Моделирование тонкопленочной печатной катушки индуктивности для УКВ радиоприемника

DOI:

Все радиочастотные цепи используют индуктивность (L) и емкость (C) для резонансных емкостей при выборе частот. Кроме того, индуктивность может использоваться в схеме дегенерации источника для обеспечения резистивного входного импеданса в усилителях с общим источником, в качестве дросселя для высоких частот и т.д. С другой стороны, емкость часто используется в качестве блокировки пути постоянного тока (DC), для уменьшения колебаний источника питания и т.д.

В настоящее время возрастающий спрос на недорогие радиочастотные интегральные схемы вызвал огромный интерес к пассивным компонентам на кристалле [1-3]. Сегодня существует несколько вариантов интегральных резисторов и конденсаторов и большинство из них легко моделируются. Значительные усилия были также направлены на разработку и моделирование индукторов, единственными практическими вариантами которых являются проволочные соединения и плоская спиральная геометрия. Хотя проволочные соединения позволяют достичь высокого коэффициента качества, их значения индуктивности ограничены и могут быть довольно чувствительны к колебаниям. С другой стороны, плоские спиральные индукторы имеют ограниченные значения, но обладают индуктивностью, которая хорошо определяется в широком диапазоне вариаций процесса. Таким образом, плоские спиральные индукторы стали важными элементами блоков коммуникационных схем, таких как генераторы, управляемые напряжением, малошумящие усилители, смесители и фильтры промежуточной частоты.

Реализация индуктивности в технологии интегральных схем (ИС) обычно использует тот же принцип, что и в дискретных элементах схемы, т.е. использование металлических проводов в качестве витков в индукторах. Но в отличие от структуры соленоида, витки в ИС не могут быть уложены друг на друга прямолинейно. Вместо этого они располагаются в виде плоских спиралей, в которых магнитная связь между витками не такая сильная, как в уложенных проводах. Кроме того, спиральные индукторы на кристалле строятся на кремниевой подложке с потерями. Все эти изменения структуры и влияние окружающей среды делают моделирование спиральных индукторов совершенно отличным от моделирования классических индукторов.

Моделирование конденсаторов на кристалле относительно просто по сравнению с моделированием индукторов. Но есть и некоторые особые вопросы, требующие внимания. Например, паразитная емкость между пластиной (пластинами) конденсатора и землей подложки.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В начале работы определимся со схемой радиоприёмника, который в перспективе будет установлен на стационарной научно-исследовательской платформе, расположенной в прибрежной зоне Черного моря в акватории Голубого залива на расстоянии ~ 450 м от берега. Поскольку радиовещание в диапазоне ультракоротких волн (УКВ) на сегодняшний день выполняется исключительно с помощью частотно-модулированных (ЧМ) сигналов, преобразовать его в звуковую частоту с помощью прямого усиления «практически» невозможно.

Трюки с простыми детекторами амплитудно-модулированного (АМ) сигнала в природе ЧМ не работают. Традиционные схемы прямого преобразования на смесителях,

Современные инновации, системы и технологии // I fee) © I 2022; 2(3)

Modern Innovations, Systems and Technologies совмещенные с гетеродином, отошли на второй план, уступив схемам гетеродина с различными цепями стабилизации и компенсации.

Для определения необходимости использования в УКВ ЧМ приемниках отдельного гетеродина компания Philips проводила испытания, где представлена зависимость ухода частоты гетеродина от изменения уровня входного сигнала, поступающего в фазово-модулируемый (FM) тракт [2-6].

В СССР использовалась система с так называемым полярно модулированным (ПМ) сигналом. Эта система известна еще как стандарт OIRT (Organization Internationally de Radio diffusion et de Television – Организация радио и телевидения). Благодаря более низкой частоте поднесущей разностного сигнала 31,25 кГц, система УКВ OIRT имеет более узкий спектр комплексного стереосигнала, что теоретически позволяет разместить в УКВ-диапазоне большее число станций и улучшить использование мощности передатчика. В данном стандарте аудио сигнал модулирует поднесущую частоту таким образом, что в случае передачи стереосигнала огибающая положительных полупериодов модулирована сигналом левого стереоканала, а отрицательных – правого. В FM приемнике супергетеродинного типа с однократным преобразованием частоты, представленном на рисунке 1, при трансляции стереофонических программ после частотного детектора сигнал поступает на стереодекодер.

Рисунок 1. Функциональная схема FM приемника супергетеродинного типа с однократным преобразованием частоты.

Figure 1. Functional diagram of FM superheterodyne receiver with single frequency conversion.

В связи с комбинационными помехами, связанными с нелинейностью высокочастотного тракта и рядом сопутствующих проблем, в мире широкое применение получают специализированные интегральные микросхемы [4, 7-10].

РЕЗУЛЬТАТЫ

Для производства расчетов и моделирования тонкопленочного колебательного контура была взята интересная, но довольно противоречивая схема на 5 транзисторах (рисунок 2). Приемный тракт УКВ-ЧМ диапазона собран всего на двух транзисторах VТ1 и VТ2 по простой схеме частотного детектора с ФАПЧ. На транзисторе VТ2 построен так называемый генератор Колпица. Контур, состоящий из катушки L1, конденсатора С1 и внутренней емкости транзистора VТ1, настраивается на частоту принимаемой радиостанции. Органом настройки приемника служит подстроечный конденсатор С1. Приемник обладает невысокой чувствительностью и селективностью, для приема нескольких радиостанции он не пригоден. Более того, тонкопленочные печатные контуры обладают невысокой добротностью, что тоже скажется на качестве приёма сигнала [5].

Рисунок 2. Принципиальная схема УКВ радиоприемника на пяти транзисторах, частотный детектор с фазовой автоподстройкой частоты.

Figure 2. Schematic diagram of VHF radio receiver on five transistors, frequency detector with phase locked-in frequency.

Работа данной схемы, весьма сомнительна, поскольку в ней отсутствуют какие-либо схемотехнические решения по стабилизации частоты. Однако, если до сих пор еще работают схемы детекторных радиоприёмников на длинноволновую и среднюю частоту с использованием германиевого диода в качестве АМ-детектора, то жизнеспособность данной схемы тоже вполне реальна, но при условии приёма самой мощной радиостанции.

Тонкопленочные печатные катушки индуктивности [11] в основном используются для уменьшения габаритов устройств, работающих в диапазонах метровых и дециметровых волн. Форма исполнения может быть спиралью (как круглой, так и квадратной), а также в форме меандра (рисунок 3).

Рисунок 3. Плоские катушки индуктивности: а – круглой формы; б – квадратной формы; в – в форме меандр.

Figure 3. Flat inductor coils: a - circular shape; b - square shape; c - meander shape.

Плоские печатные катушки с круглой и квадратной формой витков рассчитываются по общей эмпирической формуле:

L = 0.5tt₀N²D_avgC₁()n (^) + С₃ф + С₄ф)                 (1)

где - L- индуктивность (мкГн); μ0 = 4π·10-7 - магнитная постоянная; N - число витков;

Davg - средний диаметр катушки (мкм) D_avg = ^D+^d ; D - наружный диаметр спирали

D-d

(мкм); d - внутренний диаметр спирали (мкм); ф - коэффициент заполнения ф = ^j;

С1…С4 – постоянные коэффициенты (для плоской квадратной катушки: С1=1,27;

С2=2,07; С3=0,18; С4=0,13.

Погрешность расчета индуктивности по формуле (1) не превышает 8%, если промежуток между полосками не более двойной ширины полоски. Вещающую радиостанцию используем с частотой 100 МГц.

Получаем расчётную геометрию колебательного контура с квадратной формой витков: L (индуктивность) - 211 нГн; D (наружный диаметр) - 25 мм; d (внутренний диаметр) - 10 мм; N (число витков) - 3.01; s (шаг намотки) - 2.492 мм.

Моделирование контура проводится в программе Ansoft Maxwell [12-14] (рисунок 4).

Рисунок 4. Модель плоской квадратной катушки индуктивности в программе Ansoft

Maxwell.

Figure 4. Model of a flat square inductor coil in Ansoft Maxwell.

Материал подложки – стеклотекстолит (диэлектрическая проницаемость – 4.4), материал дорожек – медь.

Рассчитанное значение в программе 213 нГн (рисунок 5).

pitch [mm]	Matrix1.L(term1,term1) [mH] Setupl : LastAdaptive
1            2.4000	0.000213

Рисунок 5. Программные расчеты.

Figure 5. Software calculations.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При моделировании тонкопленочной печатной катушки для УКВ радиоприемника с использованием программы Ansoft Maxwell получен результат, близкий к расчетному.

Однако рассчитать в программе Ansoft Maxwell параметры в динамике не удалось из-за ошибки, решение которой найти планируется в дальнейших работах.