Разработка регулируемого аттенюатора на микрополосковых линиях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка регулируемого аттенюатора на микрополосковых линиях

Введение

В данной курсовой работе требуется разработать регулируемый аттенюатор на микрополосковых линиях (МПЛ). Данный аттенюатор предназначен для плавного регулирования мощности в опорном канале устройства для измерения параметров диэлектриков.

В первом разделе курсового проектирования производится краткий анализ устройств, решающих ту же задачу что и разрабатываемое устройство. Производится обзор устройств данного типа и последующий выбор устройства, наиболее удовлетворяющий условиям технического задания.

Во втором разделе производится расчет всех элементов устройства и анализ полученных данных.

В третьем разделе производится разработка конструктивного варианта изделия. Включает: выбор конструкции, подбор материалов, покрытий, производится полное описание конструкции прибора. Описывается его работа. Обосновывается выбор материалов.

В четвертом разделе производится ориентировочный расчет надежности.

Краткий анализ аттенюаторов на МПЛ

Аттенюатор - устройство, предназначенное для изменения мощности электромагнитных волн, распространяющихся по тракту СВЧ, а также для развязки СВЧ устройств, то есть для устранения их взаимного влияния возникающего из-за наличия отраженных волн.

Аттенюаторы классифицируются по принципу действия. Из многочисленных принципов, которые могут быть положены в основу конструирования СВЧ аттенюаторов, используются те, которые позволяют получить аттенюатор с точно известным значением ослабления или с точно известным законом изменения ослабления в функции положения регулирующего органа. Рассмотрим несколько таких конструкции, определим их достоинства и недостатки.

Неотражающий аттенюатор на р-i-п диодах.

Достоинства: позволяет изменять мощность, поступающую в плечи ответвителя, переключением состояния диодов с помощью подаваемого на них напряжения смещения. При этом входное плечо всегда остается согласованным и возникающее в месте соединения сочленений отражения поглощаются в согласованной нагрузке плеча.

Недостатки: трудность согласования.

Управляющий аттенюатор на р-i-п диодах.

Достоинства: аттенюатор работает в режиме дискетного или плавного изменения затухания, которое регулируется дискретно или плавно управляющим сигналом. Чем больше диодов, тем легче решить задачу широкополосного согласования, так как каждый диод может иметь большое сопротивление и при прочих равных условиях создает меньше отражения.

Недостатки: применение большого количества диодов ведет к увеличению размеров устройства, применение дополнительных устройств для согласования.

Переменный аттенюатор с использованием направленных ответвителей на связанных линиях.

Достоинства: мощность рассеяния таких аттенюаторов определяется только электрической прочностью элементов конструкций и возможностями присоединенных нагрузок, характеристика ослабления может быть рассчитана с хорошей точностью, а начальное ослабление невелико - от долей децибела до нескольких децибел.

Недостатки: влияние паразитной связи усиливается с ростом частоты, поэтому аттенюаторы такого типа целесообразно применять на частотах до 2 ГГц.

Переменный аттенюатор с двумя 3-дБ мостами и фазовращателем.

Достоинства: большая разрешающая способность при малых затуханиях, характеристику ослабления можно определить расчетным путем.

Недостатки: широкополосность такого аттенюатора определяется широкополосностью составляющих его мостов и фазовращателя.

В данном курсовом проекте будет рассматриваться переменный аттенюатор с использованием направленного ответвителя на связанных линиях.

Описание конструкции

На рисунке 1 приведена функциональная схема направленного ответвителя с регулируемой связью, используемого в качестве аттенюатора.

Рисунок 1- Функциональная схема направленного ответвителя с регулируемой связью

Если изменять связь путем механического перемещения одного из проводников, то появляется возможность плавного изменения мощности на выходе побочной линии. Переходное ослабление такого ответвителя зависит от длины области связи и расстояния между проводниками основной и побочной линий. Связь между линиями осуществляется посредством не распространяющихся типов волн, поэтому ослабление практически линейно возрастает с увеличением расстояния между связанными линиями. Пропускная способность аттенюаторов целиком определяется характеристиками балансных нагрузок в плечах 2 и 4. Начальное ослабление аттенюатора не менее 5 дБ, так как иначе резко возрастает входной Ксв устройства, что недопустимо для точных приборов. Распространяющаяся в первичной линии волна частично ответвляется во вторичную линию, где она распространяется в противоположном направлении.

Электрический и конструктивный расчет устройства

Выбор материалов МПЛ

Подложка является механически прочной и химически стойкой основой конструкции интегральной схемы (ИС) СВЧ. Одним из важнейших параметров материала подложки являются относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь. Для повышения степени интеграции гибридно-интегральных схем (ГИС) СВЧ желательно применять подложки с высоким значением диэлектрической проницаемости. Однако при высоких значениях диэлектрической проницаемости материала подложек очень трудно обеспечить требуемую точность (так как размеры полосок получаются очень маленькими). Это вынуждает применять подложки со значениями порядка 8…10. В таблице 1 приведены основные характеристики отечественных материалов, которые могут быть использованы для создания микросхем СВЧ.

Таблица 1- Характеристики материалов для создания микросхем СВЧ

Ситаллы представляют собой стеклокерамические материалы на основе окислов металлов: лития, кальция, магния, титана и др.

Диэлектрические потери в ситаллах определяются составом и структурой кристаллической фазы. Величина тангенса угла диэлектических потерь для различных видов ситаллов составляет от 2 до 50*10-4. Ситаллы имеют высокую химическую стойкость к воздействию различных средств, используемых при химической очистке поверхности, а также к воздействию травительных растворов, применяемых в процессе фотолитографической обработки.

Керамика широко применяется в качестве материала подложек СВЧ. Но не каждый вид керамики удовлетворяет требованиям, предъявляемым к подложкам. Керамика на основе окисла алюминия имеет лучшие свойства по сравнению с другими видами керамических материалов: низкие диэлектрические потери, небольшие изменения диэлектрических параметров с изменением температуры, хорошая стабильность параметров.

Керамика с содержанием А 1203 99,8% и выше выпускается под названием "ВК-100-1" и представляет собой поликристаллический высокоглиноземистый корундовый материал, который характеризуется минимальной пористостью (менее 0,5%). Подложки из поликора отличаются повышенной химической и термической стойкостью.

Микрополосковые линии, имеющие хорошую проводимость, создаются на основе металлических пленок. При выборе материала необходимо учитывать назначение проводящей пленки и условия эксплуатации устройства. Для создания проводящих пленок в основном применяются медь, серебро, золото.

Медь является одним из наиболее распространенных металлов, который используется в производстве ГИС. Она имеет хорошую теплопроводность и способность к пайке и сварке. Недостаток меди - низкая коррозийная стойкость. Для защиты от коррозии медь обычно покрывают тонким защитным слоем. Медные пленки легко травятся.

Применение для проводников меди, золота, имеющих слабую адгезию с подложкой вызывает необходимость введения дополнительного адгезионного слоя. В качестве адгезионного слоя можно использовать хромовые, нихромовые, титановые или ванадиевые пленки.

Основу МПЛ составляет металл с хорошей проводимостью: медь или золото. Несмотря на положительные свойства золота использование его является экономически не выгодным. Поэтому чаще для этой цели используют медь.

Для повышения прочности сцепления медных пленок с подложкой используется подслой хрома. В процессе изготовления и эксплуатации происходит взаимная диффузия в системе "хром-медь", однако заметного изменения электрического сопротивления слоев это не вызывает.

Медный слой состоит из двух слоев: тонкого, осажденного в вакууме и толстого, полученного путем гальванического наращивания.

Для защиты медной пленки на нее, непосредственно в вакууме, наносится тонкое защитное покрытие, например из хрома, которое в процессе операции фотолитографической обработки удаляется.

В качестве материала подложки выбираем поликор ОСТ 107.460.095.671-87.

Выбираем материал для изготовления резистивных пленок. Параметры некоторых материалов для изготовления приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Параметры материалов для изготовления резистивных пленок

Критерием выбора материала сопротивлений являются малая величина температурного коэффициента электрического сопротивления (ТКС), стабильность сопротивления, значение R/? сопоставимое с 50 Ом.

Выбираем материал тантал ТВЧ РЭТУ 1244-67.

При выборе материала корпуса необходимо учитывать следующее: необходимость эффективного теплоотвода, близость температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) корпуса и подложки, возможность пайки и сварки. В качестве материалов корпусов используют медь, латунь, титановые сплавы, алюминиевые сплавы. Некоторые параметры материалов используемых для корпусов модулей СВЧ приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Параметры материалов используемых для корпусов модулей СВЧ

Выбираем титан ВТ 5-1, так как ТКЛР материала близок к ТКЛР подложки, также титан обладает очень хорошей теплопроводностью.

Таким образом материалы, используемые для создания измерительного модуля следующие:

материал подложки Поликор ОСТ 107.460.095.671-87;

материал проводников медь МВЧк ГОСТ 859-78;

материал адгезионного слоя хром ЭРХ МТУ 5-30-70;

материал резистивного слоя тантал ТВЧ РЭТУ 1244-67;

материал защитного слоя серебро Ср.9 ГОСТ 9894-61.

Расчет микрополосковой линии

Исходные данные для расчета:

f = 2,25 ГГц - диапазон рабочих частот;

h = 1 мм - толщина подложки;

ZВ = 50 Ом - волновое сопротивление линии;

м0 = 4·р·10 -7 Гн/м - магнитная постоянная;

c = 3·10 8 м/c - скорость света;

е = 9,8 - относительная диэлектрическая проницаемость подложки (поликор);

у= 5.8··10 7 (См/м)- удельная проводимость меди (проводник).

Определим предельную частоту работы МПЛ (т.е. частоту перехода квази-TEM-волны в поверхностную волну с сильным излучением):

, (1)

Определим граничную частоту, выше которой следует вводить поправку на дисперсию (т.е. уже нельзя считать волну ТЕМ-волной) :

, (2)

ГГц

Т.к. верхняя граница рабочих частот 2,25 ГГц меньше граничной 3,941 ГГц поправка на дисперсию не вводится.

Рассчитаем толщину полоски t:

перевод в МГц для подстановки в формулу;

, (3)

мм

- необходимое условие, отсюда выбираем толщину: t = 0,08 мм

Определим эффективную диэлектрическую проницаемость c учетом толщины полоски:

, (4)

Определим длину волны в МПЛ Л:

, (5)

м , (6)

м

Расчет направленного ответвителя

Исходные данные:

Z0= 50 Ом - волновое сопротивление;

Л= 0,51 мм - длина волны;

е= 9,8 - относительная диэлектрическая проницаемость;

h= 1 мм - толщина подложки;

Определим амплитудный коэффициент связи

,

где С - переходное ослабление;

Для С = 20 дБ k= 0,1

Определим характеристические сопротивления четного и нечетного колебаний:

, (7)

Ом

, (8)

Ом

Определим основные геометрические размеры ответвителя

а) определим величину зазора

,

где для С = 20 дБ, S = 1,066 мм

Рисунок 2- Зависимость ослабления величины зазора

Из рисунка 2 следует, что ослабление линейно возрастает с увеличением зазора между проводниками.

б) Определим ширину полоскового волновода в области связи

,

где для С =20 дБ, b = 0,701 мм

в) Определим длину области связи

L = Л/4 = 12,75 мм

Выбор корпуса модуля

Корпус для нашего устройства выбираем рамочного типа (4201). Эти корпуса применяются в основном в изделиях на МПЛ с воздушным заполнением, компланарных и щелевых линиях. Конструкция корпуса позволяет осуществлять одно и двухъярусное расположение плат. На стендах корпуса удобно располагать фланцевые и вставные коаксиальные переходы. Корпуса удобны для изготовления литьем, штамповкой, прессовкой из пластмассы. Крепление платы в корпусе производится установкой ее на уступы, расположенные вдоль стенок или в углах рамки, с последующей пайкой по периметру платы.

Корпус и его размеры выбираем по ОСТ 107.430441.001-87.

Корпус сделан из алюминиевого сплава (Ал-2 ГОСТ 2685-63) с температурным коэффициентом линейного расширения 21,1...23,3.

Коаксиальные разъемы СРГ-50-751Ф ВРО.364.049.ТУ

Нам потребуется контактные площадки для установки резистора. Размеры контактной площадки или участка МПЛ, предназначенные для присоединения пайкой плоских или круглых выводов навесных элементов, должны превышать размеры контактной части вывода на 0,2 мм.

Заключение

В результате курсового проектирования, в соответствии с заданием, разработан регулируемый аттенюатор.

Разработана конструкция аттенюатора. Были выбраны материалы для его изготовления. аттенюатор мощность электромагнитный

Произведен расчет микрополосковой линии, направленного ответвителя, резистора с получением геометрических размеров топологии.

Список использованной литературы

1. Иванов Б.П. Методика расчета микрополосковой линии предачи, Ульяновск, УлГТУ., 2004.

2. Калашников В.С., Негурей А.В. Расчет и конструирование аттенюаторов СВЧ. М., 1980.

3. Ковалев И.С. Конструирование и расчет полосковых устройств. М., "Советское радио", 1974.

4. Негурей А.В. Расчет и конструирование элементов измерительной аппаратуры СВЧ., 1978.

Размещено на Allbest.ru