WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

ПРАВИТЕЛЬСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

_

Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

Национальный Исследовательский Университет

«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»

Московский институт электроники и математики

На правах рукописи

ЗАКИРОВА ЭЛЬМИРА АЛЕКСЕЕВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ C МНОГОСЛОЙНЫМИ

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПОДЛОЖКАМИ И РАЗРАБОТКА

МИКРОПОЛОСКОВЫХ СВЧ УСТРОЙСТВ НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность 05.12.07 – Антенны, СВЧ устройства и их технологии Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор Елизаров А.А.

Москва –

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современный этап разработки микрополосковых СВЧ устройств, широко использующихся в радиоэлектронных системах, связан с необходимостью внедрения в процесс их проектирования передовых технологий и новейших конструктивных решений.

Данная диссертационная работа посвящена исследованию физических и конструктивно-технологических особенностей печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками для создания на их основе многофункциональных элементов, узлов и модулей, обеспечивающих миниатюризацию и улучшенные электрические параметры и характеристики микрополосковых СВЧ устройств. Предложенные и разработанные конструкции перспективны для применения в составе современных средств связи и телекоммуникаций.

Автор считает своим долгом выразить глубокую признательность заведующему кафедрой «Радиоэлектроника и телекоммуникации»

д.т.н., профессору Увайсову С.У. за постоянное внимание и поддержку данной работы; д.т.н., профессору Кечиеву Л.Н., д.т.н., профессору Петрову А.С., д.т.н., профессору Нефедову В.Н. и к.т.н., доценту Хриткину С.А. за полезные замечания и советы, способствующие улучшению отдельных разделов и глав диссертации.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ

РАЗВИТИЯ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И

КОНСТРУКЦИЙ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ СВЧ ДИАПАЗОНА.......... 1.1 История изобретения и тенденции развития печатных плат. 1.2 Краткий обзор современных публикаций по печатным платам и микрополосковым СВЧ устройствам на их основе

1.3 Физические и конструктивно-технологические особенности многослойных печатных плат

1.3.1 Печатные платы на фторопластовом основании

1.3.2 Печатные платы на керамическом основании

1.3.3 Гибкие печатные платы на основе жидкокристаллических полимеров

1.4 Микрополосковые СВЧ устройства на печатных платах с многослойными диэлектрическими подложками

1.5 Анализ методов расчета, проектирования и моделирования микрополосковых СВЧ устройств на печатных платах с многослойными диэлектрическими подложками

1.6 Выводы по главе 1

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ОГРАНИЧЕНИЙ И

ПОТЕРЬ В МОДЕЛЯХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ С

МНОГОСЛОЙНЫМИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ

ПОДЛОЖКАМИ И СВЧ УСТРОЙСТВАХ НА ИХ ОСНОВЕ...... 2.1 Анализ физических ограничений и потерь в металлических проводниках

2.2 Анализ физических ограничений и потерь в диэлектрических материалах

2.3 Дисперсия диэлектрической проницаемости и необходимость ее учета

2.4 Анализ паразитных колебаний и волн в микрополосковых линиях с учетом многомодовой дисперсии

2.5 Выводы по главе 2

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ

ПАРАЗИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ИЗ МНОГОСЛОЙНЫХ

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОДЛОЖЕК ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ И СВЧ

УСТРОЙСТВ НА ИХ ОСНОВЕ

3.1 Анализ паразитного излучения кромок многослойных диэлектрических подложек печатных плат СВЧ диапазона......... 3.2 Энергетические характеристики паразитного излучения кромок

3.3 Выводы по главе 3

ГЛАВА 4. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И

ПРОЕКТИРОВАНИЕ МИКРОПОЛОСКОВЫХ СВЧ

УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ МНОГОСЛОЙНЫХ ПОДЛОЖЕК

ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ

AWR DESIGN ENVIRONMENT (MICROWAVE OFFICE)............ 4.1 Краткий обзор программных средств для решения электродинамических задач

4.2 Метод моментов и его практическая реализация в программе AWR Design Environment (Microwave Office)

4.2.1 Обобщенная формулировка электродинамической задачи......... 4.2.2 Описание моделируемой электродинамической структуры....... 4.2.3 Формулировка и алгоритм метода моментов

4.2.4 Формирование и численное решение матрицы моментов......... 4.3 Пример моделирования межслойного перехода на основе копланарной линии

4.4 Выводы по главе 4

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА

МИКРОПОЛОСКОВЫХ СВЧ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ



ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ С МНОГОСЛОЙНЫМИ

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПОДЛОЖКАМИ

5.1 Разработка модифицированной печатной платы с подвешенной подложкой

5.2 Исследование микрополоскового фильтра на штыревой гребенке с многослойной подложкой

5.3 Исследование микрополосковой спиральной антенны с линейной поляризацией

5.4 Исследование развязывающего фильтра на многослойном метаматериале

5.5 Выводы по главе 5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.......... БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы В современных радиотехнических комплексах, системах автоматики и управления широко используются микрополосковые СВЧ устройства различного функционального назначения. Их разработка диктует необходимость создания высокоэффективных миниатюрных узлов и модулей, обладающих высокой надежностью, быстродействием, стабильностью электрофизических параметров и характеристик, отвечающих уровням необходимой электромагнитной совместимости и обладающих низкой стоимостью. Такие тенденции требуют использования новейших конструкторско-технологических решений на всех этапах проектирования СВЧ устройств, в том числе и современных печатных плат.

Традиционные печатные платы для производства изделий радиоэлектроники с помощью технологии поверхностного монтажа, выполненные на основе гетинакса или стеклотекстолита, имеют весьма ограниченную возможность применения в СВЧ диапазоне, что объясняется физическими ограничениями, увеличивающимися с ростом частоты. Такие печатные платы могут быть использованы только на частотах до единиц ГГц. При дальнейшем росте частоты увеличение потерь приводит к искажению информационного сигнала.

Все это требует нового подхода к проектированию и технологии печатных плат, использующихся в диапазоне СВЧ [1, 2].

Состояние вопроса микрополосковых СВЧ устройств является расширение количества их функций при меньших массогабаритных показателях и стабильных электрических параметрах и характеристиках. Главным направлением этой тенденции является переход от традиционной двумерной трехмерной. Применение многослойной технологии позволяет повысить функциональную плотность СВЧ устройств в сочетании с воспроизводимостью [3].

На современном этапе проектирование микрополосковых устройств СВЧ осуществляется на базе фторопластовых или, более перспективных, керамических подложек, представляющих собой многослойные структуры, выполненные с использованием технологий высокотемпературного HTCC (High Temperature Co-fired Ceramics) или низкотемпературного LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics) обжига. Разработана также модифицированная LTCC- технология на многослойная керамическая плата помещается на металлический носитель или каркас, предотвращающий усадку структуры по плоскости подложки в процессе обжига [4].

жидкокристаллических полимеров, позволяющие увеличить плотность компоновки электронной аппаратуры и создавать пространственные трехмерные структуры без увеличения интеграции компонентов микросхем. Такая технология 3D – структур получила название «объемная системная миниатюризация и технология соединений» (Volumetric System Miniaturizationand Interconnection Technology – VSMI) [5].

изготовлением печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками и микрополосковых СВЧ устройств на их основе занимается большое количество зарубежных компаний и фирм, среди которых следует выделить DuРont, Kyocera, NEC, Hitachi, Fujitsu, Matsushita, IBM, NGK, Toshiba, Murata и др. Из наиболее интересных отечественных производителей необходимо отметить группу российских предприятий PSElectro ООО «Электроконнект», ЗАО Предприятие «ОСТЕК», ПТК «Печатные платы» ФГУП «Рязанский приборостроительный завод», а также исследования и разработки микрополосковых СВЧ устройств, проводимые в ОАО «ОРКК» НИИ КП», СПбГЭТУ «ЛЭТИ», ФГУП «Ростовский-на-Дону НИИ радиосвязи» (РНИИРС) и др.

Цель диссертации Исследование физических и конструктивно-технологических особенностей печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками для создания на их основе многофункциональных элементов, узлов и модулей, обеспечивающих миниатюризацию и улучшенные электрические параметры и характеристики микрополосковых СВЧ устройств.

следующих задач:

• анализ известных физических особенностей, конструкций и технологий изготовления печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками, их преимуществ, недостатков и тенденций дальнейшего развития;

металлических проводниках и диэлектрических материалах многослойных печатных плат и СВЧ устройств на их основе;

• исследование физических особенностей возникновения паразитных типов колебаний и волн в одиночных и связанных микрополосковых линиях на керамических подложках для случаев их синфазного и противофазного возбуждения, включая анализ влияния многомодовой дисперсии на передачу цифрового сигнала;

• исследование паразитного излучения кромок многослойных диэлектрических подложек печатных плат СВЧ диапазона;

• анализ численных методов и программных средств для компьютерного моделирования микрополосковых СВЧ устройств на подложками;

• экспериментальное исследование макетов разработанных компьютерного моделирования.

Методы исследования Исследования проведены с помощью математических аппаратов компьютерного моделирования; изготовленных экспериментальных макетов СВЧ устройств.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректностью используемых и опубликованных полученных результатов с опубликованными в отечественной и зарубежной печати результатами компьютерного моделирования, экспериментальных исследований и внедрением разработанных элементов и устройств в производство.

Научная новизна, основные научные положения и результаты На защиту выносятся перечисленные ниже новые научные положения и результаты, полученные в работе:

подложкой и согласующим многослойным диэлектрическим экраном обеспечивает равномерное изменение волнового сопротивления в поперечном сечении, позволяет достичь уменьшения коэффициента замедления и расширения диапазона частот разрабатываемых микрополосковых СВЧ устройств за счет увеличения границы высокочастотной отсечки.

2. Микрополосковый фильтр низких частот на штыревой гребенке с многослойной подложкой обеспечивает увеличение частоты среза не менее чем в 1,5 раза по сравнению с прототипом той же топологии, выполненным на однослойной плате, без увеличения коэффициента отражения.

3. Микрополосковая спиральная антенна, выполненная на многослойной подложке, обеспечивает линейную поляризацию в полосе частот до полутора октав, при КСВН не хуже 2,0, габаритных размерах антенны, значительно меньших рабочей длины волны и требуемой диаграмме направленности.

4. Развязывающий фильтр на однослойном метаматериале позволяет достичь более чем двукратного роста затухания колебаний (121,2 – 115,1 дБ) по сравнению с затуханием, обеспечиваемым импедансной металлической поверхностью (55,4 – 34,8 дБ), при ширине полосы пропускания 130 МГц.

5. Развязывающий фильтр на многослойном метаматериале с кольцевыми разомкнутыми резонаторами обеспечивает более чем двукратное расширение полосы пропускания (до 270 МГц), по сравнению с фильтром на однослойной структуре, при среднем снижении затухания на 28,6 дБ.

Апробация работы диссертации докладывались и обсуждались на 8 Международных и Всероссийских научно-технических конференциях: LXVII Научной сессии, посвященной Дню радио, Москва, 2012; Научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ Conference "INNOVATIVE INFORMATION TECHNOLOGIES", Prague, 2012, 2013; 6 и 7 Отраслевых научных конференциях «Технологии информационного общества», Москва, 2012, 2013; V Всероссийских научных Зворыкинских чтениях, Муром, 2013.

Практическая ценность и внедрение результатов Основные результаты диссертации получены при выполнении гранта научно-учебной группы «Электродинамика замедляющих систем» № 13-05-0017, 2013 и инициативных работ, выполненных в МИЭМ НИУ ВШЭ при участии автора за период 2011-2013 г.

Научные и практические результаты работы используются в ОАО «Научно исследовательский институт космического приборостроения», Институте пути, строительства и сооружений Московского государственного университета путей сообщения; а также в научной и учебной деятельности кафедры «Радиоэлектроники и телекоммуникаций» МИЭМ НИУ ВШЭ. Использование результатов подтверждено соответствующими актами и заключениями.

Публикации По материалам диссертации опубликовано 14 работ, включая статьи в российских журналах (по списку ВАК РФ), 1 статья в сборнике научных трудов, 6 статей в трудах российских и международных конференций, 3 патента РФ на изобретения и полезные модели.

Структура диссертации Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложения. Общий объем библиографический список из 109 отечественных и зарубежных источников на 12 страницах, приложения с актами использования результатов на 8 страницах.

Во введении к диссертации обоснована ее актуальность, рассмотрено состояние вопроса, сформулированы цели, задачи и методы исследований, научная новизна, основные положения, выносимые на защиту, вопросы практической ценности, внедрения результатов, апробации и публикаций. Приводится краткое содержание каждой из глав.

В первой главе проведен обзор современного состояния и тенденций развития современных многослойных печатных плат и микрополосковых СВЧ устройств на их основе. Проанализированы физические и конструктивно-технологические особенности печатных плат на многослойных фторопластовых и керамических основаниях, рассмотрены преимущества и недостатки гибких печатных плат на основе жидкокристаллических полимеров, показаны тенденции их дальнейшего развития. Сделан вывод об актуальности поставленной научной задачи.

перспективным является разработка комбинированных и гибридных диэлектрическими подложками. Благодаря выбору электрофизических свойств диэлектрических слоев плат, резонансным явлениям в них и эффекту замедления электромагнитных волн, появляется возможность создания микрополосковых устройств СВЧ с габаритными размерами улучшенными электрическими характеристиками и низкой стоимостью.

проектирования и компьютерного моделирования, которые могут быть использованы для определения основных характеристик и параметров микрополосковых СВЧ устройств на печатных платах с многослойными диэлектрическими подложками. Подчеркнута эффективность использования приближенно-аналитических моделей и методов, позволяющих обеспечить необходимую точность расчета при снижении требований к быстродействию и оперативной памяти компьютера.

Во второй главе проведен анализ физических ограничений и потерь в металлических проводниках и диэлектрических материалах многослойных подложек печатных плат и СВЧ устройств на их основе. Показано, что при выборе материала проводников необходимо оценивать потери на излучение, тепло и скин-эффект, а при выборе диэлектриков - учитывать, что при скорости передачи информации 1 Гбит/с и более тангенс угла диэлектрических потерь материала основания платы должен быть минимальным (не более 0,001). Кроме того, необходимо учитывать и частотную дисперсию, которая на частотах СВЧ диапазона начинает проявляться наряду с дисперсией диэлектрической проницаемости (пространственной дисперсией) материала, оказывая влияние на целостность передачи информативного сигнала.

Проанализирована модель печатной платы с многослойной диэлектрической подложкой, представляемой в виде волноведущей системы, моды которой различаются поперечной структурой полей, обладающих своими фазовыми и групповыми скоростями. В рамках такой модели рассмотрены колебательные искажения, возникающие при распространении квазимонохроматического сигнала.

Проведен анализ физических особенностей возникновения паразитных типов колебаний и волн в одиночных и связанных микрополосковых линиях на керамических подложках для случаев их синфазного и противофазного возбуждения.

В третьей главе с помощью программных средств MathCAD проведен анализ паразитного излучения кромок многослойных диэлектрических подложек печатных плат СВЧ диапазона на основе двух моделей - первой в виде открытого конца плоскопараллельного волновода, имитирующего кромку микрополосковой бесконечной структуры, и второй – содержащей кромку структуры и ограниченный участок диэлектрической подложки.

По результатам аналитического моделирования подтвержден вывод о необходимости частотного ограничения, которое накладывается на выбор толщин многослойных плат для СВЧ устройств - суммарная толщина многослойной подложки платы не должна превышать четверти рабочей длины волны.

В четвертой главе выполнен краткий обзор современных программных средств для моделирования электродинамических структур. Показано, что для компьютерного анализа микрополосковых устройств СВЧ наиболее эффективно использование программного пакета AWR Design Environment (Microwave Office), относящегося к 2.5-D моделирующим программам и реализованного на основе метода моментов. Отмечено, что метод моментов, в отличие от методов конечных разностей и конечных элементов, на которых базируются 3-D программы, требует гораздо меньше машинного времени, что существенно ускоряет процессы расчета и моделирования.

Проанализированы возможности и особенности алгоритма численного моделирования с помощью AWR Design Environment (Microwave Office) микрополосковых СВЧ устройств, выполненных на основе односторонних и двусторонних печатных плат. Рассмотрен пример компьютерного моделирования межслойного перехода на основе копланарной линии в диапазоне частот 1 - 18 ГГц. Отмечено, что в результате применения программных средств AWR Design Environment (Microwave Office) могут быть уточнены аналитические расчеты для проектируемых микрополосковых СВЧ устройств на печатных платах с многослойными диэлектрическими подложками.

В пятой главе предложены, теоретически обоснованы, численно и экспериментально исследованы новые микрополосковые устройства СВЧ на основе печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками.

Представлены теоретические и экспериментальные результаты исследования:

- модифицированной печатной платы с подвешенной подложкой и согласующим многослойным диэлектрическим экраном;

- микрополоскового фильтра низких частот на штыревой гребенке с многослойной подложкой;

- микрополосковой спиральной антенны, выполненной на многослойной подложке, обеспечивающей линейную поляризацию;

- развязывающего фильтра на однослойном метаматериале, обеспечивающего более чем двукратное затухание по сравнению с затуханием импедансной металлической поверхности;

- развязывающего фильтра на многослойном метаматериале с кольцевыми разомкнутыми резонаторами, обеспечивающего расширение полосы пропускания более чем в два раза по сравнению с фильтром на однослойном метаматериале.

экспериментальных исследований подтверждена возможность реализации с помощью разработанных микрополосковых структур требуемых значений S – параметров и заданных диаграмм направленности, обеспечивающих возможность их миниатюризации и многофункционального использования.

В заключении сформулированы основные результаты работы и сделаны выводы по диссертации в целом.

Современное состояние и тенденции развития методов проектирования и конструкций печатных плат СВЧ Современная радиоэлектроника идет по пути освоения все более коротких длин волн. В настоящее время активно развиваются исследования в миллиметровом диапазоне (десятки – сотни ГГц), а также разработки в области терагерцовых технологий. Требования рыночной экономики, предъявляемые к современным СВЧ приборам и устройствам, диктуют необходимость создания высокоэффективных миниатюрных узлов и модулей, обладающих высокой надежностью, быстродействием, стабильностью электрофизических параметров и характеристик, отвечающих уровням необходимой электромагнитной совместимости и обладающих низкой стоимостью. Такие тенденции требуют использования новейших конструкторско-технологических решений на всех этапах проектирования СВЧ устройств, в том числе и современных печатных плат.

Традиционные печатные платы для производства изделий радиоэлектроники с помощью технологии поверхностного монтажа, выполненные на основе гетинакса или стеклотекстолита, имеют весьма ограниченную возможность применения в СВЧ диапазоне, что объясняется физическими ограничениями, увеличивающимися с ростом частоты. Такие печатные платы могут быть использованы только на частотах до единиц ГГц. При дальнейшем росте частоты увеличение потерь приводит к искажению информационного сигнала.

Все это требует нового подхода к проектированию и технологии печатных плат, использующихся в диапазоне СВЧ.

Одной из важных тенденций развития современных микрополосковых СВЧ устройств является расширение количества их функций при меньших массогабаритных показателях и стабильных электрических параметрах и характеристиках. Главным направлением этой тенденции является переход от традиционной двухмерной трехмерной. Применение многослойной технологии позволяет повысить функциональную плотность СВЧ устройств в сочетании с воспроизводимостью.

В последние годы решение указанных проблем достигается многослойных печатных плат, выполненных на базе керамических слоев, изготовленных по технологии низкотемпературного обжига. В зарубежной литературе эта технология получила название LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic). Несмотря на достаточно широкое распространение узлов и модулей, выполненных с применением такой технологии, какие–либо стандарты или методики проектирования являются интеллектуальной собственностью разработчиков устройств и почти не публикуются в открытой печати.

Отметим далее основные физические ограничения, включая устройств, которые будут более подробно проанализированы в последующих главах и разделах диссертации.

Наиболее важными из них являются потери на излучение, которые составляют до 80 % от общего уровня потерь. Снижение таких потерь достигается использованием линий передачи с заданной электрической длиной и тщательным экранированием устройства, что информативного сигнала.

Другими видами потерь являются потери в металлических и диэлектрических элементах СВЧ устройства. В микрополосковых линиях импедансные проводники должны быть выполнены из металлов с малым удельным электрическим сопротивлением, Диэлектрические материалы следует выбирать с минимальным минимальной пространственной дисперсией, обеспечивающей стабильность относительной диэлектрической проницаемости и линейных размеров от влияния внешних факторов.

Еще одним видом потерь является влияние на целостность информативного сигнала реактивных составляющих емкостей, индуктивностей и сопротивлений самой схемы, которые должны быть минимальными при разработке топологии СВЧ устройства, а также ее монтаже.

Таким образом, исследование многослойных печатных плат для СВЧ устройств является актуальной и важной задачей, требующей учета многочисленных физических факторов и современных аналитических и численных методов разработки и проектирования.

1.1 История изобретения и тенденции развития Историки радиоэлектроники утверждают, что первая заявка на печатную плату была подана немецким инженером Альбертом Паркером Хансоном в патентное ведомство Германии в 1902 г. [6, 7].

В своем патенте он предложил формировать рисунок проводников печатной платы путем вырезания или штамповки медной фольги и последующим приклеиванием их к диэлектрической основе – пропарафиненной бумаге. Следует подчеркнуть, что уже тогда приклеивание проводников предлагалось осуществлять с обеих сторон диэлектрической основы, а также использовать сквозные отверстия для соединений элементов схемы.

Внес свою лепту в изобретения печатных плат и Томас Алва Эдисон. Он предложил обеспечивать формирование топологического рисунка платы с помощью адгезивного материала на основе графитового или бронзового порошка. Другая предложенная им технология заключалась в нанесении токопроводящего рисунка раствором азотнокислого серебра, которое затем восстанавливалось.

В 20-30-е годы прошлого века патентными ведомствами Европы и Америки было выдано множество патентов на различные конструкции и способы изготовления печатных плат, которые преимущественно были аддитивными.

Однако свой современный вид печатная плата приобрела благодаря технологиям полиграфической промышленности, которые были успешно применены австрийским инженером Паулем Эйслером в 30-е годы еще до начала Второй мировой войны. Printing plate – печатная форма или матрица – дословный перевод с английского языка уже известного в то время полиграфического термина. Эйслер предложил использовать для массового производства печатных плат субтрактивные технологии полиграфии, в которых топологический рисунок формируется путем удаления ненужных фрагментов. Им же отработана технология гальванического осаждения медной фольги и ее последующего травления хлорным железом.

Разработанные Эйслером технологии производства печатных плат практически сразу нашли применение и оказались востребованными во время Второй мировой войны, после окончания которой печатные платы стали использовать и для радиоэлектронной аппаратуры бытового назначения.

электроизоляционного материала (гетинакса, стеклотекстолита, керамики и др.), на поверхности которой каким-либо образом (например, фотохимическим) нанесены тонкие электропроводящие полоски (печатные проводники) с контактными площадками для подсоединения навесных электро- и радиоэлементов (в том числе модулей и интегральных схем).

Существует и более краткая и точная формулировка – под печатной платой понимается конструкция электрических соединений на изоляционном основании [8].

Бурное развитие вычислительной и компьютерной техники в конце прошлого века привело к необходимости значительного увеличения плотности монтажа, а, следовательно, к перспективному использованию многослойных печатных плат вместо двусторонних конструкций, являющихся в то время наиболее массовыми (рисунок 1.1). Первые многослойные платы (рисунок 1.2) были получены путем склейки двух двусторонних.

Рисунок 1.1 - Фрагменты конструкции односторонней (а) и двухсторонней (б) печатных плат: 1- монтажное отверстие, 2 - контактная площадка, 3 - проводник, 4 - диэлектрическая подложка, 5 - переходное Рисунок 1.2 - Фрагмент конструкции многослойной печатной платы:

1- сквозное металлизированное отверстие, 2 - глухой микропереход, 3 - скрытый микропереход, 4 - слои, 5 - скрытые межслойные отверстия, Однако кроме повышения плотности монтажа возникла и еще не менее важная причина – необходимость повышения быстродействия компьютерных систем, что связано с ростом тактовых частот процессоров и микросхем оперативной памяти. Компьютеры перешагнули в СВЧ диапазон, что также заставляет по-новому переключения логических элементов становится соизмеримым со временем распространения сигналов в линиях передачи. Для снижения временных задержек в межплатных соединениях требуется уменьшение их геометрической длины, что может быть реализовано только в многослойных конструкциях печатных плат и также подтверждает актуальность темы исследований.

1.2 Краткий обзор современных публикаций по печатным платам и микрополосковым СВЧ устройствам В настоящее время опубликовано довольно большое число отечественных и зарубежных книг, а также научных статей по проектирования различных видов печатных плат. Однако в большинстве этих публикаций физические ограничения, связанные с особенностями работы печатных плат в СВЧ диапазоне, практически не затрагиваются и не анализируются.

Рассмотрим ниже краткий обзор важнейших монографий и книг по данной проблематике.

проектированию печатных плат для быстродействующей цифровой аппаратуры следует отнести книгу Л.Н. Кечиева [2], изданную в году. В ней дается характеристика современной и перспективной элементной базы, анализируются электрофизические параметры печатных плат и линий передач в их составе. Также рассмотрены проектирования с точки зрения электромагнитной совместимости.

Даются конкретные рекомендации разработчикам различных видов печатных плат и цифровых узлов.

Вопросам конструирования, проектирования и технологии изготовления различных типов печатных плат посвящены два тома монографии А.М. Медведева, вышедшие в свет в 2005 году [8, 9]. В первом томе описаны базовые технологические схемы, приемы и операции производства печатных плат, в том числе с применением оборудования, а также системы технологических процессов формирования топологического рисунка. Во втором томе дается детальное изложение механических и электрохимических процессов производства печатных плат, а также рассмотрены вопросы тестирования и надежности межплатных соединений. В 2008 году вышел третий том под редакцией А.М. Медведева и Г.В. Мылова, посвященный технологиям гибких и гибко-жестких печатных плат, работающих в аппаратуре специального назначения [5]. Книга написана по материалам монографии Д. Фельштада «Flexible Circuit Technology», 2006 и руководства фирмы DuPont «Применение гибких материалов в производстве печатных плат», 1998. Следует отметить, что гибкие платы обладают уникальными свойствами и рядом преимуществ, что подчеркивает технический интерес разработчиков к возможностям их использования для соединений и компоновок различной аппаратуры, в том числе и СВЧ диапазона.

В 2005 году опубликован учебник для радиотехнических специальностей ВУЗов Е.В. Пироговой [10], в котором приведены основные термины и определения по печатным платам, применяемым проектирования. Анализируются также организационноэкономические и экологические аспекты производства печатных плат.

Отдельная глава в монографии В.Г. Уразаева, изданной в году по влагозащите печатных узлов, также посвящена печатным платам [11]. Автором приведены сведения о современных базовых материалах и технологиях проектирования и производства печатных плат, включая методы получения и свойства полимерных покрытий, используемых для влагозащиты.

Из современных зарубежных изданий следует выделить книгу Р.С. Хандпура, опубликованную в 2006 году и посвященную методам конструирования, производства и монтажа устройств на печатных платах [3]. Автором рассмотрены однослойные и многослойные конструкции плат, в том числе на гибких подложках, а также линии передачи в их структуре.

Чуть раньше, в 2005 году, вышла книга И. Иманака по японской фирмы Fujitsu [4]. Книга содержит подробное описание всех стадий технологии низкотемпературного обжига, включая анализ характеристики и параметры.

микрополосковым СВЧ устройствам, изданных за последние тридцать рассматриваются вопросы использования различных типов печатных плат. Достаточно кратко оговариваются электрофизические свойства применяемых диэлектриков с точки зрения обеспечения минимальных электромагнитных полей для отсутствия излучения и поляризации.

конкретных схем СВЧ и их выходным характеристикам в системе S-параметров.

полосковым линиям передачи и СВЧ устройствам на их основе, следует отнести книги Е.И. Нефедова, написанные в соавторстве с А.Т. Фиалковским [12] и В.И. Гвоздевым [13]. В них даны основы теории и автоматизированного проектирования электродинамических устройств СВЧ, включая структуры для гибридных и объемных интегральных схем.

Из зарубежных монографий, посвященных микрополосковым проектирования, следует выделить фундаментальную книгу К. Гупты, Р. Гарджа, И. Баля и П. Бхартии, первое издание которой вышло в 1979 году, перевод на русский язык в 1987 году [14], и переиздание в 1996 году [15].

Компьютерному моделированию микрополосковых устройств СВЧ с помощью программы Microwave Office посвящена книга В.Д. Разевига, Ю.В. Потапова и А.А. Курушина, изданная в 2003 г. [16]. Несмотря на то, что рассматриваемая авторами версия программы уже устарела, а на ее основе создан современный пакет AWR Design Environment, книга остается полезной благодаря детальному рассмотрению используемого метода моментов, широко применяемого для электродинамического анализа, расчета и проектирования различных СВЧ устройств.

1.3 Физические и конструктивно-технологические особенности многослойных печатных плат Многослойные печатные платы, производимые в настоящее время рядом отечественных и зарубежных фирм, применительно к микрополосковым устройствам СВЧ диапазона, отличаются, прежде всего, материалами подложек. Так, например, группа российских настоящее время платы для ВЧ и СВЧ устройств на фторопластовом основании, изготовленные из материалов ФЛАН, Дифлар, Rogers, Arlon, Taconics и др. (рисунок 1.3, а) [17]. Такие платы отличаются малой диэлектрической проницаемостью, не превышающей трех, минимальным тангенсом угла диэлектрических потерь, а также хорошей термомеханической стабильностью. Этой же фирмой углеводородной керамической основе из оксида или нитрида алюминия, применяемые для спутниковых систем связи и микрополосковых антенн (рисунок 1.3, б).

Рисунок 1.3 - Печатные платы на фторопластовом (а) и Особый интерес для СВЧ диапазона представляют также гибкие печатные платы, выпуск которых налажен ПТК «Печатные платы»

ФГУП «Рязанский приборный завод» [18], выполняемые в виде различных систем гибких шлейфов, содержащих многослойную структуру соединений. Такие платы с согласованными линиями передачи представляют альтернативу СВЧ линиям связи на расстояниях до 75 см и производительностью передачи информации до 10 Gbps (рисунок 1.4), что позволяет использовать их для авионики и другой специальной техники нового поколения.

Проанализируем ниже подробнее физические и конструктивнотехнологические свойства материалов подложек, используемые для многослойных печатных плат СВЧ диапазона.

1.3.1 Печатные платы на фторопластовом основании тетрафторэтилена (ПТФЭ). ПТФЭ или тефлон, был открыт в году Роем Планкеттом благодаря случайно произошедшему процессу спонтанной полимеризации газообразного тетрафторэтилена в белый порошок, похожий на парафин. Патент на открытие тефлона принадлежит американской фирме DuPont [19].

конструктивным свойствам, тефлон нашел широкое применение в ВЧ и СВЧ технике и технологиях [20, 21]. Этот материал отличается очень высокой теплостойкостью, стабильностью диэлектрической проницаемости от температуры и крайне низким уровнем диэлектрических потерь. Все это предопределило его широкое использование в аэрокосмической и военной радиоэлектронной аппаратуре, а также бытовых устройствах [22].

Сравнительные характеристики производимых материалов на основе тефлона приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Сравнительные характеристики материалов на основе тефлона Rogers RO3006 Из приведенной таблицы 1.1 видно, что кроме тефлона материал подложки содержит стекловолокно, служащее для увеличения использование керамики накладывает определенные ограничения на конструктивные свойства печатной платы. Так ее минимальная толщина ограничивается 120 мм, что соответствует минимальному минимальный размер между отверстиями в плате – он не может быть выполнен менее 250 мм.

При разработке микрополосковых СВЧ устройств особое электродинамической структуры заданной топологии [2, 12-15, 23]. В этом случае малая диэлектрическая проницаемость подложки позволяет увеличить ширину микрополоскового проводника, а значит, снизить потери мощности принимаемого или передаваемого сигнала.

Кроме того, изготовить более широкие проводники технологически значительно проще. Этот факт обеспечивает значительное преимущество фторопластовых оснований по сравнению с другими диэлектрическими подложками. В таблице 1.2 приведена зависимость диэлектрической проницаемости подложек для обеспечения волнового сопротивления 50 Ом [21].

Таблица 1.2 – Зависимость ширины проводника от толщины и диэлектрической проницаемости Благодаря сходству технологий производства печатных плат из стеклотекстолита FR4 и тефлона, практический интерес представляет создание многослойных плат, содержащих слои из обоих материалов.

При этом в рамках одного комплексного радиотехнического устройства, СВЧ блоки могут быть выполнены на участках платы с фторопластовым основанием, а НЧ узлы на участках платы из стеклотекстолита. Это позволит в целом удешевить конструкцию устройства и обеспечить целостность информативного сигнала.

Несмотря на значительные преимущества, печатные платы на фторопластовом основании имеют и ряд недостатков. Так известны исследования, проведенные компанией Arlon [24], показавшие, что коэффициент рассеяния таких печатных плат существенно изменяется под воздействием температуры и влажности, что в конечном итоге может привести к ухудшению стабильности электрических параметров и характеристик устройств. Также отмечена зависимость накопления такой платой влаги от количества выполненных отверстий – чем их больше, тем больше влаги способна накопить плата. А это, в свою очередь, приведет к расслоению участков платы, образованию вздутий, трещин и деформаций.

Другим недостатком печатных плат на основе фторопласта является так называемый эффект переплетения (Weave effect) [22, 25].

Он заключается в неравномерности заполнения тефлоновой основы наполнителем из стекловолокна и керамики, что ведет к изменению диэлектрической проницаемости платы в целом, ухудшению дисперсионных свойств и выходных характеристик СВЧ модуля. Это особенно важно учитывать при необходимости уменьшения толщин слоев многослойной платы для разработки устройств миллиметрового диапазона.

1.3.2 Печатные платы на керамическом основании В настоящее время проектирование микрополосковых устройств представляющих собой многослойные структуры, выполненные с использованием технологий высокотемпературного или низкотемпературного обжига [26].

Для создания изделий микроэлектроники широко используется технология HTCC (High Temperature Co-fired Ceramics) – на основе высокотемпературной керамики, спекаемой за одну технологическую стадию. К преимуществам технологии HTCC можно отнести высокую теплопроводность материала основания и механическую прочность, а также стабильность электрических параметров устройств (рисунок 1.5) [27 - 29].

Для изготовления подложек используется либо алюмоксидная керамика с 92% содержанием Al2O3, либо нитрид алюминия, обладающий почти на порядок большей теплопроводностью (100Вт/м°С) по сравнению с оксидом алюминия (20-30 Вт/м°С).

Спекание слоев оксида алюминия в технологии HTCC происходит при температуре около 1600°С.

Рисунок 1.5 - Изделия микроэлектроники, изготовленные с Диэлектрические свойства керамики, изготовленной по НТСС технологии, приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.3 - Диэлектрические свойства керамической основы HTCCподложек частоте 10 ГГц частоте 30 ГГц частоте 10 ГГц частоте 30 ГГц Для создания топологического рисунка платы используются высокотемпературные пасты на основе вольфрама и молибдена, обладающие худшей электропроводностью по сравнению с широко используемыми в СВЧ диапазоне золотом и серебром. Удельное сопротивление проводника из молибдена – 5,2, а из вольфрама – 5,5 мкОмсм против 1,6 и 1,7 мкОмсм для проводников из серебра и меди соответственно. Применение таких паст приводит к увеличению группового времени задержки сигналов и потерям их мощности, что затрудняет использование НТСС технологии в диапазоне СВЧ. Тем не менее, известны экспериментальные данные, указывающие на конструкторских и топологических требований – на частотах до 30 ГГц [27].

Однако наибольшие перспективы в СВЧ диапазоне имеет метод низкотемпературного совместного обжига керамической подложки и схемы (LTCC - Low Temperature Co-fired Ceramics) [3, 4].

Температурный профиль обжига показан на рисунке 1.6 [30].

Рисунок 1.6 - Температурный профиль обжига керамических подложек по К основным преимуществам создания многослойных структур с помощью LTCC технологии, последовательность операций которой представлена на рисунке 1.7, следует отнести [31- 33]:

Рисунок 1.7 - Последовательность технологических операций, выполняемых при производстве многослойных структур методом LTCC возможность создания печатных структур с количеством слоев возможность обеспечения расстояния проводник-зазор 60 мкм, а при струйном нанесении токопроводящих паст до 30 мкм;

возможность уменьшения массогабаритных размеров изделий за счет создания внутренних пассивных компонентов схем;

возможность обеспечения минимальных потерь сигнала на частотах до 60 ГГц за счет минимизации влияния реактивностей – паразитных индуктивностей и емкостей;

возможность обеспечения эффективного теплоотвода при рабочих температурах до 350 0С за счет создания матрицы каналов, заполненных термопроводящей пастой;

возможность обеспечения линейного коэффициента термического расширения (КТР), близкого к КТР кремния и арсенида галлия;

экономичное производство и сокращение производственного цикла по сравнению с традиционными толстопленочными технологиями.

На рисунке 1.8 показано сравнение габаритных размеров устройства на двухсторонней печатной плате 20х20 мм и весом 0,8 г.

и устройства, выполненного по технологии LTCC – 7х7 мм, вес 0,2 г. [34, 35].

Рисунок 1.8 - Сравнение габаритных размеров устройства на двухсторонней печатной плате и устройства, выполненного по технологии керамических плат, выпускаемых в настоящее время известными производителями по технологии LTCC, сведены в таблицу 1.4 [36].

Таблица 1.4 - Характеристики и параметры керамических плат по технологии LTCC DuPont GreenTape GreenTape Heraeus Heratape CT HL Ferro CeramTec CeramTape Nikko В таблице 1.5 представлены основные параметры «зеленых листов» - керамических лент, представляющих собой основу для Анализ и сравнение величин в таблице 1.5 позволяет сделать вывод о довольно сильном разбросе параметров керамических материалов.

Поэтому разработчики микрополосковых СВЧ устройств должны обеспечить правильный выбор диэлектрических, механических и тепловых свойств, для их последующей эффективной работы в заданном диапазоне частот [37, 38].

Таблица 1.5 - Параметры материалов керамических подложек Толщина единичного слоя после обжига, мкм 20,3… Линейный коэффициент температурного Теплопроводность, Вт/мК Диэлектрическая проницаемость на Тангенс угла Несмотря на отмеченные достоинства, в базовом варианте недостатком является усадка керамики в процессе обжига во всех трех измерениях, что ограничивает размер печатных плат и усложняет процесс их последующей обработки. Вторым и более важным недостатком является необходимость монтажа дополнительного теплоотвода для отдельных компонентов схемы, осуществляемого после обжига [26, 39 - 41].

Указанные недостатки могут быть устранены с помощью усовершенствованной LTCC – технологии на металле (LTCC-M), при которой специально составленная многослойная керамическая структура помещается на металлический носитель или каркас [40]. В результате, в процессе обжига фактически не происходит усадки односторонней LTCC-M печатной платы показано на рисунке 1.9. Для каркаса могут быть использованы несколько систем – одна, обеспечивающая максимальный теплоотвод, на основе слоев медьмолибден-медь, а другая - на основе ковара. Обе системы имеют КТР, сравнимый с КТР арсенида галлия, что допускает монтаж негерметизированного кристалла непосредственно на теплоотвод.

Рисунок 1.9 - Поперечное сечение односторонней LTCC-M платы Использование LTCC-М – технологии позволяет освоить и проводить комплексную интеграцию приемопередающих систем, включая микрополосковую схему и антенный модуль [40, 41].

Следует отметить, что двусторонняя печатная плата может быть спроектирована таким образом, что излучающие структуры и СВЧ элементы, включая микрополосковую антенну, расположены на верхней стороне платы, а низкочастотные элементы и устройства сопряжения – на нижней (рисунок 1.10).

Рисунок 1.10 - Интегральный приемопередающий LTCC-M модуль:

1 – низкочастотные элементы, 2 – компоненты с поверхностным монтажом в корпусе, 3 – активные интегральные элементы СВЧ Сравнительные характеристики и параметры многослойных печатных плат, выполненных по разным технологиям, сведены в таблицу 1.6 [40].

Таблица 1.6 – Характеристики и параметры различных оснований печатных плат Характеристика Габариты, см Вт/м С Коэффициент линейного Диэлектрическая постоянная Тангенс угла диэлектрических потерь при 25С ВЧ - потери, дБ Некоторую альтернативу многослойным печатным платам, выполненным с помощью технологии LTCC, составляют гибкие печатные платы на основе жидкокристаллических полимеров (ЖКП) [3-5, 42]. Такие платы, представляющие практический интерес для ВЧ и СВЧ диапазонов, не получили пока должного распространения, прецизионного мониторинга каждой стадии технологического процесса при их изготовлении.

Тем не менее, растущий спрос на гибридные жестко-гибкие многослойные платы для СВЧ устройств обусловлен рядом таких важных факторов, как обеспечение согласования межсхемных соединений при высокой плотности монтажа, использование гибких композиционных материалов, гарантирующих выигрыш в массогабаритных параметрах проектируемых устройств, стабильность электродинамических характеристик под воздействием внешних факторов – температуры, давления, влажности и других параметров.

В настоящее время многослойные гибкие печатные платы находят применение для [43-45]:

устройств ВЧ и СВЧ связи, обеспечивая возможность взаимного перемещения соединяемых модулей и перегибов во всех направлениях (рисунок 1.11);

Рисунок 1.11 - Длинная линия высокоскоростной связи, выполненная гибким резонансных элементов СВЧ трактов (рисунок 1.12, а) и сенсорных датчиков (рисунок 1.12, б);

Рисунок 1.12 – Резонансные элементы СВЧ трактов (а) и сенсорных медицинских имплантантов, а также чувствительных элементов ультразвуковых и эндоскопических аппаратов (рисунок 1.13);

Рисунок 1.13 - Пример использования гибких плат в зонде, внедренном в модель сердца (а) и в датчике, с помощью которого формируется акустическое изображение объекта диагностики (б) микрополосковых излучателей и антенн, в том числе для (рисунок 1.14);

Рисунок 1.14 – Микрополосковые излучатели и антенны Следует подчеркнуть, что использование многослойных гибких подложек позволяет увеличить плотность компоновки электронной аппаратуры и создавать пространственные трехмерные структуры без увеличения интеграции компонентов микросхем. Такая технология миниатюризация и технология соединений» (Volumetric System Miniaturizationand Interconnection Technology–VSMI) [5, 44].

Семейство VSMI-технологий включает всевозможные варианты 3D – компоновок аппаратуры, включая многокристальные модули и их сборку в многослойную структуру (рисунок 1.15). Проблемным моментом такой технологии является теплоотвод, который может разрушить всю концепцию увеличения плотности компоновки.

Другим ключевым вопросом остается проблема тестирования. Но, тем не менее, технологии гибких многослойных печатных плат продолжают развиваться и, несомненно, будут играть важную роль в интеграции электронных устройств.

Рисунок 1.15 - Одна из трехмерных структур 3D-компоновок Один из предложенных в работах [46, 47] вариантов дорожной карты развития электронных устройств на печатных платах на период до 2018+ года, показан на рисунке 1.16.

Рисунок 1.16 - Дорожная карта развития печатной электроники до проектировании многослойных печатных плат диапазона СВЧ показывает их зависимость от технологии интеграции трехмерных структур. Такие технологии должны быть конкурентоспособными в условиях рынка и обеспечивать максимальные функциональные массогабаритными показателями и низкой стоимостью.

1.4 Микрополосковые СВЧ устройства на печатных платах с многослойными диэлектрическими подложками Анализ преимуществ технологии LTCC и ее модификаций, проведенный в предыдущих разделах, позволяет сделать вывод о перспективности характеристик и параметров микрополосковых устройств СВЧ, изготовленных на этой базе. Такие устройства выгодно отличаются малыми габаритами и массой, высокой добротностью, благодаря малым суммарным потерям, хорошей термостабильностью, а также возможностью интеграции в схему пассивных компонентов для реализации объемных узлов и модулей СВЧ диапазона [48, 49].

изготовлением микрополосковых устройств СВЧ на печатных платах с многослойными диэлектрическими подложками занимается большое количество зарубежных компаний и фирм, среди которых следует выделить DuРont, Kyocera, NEC, Hitachi, Fujitsu, Matsushita, IBM, отечественных производителей необходимо отметить разработки микрополосковых СВЧ устройств ФГУП «Ростовский-на-Дону НИИ радиосвязи» (РНИИРС) [51-53].

Так ФГУП РНИИРС успешно реализует фильтры на элементах с распределенными параметрами на частоты 1300 МГц и 1500 МГц (рисунок 1.17). Структуры выполнены на подложках из четырех слоев керамики 951 РХ толщиной 254 мкм (216 мкм после обжига).

Габаритные размеры 30х20х1,8 мм (рисунок 1.17, а), 22х21х1,8 мм (рисунок 1.17, б).

Рисунок 1.17 - Структура фильтров на элементах с распределенными параметрами, изготовленных по LTCC-технологии, на Фильтр по рисунку 1.17, а рассчитан на частоту 1500 МГц, ширина его полосы по уровню 1 дБ – 30 МГц, минимальные потери - 4,5 дБ, КСВН в полосе пропускания – не более 1,5.

паразитных элементов благодаря отсутствию точек короткого замыкания на корпус, влияющих на потери и на резонансные частоты.

Оценка технологии была проведена на основе изготовленной партии возможность изменения толщины подложки в пределах ±5 %, при этом КСВН фильтра не превысил 1,5, а изменение полосы показаны характеристики комплексного коэффициента передачи и пропускания 60±10 МГц по уровню 1 дБ при технологическом Рисунок 1.18 - Характеристики комплексного коэффициента передачи и КСВН фильтра на частоту 1300 МГц Из графиков видно, что изменение ширины полосы пропускания находится в пределах 55 – 70 МГц.

При рабочей частоте фильтров свыше 2 ГГц, для снижения влияния качества изготовления точек заземления резонаторов на характеристики фильтра, в структуру введены дополнительные металлизированные отверстия. Топология такого фильтра с габаритными размерами 10х18х2 мм показана на рисунке 1.19.

Рисунок 1.19 - Топология фильтра с дополнительными полосами заземления Параметры 50 штук изготовленных микрополосковых фильтров данной конструкции на частоту 2755 МГц с шириной полосы пропускания 150 МГц по уровню половинной мощности, КСВН не хуже 1,8, и минимальными потерями 6,3 дБ, показали хорошее соответствие расчетным данным, подтвердив выход годных до 97 %.

Технический интерес представляют также разработки ФГУП фронтально отрезках микрополосковых линий. Такие ответвители ответвителями Ланге с боковой связью, которые требуют применения встречно-штыревой структуры или тандемного соединения двух структур со слабой электромагнитной связью.

Рассматриваемый ответвитель с лицевой связью реализован на основе двухслойной структуры и рассчитан на диапазон 0,95 – 2,15 ГГц. Топология слоев представлена на рисунках 1.20, 1.21.

Габаритные размеры 10х26 мм. Анализ экспериментальных теоретическим расчетам во всей полосе частот, превышающей октаву.

Также реализован ответвитель, свернутый в меандр-линию и размещенный в виде квадрата размером 10х10 мм.

Рисунок 1.20 - Структура слоев направленного ответвителя Разработанные направленные ответвители с лицевой связью могут быть также использованы в качестве гибридных устройств широкополосных корректоров. Наибольшую перспективу представляет трехполосковая конструкция направленного ответвителя, в которой между полосками внешнего слоя имеется подстроечный зазор, регулирующий электромагнитную связь.

Структура слоев и геометрические размеры такого ответвителя, выполненного на керамической подложке с диэлектрической проницаемостью 7,8, показана на рисунке 1.22.

Рисунок 1.22 - Структура слоев трехполоскового 3-дБ НО Расчетные характеристики ответвителя, полученные с помощью неравномерность деления не выше 1 дБ, разность фаз 85±20, развязку – не менее 21 дБ в диапазоне рабочих частот 0,95 – 2,15 ГГц при КСВН четырех портов не превышающем 1,16.

Еще одной разработкой ФГУП РНИИРС являются плавные СВЧ фазовращатели на варикапах для различных модуляторов и устройств суммирования сигналов. В конструкции такого фазовращателя пассивные элементы (резисторы, конденсаторы) интегрированы в объем многослойной подложки (рисунок 1.23). Габаритные размеры структуры 20х10х1 мм.

Рисунок 1.23 - Эквивалентная электрическая схема (а) и трехмерная структура (б) фазовращателя с навесными компонентами и внутренними Подложка выполнялась из одного слоя керамики 951РТ толщиной 0,14 мм и четырех слоев 951РХ толщиной 0,216 мм (после использовалась резистивная паста CF041 с удельным сопротивлением 10 кОм/кВ. Диэлектрик внутренних конденсаторов изготовлен на проницаемостью 60-80, обкладки – на основе проводниковой пасты 6148. Расчеты параметров фазовращателя с помощью программных средств Microwave Office показали, что при изменении управляющего напряжения варикапов от 0,5 до 15 В, изменение фазы может достигать 300 градусов (рисунок 1.24).

Рисунок 1.24 - Расчетное изменение фазы сигнала, проходящего через фазовращатель, при изменении напряжения на варикапах микрополосковые СВЧ устройства на многослойных керамических платах подтверждают актуальность и перспективность рассмотренной технологии LTCC и ее модификаций. Существующий уровень освоения этой технологии позволяет изготавливать малогабаритные повторяемостью и стабильностью заданных электрических характеристик и параметров.

1.5 Анализ методов расчета, проектирования и моделирования микрополосковых СВЧ устройств на печатных платах с многослойными диэлектрическими Для проектирования и компьютерного моделирования многослойными диэлектрическими подложками могут быть использованы аналитические и численные методы расчета [54, 55].

К аналитическим методам расчета таких устройств, следует отнести, прежде всего, метод частичных областей, который в электродинамике используется наиболее часто. В основе этого метода заложено разделение исследуемой структуры на простые подобласти, в каждой из которых получают решение системы уравнений Максвелла с учетом граничных условий на части поверхности подобласти. Из условий удовлетворения граничным условиям на остальной поверхности подобласти и непрерывности на общих границах раздела находят неизвестные амплитуды составляющих полей в каждой частичной подобласти и области в целом.

Модификациями метода частичных областей, в зависимости от способа согласования полей на границах сред, являются метод Трефтца (метод прямого сшивания полей), метод сшивания полей с учетом условия на ребре и методы, основанные на вариационных принципах.

Метод Трефтца обеспечивает решение электродинамической задачи за счет ее сведения к решению бесконечной системы линейных алгебраических уравнений для пространственных гармоник в частичных областях. Единственность решения достигается учетом условия на ребре структуры.

Метод сшивания полей с учетом условия на ребре сводится к сшиванию полей в частичных областях с полями, задаваемыми на границах их раздела. При аппроксимации полей на границах частичных областей в системе базисных функций достигается единственность решения.

Использование методов, основанных на вариационных принципах, предполагает нахождение собственных значений краевой задачи и определение стационарного значения функционала, аппроксимирующего распределение полей на границах частичных областей. При этом даже грубые аппроксимации позволяют получить искомую характеристику в виде стационарного значения некоторого функционала. Более точные решения находятся в виде бесконечных систем линейных алгебраических уравнений для амплитуд аппроксимирующих полей. Учет условия на ребре в системе базисных функций позволяет найти единственное решение.

Следует отметить, что применение методов частичных областей зависит от геометрии исследуемой электродинамической структуры, которая может быть разделена на частичные области, как в продольном, так и в поперечном направлениях.

Проанализированные разновидности метода частичных областей довольно часто рассматриваются как вариации метода моментов, приводящие к одной и той же системе уравнений, если для каждой границы раздела вместо систем базисных и весовых функций применяются собственные функции одной из смежных частичных областей. Точность решения, скорость сходимости и время счета определяются выбором системы базисных функций.

Сложность формулировки граничных задач, необходимость учета конечных размеров и толщины проводников микрополосковых линий, а также сдвига фазы на период системы, приводят к значительным трудностям получения строгого решения микрополосковых структур более эффективно применение приближенно-аналитических методов расчета, предполагающих замену реальной системы эквивалентной схемой или длинной линией.

При этом необходимая точность расчета достигается возможностью учета дисперсионных свойств эквивалентных погонных параметров:

индуктивности и емкости.

Численные методы расчета и компьютерного моделирования многослойными диэлектрическими подложками, также как и аналитические, основаны на решении системы уравнений Максвелла с учетом граничных условий. Наиболее известным из них является метод моментов, который реализован в программе AWR Design Environment (Microwave Office (MWO)) [16, 56, 57]. Этот метод описывает исследуемое микрополосковое СВЧ устройство в виде многослойной планарной конструкции. При этом слои могут быть соединены между собой металлическими перемычками. Такая структура разбивается на элементарные области, в которых известны функции Грина, а далее решается система уравнений, основанная на непрерывности полей на границах слоев.

Еще одной программой, также основанной на методе моментов, является IE3D, на базе которой в настоящее время компанией Mentor Graphics выпущена программа Hyper Lynx 3DEM [58, 59]. Данная программа менее популярна среди разработчиков микрополосковых устройств, однако, в отличие от MWO, она позволяет учесть элементы корпуса проектируемого СВЧ устройства.

Следует также отметить, что эффективность применения программ численного моделирования существенно возрастает при использовании специальных технологических библиотек (Process Design Kit, PDK), в которых сгруппированы наиболее часто встречающиеся элементы схем и моделей для определенной системы проектирования с учетом конкретной технологии изготовления этих компонентов [33, 57, 59]. Например, в системе проектирования AWR Environment, такая библиотека учитывает стек слоев, Design выполняет согласование слоев, а также определяет слои для используется структурированный язык XML. PDK использует XMLбиблиотеку для описания связей между схемотехническими специальными символами элементов и ссылками на библиотеки компонентов поверхностного монтажа. Таким образом, достигается универсальная среда проектирования, позволяющая выбирать редакторе.

Рассмотрим далее пример проектирования в AWR Design Environment с помощью PDK-библиотеки спиральной замедляющей (рисунок 1.25). Процесс создания такой модели занимает два этапа.

Рисунок 1.25 – Структура спирали в AWR Design Environment На первом этапе структура спирали прорисовывается как набор примитивов в виде связанных линий, расположенных на разных слоях, моделирование которых возможно в квазистатическом приближении для поперечного сечения подложки. Такая модель будет учитывать электромагнитные связи только между параллельными сегментами спирали. Далее, с помощью специальной программы AWR Model Wizard, формируется С++ код, представляющий собой процедуру прорисовки электродинамической структуры по заранее определенному набору ее основных параметров и топологии. В результате последующей компиляции С++ кода формируется исполняемая DLL – библиотека.

На втором этапе полученная DLL - библиотека сохраняется в специальной директории моделей технологических библиотек PDK.

необходимости использования данной модели спиральной замедляющей системы в виде эквивалентной схемы или топологии, сформированный программный код из DLL-файла автоматически нарисует ее на соответствующих слоях согласно описанию. При частом использовании модели можно создать специальный символ, с помощью которого она будет отображаться на схеме, а также сделать файл справки с описанием параметров модели, возможных ограничений по частотному диапазону и т.д. Такое описание будет представлено в XML-библиотеке в структурированной форме.

Из рассмотренного примера следует, что использование специальных технологических библиотек при электродинамическом моделировании имеет ряд преимуществ. Компилированные модели работают быстрее аналогичных им интерпретированных версий.

Кроме того, такие модели дают более точный результат, чем модели, описанные в аналитической форме и имеющие ограничения.

Дополнительным преимуществом является небольшой размер DLLбиблиотеки, что позволяет пересылать ее по электронной почте при внесении каких-либо изменений в технологический процесс или скомпилированная модель обладает защитой от третьих лиц, поскольку декомпиляция исходного кода представляет значительные трудности.

Появление открытых вычислительных технологий, таких как Microsoft Component Object Model (COM), позволяет интегрировать программы моделирования различных производителей в рамках единой среды проектирования. Так компанией AWR разработан интерфейс EM Socket, который использует СОМ-технологию и дает возможность проверки результатов электродинамического моделирования, полученных с помощью разных методов [60].

Таким образом, многообразие существующих методов расчета и компьютерного моделирования микрополосковых СВЧ устройств позволяет осуществлять выбор конкретного метода, производить расчеты разными методами и выполнять их сравнение с целью повышения точности и уменьшения времени счета. Однако попрежнему остается актуальной задача создания приближенноаналитических моделей элементов, узлов и модулей СВЧ устройств, описываемых простыми соотношениями, позволяющими существенно снизить требования к быстродействию и оперативной памяти компьютера.

1. Проведен обзор современного состояния и тенденций микрополосковых СВЧ устройств на их основе. Проанализированы физические и конструктивно-технологические особенности печатных плат на многослойных фторопластовых и керамических основаниях, рассмотрены преимущества и недостатки гибких печатных плат на основе жидкокристаллических полимеров, показаны тенденции их дальнейшего развития. Сделан вывод об актуальности поставленной научной задачи.

2. На основе выполненного обзора показано, что перспективным является разработка комбинированных и гибридных СВЧ устройств на базе печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками. Благодаря выбору электрофизических свойств диэлектрических слоев плат, резонансным явлениям в них и эффекту замедления электромагнитных волн, появляется возможность создания микрополосковых устройств СВЧ с габаритными размерами улучшенными электрическими характеристиками и низкой стоимостью.

проектирования и компьютерного моделирования, которые могут быть использованы для определения основных характеристик и параметров микрополосковых СВЧ устройств на печатных платах с многослойными диэлектрическими подложками. Подчеркнута эффективность использования приближенно-аналитических моделей и методов, позволяющих обеспечить необходимую точность расчета при снижении требований к быстродействию и оперативной памяти компьютера.

Исследование физических ограничений и потерь в моделях печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками и СВЧ устройствах на их Анализ основных тенденций развития проектирования многослойных печатных плат для устройств СВЧ диапазона, проведенный в главе 1, позволяет сделать вывод о том, что особую роль практически во всех рассмотренных методах и технологиях играют используемые металлические и диэлектрические материалы и их конфигурации, которым в радиоволновом диапазоне часто не уделяется особого внимания [2-4, 26, 61]. Так при выборе материала проводников необходимо оценивать потери на излучение, тепло и скин-эффект, а при выборе диэлектриков - учитывать, что при скорости передачи информации 1 Гбит/с и более, тангенс угла диэлектрических потерь материала основания платы должен быть минимальным (не более 0,001). Кроме того, необходимо учитывать и частотную дисперсию, которая на частотах СВЧ диапазона начинает проявляться наряду с дисперсией диэлектрической проницаемости (пространственной дисперсией) материала, оказывая влияние на целостность передачи информативного сигнала [62].

2.1 Анализ физических ограничений и потерь в Электродинамические свойства металлов определяются их проводимостью. Вплоть до миллиметровых волн проводимость металлов сохраняет то же самое значение, что и на постоянном токе.

Мнимая часть комплексного значения диэлектрической проницаемости металлов очень велика ’’= 4/ = 2/f, где = 2f – круговая частота. Например, для меди удельное сопротивление =1,7·10-6 Ом·см, а величина проводимости = 91011/ =5·1017 с-1.

Поэтому в СВЧ диапазоне вещественной частью комплексной диэлектрической проницаемости обычно пренебрегают. Таким образом, вследствие сильного поглощения, которое сопровождается практически полным отражением падающей электромагнитной волны от границы раздела сред, поле в металл не проникает, а сосредотачивается в тонком слое вблизи его поверхности.

Глубина проникновения поля в металл или толщина скин-слоя проводника при длине волны = 1 мм = 0,04 мкм, при = 1 см =0,4 мкм, и при = 1 м = 4 мкм. Толщина скин-слоя для разных металлов в зависимости от частоты показана на рисунке 2.1 [4, 63].

Следует подчеркнуть, что электрическое и магнитное поля проникают в скин-слой по-разному. Магнитное поле имеет тот же порядок на поверхности металла, что и в падающей волне, а электрическое поле проникает уже ослабленным в раз. В предельном случае идеальной проводимости проводника, когда толщина скин-слоя стремится к нулю, тангенциальное электрическое поле на поверхности исчезает, а тангенциальное магнитное поле претерпевает скачок. Отсюда следует, что различие между реальными и идеальными проводниками заключается в том, что в последних отсутствуют тепловые потери, определяемые по закону ДжоуляЛенца. В реальных проводниках тепловые потери возрастают пропорционально уменьшению толщины скин-слоя.

Рисунок 2.1 – Толщина скин-слоя для разных металлов в зависимости от Таким образом, в микрополосковых линиях импедансные и экранные проводники должны быть выполнены из металлов с малым удельным сопротивлением, обеспечивающих минимальные потери.

Поэтому в большинстве случаев практического применения используют медные и алюминиевые сплавы. Некоторые характеристики металлов для мирополосковых СВЧ устройств, приведены в таблице 2.1 [64].

Таблица 2.1 – Характеристики металлов для микрополосковых СВЧ устройств 2.2 Анализ физических ограничений и потерь в Потери в резонаторной структуре на СВЧ определяются величиной (1/Q), где Q–ее нагруженная добротность. Значение (1/Q) складывается из потерь в металлических проводниках (1/Qc), где Qc– собственная добротность, и потерь в диэлектрических материалах (1/Qd), где Qd– внешняя добротность. Величина диэлектрических потерь определяется по формуле – диэлектрическая проницаемость используемого материала.

На рисунке 2.2 показаны обобщенные зависимости затухания сигнала в проводниках и диэлектриках от частоты [4].

Рисунок 2.2 – Зависимость затухания сигнала в проводниках и Из рисунка 2.2 видно, что диэлектрические потери линейно возрастают с увеличением частоты, превышая затухание сигнала из-за потерь в металле на частотах выше 1 ГГц. Необходимо также отметить, что потери в проводнике зависят не только от величины скин-эффекта, но и от его поверхностного сопротивления Rs, определяемого по формуле:

где – удельное сопротивление проводника.

Проведенный выше анализ показывает, что для уменьшения использовать материалы с низким тангенсом угла диэлектрических потерь. В таблице 2.2 приведено сравнение диэлектрических на частоте 2 ГГц [4].

Таблица 2.2 – Диэлектрические параметры керамических и полимерных материалов на частоте 2 ГГц материалов в целом ниже, чем для полимерных материалов.

Сравнение керамических материалов, изготовленных по LTCC технологии, с наиболее распространенным материалом для печатных плат - стеклотекстолитом FR4, показывает, что для него на 1/ выше, а добротность ниже почти на порядок.

диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь от температуры обжига для диэлектрических материалов, использующихся в технологии LTCC [65]. Из данного рисунка видно, что несмотря на многообразие существующих материалов, ни один из них не находится вблизи области с надписью «Цель», что подтверждает актуальность поиска новых диэлектрических материалов и их соединений для создания многослойных подложек печатных плат и микрополосковых СВЧ устройств на их основе.

Рисунок 2.3 - Трехмерная зависимость диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь от температуры обжига 2.3 Дисперсия диэлектрической проницаемости и устройств СВЧ диапазона понимают под частотной дисперсией зависимость фазовой скорости электромагнитных волн от частоты или длины волны и, как следствие, изменение формы произвольных волновых возмущений в процессе их распространения. Термин «дисперсия» (от латинского dispergo – рассеивать, развеивать, разгонять) был введен в физику И. Ньютоном в 1672 году при описании разложения пучка белого света, преломляющегося на границе раздела сред.

Традиционно описание дисперсии основано на представлении произвольного волнового поля в линейных однородных системах в виде совокупности гармонических нормальных волн A exp( jt jkr).

Круговые частоты и волновые векторы k нормальных волн связаны дисперсионным уравнением в изотропных средах (k ), k k - волновое число. Дисперсия волн имеет место, если уравнение (2.1) не сводится к линейному и дисперсии волн являются фазовые v ф и групповые скорости v гр. Они различаются между собой (в анизотропных средах не только по величине, но и по направлению), и совпадают лишь при отсутствии дисперсии, когда определяются для квазигармонических волновых пакетов. Групповая скорость примерно совпадает со скоростью движения огибающей пакета, а фазовая – со скоростью перемещения вариаций поля.

Искажениями огибающей волнового пакета и его фазовой структуры можно пренебречь только на ограниченных участках распространения волны длиной L l 0 2 /, где l0 – исходная длина волнового пакета. При L l 0 2 / волновой пакет расплывается, и его характерный размер растет пропорционально пройденному пути, искажая информативный сигнал (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 - Пример расплывания волнового пакета. Сначала огибающая импульса искажается в окрестностях наиболее крутых участков (фронтов). При больших временах импульс, продолжая передвигаться в среднем с групповой скоростью, расширяется, а форма его огибающей приближенно повторяет форму пространственного спектра исходного сигнала Печатная плата с многослойной диэлектрической подложкой может быть представлена и рассмотрена как волноведущая система [62], моды которой различаются поперечной структурой полей. Каждой моде могут быть сопоставлены свои фазовые и групповые скорости. Одиночный импульсный сигнал, запущенный в многомодовую систему, распадается на серию отдельных сигналов, (рисунок 2.5).

где ij – комплексный тензор диэлектрической проницаемости.

Рисунок 2.5 - Распространение квазимонохроматического сигнала в разложения по плоским гармоническим волнам с частотой и уравнении (2.2), получим простую связь между компонентами D и Е:

Эффекты пространственной дисперсии в СВЧ диапазоне проявляются слабее, т.к. в большинстве случаев практического применения печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками длина волны размер волноведущей структуры. Поэтому частотная дисперсия в этом случае более существенная, т.к. частоты электромагнитного излучения и внутриатомных (молекулярных) процессов соизмеримы, и отклик среды часто носит резонансный характер.

многослойных подложек печатных плат СВЧ диапазона необходим учет диэлектрических потерь и частотной дисперсии, в значительной мере влияющих на целостность передачи информативного сигнала и его быстродействие.

2.4 Анализ паразитных колебаний и волн в микрополосковых линиях с учетом многомодовой Для снижения потерь, вызванных поверхностным эффектом, керамической подложки. Увеличение ширины, а значит, и площади поверхности микрополоскового проводника, вызывает снижение его волнового сопротивления по переменному току. Такой метод ограничения потерь в микрополосковых линиях является стандартным и хорошо зарекомендовавшим себя при проектировании аналоговых СВЧ устройств [8, 36-38, 41,68].

различных цифровых схем и устройств, работающих в диапазоне до ограничения потерь для них неприемлем по двум причинам. Вопервых, с увеличением габаритных размеров микрополосковых проводников, пропорционально квадрату высоты линии растут перекрестные помехи в соседних печатных дорожках, что требует их многомодовый режим, то есть возбуждение нескольких типов волн, собственной скоростью распространения. Поэтому даже если вся входная мощность одновременно переходит в мощность нескольких типов волн, они не достигают конца линии синфазно, что и является причиной искажения цифрового сигнала.

Проанализируем ниже физические особенности возникновения паразитных типов колебаний и волн в микрополосковых линиях и керамической подложке, допустимой для передачи неискаженного цифрового сигнала.

Конструктивно микрополосковая линия состоит из узкой металлической полоски и заземляющей плоскости, разделенных тонким слоем диэлектрика [12 - 15] (рисунок 2.6, а).

Щелевая линия геометрически дуальна микрополосковой линии и представляет собой узкий зазор между двумя нанесенными на диэлектрическую подложку проводящими плоскостями, одна из которых заземлена (рисунок 2.6, б).

Копланарный волновод (рисунок 2.6, в) состоит из центрального проводника и параллельных ему заземляющих плоскостей, диэлектрической подложке.

Копланарные полосковые линии (рисунок 2.6, г) геометрически дуальны копланарному волноводу и состоят из двух проводящих полосок, разделенных зазором, одна из которых заземлена.

Рисунок 2.6 - Конструкции микрополосковых линий: микрополосковая линия с заземляющей плоскостью (а); щелевая линия (б);копланарный волновод (в), копланарная полосковая линия (г) Основные виды потерь в рассматриваемых микрополосковых линиях на керамических подложках с высокой диэлектрической проницаемостью — это потери в металлизации и диэлектрике.

Причем первые, как правило, выше. Поэтому потери в линиях, в которых плотность тока максимальна на сторонах металлических полосок, обращенных друг к другу, меньше потерь в остальных линиях, где возрастание плотности тока наблюдается вблизи края металлических проводников у разделяющего их зазора.

Паразитные колебания и волны в микрополосковых линиях возникают при приближении длины волны передаваемого сигнала к ее габаритным размерам. При расположении микрополосковой дорожки распространяется квази-Т волна, а также волна НЕ1, имеющая наименьшую критическую частоту. Если проводник микрополосковой линии поднят достаточно высоко над опорным керамическим слоем, часть энергии СВЧ сигнала переносится в виде Т-волны, а другая часть распространяется в виде гибридных колебаний, отражающихся от его границ. Таким образом проявляется дисперсия, приводящая к задержке различных волн сигнала из-за отличия их фазовых скоростей.

Пороговую частоту, с которой начинается многомодовый режим в микрополосковой линии, можно оценить приближенно как частоту, равную 1/10 от критической частоты, определяемой по формуле, где r – относительная диэлектрическая проницаемость материала подложки, b – ее толщина. Так для алюмоксидной керамики с r=9,8 и толщиной 0,5 мм, fкр =95,8 ГГц. Однако данный результат получен без учета дисперсии.

колебаний в микрополосковых линиях можно по изменению подложки. С погрешностью, не превышающей 1 %, это изменение формулам [68]:

где – эффективная диэлектрическая проницаемость на произвольной частоте f; эфф – эффективная диэлектрическая проницаемость на низкой частоте; W, H – ширина и толщина микрополоскового проводника, с – скорость света в вакууме.

диэлектрической проницаемости в микрополосковых линиях от нормированной частоты fн при W/H = 0,1 [67]. По мере увеличения частоты, эфф растет и на очень высоких частотах приближается к относительной диэлектрической проницаемости подложки r, что является следствием концентрации энергии электрического поля над микрополосковой дорожкой.

Рисунок 2.7 - Зависимости эффективной диэлектрической проницаемости Более сложной является оценка дисперсии в связанных электромагнитное взаимодействие. Такие линии находят применение в гибридных и объемных интегральных схемах СВЧ, при разработке микрополосковых фильтров, направленных ответвителей и т.д.

(рисунок 2.8) [12-15, 68]. В этом случае, на основании характеристик связанных линий рассчитывают емкостную связь между соседними проводниками, которая в одних случаях может являться паразитной, а в других – успешно применяться, например, для создания встречноштыревых конденсаторов.

Две связанные линии передачи можно охарактеризовать волновыми сопротивлениями Zв.сф., Zв.пф. и фазовыми скоростями Vф.сф., Vф.пф. для синфазного и противофазного типов возбуждений.

Величины Zв.сф., Vф.сф. определяются при условии, что оба полоска заземляющей плоскости, а величины Zв.пф.,Vф.пф. – когда проводники противоположными по знаку напряжениями. В зависимости от вида возбуждения постоянные распространения волн и соответствующие им потери будут различными. Так при противофазном возбуждении напряженность электрического поля вблизи зазора, разделяющего полоски, сильно возрастает, что в несколько раз увеличивает рост потерь по сравнению с синфазным возбуждением.

Рисунок 2.8 - Конструкции связанных микрополосковых линий Рисунок 2.9 - Искажение формы цифрового сигнала из-за эффекта Частотную зависимость указанных параметров, обусловленную изменение эффективной диэлектрической проницаемости для обоих типов возбуждения [68, 69]:

Gсф=0,6+0,009Zв.сф/2; Gпф=0,6+0,009Zв.пф/2;

fр_пф=Zв.пф/(0Н).

микрополосковой линии цифровых сигналов [70]. На рисунке 2. характеристика широкой (0,95 мм) и высоко поднятой (0,5 мм) печатной дорожки длиной 15 см. Диэлектрическая подложка выполнена из алюмоксидной керамики с r=9,8 и тангенсом угла диэлектрических потерь 0,01. Время нарастания сигнала 35 пс.

Из анализа рисунка 2.9 следует, что влияние многомодовой дисперсии проявляется в виде искажения формы переходной характеристики по уровню основного сигнала. Степень проявления дисперсии растет пропорционально квадрату высоты подъема дорожки. Так увеличивая высоту подъема дорожки до 1,5 мм, получаем значительно большие искажения формы цифрового сигнала при тех же параметрах микрополосковой линии.

Отметим также, что попытка улучшения согласования не оказывает значительного влияния на колебательный характер искажений, поскольку они вызваны особенностями фазовой характеристики микрополосковой линии в многомодовом режиме.

Таким образом, проведен анализ физических особенностей микрополосковой линии на керамической подложке и показано, что минимальная дисперсия, допустимая для неискаженной передачи микрополосковой дорожки, не превышающей 0,5 мм.

1. Проведен анализ физических ограничений и потерь в металлических проводниках и диэлектрических материалах многослойных подложек печатных плат и СВЧ устройств на их основе. Показано, что при выборе материала проводников необходимо оценивать потери на излучение, тепло и скин-эффект, а при выборе диэлектриков учитывать величину тангенса угла диэлектрических потерь материала основания платы, который должен быть минимальным (не более 0,001).

2. Проанализирована модель печатной платы с многослойной диэлектрической подложкой, представляемой в виде волноведущей системы, моды которой различаются поперечной структурой полей, обладающих своими фазовыми и групповыми скоростями. В рамках такой модели рассмотрены колебательные искажения, возникающие при распространении квазимонохроматического сигнала. Показана необходимость учета частотной дисперсии, которая на частотах СВЧ диэлектрической проницаемости (пространственной дисперсией) материала, оказывая влияние на целостность передачи информативного сигнала.

3. Проведен анализ физических особенностей возникновения паразитных типов колебаний и волн в одиночных и связанных микрополосковых линиях на керамических подложках для случаев их синфазного и противофазного возбуждения. Показано, что влияние многомодовой дисперсии проявляется в виде искажения формы переходной характеристики по уровню основного сигнала, не зависит от согласования микрополосковой линии, а определяется особенностями ее фазовой характеристики.

4. Проанализирована возможность передачи с помощью поднятой (0,5 мм) печатной дорожки длиной 15 см. Диэлектрическая подложка выполнена из алюмоксидной керамики с r=9,8 и тангенсом угла диэлектрических потерь 0,01. Время нарастания сигнала 35 пс. В результате расчета показано, что степень проявления колебательных искажений за счет проявления дисперсии растет пропорционально квадрату высоты подъема дорожки, а минимальная дисперсия, допустимая для неискаженной передачи цифрового сигнала, достигается при высоте подъема микрополосковой дорожки, не превышающей 0,5 мм.

Исследование особенностей паразитного излучения из многослойных диэлектрических подложек печатных плат 3.1 Анализ паразитного излучения кромок многослойных диэлектрических подложек печатных плат СВЧ Современный этап развития микрополосковой техники связан с необходимостью оценки и учета величины суммарных потерь, возникающих при заданной топологии структуры и конструкции СВЧ устройства [26, 62, 70, 71]. При этом важно учесть не только диэлектрические потери и потери, вызванные поверхностным эффектом, но и потери на излучение. Особую роль в этом случае играют потери на паразитное излучение кромок многослойных диэлектрических подложек печатных плат [71, 72]. Использование таких печатных плат позволяет обеспечить заданное распределение электромагнитного поля и, как следствие, улучшить выходные металлических и диэлектрических элементов плат усложняет физические процессы в таких структурах, приводит к явлениям дифракции, взаимной трансформации типов волн, их излучению и переизлучению.

Оценка паразитного излучения выполнена ниже на основе аналитического моделирования с помощью программных средств MathCAD и использованием соотношений для моделей однослойной печатной платы, полученных в работе [73].

В качестве первой модели рассмотрим излучение открытого имитирует обрыв микрополосковой структуры. Основной интерес в этом случае представляют колебания типа Е01 при условии, что d/«1.

Для упрощения математических выкладок рассмотрим двумерную функций Грина, получим выражения для источников - поверхностных плотностей электрического JЭ и магнитного JМ токов, связанных с электромагнитными полями Е и Н в виде:

где r – точка наблюдения, r’ -точка источника.

С учетом условия d«, действие открытого конца волновода a y - единичный вектор. Выражения для компонент электромагнитного поля, возбуждаемого током JM, получены в работе [73].

В приведенных выражениях для компонент поля r1 и t1 - первые диэлектрика; А1 – норма собственной функции Пространственная часть поля во второй области определяется составляющими:

Для тонкого диэлектрического слоя можно найти приближенное t1 (kd )2, и, пользуясь этим решением, определить постоянную распространения и норму:

Анализ разделения поля на пространственные и поверхностные волны при использовании разложения тензоров Грина по системе собственных волн LE, LM показывает, что в неограниченной диэлектрической подложке поверхностная волна переносит часть мощности первичного источника. При удалении от границы раздела воздух-диэлектрик компоненты поля поверхностной волны убывают экспоненциально, т.е. эта волна не дает вклад в поле излучения в волновой зоне.

При вычислении поля в волновой зоне от пространственной волны можно использовать метод перевала, суть которого состоит в приближенной оценке интегралов вида:

при больших значениях параметра – объемной плотности зарядов.

При условии, что функции () и f() являются аналитическими на контуре интегрирования С, получим:

где 0 - корень уравнения f '(0 ) 0.

Переходя в выражениях для пространственной части поля к полученную формулу для тока, получим:

Отсюда находим диаграмму направленности открытого конца



Похожие работы:

«ИЗ ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Кислицын, Алексей Анатольевич Вводящая в заблуждение реклама: понятие и проблемы квалификации. Опыт сравнительно­правового исследования права России и США Москва Российская государственная библиотека diss.rsl.ru 2006 Кислицын, Алексей Анатольевич.    Вводящая в заблуждение реклама: понятие и проблемы квалификации. Опыт сравнительно­правового исследования права России и США  [Электронный ресурс] : Дис. . канд. юрид. наук...»

«из ФОНДОВ Р О С С И Й С К О Й Г О С У Д А Р С Т В Е Н Н О Й Б И Б Л И О Т Е К И Пягай, Лариса Павловна 1. Дифференцированный подход при построении программы физической реабилитации больных хроническими неспецифическими заболеваниями легких 1.1. Российская государственная библиотека diss.rsl.ru 2003 Пярай, Лариса Павловна Дифференцированный подход при построении программы физической реабилитации больных хроническими неспецифическими заболеваниями легких [Электронный ресурс]: Дис.. канд. пед....»

«04200951398 Бабурина Елена Вячеславовна НАРУШЕНИЯ ИММУНОЛОГИЧЕСКОГО СТАТУСА И ИХ КОРРЕКЦИЯ ГЛУТОКСИМОМ У БОЛЬНЫХ С ОСТРЫМ И ОБОСТРЕНИЯМИ ХРОНИЧЕСКОГО САЛЬПИНГООФОРИТОВ ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата медицинских наук 14.00.36 - аллергология и...»

«Симакова Мария Николаевна ХАРАКТЕРИСТИКИ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВА БЕЛКОВ СИСТЕМ ИНФИЦИРОВАНИЯ БАКТЕРИОФАГОВ Т4 И PHIKZ И НЕКОТОРЫХ МЕМБРАННЫХ БЕЛКОВ 03.01.02 – биофизика ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Научный руководитель : доктор химических наук Мирошников Константин Анатольевич Москва СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ...»

«ТРОПКИНА Юлия Викторовна ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата педагогических наук ИННОВАЦИОННЫЙ ОПЫТ ОБУЧЕНИЯ ПИСЬМЕННОЙ РЕЧИ В ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ПОДГОТОВКЕ И ПЕРЕПОДГОТОВКЕ СЛУШАТЕЛЕЙ ВОЕННО-МОРСКИХ ВУЗОВ 13.00.08 – Теория и методика профессионального образования Научный руководитель : доктор педагогических наук, профессор Чиркова Елена...»

«ИЗ ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Гнедина, Татьяна Георгиевна Динамика карьерных ориентаций личности руководителя Москва Российская государственная библиотека diss.rsl.ru 2006 Гнедина, Татьяна Георгиевна.    Динамика карьерных ориентаций личности руководителя  [Электронный ресурс] : На примере Забайкальской железной дороги : Дис. . канд. психол. наук : 19.00.13. ­ Хабаровск: РГБ, 2006. ­ (Из фондов Российской Государственной Библиотеки). Психология развития, акмеология...»

«ДЕГТЯРЕВА Валентина Феогниевна Cтруктура и устойчивость фаз высокого давления в бинарных сплавах sp металлов Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Черноголовка 2002 2 Содержание Введение Глава 1. Структурные превращения при высоких давлениях в элементах и бинарных соединениях: основные тенденции. 1.1 Давление как...»

«Абрамова Елена Ивановна КЕЛЬТИЦИЗМЫ В АНГЛИЙСКОМ ЯЗЫКЕ УЭЛЬСА, ИРЛАНДИИ И ШОТЛАНДИИ: СЕМАНТИКА И КОММУНИКАТИВНЫЕ СИТУАЦИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ Специальность 10.02.04 – германские языки Диссертация на соискание ученой степени кандидата филологических наук Научный руководитель – доктор филологических наук, профессор М. В. Дьячков...»

«из ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Устинов, Сергей Юрьевич 1. Динамика копирующей системы комБинированного сельскокозяйственного агрегата 1.1. Российская государственная Библиотека diss.rsl.ru 2005 Устинов, Сергей Юрьевич Динамика копирующей системы комБиниров анног о сельскокоз яйств енног о агрегата [Электронный ресурс]: Дис.. канд. теки, наук : 01.02.06, 05.20.01.-М РГБ, 2005 (Из фондов Российской Государственной Библиотеки) Сельское козяйство — Меканизация и электрификация...»

«ЗАКЛЮЧЕНИЕ ДИССЕРТАЦИОЛННОГО СОВЕТА Д 212.198.06 НА БАЗЕ ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГУМАНИТАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ В СООТВЕТСТВИИ С ПРИКАЗОМ МИНОБРНАУКИ РОССИИ №428/НК ОТ 12 АВГУСТА 2013 Г. ПО ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА НАУК, аттестационное дело №_ решение диссертационного совета от 16 июня 2014 г., протокол № 8 О присуждении САМБУР МАРИНЕ ВЛАДИМИРОВНЕ, ГР. РФ степени...»

«Робенкова Татьяна Викторовна ПСИХОТИПОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ АДАПТАЦИИ СТУДЕНТОВ КОЛЛЕДЖА 03.00.13 – физиология Диссертация на соискание ученой степени кандидата медицинских наук Научный руководитель : доктор биологических наук, профессор В.Н. Васильев Томск - 2003 ОГЛАВЛЕНИЕ. ВВЕДЕНИЕ..7 ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.. 1.1.Современный подход к проблеме адаптации студентов. 1.1.1. Роль стресса в...»

«Левин Игорь Леонидович ФОРМИРОВАНИЕ ТВОРЧЕСКОЙ ЛИЧНОСТИ ШКОЛЬНИКА НА ОСНОВЕ РАЗВИТИЯ ХУДОЖЕСТВЕННЫХ ИНТЕРЕСОВ В КЛАССАХ С УГЛУБЛЁННЫМ ИЗУЧЕНИЕМ ИЗОБРАЗИТЕЛЬНОГО ИСКУССТВА 13.00.01 – общая педагогика, история педагогики и образования Диссертация на соискание ученой степени кандидата педагогических наук Научный руководитель – доктор педагогических наук, профессор, член-корр.РАО Е.Г. Осовский Нижний Новгород - СОДЕРЖАНИЕ...»

«из ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Окулич, Иван Петрович 1. Депутат законодательного (представительного) органа государственной власти суБъекта Российской Федерации 1.1. Российская государственная Библиотека diss.rsl.ru 2003 Окулич, Иван Петрович Депутат законодательного (представ umeльног о) орг ана г осударств еннои власти субъекта Российской Федерации [Электронный ресурс]: Правовой статус. Природа мандата. Проблемы ответственности Дис.. канд. юрид. наук 12.00.02. -М. РГБ, 2003...»

«Тришкин Иван Борисович СПОСОБЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ МОБИЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПРИ РАБОТЕ В ПОМЕЩЕНИЯХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ Специальность: 05.20.01- Технологии и средства механизации сельского хозяйства Диссертация...»

«БОЧАРНИКОВА НАТАЛЬЯ АНАТОЛЬЕВНА АДМИНИСТРАТИВНАЯ ОШИБКА: ПРАВОВОЕ СОДЕРЖАНИЕ, ЗНАЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПРЕОДОЛЕНИЯ Специальность: 12.00.14 – административное право, финансовое право, информационное право ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата юридических наук Научный руководитель : доктор юридических наук, профессор Старилов Юрий Николаевич Воронеж – ОГЛАВЛЕНИЕ Введение Глава 1. Административная ошибка в управленческой...»

«Баранова Светлана Измайловна Московский изразец в пространстве городской культуры конца XV – XVII века 24.00.03. Музееведение, консервация и реставрация историко-культурных объектов Диссертация на соискание ученой степени доктора исторических наук Консультант С.О. Шмидт Москва – ОГЛАВЛЕНИЕ Введение...»

«ИЗ ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Плешакова, Ольга Владимировна Снижение вредного влияния автотранспорта на окружающую среду крупного города Москва Российская государственная библиотека diss.rsl.ru 2006 Плешакова, Ольга Владимировна.    Снижение вредного влияния автотранспорта на окружающую среду крупного города  [Электронный ресурс] : На примере г. Омска : Дис. . канд. техн. наук : 05.22.01. ­ Новосибирск: РГБ, 2006. ­ (Из фондов Российской Государственной Библиотеки)....»

«УДК616.66-007.26.089.168.1- 06.053.5 Худойбердиев Азиз Абдуганиевич Хирургическое лечение осложнений уретропластики при гипоспадии у детей. Специальность-5А720202 детская хирургия Диссертация на соискание академической степени магистра Научный руководитель : д.м.н., профессор Шамсиев Азамат...»

«Абдулаева Софья Вячеславовна Лазерный липолиз в пластической хирургии 14.01.17 - хирургия Диссертация на соискание ученой степени кандидата медицинских наук Научный руководитель д.м.н., профессор Данилин Н.А. Москва 2014 г. 0 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение..4-8 Глава 1. Обзор литературы 1.1 Современное состояние вопроса обьемной и контурной коррекции тела.. 1.2 Анатомия жировой...»

«Едранов Сергей Сергеевич АПОПТОЗ И ОКСИД АЗОТА В РЕГЕНЕРАЦИИ ТРАВМИРОВАИНОИ СЛИЗИСТОЙ ОБОЛОЧКИ ВЕРХНЕЧЕЛЮСТНОГО СИНУСА 03.03.04 - клеточная биология, цитология, гистология Диссертация на соискание ученой степени доктора медицинских наук Научный консультант доктор медицинских наук,...»






 
2014 www.av.disus.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.