. В последнее время наблюдается повышенный интерес к их использованию в исследовательских проектах, связанных с развитием новых технологий, таких как квантовая электроника и высокочастотные телекоммуникации.

Рисунок 3. Электровакуумные приборы сверхвысокой частоты

Роль материалов в СВЧ-электронике

Выбор и применение разнообразных материалов играют решающую роль в обеспечении эффективности, надёжности и требуемых характеристик устройств СВЧ-техники. Каждый материал обладает уникальным набором свойств, которые напрямую влияют на производительность и функциональность СВЧ-устройств.

В основе твердотельных СВЧ-устройств лежат полупроводниковые материалы, к числу которых относятся арсенид галлия (GaAs) и кремний (Si). В последнее время всё более широкое распространение получают более современные материалы, такие как индиум-фосфид (InP) и борид титана (TiB). Выдающиеся электронные свойства арсенида галлия делают его оптимальным выбором для высокочастотных приложений.

Для изоляции и формирования структур на кристаллах полупроводников используются диэлектрические материалы, такие как диоксид кремния (SiO₂), нитрид кремния (Si₃N₄) и различные керамические материалы. Применение таких диэлектриков позволяет минимизировать потери сигнала и обеспечить необходимые электрические характеристики СВЧ-устройства.

Металлы, в том числе золото, серебро и алюминий, используются для изготовления электродов, контактов и соединений в СВЧ-устройствах. Их высокая проводимость делает их незаменимыми как при создании матриц, так и при подключении различных элементов.

Для размещения и поддержки активных и пассивных элементов в СВЧ-приборах используются различные субстраты. Наиболее распространены керамические материалы с высокой диэлектрической проницаемостью, а также полимерные основы, которые обеспечивают лёгкий вес и устойчивость к механическим повреждениям.

Пассивные и активные элементы СВЧ-диапазона

В области сверхвысокочастотной (СВЧ) электроники используются как пассивные, так и активные элементы. Каждый тип элементов выполняет специфические функции в цепях и системах, функционирующих на высоких частотах.

Пассивные элементы, не требующие внешнего источника питания, служат для управления и модуляции сигналов без их усиления. К ним относятся резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, а также разнообразные типы разъёмов и антенн. Эти компоненты играют важную роль в фильтрации сигналов, согласовании импедансов, распределении энергии и настройке импульсных сигналов.

Активные элементы, напротив, нуждаются во внешнем источнике питания и способны усиливать сигнал или выполнять более сложные функции, такие как генерация сигнала или переключение. Примерами активных элементов являются транзисторы, диоды, а также усилители и генераторы сигналов.

В современных СВЧ-системах часто комбинируются как пассивные, так и активные элементы. Такой подход обеспечивает высокую производительность, надежность и адаптивность устройств, что особенно важно в условиях динамично изменяющейся среды и требований пользователей.

Заключение

База элементной базы СВЧ-электроники представляет собой сложную инженерную систему, включающую в себя разнообразные компоненты, каждый из которых играет ключевую роль в современных технологиях передачи и обработки высокочастотных сигналов.

Непрерывное совершенствование материально-технической базы и методов производства этих компонентов способствует повышению их эксплуатационных характеристик, уменьшению габаритов и улучшению стабильности работы.

Дальнейшее развитие этой области обусловлено возрастающим спросом на увеличение скорости передачи данных, повышение надежности и миниатюризацию устройств, что делает её одной из наиболее перспективных и динамично развивающихся областей науки и техники.

Список литературы

1. Свистова Т.В. Основы микроэлектроники: учеб. пособие [Электронный ресурс]. - Электрон. текстовые и граф. данные (2,6 Мб) / Т.В. Свистова. - Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2017.
2. Б43 Белоус А.И., Мерданов М. К., Шведов С.В. СВЧ-электроника в системах радиолокации и связи. Техническая энциклопедия. В 2-х книгах. Книга 2 Москва: ТЕХНОСФЕРА, 2016.
3. Классификация СВЧ элементной базы [Электронный ресурс] -  https://ppt-online.org/36776?ysclid=m681x1lrjk690659887
4. Усилители и преобразователи СВЧ [Электронный ресурс] -https://bukwa.narod.ru/begin-05.pdf