Цели данной работы:

· Получить аналитические соотношения для диаграмм направленности;

· Моделирование ДН паразитного излучения моделей МПП СВЧ диапазона;

· Моделирование микрополосковых СВЧ устройств на основе многослойных подложек ПП;

· Получение диаграмм нправленности МПП СВЧ диапазона с помощью программного пакета Awr Design Environment;

При достижении указанных целей потребуются решения ряда задач, таких как: получение соотношений для ДН в математическом пакете программ MathCAD, моделирование ДН по полученным соотношениям для паразитного излучения, анализ полученных данных, моделирование топологии, выбранной МПП в программном продукте для разработки ВЧ, СВЧ и КВЧ радиоэлектронных устройств Awr Design Environment, моделирование в данной среде ДН, проведение анализа полученных результатов и сравнение с результатами, полученными в программной среде MathCAD.

Альтернативой технологии LTCC для МПП являются ГПП, они выполняются на жидкокристаллических полимерах. Такая технология требует строгого соблюдения всех стадий технологического процесса при производстве, из-за этого такая технология не стала популярной, но она представляет практический интерес для устройств СВЧ и ВЧ диапазонов.

Гибридно-жесткие многослойные платы обладают способностью в обеспечении согласований межсхемных соединений, обладая при этом высокой плотностью монтажа. В их производстве используют композиционные материалы что обеспечивает массогабаритным показателям оптимизацию. Такие платы обладают устойчивостью всех электродинамических характеристик даже при негативном воздействии природных факторов: высоких или низких температур, влажности и давления. В связи с этим растет спрос на такие платы, используемые в СВЧ диапазоне.

ВЧ и СВЧ устройства связи используют ГПП, а также их используют в производстве сенсорных датчиков и резонансных элементов СВЧ трактов.

Использование многослойных ГПП позволяют увеличить рост плотности компоновки аппаратуры электронного назначения, а также позволяют создать трехмерные структуры без прямой зависимости от роста интеграции компонентов микросхем. Данная технология 3D - структур имеет название "объемная системная миниатюризация и технология соединений" (VSMI).

Эта технология и ее семейство включает в себя разнообразные варианты 3D. Значительной проблемой данной технологии может быть теплоотвод, он способен нарушать концепцию по увеличению компоновочной плотности. На данный момент технологии с использованием ГМПП находится в разработке, но технологический прогноз по этой технологии говорит о перспективном использовании ее в проектировании и производстве электронных современных устройств.

Такие технологии должны обладать большими функциональными возможностями для СВЧ устройств, обеспечивать наименьшие массогабаритные показатели, иметь низкую стоимость, с таким набором способностей эти технологии будут иметь большие шансы на конкурентоспособность.

2.6 Методы изготовления МПП для СВЧ диапазона

Глава 3. Обзор модифицированной печатной платы с подвешенной подложкой

3.1 Методы исследования МПП

Исследование проводилось на основании соотношений для ПП, полученных в работе [4], также на основании моделирования в компьютерном математическом пакете MathCAD и моделирования в программном пакете Awr Design Environment.

3.2 Актуальность разработки модифицированной печатной платы с подвешенной подложкой

Современные СВЧ устройства должны обладать разработанными подложками МПП с заданными свойствами. Они должны обеспечивать необходимое электромагнитное поле и заданные выходные параметры, влияющие на изготавливаемое устройство.

Современные МПП изготавливаются из тонких слоев изоляционных подложек, которые чередуются между собой и имеют физическое соединение в одно основание подложки, на слои наносятся проводящие рисунки. Внутренний слой может представлять из себя однослойную или многослойную плату, содержащую межслойный переход. Главное направление развития МПП - это повышение точности и плотности компоновки, а отсутствие должного внимания к свойствам и параметрам подложек несет за собой невозможность использования таких плат в диапазоне СВЧ. Новые предложение по конструированию плат для диапазона СВЧ направляют на сохранение целостности переданного сигнала.

Существует великое многообразие методов создания ПП, но платы с подвешенными подложками более перспективны в настоящее время для устройств, используемых в СВЧ диапазоне. Подвешенная подложка конструируется из диэлектрического основания, оно имеет высокую величину относительной диэлектрической проницаемости, на одну из сторон располагают металлический экран, он отделен воздушным зазором, в котором находятся проводящие элементы. Конструкция данных плат имеет в свою очередь ряд недостатков: например, несогласованность волнового сопротивления воздушного зазора с основанием из диэлектрической подложки. Такой недостаток может привести к образованию в поперечном сечении отраженной волны, при условии, что суммарная толщина ПП больше четверти рабочей длины волны.

Использование такой платы в виде излучателей или микрополосковых антенн приводит к необходимости в согласовании импедансных проводников и внешнего воздушного пространства.

Исходя из этих выводов была сконструирована МПП, содержащая в себе подвешенную подложку [13], [9].

3.2.1 Отличительные особенности ПП

Данная плата имеет ряд отличительных особенностей:

Одной из важных особенностей данной ПП- диэлектрическая подложка платы выполняется из нескольких слоев, число слоев не должно быть меньше трех. Величина толщины всех слоев подложки не должно быть больше одной четвертой длины волны. Волновое сопротивление платы имеет тенденцию линейного возрастания по направлению от плоскости экрана в сторону импедансных проводников. Учтена необходимость согласования импедансных проводников и воздушного пространства благодаря наличию в конструкции платы многослойного диэлектрического экрана.

На другой стороне печатной платы от импедансных проводников может присутствовать диэлектрический экран, состоящий из нескольких слоев, больше трех. Толщина этих слоев по аналогии с платой не должна быть больше четверти длины волны, волновое сопротивление должно возрастать от плоскости импедансных проводников.

Если условия линейного возрастания волнового сопротивления соблюдены, то данная конструкция способна обеспечивать согласование всех диэлектрических слоев с воздушным пространством. Если суммарная толщина слоев не превышает четверти длины волны, то это позволяет избежать возникновения отраженной волны в поперечном сечении. [11]

Чертеж поперечного сечения модифицированной платы, содержащей подвешенную многослойную подложку толщиной d показан на рисунке 10.

Рис. 10. - Модифицированная печатная плата с подвешенной подложкой

Создание микрополосковых антенн и излучателей с применением предложенного варианта печатной платы должно быть основано на согласовании сопротивления импедансных проводников с воздушным пространством, такое сопротивление имеет значение около десятков Ом. Для этого был сконструирован многослойный диэлектрический экран, число слоев экрана не должно быть меньше трех, а его волновое сопротивление возрастает от импедансных проводников к плоскости экрана (рис. 11). Такие важные свойства как наличие числа слоев больше трех и ограничение толщины диэлектрической подложки позволяют добиться выравнивания скачка у волнового сопротивления. Данное выравнивание увеличит коэффициент излучения, а также диаграмма направленности антенн и излучателей расширится.

Рис. 11. - Модифицированная печатная плата с подвешенной подложкой и согласующим диэлектрическим экраном

Глава 4. Анализ паразитного излучения и моделирование ДН

4.1 Анализ паразитного излучения кромок многослойных диэлектрических подложек печатных плат СВЧ диапазона

Развитие микрополосковой техники не стоит на месте, в связи с этим определенные конструкции и топологии структуры СВЧ устройства вынуждают учитывать значение суммарных потерь. Суммарные потери состоят диэлектрических составляющих, потерь, связанных с излучением и потерями на поверхностный эффект. Наибольший процент потерь от общих потерь составляют потери, идущие на паразитное излучение в кромках диэлектрических подложек МПП. Употребление описанных ПП дают возможность точного распределения составляющих электромагнитного поля. Такое свойство ПП дает улучшенные выходные характеристики для изготовления, выбранного СВЧ устройства. При комбинационном проектировании ПП металлическими и диэлектрическими элементами усложняются некоторые физические процессы в структурах, имеет место дифракция и происходит трансформация типов волн.

Далее было рассмотрено паразитное излучение на кромках и была проведена оценка излучения с использованием математического пакета программ MathCAD. Оценка была проведена аналитическим моделированием по формулам, полученным в работе [4] для моделей однослойной ПП.

Для начала возьмем в рассмотрение первую модель, она представлена как открытый конец плоскопараллельного волновода в один слой, он имитирует обрыв микрополосковой структуры. Наличие колебаний типа Е 01 имеют наибольший интерес для случая, когда d/л"1.

Для начала найдем формулу для ДН первой модели или для кромки, находящейся в однослойной микрополосковой структуре, будем учитывать условие, где kd"1.

Упрощая математические выкладки примем в рассмотрение двумерную задачу с условием ?/?y=0. Формулы для источников были получены благодаря аппарату тензорных функций Грина. Источники в свою очередь имеют связь с электромагнитными полями Е и Н формулами:

,

,

где r - точка наблюдения, r' -точка источника.

Беря в расчет условие d"л, действие первой модели - открытого конца плоскопараллельного волновода заменим на излучение от магнитного тока, где является единичным вектором.

Поле поверхностной волны в слое диэлектрика -d?x??:

,

,

.

Поле поверхностной волны за пределами слоя :

.

.

.

.

Выражения для компонент поля, приведенные выше содержат в себе r1 и t1 - первые корни системы уравнений:

, ,

где - относительная диэлектрическая проницаемость слоя диэлектрика; А 1 - норма собственной функции:

.

Для второй области определим пространственную часть поля:

,

,

,

,

,

Систему уравнений, приведенную выше решают приближенно, использую тонкий диэлектрический слой:

,

это решение поможет в нахождении постоянной распространения и нормы:

Анализ разделения поля на волны пространственного и поверхностного происхождения показывает, что волна поверхностного происхождения, которая располагается на диэлектрической подложке может часть мощности переносить от первичного источника.

Метод перевала основан на приблизительной оценке интегралов, этот метод будет использован для вычисления поля, образовавшегося от пространственной волны, находящегося в волновой зоне:

,

при большом значении параметра с, где с- это объемная плотность зарядов.

Когда функции ц(о) и f(о) будут являться аналитическими на контуре интегрирования С, получим:

,

Где - корень уравнения

При переходе от формул пространственной части поля к системе в полярных координатах

,

и применяя вычисленное соотношение для тока, получим:

где .

Исходя из результатов полученных выше, мы можем найти ДН для первой модели в виде:

.

Учитывая условие, что kd"1 формулу можно упростить:

1)

Вторая модель поможет найти влияние обрыва подложки из одного слоя, состоящего из диэлектрика на характер излучения. Вторая модель содержит в себе ограниченный участок подложки из диэлектрика и кромку структуры. После обрыва слоя диэлектрика происходят некие последствия, такие как возникновение электрических токов на экране, они индуцируются одной из компонент поля , это может происходить только на участке, ограниченным длиной экрана L. Площадка с образованным током образует излучение, а волна поверхностного происхождения, которая не излучается преобразуется в пространственную волну излучающего характера.

Дополнительный источник излучения это скачок компонент поля и в сечении по всей высоте структуры -d?x??. В дальнейших действиях мы будем определять вклад дополнительных источников на волновую зону поля излучения. Поверхностная плотность электрического тока на экране:

.

Интеграция формулы, приведенной выше с помощью функции Грина Г 21, yz, мы получаем компоненту напряженности магнитного поля в виде:

, где

Компоненту напряженности, находящейся в дальней зоне можно получить, используя метод перевала:

, где

Упрощенная формула для тонких диэлектрических слоев:

,

, (2)

.

Выражение F2(и) это ДН для линейного электрического тока, бегущего вдоль оси oz с медленной фазовой скорости. Точка z= L/2 является излучательным фазовым центром.

Следующим мы определим вклад в выражение скачка поля поверхностной волны с условием, что z=L на поле излучения, находящейся в дальней зоне.

Эквивалентными токами при данном условии будут:

.

.

Используя выражения выше можно получить выражения для компонент токов и поля:

.

.

.

Интеграция выражений для компонент эквивалентных токов с компонентой функции Грина Г 21, ух и с компонентой Г 21, уу, получим:

.

Интеграл по о может быть вычислен используя метод перевала:

.

].

Последняя формула упрощается для варианта с тонкими диэлектрическими слоями:

.

Отсюда следует:

(3)

где F3(и) - это диаграмма линейного распределения, предназначенная для элементов Гюйгенса, которые имеют синфазное возбуждение с убывающей по экспоненте амплитудой в момент удаления от экрана. В итоге аналитическое выражение для ДН кромки тонкой однослойной микрополосковой структуры, которое учитывает обрыв диэлектрической подложки может быть определено тремя составляющими или суммой (1), (2) и (3)

+

(4)

Формула многослойной подложки ПП включает в себя сумму полученных выражений для всех необходимых слоев.

4.2 Результаты моделирования в MathCAD

Рисунок 12 показывает полученные ДН в пакете программ MathCAD для однослойной (?1=9,8), трехслойной (?1=9,8; ?2=6,0; ?3=2,8) и пятислойной (?1=16,0; ?2=9,8; ?3=6,0; ?4=3,8; ?5=2,8) подложек ПП.

Рисунок 13 показывает суммарные ДН F(и) для однослойной, трехслойной и пятислойной ПП, с разными размерами L/л. Заметно, что кривые F(и) имеют колебательный характер, можно увидеть тенденцию, что с увеличением слоев платы и при возрастании размеров подложки МПП, величина амплитуды и количество осцилляций имеет увеличительный характер. Это случается из-за возможности увеличения интерференции волн, их излучение происходит с помощью отдельных токов.

Полученные результаты моделирования указывают на необходимость частотного ограничения, эти ограничения накладывают на выбор толщины подожки ПП, изготовленных для СВЧ устройств. А именно суммарная толщина не должна превышать четверть длины волны.

Рисунок 12. - Составляющие диаграммы направленности для однослойной, трехслойной и пятислойной подложек печатных плат

Рисунок 13. - Суммарные диаграммы направленности F() для однослойной, трехслойной и пятислойной подложек печатных плат и различных размеров подложек L/?

Если рабочая частота продолжит свой рост, то резонансные свойства подложки возрастут. Электрические характеристики и параметры, которые необходимы для проектирования СВЧ устройства, не могут быть обеспечены на основных и кратных частотах в момент совпадения частоты передаваемого сигнала и паразитных излучений кромок ПП. На дифракционной картине имеется большое количество пиков, это означает перераспределение энергии. Если исчезнет нулевой порядок дифракции, то вся падающая энергия распределится по боковым лепесткам.

4.3 Моделирование паразитного излучения в AWR Design Environment

В этой работе производилось моделирование ДН в компьютерной программе AWR Design Environment, программа была произведена компанией Applied Wave Research. Данная программа является программой для моделирования в 2,5-D. Эту программу используют в анализе планарных схем и в моделировании электродинамических систем, данные системы содержат разные виды линий. Программа содержит набор компонент, среда программы реализована на методе моментов, эти особенности дают преимущества в сравнении с программами для 3-D моделирования, объясняется это тем, что расчет и моделирование занимает меньшее время.

Ниже приведен анализ и проведено моделирование МПП, смоделированное в пакете Awr Design Environment. Исследуемая плата экранирована с помощью металлического экрана, он располагается на нижнем слое платы. Наверху платы располагается микрополосковый проводник. Ниже приведен анализ результатов из которого можно сделать оптимальный выбор количества слоев и длины микрополоскового проводника, чтобы излучение платы было максимальным.

4.4 Актуальность исследования паразитного излучения

Микрополосковая техника идет по пути развития, в связи с этим требуются данные по приблизительной оценке потерь и их учету. Потери возникают при определенных структурах и конструкциях СВЧ устройств. Потери в сумме состоят из нескольких составляющих, таких как диэлектрические потери, излучательные потери и потери, образующиеся из-за поверхностного эффекта. Но наибольший процент от общего количества потерь занимают потери на паразитное излучение кромок подложек ПП. Такие МПП завоевали свою популярность благодаря гарантированности требующегося распределения электромагнитного поля, это улучшает выходные характеристики устройства для проектирования в СВЧ диапазоне.

Оценка потерь на паразитное излучение было проведено в программном пакете AWR Design Environment.

4.5 Представление результатов

В программном пакете АWR Design Environment мы смоделировали электромагнитную структуру, которая выполнена в виде МПП. Слои МПП имеют разную величину диэлектрической проницаемости, из-за такого выбора диэлектрической проницаемости волновое сопротивление имеет тенденцию линейного возрастания. Благодаря металлическому экрану, расположенному на нижнем слое платы, происходит экранизация, также в структуре такой платы имеется микрополосковый проводник, его наличие обеспечивает сопротивление порядка 50 Ом.

3D схема структуры показана на рисунке: