Проектирование полосковых устройств

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Обзор научно-технической литературы

Научно-техническая литература, информация из которой была применена при составлении данного курсового проекта, перечислена в списке использованной литературы. Далее приведено краткое содержание источников, перечисленных в этом списке.

1. Учебное пособие по проектированию полосковых устройств СВЧ. Ульяновский государственный технический университет.

В учебном пособии рассмотрены вопросы теории линий передач (полосковая, микрополосковая, щелевая, компланарная, связанные полосковые и микрополосковые), расчета элементов микрополоскового тракта, мостовых устройств и устройств на ферритах и проектирования типовых устройств СВЧ. Рассмотрены микрополосковые антенные решетки с элементами резонаторного типа, вибраторные антенны и другие печатные излучающие системы.

2. Учебное пособие С. М. Дворянинова по полосковым линиям передачи СВЧ-диапазона. Самарский государственный технический университет.

В учебном пособии даны сведения о принципах построения различных типов полосковых линий передачи СВЧ, методах анализа полосковых линий, необходимых при проектировании как самих линий, так и устройств СВЧ на их основе, а также приведены анализ допусков полосковых линий, электрические и механические характеристики материалов, применяемых для изготовления полосковых линий.

3. Учебное пособие Г. И. Веселова по микроэлектронным устройствам СВЧ.

В учебном пособии рассмотрены элементы и узлы микросхем СВЧ, получившие широкое распространение в современной микроэлектронике СВЧ. Проанализированы полосковые линии передачи и пассивные устройства на их основе, технические особенности и конструкции узлов приемных и передающих устройств (диодных автогенераторов, транзисторных усилителей мощности, малошумящих параметрических и транзисторных усилителей, диодных преобразователей частоты). Даны описание и основные методы расчета микрополосковых антенн и активных фазированных антенных решеток.

4. Справочник В. И. Вольмана по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств.

Справочник содержит материал по расчету симметричных, несимметричных, щелевых, копланарных и связанных полосковых линий передачи, а также неоднородностей в них. Даны электрические и конструктивные параметры диэлектрических и проводящих материалов, навесных и пленочных элементов. Рассмотрены этапы конструирования полосковых устройств и технология их изготовления.

5. Учебное пособие И. С. Ковалева по конструированию и расчету полосковых устройств.

В учебном пособии изложены методы расчета электромагнитных полей и теории регулярных полосковых волноводов. В первой части пособия приведены теоретические и экспериментальные данные, позволяющие рассчитать основные рабочие параметры полосковых волноводов. Во второй части пособия приведены примеры проектирования и расчета элементов, узлов и малогабаритных устройств полосковой аппаратуры СВЧ.

6. Малорацкий Л. Г. Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ.

Даны указания по конструированию интегральных схем СВЧ, приведены характеристики материалов, рассмотрены простейшие и сложные элементы и узлы.

7. Малорацкий Л. Г., Явич Л. Р. Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях.

Рассмотрены вопросы теории, расчета и проектирования малогабаритных элементов СВЧ, в том числе теории четырех-, шести- и восьмиполюсников. Даны анализ и расчет печатных схем направленных ответвителей, делителей и фильтров. Приведены типовые размеры.

8. Бова Н. Т., Ефремов Ю. Г., Конин В. В. Микроэлектронные устройства СВЧ.

Рассмотрены методы проектирования и расчета пассивных и активных схем: сумматоров мощности, направленных ответвителей, избирательных устройств, диодных смесителей, малошумящих усилителей, ограничителей мощности, управляемых аттенюаторов и фазовращателей, которые выполнены на перспективных активных элементах и линиях передачи (микрополосковой, щелевой, копланарной и линии с полупроводниковой подложкой).

9. Изюмова Т. И., Свиридов В. Т. Волноводы, коаксиальные и полосковые линии.

Приведены конструктивные и электрические параметры волноводных и коаксиальных линий передачи СВЧ, указаны области их применения. Значительное место отведено вопросам расчета и конструирования полосковых линий (ленточных радиоволноводов), использования их в узлах и схемах радиолюбительской и промышленной аппаратуры СВЧ диапазона.



2. Теоретическая часть

Полосковые линии - линии передачи энергии сверхвысоких частот, состоящие из проводящей полоски и основания или оснований (заземленных проводящих пластин) [1, с 4.]. Пространство между проводником и основаниями может быть заполнено воздухом или диэлектриком. Линии с диэлектрическим заполнением, выполняемые печатным способом, называются печатными полосковыми линиями.

Различают два основных типа полосковых линий: несимметричные и симметричные (рис. 1). Рассмотрим далее более подробно строение и характеристики несимметричных линий.

делитель мощность кольцевой микрополосковый

Рис. 1. Симметричная (а) и несимметричная (б) полосковая линия.

Несимметричная печатная полосковая линия представляет собой пластину диэлектрика, на одной стороне которой нанесены проводники (проводящие полоски) схемы, а на другой - металлизированное покрытие, образующее проводящую (заземленную) плоскость. Такая линия является простой в настройке, изготовлении и эксплуатации.

Недостатками несимметричной полосковой линии являются отсутствие возможности экранирования и повышенные потери (по сравнению с симметричной линией). Однако если требуемые параметры линии позволяют использовать подложку с высокой диэлектрической проницаемостью, то это позволяет уменьшить потери на излучение, поскольку в таком случае электрическое поле концентрируется в области между проводником и заземленной пластиной.

Это обстоятельство позволяет успешно миниатюризировать размеры несимметричных полосковых линий, превращая их в микрополосковые лини передачи (МПЛ), т.е. линии с толщиной подложки h ? 1мм, и используя в интегральных СВЧ схемах. Сокращение габаритов в микрополосковых интегральных СВЧ схемах обеспечивается, как правило, в первую очередь за счет выбора диэлектрика с высокой относительной диэлектрической проницаемостью (е - порядка 10) [7, с. 57]. Однако, на практике в МПЛ применяются подложки и с меньшей диэлектрической проницаемостью, например из плавленого кварца (е = 3,78).

МПЛ имеют большое преимущество перед обычными несимметричными полосковыми линиями - возможность экранирования. И наибольшее распространение получили именно экранированные МПЛ. По сравнению с полыми волноводами МПЛ обладают рядом недостатков - имеют более высокие погонные потери и сравнительно низкую передаваемую мощность (средняя мощность - десятки ватт, импульсная - единицы киловатт). Кроме того, открытые МПЛ излучают энергию в пространство, из-за чего могут возникать нежелательные электромагнитные связи.

В то же время МПЛ обладают и важными достоинствами. Они имеют малые габариты и массу, дешевы в изготовлении, технологичны и удобны для массового производства методами интегральной технологии, что позволяет реализовать на пластине из металлизированного с одной стороны диэлектрика целые узлы и функциональные модули в микрополосковом исполнении [3, с .6].

В данном курсовом проекте на базе МПЛ разрабатывается кольцевой делитель мощности с одним входом, осуществляющий равное деление мощности на два выхода. Подобное деление позволяет осуществить кольцевой делитель мощности с омической (сосредоточенной нагрузкой).

Кольцевой делитель мощности (рис. 2) с сосредоточенной нагрузкой позволяет разделить мощность пополам (по двум каналам 2 и 3) с достаточно большой развязкой между этими каналами.

Согласование входа и выходов в этих устройствах достигается подбором волновых сопротивлений четвертьволновых отрезков МПЛ, которые в случае равного деления мощности имеют значение .

При возбуждении делителя со входа 1 вследствие его электрической симметрии точки В и С оказываются эквипотенциальными.

Рис. 2. Кольцевой делитель мощности с омической нагрузкой.

Ток через балластный резистор R не протекает, и мощность в нем не выделяется. Вся мощность генератора делится пополам и передается в нагрузки, подключенные к выходным плечам 2 и 3. При возбуждении делителя со стороны одного из выходных плеч, например с выхода 3, сигнал в точку В приходит по двум путям: через четвертьволновые отрезки (путь С-А-В) и через резистор R (путь С-В). Разность фаз сигналов, прошедших путь С-А-И и С-В, равна 180^°. Сопротивление балластного резистора R = 2Z₀ обеспечивает равенство амплитуд указанных противофазных сигналов. Таким образом, напряжение в точке В равно нулю, а мощность сигнала, поступающего на выход 1, частично гасится в балластном резисторе, частивно поступает во входное плечо 1. На средней частоте рабочего диапазона кольцевой делитель мощности имеет идеальное согласование и бесконечную развязку выходных плеч. Если плечи 2 и 3 возбуждаются одновременно противофазными сигналами равной амплитуды, то в точке А эти сигналы складываются в противофазе и во входное плечо мощность не передается. Вся мощность гасится в балластном сопротивлении. При возбуждении выходных плеч синфазными сигналами мощность передается на вход. Кольцевой делитель мощности является своеобразным фильтром противофазных сигналов.

Развязка выходных плеч кольцевого делителя с равным делением мощности составляет 20 дБ в полосе частот с коэффициентом перекрытия диапазона 1,44 при К_стU не более 1,2. Вносимое затухание при этом изменяется от 3,01 до 3,08 дБ. В реальных устройствах (из-за влияния технологических отклонений, неоднородностей и рассогласования) развязка выходных плеч обычно не превышает 30 дБ [3, с. 70-71].



3. Расчетная часть

3.1 Выбор материала подложки

Подложка является важным составным элементом линии передачи и, следовательно, всего СВЧ устройства, сконструированного на основе данной линии. Свойства подложки определяют параметры линии передачи, технологический процесс изготовления схемы, конструкцию модуля в целом. Это требует всестороннего рассмотрения и тщательного выбора материала подложки [6, с. 81].

Наиболее важным параметром для микросхем СВЧ является относительная диэлектрическая проницаемость е. Кроме относительной, используются понятия абсолютной е_а и эффективной е_эфф диэлектрической проницаемости.

Относительная и эффективная диэлектрическая проницаемость определяют длину волны в линии передачи и, следовательно, линейные размеры микросхемы. Для повышения степени интеграции желательно применение подложек с высоким значением е. При увеличении е, кроме того, снижаются потери на излучение МПЛ, поскольку большая часть электромагнитного поля концентрируется в среде с большим е, т.е. в материале подложки, заполняющим пространство между проводником и основанием микрополосковой линии.

Однако при высоких значениях е легко возбуждается семейство поверхностных волн. При высоком е границу возбуждения паразитных волн можно поднять за счет уменьшения толщины подложки. Но при этом появляются ограничения на минимальную толщину подложки.

Все выше перечисленное приводит к необходимости выбора диэлектрической проницаемости материала подложки из компромиссных соображений. Часто таким значением является е ? 10, однако в каждом конкретном случае величина е дополнительно уточняется.

Удобной и широко применяемой мерой диэлектрических потерь является тангенс угла диэлектрических потерь tgд, который определяет погонные диэлектрические потери. Большие диэлектрические потери могут вносить существенный вклад в общие потери линии передачи.

Электрическая прочность и теплопроводность. При классическом тепловом пробое выделение тепла в диэлектрике превышает теплоотвод, температура подложки повышается, в результате чего диэлектрик проплавляется и разрушается. В хрупких диэлектриках типа керамик возможен тепловой пробой вследствие возникновения в них механических напряжений из-за неравномерности нагрева.

Электрический пробой связан с коронным разрядом. Он возникает, прежде всего, в местах неоднородностей, например на переходах от коаксиальной к микрополосковой линии.

При необходимости передачи высокой мощности выбирается толстая подложка, а в качестве материала подложки используется материал с большой теплопроводностью k.

При конструировании СВЧ устройств важным фактором является класс чистоты обработки поверхности подложки. Чистота поверхности определяет четкость и точность рисунка (топологии) схемы, высокочастотные потери в проводниках, возможность выхода из строя тонкопленочных конденсаторов, качество резисторов.

Какой же класс чистоты поверхности является предпочтительным? Шероховатые подложки (класс 11, 11), как правило, используются в низкодобротных схемах, работающих в нижней части СВЧ диапазона, где требования к величине потерь и точности воспроизведения рисунка невысоки. Здесь предпочтительнее использовать шероховатые подложки, так как, во-первых, они дешевы (не требуют специальной дорогостоящей обработки, в частности полировки) и, во-вторых, грубая поверхность способствует лучшему сцеплению металла с подложкой. С переходом в более коротковолновую часть СВЧ диапазона в схемах с большей добротностью, как правило, используют хорошо обработанные подложки (класс 12…14). Однако четкой границы применения подложки того или иного класса не существует, и в каждом случае необходимо искать компромиссное решение.

В то же время следует отметить, что наличие в схеме пленочных резисторов повышает требования к чистоте поверхности. Если величина шероховатости приближается к толщине резистивного слоя, то повторяемость величины сопротивления на различных подложках можно получить только при условии одинаковой чистоты обработки поверхности. Заметим, что толщина, например, нихромовых резисторов колеблется в пределах 0,01…0,1 мкм, в то время как наилучший класс обработки подложек (13…14) соответствует неровности R_а = 0,01…0,02 мкм. Исследование нихромовых резисторов на подложках с различной обработкой показывает, что резисторы, нанесенные на более грубые поверхности, имеют большее удельное сопротивление, меньшие температурные коэффициенты, худшую стабильность параметров в процессе термостарения и больший разброс поверхностного сопротивления.

Чистота материала является определяющим и существенно более важным, чем чистота поверхности, фактором при нахождении величины потерь или добротности. Чем выше чистота материала, тем более высокое качество поверхности можно получить при шлифовании и тем лучше материал поддается полировке. Кроме того, более чистые материалы имеют более высокую диэлектрическую проницаемость, меньшее процентное содержание пор, большую механическую и пробивную прочность, меньший тангенс угла диэлектрических потерь, большее удельное сопротивление [6, с. 82-90].

Исходя из всего перечисленного, можно сделать вывод, что материал подложки должен обладать стабильностью линейных размеров и форм в диапазоне рабочих температур и в условиях эксплуатации в соответствии с техническими требованиями, иметь минимальное значение отклонений диэлектрической проницаемости от номинального значения и разнотолщинности, обладать необходимой тепло- и электропроводностью, высокой чистотой, а также давать возможность получения необходимого класса обработки поверхности.

Согласно ТЗ разрабатываемый кольцевой делитель должен работать на частоте f₀ = 9,5 ГГц и рассеивать мощность Р = 100 мВт. Перечень специфических температурных, химических и других условий эксплуатации не задан.

В соответствии с этим, материал подложки должен обладать диэлектрической проницаемостью е ? 7…10 с высокой стабильностью значения (обусловлено частотой работы), минимальным тангенсом угла диэлектрических потерь и высокой чистотой (общие требования для всех диэлектриков), средней тепло- и электропроводностью (обусловлено малым значением рассеиваемой мощности). При этом чистота поверхности для кольцевого делителя, как для низкодобротного устройства, непринципиальна и не оказывает большого влияния на его параметры. Однако, наличие в схеме пленочного резистора повышает требования к чистоте поверхности (о чем уже говорилось ранее), в связи с чем материал подложки должен выбираться позволяющим добиться высокого класса чистоты поверхности, вплоть до 14.

Кроме того, к материалу подложки независимо от конструкции и назначения микросхемы предъявляют следующие требования:

1. Высокая механическая прочность при относительно небольшой толщине. В процессе изготовления гибридных микросхем подложка подвергается многократному воздействию высокотемпературных операций, которые могут вызвать ее растрескивание и разрушение. Поэтому она должна обладать хорошими механическими свойствами.

2. Минимальная пористость. Пористость подложки влияет на структуру и свойства пленок. Кроме того, в процессе нагрева из подложки выделяются адсорбированные газы, которые могут оказывать существенное влияние на качество наносимых пленок. Высокая плотность материала подложки позволяет исключить интенсивноегазовыделение.

3. Химическая стойкость. Химически стойкие подложки можно подвергать воздействию технологических операций, связанных с применением различных химических реагентов. В состав подложки не должны входить вещества, которые могут вступать в реакции с пленками и влиять на их свойства.

4. Высокое удельное сопротивление. Подложка является общим основанием для всех элементов, поэтому она должна обладать хорошими диэлектрическими свойствами для обеспечения изоляции элементов схемы.

5. Близость коэффициентов термического расширения подложки и наносимых на нее пленок. Это требование необходимо выполнять для исключения возможности появления механических напряжений в пленках.

6. Низкая стоимость исходного материала и технологии его обработки.

Из наиболее широко применяемых в настоящее время материалов подложек, в целом перечисленным требованиям удовлетворяют следующие:

стекла электровакуумные С48-3 и С41-1, глазурь Г900-1, керамические вакуумно-плотные материалы 22ХС, поликор, сапфирит, ситаллы СТ-50-1, СТ-38-1 и СТ-32-1, сапфир, кварц

Стекло имеет очень гладкую поверхность и обладает хорошей адгезией со всеми материалами, применяемыми для изготовления гибридных микросхем. К недостаткам подложек из стекла относятся плохая теплопроводность и невысокая механическая прочность.

Керамика является сравнительно недорогим материалом, имеет низкие диэлектрические потери, высокую диэлектрическую проницаемость, малые температурные изменения диэлектрических параметров. Из керамических материалов наилучшим по параметрам является поликор, представляющий собой поликристаллический корунд с предельно высокой плотностью. Керамические подложки обладают повышенной механической прочностью и теплопроводностью: это позволяет их использовать при изготовлении мощных гибридных микросхем с большим тепловыделением. Основной недостаток керамики обусловлен сравнительно высокой шероховатостью ее поверхности. Микронеровности керамики достигают 2 мкм, поэтому при изготовлении тонкопленочных гибридных микросхем керамические подложки применяться практически не могут. Шероховатость керамики может быть снижена последующей обработкой ее поверхности, например полировкой или глазуровкой тонким слоем стекла. Такая обработка улучшает свойства поверхности, но вместе с тем вызывает изменение свойства керамики и повышение стоимости производства подложек.

Сапфир представляет собой монокристаллическую окись алюминия. Он характеризуется очень малыми диэлектрическими потерями в СВЧ диапазоне, высокой теплопроводностью, механической прочностью, устойчивостью к воздействиям высокой температуры, влаги. На подложках из сапфира можно выращивать эпитаксиальные полупроводниковые пленки для получения активных элементов. Однако стоимость таких подложек остается очень высокой, что ограничивает возможность их практического применения.

Ситаллы это продукты кристаллизации стекол особых составов, обладающих способностью при обработке превращаться в монокристаллический материал, по объему которого равномерно распределены мельчайшие кристаллы, находящиеся в непосредственном контакте между собой или соединенные через тонкую пленку остаточного стекла. Размеры кристаллов в основном не превышают 1 мкм, что обеспечивает высокую плотность и однородность (чистоту) материала во всем объеме, придает ситаллам ряд свойств, превосходящих аналогичные свойства стекол и многих керамических металлов. Удельное объемное сопротивление ситаллов 10¹⁰…10¹²Ом•м. Отличительные характеристики ситаллов: малая пористость, очень низкое водопоглощение (менее 0,02%) и газопроницаемость, высокая термостойкость, малая теплопроводность, возможность получения подложек с высоким классом обработки поверхности (до 14-го класса). По твердости ситаллы превосходят стекло, обычную керамику и металлы. Наиболее твердыеситаллы близки к закаленным сталям. Стабильные диэлектрические свойства на СВЧ и совместимость ситаллов с технологией интегральных микросхем обусловили их широкое применение и перспективность использования в качестве подложек интегральных схем [4, с. 20].

В соответствии со всеми перечисленными требованиями к материалу подложки и со свойствами рассмотренных диэлектриков, наиболее удовлетворяющим всем поставленным условиям и требованиям диэлектрическим материалом, является ситалл марки СТ38-1. Он содержит 23% Al₂O₃; 34% SiO₂; 18% TiO₂; 9% MgO; 16% редкоземельных элементов [4, с. 20].

3.2 Выбор толщины подложки

Главным параметром, определяющим толщину диэлектрической подложки, является значение расчетной величины мощности рассеяния. В соответствии с ТЗ для проектируемого МПЛ - устройства оно составляет 100 мВт, что является очень небольшой величиной, позволяющей выбрать диэлектрическую подложку минимальной толщины. Например, МПЛ - устройство, выполненное на подложке толщиной 0,5 мм, при волновом сопротивлении линии 50 Ом, может рассеивать от десятков ватт до единиц киловатт мощности (в зависимости от материала диэлектрика) [4, с. 73-74], [6, с. 84]. В соответствии с этим необходимо выбрать минимальную типоразмерную толщину подложки. Такой типоразмерной толщиной является толщина h = 0,1 мм.

Однако следует учитывать, что уменьшение толщины подложки должно сопровождаться уменьшением ширины проводящей полоски W (с целью сохранения постоянной величины волнового сопротивления), что, в свою очередь, приводит к увеличению потерь в проводнике.

При проектировании СВЧ устройства на полосковой линии необходимо, кроме всего прочего, исходить из стремления использовать максимальное число элементов и материалов с наиболее распространенными стандартными параметрами, т.е. широко выпускаемых промышленностью и находящихся в легкой доступности. Выполнение этого условия значительно упростит и сделает более рентабельным дальнейшее производство спроектированного СВЧ устройства.

Учитывая обозначенные факторы, выбираем толщину подложки h = 0,25 мм. При такой толщине подложки ширина проводящей полоски, а значит, и потери в ней являются приемлемыми. Кроме того, диэлектрические подложки с данной типоразмерной толщиной являются одними из самых широко распространенных (наряду с h = 0,5 мм и h = 1 мм) и, следовательно, дешевых. Это делает выбор подложки толщиной 0,25 мм более экономически целесообразным, чем подложки толщиной 0,1 мм.

Таким образом, выбор подложки толщиной 0,25 мм удовлетворяет всем техническим и экономическим требованиям (по рассеиваемой мощности, потерям, стоимости), т.е. является компромиссным и наиболее приемлемым.

3.3 Выбор материала и толщины проводника

Материал проводников полосковых и микрополосковых линий передачи должен иметь высокую электропроводность, малую величину температурного коэффициента сопротивления, хорошую адгезию к подложке, хорошую растворимость в химическом травителе, легко осаждаться при вакуумном напылении или нанесении гальваническим методом [7, с. 83].

Перечисленным условиям в той или иной степени удовлетворяют следующие наиболее часто используемые при конструировании полосковых линий передачи проводниковые материалы: серебро (Ag), медь (Cu), золото (Au), алюминий (Al), магний (Mg), платина (Pt), олово (Sn), латунь (Cu+Zn), хром (Cr), титан (Ti). Из них предпочтительными с точки зрения экономической целесообразными являются медь, серебро и латунь. Основные характеристики этих металлов представлены в табл. 2.

Табл. 2. Характеристики некоторых металлов, используемых в МПЛ.

Как следует из этой таблицы, характеристики всех трех металлов являются удовлетворительными.

В виду отсутствия в ТЗ перечня экстремальных условий эксплуатации, а также специфических требований к параметрам проектируемого устройства материал проводника должен выбираться исходя из соображений экономической и технологической целесообразности, т.е наиболее простым и дешевым. Таковым материалом является медь.

Медь, применяемая при конструировании МПЛ - устройств, выпускается в виде фольги, в форме листов или рулонов. Существует три марки медной фольги: ФМЭ (фольга медная электролитическая), ФМЭО (электролитическая оксидированная), ФМЭОШ (электролитическая оксидированная повышенной шероховатости) [4, с. 22].

Оксидирование производится с целью защиты материала проводника от воздействий внешней среды. Создание повышенной шероховатости - с целью обеспечения лучшей адгезии с диэлектрической подложкой.

Исходя из соображений технической и экономической целесообразности, выбираем фольгу марки ФМЭО, защищенную слоем оксида от внешней среды, а для повышения адгезии с подложкой (имеющей 13…14 класс чистоты поверхности) используем контактол.

Контактолы - это маловязкие или пастообразные полимерные композиции, в которых в качестве связующего используются смолы, а токопроводящим наполнителем являются мелкодисперсные порошки металлов. Контактолы используются в качестве токопроводящих клеев, покрытий, эмалей и т.д. рабочая вязкость контактолов реализуется введением соответствующих растворителей. После подсыхания при невысоких температурах образуется твердое покрытие или клеевая прослойка с высокими проводимостью и адгезией. Срок годности контактолов определяется временем, в течение которого свойства композиций сохраняются. Характеристики некоторых типов контактолов приведены в табл. 3. Так как в ТЗ не указано наличие механических нагрузок, действующих на разрабатываемое устройство (в том числе, отрывающих), то основной задачей контактола является лишь создание соединения средней прочности между подложкой и проводником. Для решения этой задачи достаточно использования относительно дешевого контактола со средними параметрами. Таким контактолом является К-8.

Табл. 3. Основные характеристики некоторых контактолов.



Толщина скин-слоя меди при частоте 10 ГГц, наиболее близкой из стандартных к рабочей частоте проектируемого устройства (9,5 ГГц), составляет 0,66 мкм [2, с. 50].

Для обеспечения малых потерь в проводнике необходимо, чтобы его толщина была, по крайней мере, в три раза больше глубины скин-слоя. Т.е. в данном случае: t_мин = 3 • 0,66 = 1,98 мкм. Наиболее близкая к рассчитанной стандартная толщина выпускаемой фольги ФМЭО составляет 0,035 мм (35 мкм).

3.4 Выбор материала пленочного резистора

Материалы, используемые для создания резисторов в полосковых схемах СВЧ, должны удовлетворять следующим условиям:

- обеспечивать требуемое поверхностное сопротивление;

- обладать низким ТКС в диапазоне эксплуатационных температур;

- быть стойкими к воздействию климатических условий;

- быть технологически удобными и экономически целесообразными, т.е. должны позволять осуществлять производство резистивных элементов способом, совместимым технологически с процессом производства всей схемы, и обеспечивать высокий выход годных изделий, их повторяемость, воспроизведение размеров и номиналов и т.п. [4, с. 25-26]

Перечислим далее наиболее распространенные резистивные материалы, удовлетворяющие в той или иной степени, в зависимости от специфики различных СВЧ устройств, перечисленным требованиям.

Чистые металлы. Преимущественное распространение получили такие материалы с высоким сопротивлением, как хром и тантал. Также для создания резисторов можно использовать титан, гафний, цирконий, марганец, рений и другие элементы [4, с 26].

Сплавы NiCr. Эти материалы органически сочетаются с линией передачи, где они используются в качестве подслоя при напылении золота или меди. Чаще всего применяются сплавы с соотношением компонентов Ni и Cr соответственно от 80:20 до 50:50. Добавление никеля увеличивает удельное сопротивление и уменьшает ТКС чистого хрома. Подбирая соотношение компонентов, можно получать ТКС, близкий к нулю.

Керметы. Так называют керамические резисторы. Их отличительной особенностью является высокое поверхностное сопротивление пленки (до 10 кОм/?). Сравнительно высокая стоимость керамических резисторов может окупиться в тех случаях, когда к схемам предъявляются требования повышенной температурной стабильности и радиационной стойкости.

Пасты. В толстопленочных ИС СВЧ для изготовления резисторов применяются пасты, представляющие собой смесь металлического порошка, стекла, органической связки и присадок, которые регулируют сопротивление и смачиваемость подложки. Эти пасты формируются на основе пластины, смеси палладия с серебром, окиси рутения, окиси таллия и наносятся на подложку методом шелкографии [6, с. 125-126].

Свойства пленок из основных резистивных материалов, а также свойства самих резистивных материалов представлены в табл. 4 и 5 соответственно.

Табл. 4. Поверхностное сопротивление пленок тугоплавких соединений и керметов.



Табл. 5. Основные характеристики резистивных материалов.

Следует обратить внимание на то, что при малых толщинах резистивных пленок их свойства заметно зависят от вида микронеровностей подложки, возможны нарушения непрерывности структуры, электропроводность осуществляется за счет туннельного эффекта и термоэмиссии между отдельными кристаллитами. Пленки толщиной до 1 нм практическим не применяются. Сплошной можно считать пленку толщин от 100 нм, при этом пленки тугоплавких металлов обеспечивают стабильные свойства при меньших толщинах [4, с. 27-28].

По совокупности перечисленных свойств основных резистивных материалов и требований, предъявляемых к активному сопротивлению в соответствии с данными ТЗ (в первую очередь по величине сопротивления, рассеиваемой мощности и отсутствию специфических с температурной и химической точек зрения условий эксплуатации), принимаем решение в пользу карбида тантала. Это объясняется определенными положительными свойствами данного материала, имеющими важное значение в проектируемом СВЧ устройстве. Тантал обладает высокой антикоррозионной стойкостью, повышенной стабильностью и воспроизводимостью свойств. Кроме того с помощью анодирования (утоньшения проводящей пленки при прогрессивном окислении) может быть получено сопротивление необходимой величины с точностью около 0,01%. Образующийся при этом слой оксида защищает пленку от воздействий атмосферы и в первую очередь влаги. В то же время, соединение тантала с кремнием, т.е. получение карбида тантала, повышает удельное сопротивление материала и понижает его ТКС. Благодаря этому карбид тантала представляется выгодным со всех сторон материалом для использования в СВЧ устройстве.

Кроме всего прочего, согласно табл. 4. пленка карбида тантала имеет толщину 0,35 мкм (350 нм), обеспечивающую достаточную стабильность ее свойств вне зависимости от микронеровностей подложки. Также данная толщина позволяет достичь достаточной компактности геометрических параметров проектируемого кольцевого делителя и, в то же время, не приведет к его чрезмерной миниатюризации и сопутствующему усложнению технологии производства (как будет показано далее, параметры устройства напрямую зависят от параметров резистора, а они, в свою очередь, от толщины резистивной пленки).

Единственным недостатком тантала является довольно быстрое старение танталовых резисторов, что в соответствии с ТЗ не является критичным.

Окончательно, выбранный материал имеет следующие параметры: поверхностное сопротивление пленки карбида тантала с_S = 40 Ом/?, удельное сопротивление танталовой пленки с_S = 100 Ом/?, удельное сопротивление материала с = 1,32?10^-6ом•м (при 0 єС - температуре, близкой к стандартным условиям эксплуатации), удельная мощность рассеяния материала Р₀ = 123 мВт/мм², толщина пленки d = 0,35 мкм, ТКС = -2•10⁴ єС^-1.



3.5 Расчет пленочного резистора

Тонкопленочные резисторы проектируются в виде полосок различной конфигурации. Электрический контакт с проводниками обеспечивают перекрытием соответствующих участков резистивной и проводящей пленок. При проектировании тонкопленочных резисторов для обеспечения необходимого контакта между резистивным слоем и проводником размеры l₁и b₁не должны быть меньше 200 мкм [1, с. 44].

Выбираем топологию резистора исходя из того, что сложность ее зависит от специфики и сложности схемных решений, т.е. при использовании сложных схем с большим количеством резисторов, имеющих различные номинальные значения R, допускается использование сложных топологических решений резисторов. В проектируемом же СВЧ устройстве пленочный резистор - 1, а конфигурация самого устройства не предъявляет особых требований к топологии резистора. В связи с этим выбираем стандартную топологию пленочного резистора (рис. 3).

Рис. 3. Стандартная топология пленочного резистора.

Начинаем расчет пленочного резистора.

Исходные данные: номинальное значение резистора R = 2Z₀ = 2•50 Ом = 100 Ом (Z₀ - сопротивление входной и выходных линий); значение расчетной величины мощности рассеяния Р = 100 мВт; удельное сопротивление материала пленки с = 1,32?10^-6Ом•м; толщина пленки d = 3,5•10^-7 м; удельная мощность рассеяния материала пленки Р₀ = 123 мВт/мм².

1. Сопротивление квадранта резистивной пленки, отнесенное к произвольному квадрату поверхности однородной пленки:

2. Площадь резистора:

3. Формат резистора (численно равен отношению длины к ширине):

4. Длина резистора:

5. Ширина резистора:

Размеры областей контакта между резистивным слоем и проводником выбираем, руководствуясь рекомендациями, представленными выше, закладывая при этом технологический запас 50 мкм. Т.е., окончательно: l₁ = 250 мкм, b₁ = 250 мкм.

6. Длина резистора с учетом проводящих выводов:

3.6 Расчет геометрических и электрических параметров МПЛ кольца, входной и выходных линий

Перед началом расчета условимся параметры МПЛ кольца обозначать индексом К, а параметры входной и выходных линий - индексом 0. Уточним, что параметры входной и выходных линий обозначаем одним индексом, т.к. согласно ТЗ их волновые сопротивления одинаковы (Z₀ = 50 Ом).

Исходные данные: волновое сопротивление входов и выхода Z₀ = 50 Ом; толщина подложки МПЛ кольца, входов и выходов h_К = h₀ = h = 0,25 мм = 250 мкм; относительная диэлектрическая проницаемость материала подложки (ситалла СТ38-1) е = 7,25; толщина полоски проводника t = 0,035 мм = 35 мкм; длина резистора с учетом проводящих выводов l_R = 964 мкм.

В проектируемом СВЧ устройстве подложка, как и в большинстве других подобных устройств, представляет собой общее основание, на котором располагаются все составные элементы устройства (входы и выходы, функциональная часть, сосредоточенные элементы). В связи с этим, расчет геометрических размеров подложки необходимо начинать с определения общих размеров спроектированного устройства.

Для начала, определим внешние размеры кольца (рис. 2):

D_к = d_ср + W_К = 9,913 + 0,15 = 10,063 мм.



Анализ поля в несимметричной линии показывает, что при h ? W (или, по-крайней мере, при одном порядке этих параметров) большая часть энергии поля сосредоточена в области, равной приблизительно тройной ширине полоски, и, следовательно, если выполняется условие а ? 3W, то подложку можно считать удовлетворяющей расчетным требованиям [7, с. 72]. В данном случае:

а_К ? 3W_К = 3•150 мкм = 450 мкм;

а₀ ? 3W₀ = 3•232 мкм = 696 мкм.

Таким образом, подложка будет удовлетворять расчетным требованиям в том случае, если расстояния от внешних границ кольца до границ подложки будут больше 450 мкм. Влияние длины линий входа и выходов на ширину подложки не учитывается, так как после расчетов окончательные размеры подложки выбираются больше расчетных в процессе округления до ближайших стандартных величин. После этого длины входной и выходных линий подбираются такими, чтобы обеспечить необходимый контакт с подводящими линиями внутри соединителей (в данном случае - коаксиально-полосковых переходов).

Получаем расчетную ширину подложки:

а ? (D_К + 2а_К) = 10,063 + 0,45 = 10,513 мм.

Окончательные геометрические размеры подложки выбираются равными ближайшей большей стандартной величине. Это допущение обусловлено тем, что размеры подложки (удовлетворяющие рассмотренным выше условиям) не оказывают существенного влияния на электрические и рабочие параметры полосковых линий. Ряд стандартных размеров подложек представлен в табл. 6.



Табл. 6. Ряд стандартных размеров подложек.

Ближайшей к расчетной ширине подложки является стандартная ширина а = 12 мм. Ей соответствует длина подложки l = 15 мм.

3.7 Выбор корпуса

Может ли подложка с нанесенной на нее схемой и закрепленными элементами являться законченной микросхемой СВЧ? В большинстве случаев ответ на этот вопрос отрицателен. Сама по себе подложка довольно хрупка, и поэтому ее необходимо закреплять на дополнительном металлическом основании или в корпусе. Последний, кроме того, предназначен для предохранения микросхемы от воздействий окружающей среды (влаги, пыли и др.) и, при необходимости, экранировки от внешних электромагнитных полей, теплоотвода, крепления вводов и выводов энергии и прочих элементов.

В связи с этим к корпусу СВЧ микросхемы предъявляются следующие требования: механическая прочность, технологичность и дешевизна, минимальное влияние на параметры микросхемы, удобство монтажа элементов, высокая надежность, при необходимости, герметизация, экранировка, хороший теплоотвод.

Корпус, как правило, представляет собой замкнутый металлический короб, у которого имеется ряд вводов и выводов энергии. Его дно, крышка и стенки чаще всего имеют прямоугольную форму, что обусловлено конфигурацией стандартных подложек, удобством подсоединения переходов и т.д. [6, с. 99-100]

В процессе развития техники СВЧ были разработаны разнообразные типы корпусов для полосковых схем. Виды, а также материалы и способы изготовления корпусов перечислены в табл. 7.

Наиболее распространенными и удобными в изготовлении и использовании являются корпуса рамочного и коробчатого (корытообразного) типа.

Коробчатая конструкция, затрудняющая проведение контроля качества установки микросхемы, в основном применяется, когда дно корпуса используется для установки каких либо элементов (например, транзисторов), требующих хорошего теплоотвода.

Табл. 7. Виды, материалы и способы изготовления корпусов.

Корпус рамочного типа, представляющий собой замкнутую рамку прямоугольной формы, открытую с двух сторон, удобен для сборки модуля и контроля его качества. Кроме того, на его стенках удобно располагать фланцевые и вставные коаксиальные переходы. Также рамочные корпуса удобны для серийного изготовления, так как при их производстве можно применять высокопроизводительные методы: литье, штамповку, прессовку из пластмассы.

Все перечисленные достоинства, а также отсутствие необходимости отвода больших количеств тепла (в связи с установкой активных элементов или работой с большой мощностью) делает предпочтительным для проектируемого СВЧ устройства выбор корпуса рамочного типа.

При выборе материала корпуса следует руководствоваться требованиями уменьшения веса, снижения стоимости изготовления, соответствия температурного коэффициента линейного расширения материала корпуса и подложки, возможности пайки, хорошей теплопроводности и т.д. Параметры материалов, применяемых для изготовления корпусов ИС СВЧ, приведены в табл. 8.

Табл. 8. Параметры материалов корпусов СВЧ устройств.

Согласно ТЗ специфических требований к материалу корпуса не предъявляется. Он также не должен обладать особо хорошей теплопроводностью, близостью ТКЛР к ТКЛР материала подложки. В связи с чем, представляется целесообразным выбор материала, обладающего средними параметрами, экономически целесообразного и легкодоступного. Таким материалом является медь.

Теперь определим размеры корпуса.

Заметим, что согласно методикам проектирования СВЧ устройств основные характеристики и параметры микрополосковой линии рассчитываются в предположении бесконечно протяженного металлического основания, отсутствия верхнего экрана и т.д. Такая идеализация оправдана, так как позволяет упростить расчет, и в то же время с незначительной погрешностью справедлива при ограниченных размерах основания и достаточном удалении верхнего экрана [6, с. 100].

Таким образом, в данном случае размеры металлического основания (заземленной пластины), а значит и размеры корпуса можно ограничить выбранными размерами подложки, а именно: длина - 15 мм, ширина - 12 мм. В расчете верхнего экрана, исключающего влияние посторонних электромагнитных полей на проектируемое СВЧ устройство, согласно ТЗ нет необходимости.

Для крепления платы в корпусе предусмотрим наличие уступов вдоль стенок.

3.8 Выбор припоя

В СВЧ устройствах на базе полосковых линий припои используются для крепления платы и соединителей к корпусу, а также для припаивания подводящих линий (коаксиальных, волноводных) к проводящих полоскам полосковых линий внутри соединителей (переходов).

Все припои, используемые в производстве полосковых схема, делятся на две группы: твердые и мягкие. У твердых припоев температура плавления выше 300єС, у мягких - ниже. Предел прочности мягких припоев при растяжении 16…100 МПа, твердых - 100…500 МПа.

Данные о некоторых припоях, используемых в производстве полосковых схем, приведены в табл. 8



Табл. 8. Основные характеристики некоторых припоев.

В процессе проектирования кольцевого делителя материалом проводящих полосок была выбрана медная фольга ФМЭО. Материалом корпуса также была выбрана медь. Кроме того, специфических требований к режиму плавки и материалу припоя (обусловленных, например, особыми температурными условиями эксплуатации и повышенными механическими нагрузками на устройство) согласно ТЗ не предъявляется. В связи с этим основное требование к припою - температура плавления ниже температуры плавления меди (1083єС), дешевизна и легкая доступность. Этим требованиями удовлетворяет припой марки ПОС-61.

3.9 Выбор коаксиально-полоскового перехода

Большинство проектируемых СВЧ микросхем и особенно схем общего применения включают СВЧ разъемы для соединения с другими модулями, для присоединения передающих трактов (например, кабелей), для измерения параметров с помощью стандартной измерительной аппаратуры и т.д. К таким разъемам и переходам предъявляются следующие основные требования: хорошее согласование, малые потери, универсальность, быстрое надежное соединение. Переходы и соединители СВЧ модулей, помимо указанных выше требований, должны иметь малые габариты, быть устойчивыми в необходимой степени к климатическим и механическим воздействиям, герметичны, просты в изготовлении, иметь невысокую стоимость. При конструировании широкополосного перехода с хорошим согласованием желательно, чтобы соблюдалось равенство волновых сопротивлений соединяемых линий передачи. В противном случае необходимо так выбрать конструкцию перехода, чтобы в широкой полосе обеспечить компенсацию отраженных волн [6, с. 107-108].

Соединение коаксиального тракта с полосковой схемой можно выполнить двумя способами: с помощью непосредственного соединения жилы коаксиального кабеля с полосковым проводником (прямой кабельный ввод) или через коаксиально-полосковый переход, представляющий собой элемент, имеющий коаксиальную часть, которая соединяется с наружными цепями, и переходную секцию для соединения с полосковой линией. [4, с 207].

Прямой кабельный ввод применяется как в СПЛ, так и в НПЛ и чаще всего используется к экспериментальных конструкциях. Это объясняется тем, что при изгибах наружной части кабеля усилие, прикладываемое к центральной жиле, полностью передается на место пайки жилы кабеля к полоске (контактной площадке), что создает опасность отрыва жилы кабеля. Поэтому подобную конструкцию нельзя рекомендовать для узлов, которые будут находиться в длительном использовании и, возможно, подвергаться механическим нагрузкам. [4, с. 208].

Коаксиально-полосковые переходы (КПП) являются наиболее распространенными элементами соединения коаксиала с полоской, позволяющими добиться хороших электрических параметров и удовлетворительных конструктивных и эксплуатационных характеристик. Требования к КПП: малый уровень отражений и потерь в широкой полосе частот, небольшие размеры, удобство сборки, установки в узел и соединения с полосковой линией, механическая прочность и число сочленений, которые будут выдерживать переход при эксплуатации.

Конструкции КПП делятся на два основных класса по виду взаимного расположения оси коаксиала и полоски: соосные (аксиальные) и перпендикулярные. Кроме того, они классифицируются по виду полосковой линии, с которой соединяется коаксиал: симметричной (воздушной, высокодобротной, заполненной диэлектриком), несимметричной, щелевой, копланарной и др. По типу переходного участка различают КПП без изменения сечения коаксиала, со ступенчатым изменением сечения, с плавным изменением сечения и др., а по конструкции соединения с полосковой линией - переходы с полосковым выводом, круглым выводом, являющимся продолжением центральной жилы коаксиала, игольчатым и т.д. Переход присоединяется к полоске пайкой, сваркой, механическим прижимом. К полосковому узлу КПП крепится с помощью фланца, крепежной части в виде «сухаря», цилиндрической конструкции под впаивание и т.д. [4, с. 210-211].

Начинаем выбор коаксиально-полоскового перехода.

Согласно ТЗ волновое сопротивление входной и выходных линий - 50 Ом. Это сопротивление является стандартным. Следовательно, для лучшего согласования проектируемого СВЧ устройства с подводящими коакисальными линиями последние также должны иметь волновое сопротивление 50 Ом. Кроме того, для обеспечения хорошего согласования необходимо выбрать коаксиальный кабель с диаметром сечения центрального проводника соизмеримым с шириной проводящих полосок входной и выходных линий (согласно расчетам W₀ = 232 мкм).

Перечень и параметры стандартных радиочастотных коаксиальных кабелей с волновым сопротивлением 50 Ом приведен в табл. 9.



Табл. 9. Параметры стандартных радиочастотных коаксиальных кабелей.

Из стандартных кабелей с волновым сопротивлением 50 Ом ближайшим к ширине полоски диаметром центрального проводника обладает кабель марки РК-50-3-11 (диаметр центрального проводника - 0,9 мм).

Коаксиально-полосковый переход с одной стороны оканчивается стандартным разъемом, а с другой - контактом для присоединения к полосковому проводнику. Этот контакт является наиболее уязвимым местом перехода. Для получения хороших характеристик необходимо, чтобы диаметр внутреннего проводника коаксиала в месте его соединения с полосковым проводником был равен (или, по крайней мере, близок) ширине последнего. При невыполнении этого условия (когда диаметр коаксиала превышает ширину полоски) появляется емкостная неоднородность, ограничивающая широкополосность перехода. Поэтому для уменьшения паразитной емкости и получения наилучшего согласования кабеля с полосковой линией необходимо в пределах КПП уменьшить сечение центральной жилы до размера, равного или близкого к ширине проводника печатной платы.

Коаксиальный переход со стандартного на меньшее сечение может быть плавным или ступенчатым. Плавный переход имеет меньшие неоднородности и, следовательно, меньший КСВН, чем ступенчатый, что делает его использование в пределах КПП проектируемого устройства СВЧ предпочтительнее.

Проектируемое устройство по геометрическим параметрам полосковых линий можно отнести к миниатюрным, а с миниатюрными конструкциями микросборок СВЧ удобнее использовать малогабаритные КПП для каналов 3,5, 1,77 мм и меньше, диаметр сечения которых достаточно близок к толщине подложек, что также уменьшает неоднородность в месте соединения коаксиала и подложки. Одним из таких малогабариных КПП является переход с игольчатым выводом к полоске, конструкция которого показана на рис. 4, обеспечивающий К_СТV ниже 1,2 в диапазоне до 10 ГГц и предназначенный для впаивания в корпус при пайке центральной жилы к полоске

Данный переход обладает приемлемыми для проектируемого устройства характеристиками, соответствует ТЗ по своему частотному диапазону работы ( работает в диапазоне до 10 ГГц; по ТЗ рабочая частота f₀ = 9,5 ГГц). Он удобен для осуществления

плавного уменьшения диаметра централь-

ной жилы. Кроме того, данный переход

предназначен для ввода коасксиальной

линии с сечением внутреннего проводника

0,9 мм, соответствующим сечению

внутреннего проводника выбранного

кабеля РК-50-3-11.

Рис. 4. Малогабаритный КПП с игольчатым

выводом к полоске.

Ввиду отсутствия особых требований к спаиванию центральной жилы с полоской и к впаиванию выбранного перехода в корпус, и ту, и другую операцию будем осуществлять выбранным ранее припоем ПОС-61.



4. Конструкторская часть

По итогам проектирования заданное СВЧ устройство имеет структуру кольцевого делителя на базе микрополосковой линии, имеющего один вход и два выхода, размещенного в рамочном корпусе с малогабаритными коаксиально-полосковыми переходами на подводящие коаксиальные линии. Соединение проводящих полосок МПЛ с центральными жилами коаксиальных кабелей внутри КПП, крепление устройства в корпусе (к специально предусмотренным уступам), а также крепление КПП к корпусу осуществляется пайкой с использованием припоя ПОС-61. Далее приведено подробное описание материалов, геометрических и электрических параметры разработанного СВЧ устройства.

Материалы конструкции микрополосковой линии.

...