Дослідження топології та корпусів НВЧ ГІС

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Дослідження топології та корпусів НВЧ ГІС

1.1 Мета роботи

Вивчення типів і основних характеристик корпусів, які застосовуються для інтегральних схем НВЧ діапазону. Дослідження впливу екранів на експлуатаційні параметри й працездатність гібридних інтегральних схем НВЧ діапазону.

1.2 Методичні вказівки по підготовці до виконання лабораторної роботи

Корпус ІС НВЧ призначений для запобігання мікросхеми від впливу навколишнього середовища (вологи, пилу й ін.), екранування від зовнішніх електромагнітних полів, тепловідведення, кріплення підкладки, рознімань і дискретних елементів. Конструкція корпусу являє собою металевий короб, у якого є ряд уведень і виводів енергії.

Корпус інтегральної мікросхеми може бути рамкового, коробчастого (чашкового), пенального або пластинчастого типу. Рамковий корпус (рис. 3.1,а) складається із замкнутої рамки прямокутної форми, відкритої із двох сторін, і двох кришок. Кріплення плати в корпусі виробляється установкою її на уступи уздовж стінок рамки з наступною пайкою по периметрі екранної основи плати до рамки. Такий корпус зручний при проведенні зборки й контролю якості мікросхеми. Конструкція дозволяє виконувати одноярусне й двох'ярусне розташування плат. дослідження характеристика корпус НВЧ

У коробчастій конструкції корпусу (рис.3.1,б) кріплення плати здійснюється або механічним притисканням її до дна корпусу, або припаюванням екранної сторони плати до дна корпусу. У другому випадку для зниження виникаючих напруг (через різницю температурних коефіцієнтів лінійного розширення підкладки й корпуси) застосовують прокладки, що компенсують, з металевої сітки, розташовувані між екранною стороною плати й дном корпусу. Корпус чашкового типу складний при зборці, контролі й ремонті мікросхеми. Звичайно він застосовується, коли потрібний гарний тепловідвід від мікросхеми на дно корпусу.

Корпус пенального типу (рис.3.1,в) складається з основи, піддона, пеналу (корпусу), двох торцевих стінок. Плата попередньо встановлюється на спеціальну підставу, а потім всувається в пенал, після чого виконується кріплення основи до пеналу. Основа служить також для кріплення НВЧ переходів. Така конструкція дозволяє здійснити попередній контроль і підстроювання інтегральної мікросхеми перед установкою до пеналу. Однак у корпусі пенального типу НВЧ переходи можна розташовувати тільки на двох стінках корпусу.

Пластинчасті корпуси (рис.3.1,г) використовуються, як правило, у пристроях на симетричної стрічковій лінії передачі. Конструкція утворює «сендвич» із двох діелектричних пластин, поміщених між металевими пластинами корпусу. Кріплення плат забезпечується механічним притиском до пластин по площині екранної сторони плат.

а - рамковий; б - коробчастий; в - пенальний; г ? пластинчастий

Рисунок 3.1 ? Конструкції корпусів

Розміри основи корпусу в основному визначаються топологією інтегральної мікросхеми й виникаючими в ній паразитними типами хвиль, крайовими ефектами. Найбільш складним виявляється вибір висоти корпусу. Результати чисельних розрахунків впливу екрана на параметри мікрострічкової лінії показують, що вплив верхньої кришки, що екранує, стає помітним при (b - h)/ h ? 5.

Реальна мікросхема, що включає в себе велику кількість елементів, являє собою пристрій з багатьма нерегулярностями, що є джерелом паразитних типів хвиль. Запобігти їх поширенню можна правильним вибором розмірів екрана. Особливо небезпечними є резонансні явища, тому що корпус, що представляє собою замкнутий металевий короб, є резонатором. Виникнення резонансів у такому резонаторі можливе, якщо його довжина дорівнює ? , де p = 1, 2, … ? число напівхвиль, що укладаються по довжині резонатора l. При обчисленні л_В необхідно враховувати часткове заповнення короба діелектриком.

При виборі матеріалу корпусу, що екранує, конструктор повинен керуватися вимогами зменшення маси, зниження вартості виготовлення, відповідності ТКЛР матеріалу корпусу й підкладки, можливістю пайки й гарної теплопровідності й т.п. Для корпусів ІС НВЧ застосовують латунь, алюміній, титан, ковар, металізовану кераміку. Найбільш кращими є титанові й коварові корпуси, ТКЛР яких близький до ТКЛР керамічних підкладок.

Більшість НВЧ модулів виконуються у вигляді герметичної конструкції для захисту мікросхем від зовнішніх впливів, з яких найнебезпечнішим є вологість. Корпус мікросхеми має дві області герметизації: у виводів і в області сполучного шва кришки й корпусу. Герметичне з'єднання кришки й корпусу виробляється зварюванням, пайкою або склеюванням залежно від матеріалу й конструкції корпусу, розташування виводів, серійності виробництва мікросхем і т.д. Широке поширення одержала герметизація корпусу шляхом пайки кришки по контурі із введенням гумової прокладки й сталевого лудженого дроту. Закладка дроту дозволяє здійснити розкриття корпусу при проведенні ремонтних робіт, а гумова прокладка перешкоджає влученню припою й флюсу усередину корпусу (див. рис.3.1,а, б).

При проведенні герметизації повітря з корпусу відкачується через металеву трубку, потім через неї вводиться інертний газ (наприклад сухий азот), а трубка герметизується.

Проблема герметизації виводів тісно пов'язана з конструюванням герметичних рознімань (переходів).

Пристрої НВЧ функціонально й конструктивно організовані в блоки. Зв'язок між ними й вимір їхніх параметрів здійснюються за допомогою стандартних коаксіальних або хвилеводних ліній передачі. З'єднання МСЛ із коаксіальною лінією або хвилеводом забезпечується переходами. У вимірювальній апаратурі необхідні добре узгодження, малі втрати, універсальність, швидке й надійне з'єднання. Для переходів модулів НВЧ, крім того, бажані малі габарити, стійкість до кліматичних і механічних впливів, герметичність, простота виготовлення й низька вартість.

Класифікувати переходи можна по типах ліній, що з'єднуються, наприклад розрізняють коаксіально-стрічкові, хвилевідно-стрічкові переходи, перехід від мікрострічкової до щілинної лінії й т.д.

Найчастіше для з'єднання модулів застосовується коаксіальний кабель. З'єднання коаксіального тракту із МСЛ можна виконати двома способами: через коаксіально-стрічковий перехід ? перехідну секцію, що має коаксіальний вхід і стрічковий вихід, ? або безпосереднім з'єднанням жили кабелю із провідником ? пряме кабельне уведення. Коаксіально-стрічковий перехід одержав більш широке поширення в порівнянні із прямим кабельним уведенням.

Конструктивно коаксіально-стрічкові переходи розрізняються по взаємному розташуванню осей коаксіального кабелю й провідника, виду стрічкової лінії, з якої він з'єднується, типу перехідної ділянки, конструкції з'єднання з стрічковою лінією. Жила кабелю й провідник можуть бути співвісними (аксіальне, торцеве з'єднання) і перпендикулярними. Співвісний перехід (рис.3.2) менше, ніж перпендикулярний, спотворює структуру поля й, отже, є більш широкосмуговим.

Однак якщо хвильові опори й розміри коаксіальної й МСЛ сильно відрізняються, то використовуються перпендикулярні переходи (рис. 3.3). Узгодження в таких переходах здійснюють, підбираючи діаметр сполучного штиря 1, що проходить через підкладку 2, і розміри коаксіальної діелектричної втулки 3. Іноді для поліпшення узгодження видаляють діелектрик навколо штиря. Необхідне узгодження може бути досягнуте також підключенням розімкнутого або короткозамкненого шлейфа 4 до точки з'єднання штиря переходу й МСЛ. Настроювання здійснюють, змінюючи довжину шлейфа. Довжина розімкнутого шлейфа дорівнює приблизно половині довжини хвилі; довжина короткозамкненого шлейфа становить приблизно чверть довжини хвилі.

1 ? центральний провідник коаксіальної лінії; 2 ? стрічковий провідник; 3 ? підкладка; 4 ? основа

Рисунок 3.2 ? Конструкція співвісного коаксіально-стрічкового переходу

1 ? штир; 2 ? підкладка; 3 ? діелектрична втулка; 4 ? шлейф; 5 ? центральний провідник коаксіальної лінії

Рисунок 3.3 ? Перпендикулярний коаксіально-стрічковий перехід

Хвилевідно-стрічкові переходи застосовуються в основному в діапазонах сантиметрових і міліметрових довжин хвиль. Переходи зі співвісним збудженням мають мінімальні відбиття через відсутність вигинів передавального тракту. Широку смугу пропущення мають паралельні хвилевідно-стрічкові переходи із гребінчастим П- або Н-подібним хвилеводом. Перехід з П-подібним хвилеводом показаний на рис. 3.4. До виходу гребінчастого переходу, що має відповідний хвильовий опір, безпосередньо підключається МСЛ, що забезпечує мінімальну переорієнтацію поля. Плавний або східчастий гребінчастий перехід реалізує в діапазоні робочих частот обраний закон узгодження: рівнохвильовий (чебишевський) або максимально плоский (батервортовський).

1 ? прямокутний хвилевід; 2 ? перехід із прямокутного хвилеводу на П-подібний; 3 ? східчаста вставка П-подібного хвилеводу; 4 ? діелектричний гвинт; 5 ? контактний язичок; 6 ? МСЛ

Рисунок 3.4 ? Хвилевідно-стрічковий перехід

До початку роботи треба вивчити за допомогою рекомендованої літератури [1, 3, 10, 11, 13] основні типи корпусів для ГІС НВЧ (коробчасті, рамкові й ін.) і пристроїв зв'язку. Знати основні вимоги до їхніх конструкцій і матеріалів з погляду механічних властивостей. Особливу увагу звернути на аспекти електромагнітної сумісності НВЧ пристроїв у гібридно-плівковому виконанні і металевих деталей, що екранують. Вивчити способи, прийоми й допуски установки окремих плат ГІС у корпус і їхнє взаємне сполучення одне з одним і виводами.

Визначити й вивчити методи й апаратуру для експериментального дослідження різних інтегральних схем НВЧ залежно від параметрів корпусу.

1.3 Сутність лабораторної роботи

Досліджується топологія гібридних НВЧ пристроїв, розміщених у корпусух різних типів і розмірів. Вивчаються конструкції корпусів і переходів.

Розрахунковим шляхом визначаються довжина хвилі (_В) у стрічковій лінії ГІС і робоча частота НВЧ коливань ( f ). Оцінюється можливість функціонування схеми в даному корпусі. Розраховуються оптимальні параметри екрана.

Виконується експериментальна перевірка отриманих результатів.

1.4 Опис лабораторної установки

У лабораторну установку входять: різні типи НВЧ гібридних елементів, вузлів, пристроїв і корпусів, що екранують, зі знімними кришками; генератор НВЧ коливань 3-х сантиметрового діапазону; набір стандартних хвилевідно-коаксіальних елементів (коаксіальні кабелі, хвилевідно-коаксіальні й коаксіально-стрічкові переходи, детекторна секція, погоджене навантаження); мікровольтметр типу В2-11; осцилограф; мікрометричний механізм для переміщення екрана; штангенциркуль; мікроскоп типу МБС-9.

Для обробки результатів вимірів застосовуються мікрокалькулятори.

1.5 Порядок виконання лабораторної роботи.

1. Вивчити топологію запропонованих викладачем гібридних НВЧ ІС, корпусів, коаксіально-стрічкових, хвилевідно-стрічкових переходів. Виконати їхні ескізи.

2. Вибрати в топології ГІС характерні елементи для визначення довжини хвилі (_В) НВЧ коливань у лінії (мікрострічкову лінію, резонатор, шлейф і т.п.) зробити необхідні виміри його розмірів і розрахувати _В, хвильовий опір ліній.

3. За допомогою наведених у додатку до лабораторної роботи № 1 розрахункових співвідношень розрахувати відповідне значення довжини хвилі () і частоти ( f ) коливань НВЧ генератора, для чого попередньо зробити розрахунок значення _еф.

4. Зробити виміри геометричних розмірів підкладки й корпусів відповідно до рис. 3.5.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3.5

5. Оцінити за допомогою обмірюваного значення ( ) і наведеного нижче розрахункового співвідношення виконання умови відсутності паразитних коливань поза залежністю від висоти екрана

де M і N - цілі числа (прийняти їх рівними 1...10 у різних комбінаціях).

6. При невиконанні останньої умови розрахувати висоту екрана, що забезпечує придушення паразитних коливань

де

7. Зібрати вимірювальну установку за схемою, представленою на рис. 3.6.

1 ? НВЧ генератор; 2 ? ціркулятор; 3 ? досліджувана ГІС НВЧ у корпусі; 4 ? детекторна секція; 5 ? мікровольтметр або осцилограф

Рисунок 3.6

Зробити вимір рівню НВЧ сигналу, відбитого від ГІС НВЧ, і його залежності від висоти екрана при частоті НВЧ генератора, рівної значенню, розрахованому в п.3. Побудувати відповідний графік.

Зробити аналогічні виміри залежно від частоти генератора в межах f = 8...12 ГГц при висоті екрана, розрахованої в п. 6. Побудувати графік.

8. Зробити порівняння результатів, отриманих при виконанні пунктів 6 і 7 підрозділу 3.5.

9. Пункт 3.5 виконати для всіх запропонованих викладачем НВЧ пристроїв.

Контрольні питання

1. Основні конструкторсько-технологічні прийоми, що використовуються при монтажі ГІС НВЧ.

2. Спільний вплив різних конструктивно-технологічних погрішностей на показники якості ГІС.

3. Використання автокомпенсуючих елементів при проектуванні ГІС НВЧ. Приклади топології й розрахунку.

4. Вплив погрішностей, пов'язаних з точністю установки, сполучення й приєднання елементів, вузлів на електричні параметри й показники якості ГІС.

5. Підкладки, що використовуються для ГІС НВЧ (вимоги, матеріали, параметри).

6. Коаксіально-стрічкові переходи (приклади конструкцій, пропоновані вимоги).

7. Хвилевідно-стрічкові переходи (приклади конструкцій, пропоновані вимоги).

8. Пристрої зв'язку мікрострічкових плат одне з одною.

9. Особливості організації короткого замикання для мікрострічкових пристроїв.

10. Основні типи корпусів, які застосовуються при виготовленні пристроїв НВЧ діапазону в гібридно-плівковому виконанні.

Размещено на Allbest.ru