Конструирование/расчет полосковых устройств

Внедрение радиоэлектроники практически во все области науки и техники требует совершенствования конструкций, уменьшения габаритов т веса, а также автоматизации производства радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Одним из средств решения этих задач является технология печатного монтажа, которая используется при изготовлении не только приборов с сосредоточенными постоянными, но и с распределенными, работающими в микроволновом диапазоне, где применялись только объемные волноводные и коаксиальные элементы и узлы.

Развитие теории и техники полооковых волноводов обусловлено в первую очередь тем, что они обладают всеми преимуществами печатных схем (малый вес, дешевизна, небольшие габариты, простая технология и т. д.). На основе полосковых конструкций можно создать элементы СВЧ тракта радиолокационного приемника, параметры которых почти такие же, как у аналогичных объемных волноводных 1Н коаксиальных узлов. Оказалось возможным в лабораторных условиях с помощью простейших средств создавать такие узлы, которые в вол-новодном или коаксиальном исполнении требовали бы мощного стационарного технологического оборудования. Удалось разработать такие конструкции СВЧ устройств, в которых очень трудно использовать коаксиальную линию или полый волновод. К их числу относятся многоэлементные делители мощности, решетки вибраторов сантиметрового диапазона и др.

Развитие конструкций полосковых волноводов шло в двух направлениях. jlegBoe - это разработка теории полосковых волноводов, в рамках которой определялись электрические параметры (распределение поля, емкость на единицу длины, характеристическое сопротивление, передаваемая мощность, потери, затухание), рассчитывались неоднородности, разрабатывались узлы на полосковых волноводах [4, 31-41, 71, 73]. Вторым направ-лением явилась технология элементов, разраоотка методов нанесения центрального проводника на диэлектрик и его изготовление, улучшение параметров листовых ди-

электриков (допусков на толщину, диэлектрическую проницаемость е и т. д.), поиск перспективных диэлектрических материалов, клеев и пр. [74, 89].

Полосковые волноводы со сплошным заполнением диэлектриком и печатным центральным проводником являются в настоящее время наиболее распространенными. Их преимущества - экономичность производства, прочность и компактность. Однако сравнение их с паюсковы-ми волноводами, у которых диэлектриком служит воз-ду.х, показывает, что jjhh имеют ряд недостатков, а именно; большие потери в диэлектрике и сильный разброс характеристик при изготовлении. Этот разброс вызван в основном изменениями диэлектрической проницаемости е и толщины материала несущей пластины.

В настоящее время допуск на величину ешироко применяемых материалов составляет ±5%. Такое изменение диэлектрической проницаемости приводит к отклонению характеристического сопротивления на ±2...3%. Кроме того, допуск на толщину диэлектрических пластин достигает ±0,1 мм, что вызывает дополнительное изменение характеристического сопротивления примерно на ±5%. Поэтому необходимо улучшать однородность состава и равномерность толщины диэлектрического листа. Этого можно достигнуть при использовании в качестве диэлектрика чистых материалов, а не смесей. Обычно диэлектриком служат диэлектрические подложки из алюмокерамики с содержанием окиси алюминия А1гОз 99,5; 96 и 85% (при этом соответственно е=10, tg6= = (1...2)-10-; .е=8...9, tge=(15....6)-10- ) и материалы с большой диэлектрической проницаемостью, например титанаты магния. Менее чистая алюмокерамика имеет более грубую поверхность из-за наличия примесей. Частотный диапазон этих материалов и их применение ограничиваются ВЧ потерями.

Расширяются области применения полосковых волноводов, узлов и элементов на них. Уже сейчас полосковые волноводы вытеснили все другое в фильтрах со средней и малой добротностью. Успешно развивается техника ферритовых устройств на полосковых волноводах. Здесь экономия материала, веса и пространства особенно заметна, так как наряду с уменьшением габаритов самого волновода существенно уменьшается зазор магнитопровода, что влечет за собой значительное снижение его веса. Темпы развития полосковых ферри-

Тивых устройств позволяют предположить, что и в этой области полосковые волноводы вскоре будут играть очень важную роль. Перспективным является нзготов-.lemie антенн на базе полосковых волноводов, в частно-CTir решеток вибраторов, щелевых решеток, директорных и спиральных антенн.

Видоизменяются конструкции самих полосковых вол-нопочов. Например, несимметричный полосковый волно-ncii превосходил симметричный при создании диапазон-Hiii.v и регу.7круемых узлов. Однако применение его огра-шмпнпялосг. из-за плохой экранировки. Была предложена учачнпя конструкция коробчатого полоскового волиово-1.1, пГм.(Чпп1111)Щого п себе достоинства несимметричного пппнгконпш полнопола и высокую степень экранировки симметричного (см. рис. 1.4). В отличие от обычной ко-рпбмат.чя конструкция позволяет управлять характери- . гтнчоским гопрптиплением несимметричного волновода ПС ТП.П1.КП измененпем ширины полоски и толщины ди-мскгрнка, ио и с помощью боковых ребер.

Пролшествепниками получивших развитие СВЧ ин-тггралыгих схем были схемы на полосковых волноводах, t;ik называемые схемы СВЧ диапазона. Сочетание пас-гппных элементов ГВЧ микросхем с полупроводниковыми мсмснтлми гогтавляет основу развивающейся интег-рпльпой техники Г.ВЧ Некоторые СВЧ интегральные г\гм1/ могут выполнять почти все функции СВЧ приборов низкого и Среднего уровня мощности [84]. В полосковых системах, определяемых как СВЧ интегральные схемы. Применяются стандартные печатные ленты {109] лтгбо подложки из окиси алюминия АЬОз {101].

Размеры полосковых волноводов с диэлектриками меньше возлушных. Чтобы СВЧ интегральная схема нмрлл приемлемые размеры, диэлектрическая проницаемость Е должна лежать в пределах от 8 до 16 и не зависеть от температуры. Если диэлектрическая проницаемость слишком велика, могут возникнуть поверхностные волны высших порядков, поперечные размеры полоскового волновода становятся очень малыми, величина е меняется с температурой.

Если величина е не очень велика, токонесущие полоски волноводов могут быть шире, размеры становятся менее критичными, а потери уменьшаются. Толщина токонесущих полосок должна составлять несколько (3... Б) глубин проникновения тока, т. е. быть не менее

2,..3 мкм. Металлические пленки СВЧ нигегрилыилх схем (Лр, Си, Аи m А1) имеют толщину от иееколькнх микрометроц до 15 мкм. Укажем, однако, что СВЧ iuh-тегральныс схемы с толщиной пленки примерно 5 мкм или более требуют особого внимания. Необходимо, чтобы нижний слой пленки (0,1... 0,2 мкм) обеспечивал хорошую адгезию, а верхний - высокую проводимость. Из вышеизложенного следует, что СВЧ интегральные схемы предъявляют более жесткие требования к применяемым материалам и при их изготовлении необходимо использовать методы технологии тонких пленок {27].

Несимметричный полосковый волновод является наиболее распространенным элементом СВЧ интегральной схемы, в котором распространяется квази-ТЕМ волна.

Глава 1

ТЕОРИЯ И РАСЧЕТ ПОЛОСКОВЫХ ВОЛНОВОДОВ

Различают два основных типа полосковых волноводов; несимметричные (открытые) и симметричные (закрытые, экранированные).

а) Несимметричные полосковые волноводы с воздушным заполнением (рис. 1.1,а).

б) Несимметричные полосковые волноводы с твердым диэлектриком (рис. 1.1,6) технологичны, имеют простую конструкцию, а при использовании диэлектрика с большим значением относительной диэлектрической проницаемости е обладают также и меньшими по сравнению с симметричными потерями на единицу длины волновода. К недостаткам такого полоскового волновода можно отнести жесткость допусков на поперечные размеры токонесущей полоски, толщину и однородность диэлектрика, возрастающую с увеличением характеристического сопротивления волновода.

в) Симметричные полосковые волноводы с твердым диэлектриком (рис. 1.1,в) обладают меньшими по сравнению с несимметричными потерями на излучение при использовании диэлектрика с малой диэлектрической проницаемостью.

г) Симметричные полосковые волноводы с воздушным диэлектриком и токонесущей полоской, нанесенной с двух сторон на опорную диэлектрическую платину (рис. 1.1,г) позволяют в значительной мере совместить технологические преимущества печатных схем и малые потери волноводов с воздушным заполнением.

д) Симметричные полосковые волноводы с воздушным заполнением (рис. 1.2,а) характеризуются наименьшими потерями, но они менее технологичны по сравнению с рассмотренными выше типами волноводов.

е) Полосковые волноводы с подвешенной подложкой (рис. 1.2, б, в), у которых токонесущая полоска нанесена на одной стороне диэлектрика, обладают электрическими хадактеристиками, зависящими от местонахождения токонесущей полоски относительно экранирующих пластин: