Монолитные трансформаторы в многослойной технологии GaAs
Рассмотрено проектирование монолитных трансформаторов. Предложен способ оптимизации электромагнитных структур. Трансформаторы применены в смесителях с малыми потерями преобразования в широкой полосе частот....
Gespeichert in:
| Datum: | 2006 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
2006
|
| Schriftenreihe: | Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/53255 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Монолитные трансформаторы в многослойной технологии GaAs / Д.Б. Бондарь, А.А. Глубоков, Б.Н. Шелковников // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2006. — № 5. — С. 25-30. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-53255 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-532552014-01-19T03:14:14Z Монолитные трансформаторы в многослойной технологии GaAs Бондарь, Д.Б. Глубоков, А.А. Шелковников, Б.Н. Техника и технологии СВЧ Рассмотрено проектирование монолитных трансформаторов. Предложен способ оптимизации электромагнитных структур. Трансформаторы применены в смесителях с малыми потерями преобразования в широкой полосе частот. 2006 Article Монолитные трансформаторы в многослойной технологии GaAs / Д.Б. Бондарь, А.А. Глубоков, Б.Н. Шелковников // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2006. — № 5. — С. 25-30. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 2225-5818 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/53255 ru Технология и конструирование в электронной аппаратуре Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Техника и технологии СВЧ Техника и технологии СВЧ |
| spellingShingle |
Техника и технологии СВЧ Техника и технологии СВЧ Бондарь, Д.Б. Глубоков, А.А. Шелковников, Б.Н. Монолитные трансформаторы в многослойной технологии GaAs Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
| description |
Рассмотрено проектирование монолитных трансформаторов. Предложен способ оптимизации электромагнитных структур. Трансформаторы применены в смесителях с малыми потерями преобразования в широкой полосе частот. |
| format |
Article |
| author |
Бондарь, Д.Б. Глубоков, А.А. Шелковников, Б.Н. |
| author_facet |
Бондарь, Д.Б. Глубоков, А.А. Шелковников, Б.Н. |
| author_sort |
Бондарь, Д.Б. |
| title |
Монолитные трансформаторы в многослойной технологии GaAs |
| title_short |
Монолитные трансформаторы в многослойной технологии GaAs |
| title_full |
Монолитные трансформаторы в многослойной технологии GaAs |
| title_fullStr |
Монолитные трансформаторы в многослойной технологии GaAs |
| title_full_unstemmed |
Монолитные трансформаторы в многослойной технологии GaAs |
| title_sort |
монолитные трансформаторы в многослойной технологии gaas |
| publisher |
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України |
| publishDate |
2006 |
| topic_facet |
Техника и технологии СВЧ |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/53255 |
| citation_txt |
Монолитные трансформаторы в многослойной технологии GaAs / Д.Б. Бондарь, А.А. Глубоков, Б.Н. Шелковников // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2006. — № 5. — С. 25-30. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| series |
Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
| work_keys_str_mv |
AT bondarʹdb monolitnyetransformatoryvmnogoslojnojtehnologiigaas AT glubokovaa monolitnyetransformatoryvmnogoslojnojtehnologiigaas AT šelkovnikovbn monolitnyetransformatoryvmnogoslojnojtehnologiigaas |
| first_indexed |
2025-07-05T04:42:43Z |
| last_indexed |
2025-07-05T04:42:43Z |
| _version_ |
1836780684438405120 |
| fulltext |
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2006, ¹ 5
25
ÒÅÕÍÈÊÀ È ÒÅÕÍÎËÎÃÈÈ ÑÂ×
Äàòà ïîñòóïëåíèÿ â ðåäàêöèþ
12.07 2005 ã. � 12.09 2006 ã.
Îïïîíåíòû ä. ò. í. Ê. Ñ. ÑÓÍÄÓ×ÊÎÂ
(ÍÊÀÓ, ã. Êèåâ),
Â. È. ÌÀÉ (ÍÏÏ "Ñàòóðí", ã. Êèåâ)
ÌÎÍÎËÈÒÍÛÅ ÒÐÀÍÑÔÎÐÌÀÒÎÐÛ
 ÌÍÎÃÎÑËÎÉÍÎÉ ÒÅÕÍÎËÎÃÈÈ GaAs
Ä. Á. ÁÎÍÄÀÐÜ, À. À. ÃËÓÁÎÊÎÂ, ê. ò. í. Á. Í. ØÅËÊÎÂÍÈÊÎÂ
Óêðàèíà, ÍÒÓÓ "Êèåâñêèé ïîëèòåõíè÷åñêèé èíñòèòóò"
Å-mail: bshelk@inbox.ru
Ðàññìîòðåíî ïðîåêòèðîâàíèå ìîíîëèò-
íûõ òðàíñôîðìàòîðîâ. Ïðåäëîæåí ñïî-
ñîá îïòèìèçàöèè ýëåêòðîìàãíèòíûõ
ñòðóêòóð. Òðàíñôîðìàòîðû ïðèìåíåíû
â ñìåñèòåëÿõ ñ ìàëûìè ïîòåðÿìè ïðåîá-
ðàçîâàíèÿ â øèðîêîé ïîëîñå ÷àñòîò.
Ìîíîëèòíûå ïëàíàðíûå òðàíñôîðìàòîðû [1, 2] íà-
øëè øèðîêîå ïðèìåíåíèå â ñîâðåìåííîé ìèêðîýëåê-
òðîíèêå, â ÷àñòíîñòè â òåõíèêå ÑÂ×. Òàê, èõ èñïîëü-
çîâàíèå â óñèëèòåëÿõ ìîùíîñòè è ñìåñèòåëÿõ ïîçâî-
ëÿåò çàìåòíî óëó÷øèòü ôóíêöèîíàëüíûå õàðàêòåðèñ-
òèêè èçäåëèé. Â ñõåìàõ ñìåñèòåëåé, íàïðèìåð, òðàíñ-
ôîðìàòîðû âûïîëíÿþò ñîãëàñóþùóþ, ðàçâÿçûâàþ-
ùóþ è ñåëåêòîðíóþ ôóíêöèè. Ïåðâàÿ çàêëþ÷àåòñÿ â
ñîãëàñîâàíèè èìïåäàíñîâ äëÿ ñîáëþäåíèÿ óñëîâèÿ
ïåðåäà÷è ìàêñèìàëüíîé ìîùíîñòè è ìèíèìàëüíûõ ïî-
òåðü. Ðàçâÿçûâàþùàÿ è ñåëåêòîðíàÿ ôóíêöèè îáåñ-
ïå÷èâàþò ðàçäåëåíèå ìîäóëèðîâàííîãî ñèãíàëà è ïðî-
ìåæóòî÷íîé ÷àñòîòû, à òàêæå ïîäàâëåíèå ïàðàçèòíûõ
ïðîäóêòîâ ìîäóëÿöèè.
Íàèáîëåå øèðîêî êîíñòðóêöèè òðàíñôîðìàòîðîâ è
èõ õàðàêòåðèñòèêè ïðåäñòàâëåíû â ñèëèêîíîâûõ òåõ-
íîëîãèÿõ CMOS, BiCMOS. Öåëüþ äàííîé ðàáîòû ÿâ-
ëÿåòñÿ èññëåäîâàíèå è ðàçðàáîòêà êîíñòðóêöèé òðàíñ-
ôîðìàòîðîâ â ìíîãîñëîéíîé GaAs-òåõíîëîãèè, ïðå-
èìóùåñòâàìè êîòîðîé ÿâëÿþòñÿ íåáîëüøèå ðàçìåðû
ýëåêòðîìàãíèòíîé ñòðóêòóðû (ÝÌ-ñòðóêòóðû) è íåäî-
ðîãîé ïðîöåññ åå èçãîòîâëåíèÿ, à òàêæå øèðîêîïî-
ëîñíîñòü è âîçìîæíîñòü âûïîëíèòü êîíñòðóêöèþ ñìå-
ñèòåëÿ èëè óñèëèòåëÿ â åäèíîé ìîíîëèòíîé ñòðóêòóðå.
Êàê âèäíî èç ðèñ. 1, òåõíîëîãèÿ GaAs ïîçâîëÿåò
ðåàëèçîâàòü íåñêîëüêî äèýëåêòðè÷åñêèõ è ìåòàëëè-
÷åñêèõ ñëîåâ. Ýòî äàåò âîçìîæíîñòü ñîçäàâàòü âåð-
òèêàëüíûå èíäóêòèâíûå ñâÿçè, óìåíüøàòü ïàðàçèòíûå
åìêîñòíûå ñâÿçè è ïðîåêòèðîâàòü áîëåå êîìïàêòíûå
ÝÌ-ñòðóêòóðû.
Ê íàñòîÿùåìó âðåìåíè ïðåäëîæåíî ìíîãî êîí-
ñòðóêöèé òðàíñôîðìàòîðîâ â òåõíîëîãèÿõ LTCC,
CMOS, BiCMOS, RFIC [1�7]. Àâòîðàìè áûëè ïðåä-
ëîæåíû êîíñòðóêöèè â GaAs-òåõíîëîãèè â ðàáîòå [2].
Îäíàêî äî ýòîãî ìîìåíòà íå áûëî óñòàíîâëåíî ÷åòêî-
ãî ñîîòâåòñòâèÿ ìåæäó êîíñòðóêòèâíûìè ðàçìåðàìè
è ýëåêòðè÷åñêèìè õàðàêòåðèñòèêàìè ÝÌ-ñòðóêòóð. Â
äàííîé ðàáîòå ïðîâîäèòñÿ àíàëèç çàâèñèìîñòè îñíîâ-
íûõ õàðàêòåðèñòèê òðàíñôîðìàòîðîâ (êîýôôèöèåíòîâ
ïåðåäà÷è è îòðàæåíèÿ, ðàáî÷åé ïîëîñû) îò îñîáåííî-
ñòåé êîíñòðóêöèè è ðàçìåðîâ.
Êîíñòðóêöèÿ òðàíñôîðìàòîðà
Ðàññìîòðèì òèïè÷íóþ êîíñòðóêöèþ ìîíîëèòíîãî
ñîñðåäîòî÷åííîãî ïëàíàðíîãî òðàíñôîðìàòîðà (ðèñ. 2).
Îí ñîñòîèò èç äâóõ îáìîòîê (ïî òðè âèòêà â êàæäîé),
âûïîëíåííûõ èç ñåðåáðà è ðàñïîëîæåííûõ â ñëîå
ïîëèàìèäà ñ îòíîñèòåëüíîé äèýëåêòðè÷åñêîé ïðîíè-
öàåìîñòüþ ε=2,8. Âòîðè÷íàÿ îáìîòêà èìååò ñðåäíèé
âûâîä äëÿ ïîëó÷åíèÿ ïîëîâèííîãî íàïðÿæåíèÿ.
Òðàíñôîðìàòîð âûïîëíåí íà ïîäëîæêå èç GaAs è
èìååò ïëîùàäü 1 ìì2.
Ôèçè÷åñêèå ïðîöåññû, ïðîèñõîäÿùèå â òàêîì
òðàíñôîðìàòîðå, óäîáíî ïîÿñíèòü ñ ïîìîùüþ ýêâè-
âàëåíòíîé ýëåêòðè÷åñêîé ñõåìû, ïðåäëîæåííîé Êåð-
ðåðîì â [1] (ðèñ. 3), ãäå
ñîáñòâåííûå èíäóêòèâíîñòè îáìîòîê;
âçàèìíûå èíäóêòèâíîñòè îáìîòîê;
îìè÷åñêèå ñîïðîòèâëåíèÿ îáìîòîê;
ïàðàçèòíûå åìêîñòíûå ñâÿçè ìåæäó ïåðâè÷íîé è
âòîðè÷íîé îáìîòêàìè;
ïàðàçèòíûå åìêîñòíûå ñâÿçè ìåæäó îáìîòêàìè è
ïîäëîæêîé;
ðåçèñòèâíûå ïîòåðè â ïîäëîæêå.
L1, L2, L3 �
Ì12, Ì13 �
R2, R3, R4 �
Ñ1, Ñ4 �
Ñ2, Ñ3, Ñ5 �
R1, R5, R6 �Ðèñ. 1. ÝÌ-ñòðóêòóðà â òåõíîëîãèè GaAs
Ñëîé 2: 4 ìêì
Ñëîé 1: 2 ìêì
Ïîëèàìèä
Ïëàñòèíà GaAs
Ñëîé 0
Ðèñ. 2. Òèïè÷íàÿ ñòðóê-
òóðà ìîíîëèòíîãî ïëà-
íàðíîãî òðàíñôîðìà-
òîðà
Y
Z
26
ÒÅÕÍÈÊÀ È ÒÅÕÍÎËÎÃÈÈ ÑÂ×
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2006, ¹ 5
Ðàññìîòðèì âëèÿíèå ýòèõ ïàðàìåòðîâ íà õàðàêòå-
ðèñòèêè òðàíñôîðìàòîðà.
Ñîáñòâåííûå èíäóêòèâíîñòè îáìîòîê îáåñïå÷èâà-
þò ìàãíèòíóþ ñâÿçü ìåæäó îáìîòêàìè è, ñëåäîâà-
òåëüíî, âëèÿþò íà êîýôôèöèåíòû ïåðåäà÷è S13, S14,
S15, S25, S24 è S23. Âåëè÷èíà ñîáñòâåííîé èíäóêòèâíî-
ñòè ïåðâè÷íîé îáìîòêè ìîæåò áûòü îïðåäåëåíà [2]
èç ÷àñòîòíûõ çàâèñèìîñòåé Z-ïàðàìåòðîâ ñëåäóþùèì
îáðàçîì:
{ }( )12abs Im
,
2
Z
L
f
=
π
Êàê ñëåäóåò èç ôîðìóëû, âåëè÷èíà èíäóêòèâíîñ-
òè îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíà ÷àñòîòå: L óìåíüøàåòñÿ
ïðè óâåëè÷åíèè f. Ýêñïåðèìåíòàëüíûé ãðàôèê çàâè-
ñèìîñòè èíäóêòèâíîñòè ïåðâè÷íîé îáìîòêè ðàññìàò-
ðèâàåìîãî òðàíñôîðìàòîðà îò ÷àñòîòû (ðèñ. 4) ïîä-
òâåðæäàåò ñêàçàííîå âûøå.
Íåîäíîðîäíîñòü õàðàêòåðèñòèêè íà ÷àñòîòå 4 ÃÃö
îáóñëîâëåíà íàëè÷èåì ñîáñòâåííîãî ðåçîíàíñà îá-
ìîòêè, êîòîðûé âîçíèêàåò, åñëè èíäóêòèâíîñòü ïåð-
âè÷íîé îáìîòêè îáðàçóåò êîëåáàòåëüíûé êîíòóð ñ
åìêîñòÿìè Ñ2, Ñ3 è Ñ5 (ðèñ. 3). Ýòî ïàðàçèòíûå åì-
êîñòíûå ñâÿçè ìåæäó îáìîòêîé è ïîäëîæêîé, èõ âå-
ëè÷èíû îïðåäåëÿþòñÿ ïî ôîðìóëå
( )202
1
fL
C
π
= ,
ãäå f0 � ÷àñòîòà ñîáñòâåííîãî ðåçîíàíñà.
Çíàÿ âåëè÷èíó Ñ, ìîæíî íà îïðåäåëåííîé ÷àñòîòå
fê óñòðàíèòü (èëè óìåíüøèòü) åå âëèÿíèå ïóòåì âêëþ-
÷åíèÿ êîìïåíñèðóþùåé èíäóêòèâíîñòè âåëè÷èíîé
( )
2
0
ê 2
êê
1
2
f
L L
fÑ f
= =
π
.
Ðàññìîòðèì òðè ñòðóêòóðû òðàíñôîðìàòîðîâ ñ
ðàçëè÷íûì êîëè÷åñòâîì âèòêîâ â îáìîòêàõ: 4, 5 è 6,
ñîîòâåòñòâåííî. Âñå îíè èìåþò îêòàãîíàëüíóþ ôîð-
ìó. Îáìîòêè òðàíñôîðìàòîðîâ ðàñïîëîæåíû â äâóõ
ìåòàëëè÷åñêèõ ñëîÿõ è èìåþò âåðòèêàëüíûå ìàãíèò-
íûå ñâÿçè.
Ïðåèìóùåñòâà äàííîé êîíñòðóêöèè ïåðåä îêòàãî-
íàëüíîé îäíîñëîéíîé çàêëþ÷àþòñÿ â ëó÷øåé ìàãíèò-
íîé ñâÿçè ïðè ìåíüøåì çíà÷åíèè ïàðàçèòíûõ åìêîñ-
òåé, à òàêæå â âîçìîæíîñòè èçìåíÿòü çíà÷åíèÿ ÷àñòî-
òû ñîáñòâåííîãî ðåçîíàíñà ïóòåì èçìåíåíèÿ ðàññòî-
ÿíèÿ ìåæäó âèòêàìè ïî ãîðèçîíòàëè è âåðòèêàëè.
Ïðåèìóùåñòâî òàêîé ñòðóêòóðû ïåðåä òåòðàãîíàëü-
íîé äâóõñëîéíîé ñòðóêòóðîé � ëó÷øàÿ ñîãëàñîâàí-
íîñòü íà ïîâîðîòàõ îáìîòîê, âûïîëíåííûõ ïîä óã-
ëîì 45°, à íå 90°. Ïðè èçìåíåíèè êàêîãî-ëèáî ðàçìå-
ðà ìåíÿþòñÿ ýëåêòðè÷åñêèå è ìàãíèòíûå ñâÿçè, à ñëå-
äîâàòåëüíî, è õàðàêòåðèñòèêè ñòðóêòóðû â öåëîì.
Ïîýòîìó âîçíèêàåò çàäà÷à èññëåäîâàíèÿ çàâèñèìîñ-
òåé ýëåêòðè÷åñêèõ ñâîéñòâ îò êîíñòðóêöèè.
Ïðåäëàãàåòñÿ ðåøàòü ýòó çàäà÷ó ñ ïîìîùüþ ïðî-
ãðàììèðîâàíèÿ êîíñòðóêöèè, ò. å. ââåäåíèÿ ïåðåìåí-
íûõ âìåñòî ÷èñëîâûõ ðàçìåðîâ è çàäàíèÿ êîíñòðóê-
òèâíûõ ñîîòíîøåíèé ñ ïîìîùüþ ôîðìóë. Ïðèìåð òà-
êîãî çàäàíèÿ ïðèâåäåí â òàáëèöå.
Êîîðäèíàòû õàðàêòåðíûõ òî÷åê ìîíîëèòíîé êîí-
ñòðóêöèè âûðàæàþòñÿ (ðèñ. 5) ÷åðåç çàäàííûå ïåðå-
ìåííûå [2]. Òàê, êîîðäèíàòû âåðøèí ÷åòûðåõóãîëü-
íèêà ABCD ñîîòâåòñòâåííî èìåþò âèä:
ãäå abs(Im{Z12}) �
f �
àáñîëþòíàÿ âåëè÷èíà ìíèìîé ÷àñòè ïàðàìåò-
ðà Z12, õàðàêòåðèçóþùåãî ñîïðîòèâëåíèå ïåð-
âè÷íîé îáìîòêè;
÷àñòîòà, íà êîòîðîé îïðåäåëÿåòñÿ âåëè÷èíà
èíäóêòèâíîñòè.
Íàçâàíèå Çíà÷åíèå Åä. èçì. Îïèñàíèå
w 30 ìêì Øèðèíà ìèêðîïîëîñêè
s 10 ìêì Ðàññòîÿíèå ìåæäó âèòêàìè
dX w/(2 sqrt(2)) — Âñïîìîãàòåëüíàÿ ïåðåìåííàÿ 1
Lvia 2,5 (s+w) — Âñïîìîãàòåëüíàÿ ïåðåìåííàÿ 2
Hvia 40 ìêì Âûñîòà ïåðåõîäà ìåæäó ñëîÿìè
·
·
Ðèñ. 3. Ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà ïëàíàðíîãî òðàíñôîðìàòîðà
C2
C1
C3
C5
C4
R1 R2
R3
R4
R5
R6
L1
L2
L3
M12
M13
Ðèñ. 4. Çàâèñèìîñòü èíäóêòèâíîñòè ïåðâè÷íîé îáìîòêè
3-âèòêîâîãî òðàíñôîðìàòîðà îò ÷àñòîòû
1 2 3 4 5 6 7 8 f, ÃÃö
L, íÃ
80
60
40
20
0
Ðèñ. 5. Ïàðàìåòðû êîíñòðóêöèè òðàíñôîðìàòîðà
0
Y
RVia
C
B
A
D
X
w/2
d
s
2r
w
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2006, ¹ 5
27
ÒÅÕÍÈÊÀ È ÒÅÕÍÎËÎÃÈÈ ÑÂ×
(w; R1); (w; w+R1);
1 1
2 2 2 2
; ; ; ,
2 2 2 2 2 2Via Via Via
w w
R R R R R
− − − +
.
Èñïîëüçîâàíèå òàêîãî ïîäõîäà ïîçâîëÿåò ñ ïîìî-
ùüþ ÝÂÌ ëåãêî îïòèìèçèðîâàòü ðàçìåðû ñòðóêòó-
ðû, ïîëó÷èâ íàèëó÷øèå êà÷åñòâåííûå ïîêàçàòåëè.
Ðàñïðåäåëåíèå ïîëåé â ÝÌ-ñòðóêòóðå
Ïðè ïðîåêòèðîâàíèè ÝÌ-ñòðóêòóðû íåîáõîäèìî
óäåëèòü âíèìàíèå ðàñïðåäåëåíèþ ýëåêòðîìàãíèòíî-
ãî ïîëÿ. Ýòî ïîçâîëÿåò îáåñïå÷èòü íàèëó÷øèå óñëî-
âèÿ ðàñïðîñòðàíåíèÿ âîëí: îäíîðîäíîñòü, ðåãóëÿð-
íîñòü ñòðóêòóðû, íåîáõîäèìûå ñîîòíîøåíèÿ ìåæäó
ðàçìåðàìè ìèêðîïîëîñîê è äëèíîé âîëíû. Ïðèìåð
ðàñïðåäåëåíèÿ ìàãíèòíîãî ïîëÿ äëÿ ìîäåëèðóåìîãî
5-âèòêîâîãî òðàíñôîðìàòîðà ïðèâåäåí íà ðèñ. 6.
Âåêòîðû Å è Í èìåþò íóëè è ïîëþñà. Î÷åâèäíî,
÷òî èíäóêòèâíàÿ ñâÿçü ìåæäó ìåòàëëè÷åñêèìè ñëîÿ-
ìè áóäåò ìàêñèìàëüíîé â ïîëþñàõ âåêòîðà Í, à ìè-
íèìàëüíîé � â åãî íóëåâûõ òî÷êàõ. Ýòî æå ñïðàâåä-
ëèâî è äëÿ ýëåêòðè÷åñêîãî âåêòîðà Å, ò. å. ïàðàçèòíàÿ
åìêîñòíàÿ ñâÿçü áóäåò íàèáîëüøåé â ïîëþñàõ, à ìè-
íèìàëüíîé � â íóëÿõ âåêòîðà Å. (Äàííàÿ èíôîðìà-
öèÿ ìîæåò áûòü ïîëåçíà êàê ïðè ïðîåêòèðîâàíèè íî-
âûõ êîíñòðóêöèé òðàíñôîðìàòîðîâ, òàê è ïðè èññëå-
äîâàíèè ñóùåñòâóþùèõ.)
Ðåçóëüòàòû ìîäåëèðîâàíèÿ òðàíñôîðìàòîðîâ
Áûë ïðîâåäåí ñðàâíèòåëüíûé àíàëèç òðàíñôîðìà-
òîðîâ òðåõ òèïîâ, èìåþùèõ ñîîòâåòñòâåííî 4, 5 è 6
âèòêîâ â ïåðâè÷íîé è âòîðè÷íîé îáìîòêàõ (äàëåå �
Òð4, Òð5 è Òð6). Ïðè ìîäåëèðîâàíèè èñïîëüçîâàëñÿ
ïðîãðàììíûé ïðîäóêò «Ansoft HFSS» [8]. Ïðåäëàãà-
åìûé àëãîðèòì èññëåäîâàíèÿ ñîñòîèò èç ñëåäóþùèõ
ýòàïîâ:
1. Çàäàòü ïåðåìåííûå â êîíñòðóêöèè.
2. Ïðîâåñòè ìîäåëèðîâàíèå äëÿ èñõîäíûõ ðàçìåðîâ.
3. Èçìåíèòü çíà÷åíèå ïåðåìåííûõ è ïðîâåñòè ìî-
äåëèðîâàíèå.
4. Ïîâòîðèòü ïï. 1�4 äëÿ íåñêîëüêèõ èòåðàöèé.
5. Ïîñòðîèòü ãðàôèêè çàâèñèìîñòåé èíòåðåñóþ-
ùèõ õàðàêòåðèñòèê îò êîíñòðóêòèâíûõ ðàçìåðîâ.
6. Ïðîâåñòè àïïðîêñèìàöèþ êðèâûõ äëÿ òî÷åê, â
êîòîðûõ ñ÷åò íå ïðîâîäèëñÿ.
7. Îïðåäåëèòü ïî ãðàôèêàì îïòèìóì è ñîîòâåò-
ñòâóþùåå çíà÷åíèå ðàçìåðà ýëåìåíòà êîíñòðóêöèè.
8. Óñòàíîâèòü íàéäåííîå çíà÷åíèå äëÿ ñîîòâåòñòâó-
þùåé ïåðåìåííîé è ïðîâåñòè ìîäåëèðîâàíèå.
Íèæå ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèÿ õàðàê-
òåðèñòèê òðàíñôîðìàòîðîâ â çàâèñèìîñòè îò çíà÷å-
íèé êîíñòðóêòèâíûõ ðàçìåðîâ.
Çàâèñèìîñòü îò êîëè÷åñòâà âèòêîâ.
 ðåçóëüòàòå ìîäåëèðîâàíèÿ áûëè ïîëó÷åíû çàâè-
ñèìîñòè êîýôôèöèåíòîâ ïåðåäà÷è òðàíñôîðìàòîðà îò ÷à-
ñòîòû. Ïîñêîëüêó ñòðóêòóðà òðàíñôîðìàòîðà ñèììåò-
ðè÷íàÿ, òî ãðàôèêè S-ïàðàìåòðîâ S15 è S23 ñîâïàäàþò.
Ñ óâåëè÷åíèåì ÷èñëà âèòêîâ ðàáî÷àÿ ïîëîñà íå-
ìíîãî ñóæàåòñÿ è ñìåùàåòñÿ âëåâî. Òàê, äëÿ òðàíñ-
ôîðìàòîðà ñ 6 âèòêàìè îíà ñîñòàâëÿåò 0,6�6,5 ÃÃö, à
äëÿ òðàíñôîðìàòîðà ñ 5 âèòêàìè � 1,0�10,4 ÃÃö (ïî
óðîâíþ �10 äÁ). Î÷åâèäíî, ÷òî äëÿ ñîçäàíèÿ íèçêî÷à-
ñòîòíîãî òðàíñôîðìàòîðà íåîáõîäèìî óâåëè÷èâàòü êî-
ëè÷åñòâî âèòêîâ.
Íî ÷èñëî âèòêîâ òðàíñôîðìàòîðîâ îãðàíè÷åíî èç
ñëåäóþùèõ ñîîáðàæåíèé. Ïðè ôèêñèðîâàííûõ ðàç-
ìåðàõ ïîäëîæêè, íàïðèìåð 1×1 ìì, óâåëè÷åíèå êî-
ëè÷åñòâà âèòêîâ ìîæåò äîñòèãàòüñÿ:
� óìåíüøåíèåì øèðèíû ìèêðîïîëîñîê;
� óìåíüøåíèåì ðàññòîÿíèÿ ìåæäó âèòêàìè;
� óìåíüøåíèåì âíóòðåííåãî äèàìåòðà îáìîòîê.
Ïåðâûé ñïîñîá îãðàíè÷åí, ò. ê. ïðè óìåíüøåíèè
øèðèíû ìèêðîïîëîñîê óâåëè÷èâàþòñÿ âîëíîâûå ñî-
ïðîòèâëåíèÿ, ÷òî â êîíå÷íîì èòîãå ïðèâîäèò ê íåñî-
ãëàñîâàííîñòè èìïåäàíñîâ òðàíñôîðìàòîðà è äðóãèõ
ýëåìåíòîâ ñìåñèòåëÿ. Æåëàòåëüíûì ÿâëÿåòñÿ 50-îì-
íîå ñîïðîòèâëåíèå ïîðòîâ, ÷òî èìååò ìåñòî ïðè çíà-
÷åíèÿõ w ïîðÿäêà 30 ìêì.
Âòîðîé ñïîñîá òàêæå íå íàõîäèò øèðîêîãî ïðè-
ìåíåíèÿ èç-çà çíà÷èòåëüíîãî óâåëè÷åíèÿ ïàðàçèòíûõ
åìêîñòíûõ ñâÿçåé ïðè ñîêðàùåíèè ðàññòîÿíèÿ ìåæ-
äó ìèêðîïîëîñêàìè. Òàê, â ëèòåðàòóðå ðåêîìåíäóåò-
ñÿ èñïîëüçîâàòü çíà÷åíèÿ s=w. Äîïóñòèìûìè íà ïðàê-
òèêå ìîãóò áûòü òàêæå çíà÷åíèÿ s ïîðÿäêà w/2.
Òðåòèé ñïîñîá ÿâëÿåòñÿ íàèáîëåå èíòåðåñíûì äëÿ
ðàññìîòðåíèÿ, ò. ê. ïîçâîëÿåò øèðîêî âàðüèðîâàòü ïà-
ðàìåòðû òðàíñôîðìàòîðà. Ïðàêòèêà ìîäåëèðîâàíèÿ
ïîêàçûâàåò, ÷òî íàèáîëüøèé êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è
ïîëó÷àåòñÿ ïðè çíà÷åíèÿõ âíóòðåííåãî äèàìåòðà îá-
ìîòîê íå ìåíåå 2w.
Òàêèì îáðàçîì, ìîæíî ïîäñ÷èòàòü ìàêñèìàëüíîå
êîëè÷åñòâî âèòêîâ äëÿ äàííîé òåõíîëîãèè èç óðàâíåíèÿ
2w+2(nw+(n�1)s+d)=1000 ìêì,
Ðèñ. 6. Ðàñïðåäåëåíèå ìàãíèòíîãî ïîëÿ äëÿ 5-âèòêîâîãî
òðàíñôîðìàòîðà
z
y
x
øèðèíà âèòêà;
âíóòðåííèé ðàäèóñ;
ðàäèóñ ìåæñëîéíîãî ñîåäèíåíèÿ.
ãäå w �
r �
RVia �
êîëè÷åñòâî âèòêîâ;
ðàñòîÿíèå ìåæäó âèòêàìè;
ðàññòîÿíèå îò ïîñëåäíåãî âèòêà äî ãðàíèöû ïîäëîæêè
(ðèñ. 5).
ãäå n �
s �
d �
28
ÒÅÕÍÈÊÀ È ÒÅÕÍÎËÎÃÈÈ ÑÂ×
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2006, ¹ 5
Ðåçóëüòàòû ìîäåëèðîâàíèÿ ïîêàçûâàþò, ÷òî d äîë-
æíî áûòü íå ìåíåå 2w. Òîãäà èìååì:
2w+2nw+2(n�1)w/2+4w=1000;
w(2+2n+n�1+4)=1000;
30(5+3n)=1000;
90n=850;
n=9.
Òàêèì îáðàçîì, êîëè÷åñòâî âèòêîâ îáìîòîê îãðà-
íè÷åíî è â äàííîì ïðèìåðå íå äîëæíî ïðåâûøàòü 9.
Ðåêîìåíäóåìîå êîëè÷åñòâî âèòêîâ äëÿ òðàíñôîðìà-
òîðîâ äàííîãî äèàïàçîíà � 4�6.
Çàâèñèìîñòè îò âûñîòû ïîäëîæêè, øèðèíû ìèê-
ðîïîëîñêè è ðàññòîÿíèÿ ìåæäó âèòêàìè.
Ïðîâîäèëîñü ìîäåëèðîâàíèå äàííîé ñòðóêòóðû
ïðè ðàçëè÷íûõ çíà÷åíèÿõ âûñîòû ïîäëîæêè, øèðè-
íû ìèêðîïîëîñêè è ðàññòîÿíèÿ ìåæäó âèòêàìè, â
ðåçóëüòàòå ÷åãî áûëè ïîëó÷åíû çàâèñèìîñòè S-ïàðà-
ìåòðîâ îò ýòèõ âåëè÷èí. Íà îñíîâàíèè ïîëó÷åííîé
èíôîðìàöèè ïðîâîäèëàñü îïòèìèçàöèÿ êîíñòðóêöèè
òðàíñôîðìàòîðà.
Óñòàíîâëåíî, ÷òî ðàáî÷àÿ ïîëîñà øèðå äëÿ òðàíñ-
ôîðìàòîðîâ ñ áîëüøåé âûñîòîé ïîäëîæêè, ÷òî îáóñ-
ëîâëåíî óâåëè÷åíèåì ÷àñòîòû ñîáñòâåííîãî ðåçîíàí-
ñà. Êàê èçâåñòíî, ÷àñòîòà ñîáñòâåííîãî ðåçîíàíñà âû-
ðàæàåòñÿ ôîðìóëîé
( )0 1 2 ,f LC= π
Ïðè óâåëè÷åíèè ðàññòîÿíèÿ óìåíüøàåòñÿ ïàðàçèò-
íàÿ åìêîñòü è ñîîòâåòñòâåííî óâåëè÷èâàåòñÿ f0, ÷òî
ïðèâîäèò ê ðàñøèðåíèþ ðàáî÷åé ïîëîñû ÷àñòîò òðàíñ-
ôîðìàòîðà.
Òàêæå èññëåäîâàëèñü çàâèñèìîñòè S-ïàðàìåòðîâ
îò âíóòðåííåãî äèàìåòðà îáìîòîê À=2r. Óñòàíîâëå-
íî, ÷òî ðàáî÷èé äèàïàçîí ñìåùàåòñÿ â îáëàñòü áîëåå
íèçêèõ ÷àñòîò ïðè óâåëè÷åíèè ýòîãî ðàçìåðà.
Ìîäåëèðîâàíèå ïîêàçàëî, ÷òî çàâèñèìîñòü ÷àñ-
òîòíûõ õàðàêòåðèñòèê S-ïàðàìåòðîâ îò øèðèíû ìèê-
ðîïîëîñêè íåëèíåéíàÿ. Íàèáîëåå øèðîêàÿ ðàáî÷àÿ
ïîëîñà (0,5�7 ÃÃö ) íàáëþäàåòñÿ ïðè w=10, íî
ïðè ýòîì êîýôôèöèåíò îòðàæåíèÿ äîâîëüíî âåëèê:
�14<S33<�12. Íàèìåíüøèé êîýôôèöèåíò îòðàæåíèÿ
(�15<S33<�18) íàáëþäàåòñÿ ïðè w=30, íî â óçêîé
ïîëîñå ÷àñòîò (0,9�2 ÃÃö).
Ñåìåéñòâà çàâèñèìîñòåé ÷àñòîòíûõ õàðàêòåðèñòèê
S-ïàðàìåòðîâ îò ðàññòîÿíèÿ ìåæäó âèòêàìè s èìåþò
ñëåäóþùèé õàðàêòåð. Ðàáî÷àÿ ïîëîñà òðàíñôîðìàòî-
ðà ðàñøèðÿåòñÿ ïðè óâåëè÷åíèè s äî 10 ìêì. Ýòî ñâÿ-
çàíî ñ óìåíüøåíèåì âåëè÷èíû ïàðàçèòíûõ åìêîñòåé
è, ñîîòâåòñòâåííî, óâåëè÷åíèåì ÷àñòîòû ñîáñòâåííî-
ãî ðåçîíàíñà, ÷òî è ïðèâîäèò ê ðàñøèðåíèþ ïîëîñû.
S-ïàðàìåòðû òðàíñôîðìàòîðîâ.
Èç ïîëó÷åííûõ ðåçóëüòàòîâ èññëåäîâàíèÿ âûáå-
ðåì íàèëó÷øèå è ïðåäñòàâèì äëÿ íèõ ðåçóëüòàòû ìî-
äåëèðîâàíèÿ â âèäå ãðàôèêîâ çàâèñèìîñòåé êîýô-
ôèöèåíòîâ ïåðåäà÷è è êîýôôèöèåíòîâ îòðàæåíèÿ îò
÷àñòîòû (ðèñ. 7).
Ìîäåëèðîâàíèå ñìåñèòåëåé íà îñíîâå òðàíñôîð-
ìàòîðîâ Òð4, Òð5 è Òð6
Íà îñíîâå ïîëó÷åííûõ òðàíñôîðìàòîðîâ áûëè
ïîñòðîåíû áàëàíñíûå êîëüöåâûå ñìåñèòåëè. Ïðè ýòîì
èññëåäîâàëèñü íàèáîëåå âàæíûå õàðàêòåðèñòèêè ñìå-
ñèòåëåé: ïîòåðè ïðåîáðàçîâàíèÿ, 1-äÁ-òî÷êà êîìïðåñ-
ñèè, øóìû, äèíàìè÷åñêèé äèàïàçîí, èíòåðìîäóëÿöè-
îííûå èñêàæåíèÿ (IMD), èçîëÿöèÿ ïîðòîâ. Ðåçóëüòà-
òû ìîäåëèðîâàíèÿ ñìåñèòåëÿ ñ ïîìîùüþ ïðîãðàì-
ìíîãî ïðîäóêòà "ADS" [9] ïðèâåäåíû íà ðèñ. 8�10.
èíäóêòèâíîñòü ÝÌ-ñòðóêòóðû;
ïàðàçèòíàÿ åìêîñòü (â äàííîì ñëó÷àå ìåæäó ïîäëîæêîé è
ìåòàëëè÷åñêèì ñëîåì).
ãäå L �
Ñ �
Ðèñ. 7. S-ïàðàìåòðû òðàíñôîðìàòîðîâ Òð6:
a � w=30 ìêì; á � w=20 ìêì; â � w=15 ìêì;
1 � êîýôôèöèåíòû ïåðåäà÷è S(1,5); 2 � êîýôôèöèåíòû îòðà-
æåíèÿ S(1,1)
á)
�5
�10
�15
�20
�25
0 5 10
1
2
S-
ïà
ðà
ì
åò
ðû
,
äÁ
×àñòîòà, ÃÃö
0
�5
�10
�15
�20
�25
×àñòîòà, ÃÃö
0 5 10
à)
1
2
S-
ïà
ðà
ì
åò
ðû
,
äÁ
â)
0 5 10
�5
�10
�15
�20
�25
1
2
S-
ïà
ðà
ì
åò
ðû
,
äÁ
×àñòîòà, ÃÃö
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2006, ¹ 5
29
ÒÅÕÍÈÊÀ È ÒÅÕÍÎËÎÃÈÈ ÑÂ×
Ðèñ. 9. Õàðàêòåðèñòèêè ñìåñèòåëÿ íà îñíîâå òðàíñôîðìàòîðà Òð4:
à � ïîòåðè ïðåîáðàçîâàíèÿ; á � êîýôôèöèåíò øóìà
Ï
îò
åð
è
ïð
åî
áð
àç
îâ
àí
èÿ
,
äÁ
×àñòîòà, ÃÃö
a) 0
�20
�40
�60
�80
1 3 5 7 9
Ê
îý
ô
ô
èö
èå
íò
ø
óì
à,
ä
Á
×àñòîòà, ÃÃö
á)
60
40
20
0
1 3 5 7 9
Ðèñ. 10. Õàðàêòåðèñòèêè ñìåñèòåëÿ íà îñíîâå òðàíñôîðìàòîðà Òð6:
à � ïîòåðè ïðåîáðàçîâàíèÿ; á � êîýôôèöèåíò øóìà
Ï
îò
åð
è
ïð
åî
áð
àç
îâ
àí
èÿ
,
äÁ
×àñòîòà, ÃÃö
a)
0
�20
�40
�60
0 2 4 6 8 10
Ê
îý
ô
ô
èö
èå
íò
ø
óì
à,
ä
Á
×àñòîòà, ÃÃö
a)
50
40
30
20
10
0 2 4 6 8 10
Ðèñ. 8. Õàðàêòåðèñòèêè ñìåñèòåëÿ íà îñíîâå òðàíñôîðìàòîðà Òð5:
à � ïîòåðè ïðåîáðàçîâàíèÿ; á � êîýôôèöèåíò øóìà; â � èíòåðìîäóëÿöèîííûå èñêàæåíèÿ; ã � àìïëèòóäíàÿ õàðàêòåðèñòèêà
Ï
îò
åð
è
ïð
åî
áð
àç
îâ
àí
èÿ
,
äÁ
×àñòîòà, ÃÃö
à)
0
�20
�40
�60
�80
�100
0 2 4 6 8 10
Ê
îý
ô
ô
èö
èå
íò
ø
óì
à,
ä
Á
×àñòîòà, ÃÃö
á)
80
60
40
20
0 2 4 6 8 10
Ï
îò
åð
è
ïð
åî
áð
àç
îâ
àí
èÿ
,
äÁ
Ìîùíîñòü ñèãíàëà Â×, äÁì
ã)
�6
�10
�14
�18
�30 �20 �10 0 10 20Ì
îù
íî
ñò
ü
ñè
ãí
àë
à
Ï
×
,
äÁ
ìâ)
25
15
5
�30 �20 �10 0 10 20
Ìîùíîñòü ñèãíàëà Â×, äÁì
30
ÒÅÕÍÈÊÀ È ÒÅÕÍÎËÎÃÈÈ ÑÂ×
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2006, ¹ 5
Çàêëþ÷åíèå
Òàêèì îáðàçîì, ïðîâåäåíî èññëåäîâàíèå òðåõ êîí-
ñòðóêöèé òðàíñôîðìàòîðîâ, âûïîëíåííûõ â ìíîãî-
ñëîéíîé GaAs-òåõíîëîãèè. Ïðåäëîæåí ìåòîä ïðî-
ãðàììèðîâàíèÿ êîíñòðóêöèè äëÿ èññëåäîâàíèÿ ýëåê-
òðîìàãíèòíûõ ñòðóêòóð. Ïîëó÷åíû òðàíñôîðìàòîðû,
îáëàäàþùèå øèðîêîé äëÿ äàííîãî äèàïàçîíà ðàáî-
÷åé ïîëîñîé ÷àñòîò (1,5�5 ÃÃö) è èìåþùèå êîýô-
ôèöèåíòû ïåðåäà÷è �4...�8 äÁ ïðè êîýôôèöèåíòàõ
îòðàæåíèÿ �15...�20 äÁ.
Ïðèâåäåíû àíàëèòè÷åñêèå çàâèñèìîñòè ýëåêòðè÷å-
ñêèõ è êîíñòðóêòèâíûõ ïàðàìåòðîâ òðàíñôîðìàòîðîâ.
Ïðåäñòàâëåíû ðåçóëüòàòû ìîäåëèðîâàíèÿ ñìåñèòåëåé
ñ èñïîëüçîâàíèåì ïîëó÷åííûõ òðàíñôîðìàòîðîâ, â
êîòîðûõ äîñòèãíóò áîëüøîé êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è ïðè
ìàëûõ çíà÷åíèÿõ øóìîâ, èñêàæåíèé è êîýôôèöèåíòå
îòðàæåíèÿ. Ïðè ýòîì èññëåäîâàíèÿ ïðîâîäèëèñü â ïðî-
ñòåéøèõ îäíîáàëàíñíûõ ñõåìàõ. Ïîòåðè ïðåîáðàçî-
âàíèÿ ñìåñèòåëåé ñîñòàâèëè íå áîëåå �6...�8 äÁ â
ïîëîñå 1,2�4 ÃÃö. Äèíàìè÷åñêèé äèàïàçîí �30...
5 äÁ. Ïðè èñïîëüçîâàíèè äâóõáàëàíñíûõ ñõåì ñìåñèòå-
ëåé ñëåäóåò îæèäàòü ëó÷øèõ ðåçóëüòàòîâ.
Òðàíñôîðìàòîðû ìîãóò èñïîëüçîâàòüñÿ â ñìåñè-
òåëÿõ, óñèëèòåëÿõ ìîùíîñòè è äðóãèõ ìîíîëèòíûõ
ñòðóêòóðàõ.
ÈÑÏÎËÜÇÎÂÀÍÍÛÅ ÈÑÒÎ×ÍÈÊÈ
1. Kehrer D., Simburger W., Wohlmuth H.-D., Scholtz A. L.
Modeling of monolithic lumped planar transformers up to 20 GHz
// IEEE Custom Integrated Circuits Conference.� San Diego.�
2001.� P. 401�404.
2. Øåëêîâíèêîâ Á. Í., Áîíäàðü Ä. Á., Ãëóáîêîâ À. À. Ìîäåëè-
ðîâàíèå ìîíîëèòíûõ ïëàíàðíûõ òðàíñôîðìàòîðîâ íà ïîäëîæêå
èç GaAs / 14-ÿ Ìåæäóíàð. Êðûìñêàÿ ìèêðîâîëíîâàÿ êîíô. «ÑÂ×-
òåõíèêà è òåëåêîììóíèêàöèîííûå òåõíîëîãèè».� Ñåâàñòîïîëü.�
2004.� Ñ. 16�20.
3. Long J. R. Monolithic transformers for silicon RFIC design // IEEE
J. of Solid State Circuits.� 2000.� Vol. 35, N 9.� P. 1368�1392.
4. Long J. R. Monolithic transformers for silicon RFIC design // IEEE
J. of Solid State Circuits.� 2000.� Vol. 35, N 9.� P. 1368�1382.
5. Design and Analysis of On-Chip Symmetric Parallel-Plate
Coupled-Line Balun for Silicon RF Integrated circuits. H.Y. D. Yang
and J. A. Castaneda. Broadcom Corporation, El Segundo, CA 90245.
6. Cheung D. T. S., Long J. R., Hadaway R. A., Harame D. L.
Monolithic transformers for silicon RF IC design / Bipolar/BiCMOS
Circuits and Technology Meeting.� Minneapolis.� 1998.�
P. 105�108.
7. Sevick J. Understanding transformer operation in double-
balanced diode mixers // Applied microwave & wireless, 2000,
p. 80�81.
8. Ansoft HFSS in versions 5 and 6 and online help / Ansoft Corpo-
ration, Pittsburgh, PA 15219.
9. Agilent Advanced design system (ADS), 2002, User Manuals /
Agilent technology, Palo Alto, CA 94304.
ÂÛÑÒÀÂÊÈ. ÊÎÍÔÅÐÅÍÖÈÈ
|