CC BY
749ЮрийСАНКИН Борис ИВАНОВ Михаил ДВОЕШЕРСТОВ Сергей СИМАКОВ Валерий УТКИН Игорь КУЛАГА
Российский рынок ВЧ- и СВЧ-резисторов, поглотителей и терминаторов
В настоящее время в России основными поставщиками ВЧ- и СВЧ-резисторов, терминаторов и поглотителей являются ОАО «КБ “ИКАР”» и ОАО «НПО “ЭРКОН”».
В зависимости от видов радиоэлектронных устройств ВЧ- и СВЧ-резисторы выполняют функцию оконечных и балластных нагрузок, используются в сумматорах и аттенюаторах. Их конструкция, как правило, непосредственно связана с типом линии передачи. Для коаксиальных линий предназначены цилиндрические резисторы, для полосковых — полосковые (планарные).
Для коаксиальных линий разработан ряд резисторов широкого диапазона частот и мощностей. В таблице 1 приведены основные параметры резисторов для коаксиальных линий.
Условно эти изделия можно разделить на три группы:
1)маломощные резисторы (С2-10 (а, б), С6-2,
С6-3, С6-7, С6-6-П, Р1-6);
2) СВЧ-резисторы средней и большой мощности:
a) с естественным воздушным охлаждением (Р1-69, ПРТ1, Р1-53);
Отечественные
ВЧ- и СВЧ-резисторы,
поглотители и терминаторы.
Состояние и перспективы производства
Развитие СВЧ-электроники в последнее десятилетие приобрело колоссальный размах. Это, в первую очередь, появление радиотелекомуникаци-онных средств связи и навигации гражданского применения, например хорошо всем известные системы GSM, GPRS, GPS, ГЛОНАСС и другие. Системы цифровой обработки и передачи информации также уже работают на сверхвысоких частотах, современные процессоры — в СВЧ-диа-пазоне. Быстрыми темпами идет развитие радиолокации всех видов базирования. Автомобильная промышленность внедряет системы активной безопасности на базе СВЧ-радиолокации. Параллельно развивается измерительная техника СВЧ. Все перечисленные направления являются сферой применения ВЧ- и СВЧ-резисторов, терминаторов (согласующие нагрузки) и поглотителей (аттенюаторы). В статье рассмотрены виды выпускаемых ВЧ и СВЧ пассивных электронных компонентов в России, а также освещены проблемы и перспективы развития их производства.
Таблица 1. Основные параметры резисторов для коаксиальных линий
Тип резистора Мощность рассеяния, Вт Номинальное сопротивление, Ом Диапазон рабочих частот, ГГц КСВН, не более
С2-10 (а, б) 0,5; 1,0; 2,0 50, 75, 100, 270 0-1,0 -
С6-2 0,125; 0,25; 0,5 10, 20, 30, 40, 50, 75 0-7,0 -
С6-3 1,0 50 0-18,0 1,5*
С6-7 0,25; 0,5 25, 36, 50 0-18,0 1,25*
C6-6-II* 0,5; 1,0; 2,0; 5,0 50, 75 0-20,0 2,5*
Р1-6* 0,25 50 0-40,0 2,0*
Р1-69 (МОУ) 5; 10; 25; 50; 100; 200 10-150 0-3,0 -
ПРТ1* 160;250; 500 50 0-1,0 (6,0-18,0) 1,3 (1,4)*
Р1-53 500,1000 160 0,0015-0,06 -
СОВ 1000;1500;3000; 7500;8000 24-150 50-250 -
ПВС 3000; 8000 50, 75 0,0005-1,0 -
УВ 5000; (20 000; 50 000) 47-300 0,005-1,0 (0,005-0,25) -
ППВН 250 000 22-120 0-0,002 -
ПРЖ 10 000; 50 000; (150 000; 300 000) 50 0-0,75 (0-0,25) 1,2*
* Значения КСВН в конкретном диапазоне частот уточняются вТУ и при поставке
б) с принудительным воздушным охлаждением (СОВ, ПВС);
3) мощные водоохлаждаемые резисторы и поглотители (УВ, ППВН, ПРЖ).
Увеличение мощности и рабочих частот трактов, а также уменьшение размеров пассивных ВЧ/СВЧ компонентов налагают свои ограничения на конструкцию и технологию их изготовления. Как правило, в современ-
ных СВЧ-цепях используются чип-резисторы и терминаторы, выполненные по толсто-или тонкопленочной технологии.
Первые полосковые СВЧ-резисторы С6-4, С6-9 и Р1-8 были разработаны в 1970-х годах. Конструкция резистора представляла собой плоскую прямоугольную керамическую подложку с нанесенными на одну сторону резистивным слоем и контактными площадками.
Таблица 2. Основные параметры полосковых СВЧ-резисторов
Тип резистора Мощность рассеяния, Вт Номинальное сопротивление, Ом Диапазон рабочих частот, ГГц КСВН, не более
С6-9 0,125 10-1000 0-18,0 -
Р1-1 50, 100 0-4,0 -
Р1-8 0,125; 0,25 5,11-6,81 х 105 0-2,0 -
Р1-47 0,5 50, 100 0-4,0 -
С6-6-І 0,5; 1,0; 5; 10 50, 75 0-7,0 * 1,35*
Р1-2 50, 100 0-4,0 1,3
Р1-3 10, 25, (50) 5,11-311 0-1,5 (0-0,2)* 1,5*
Р1-5 0,5; 3 5,11-311 0-3,0* 1,5*
Р1-9 40;(50) 50,75, 100 0-4,0 (0-2,0) 1,25
Р1-17 100; 150; 250; 400 12,5; 25; 50; 75; 100; 150 0-2,0* 1,25*
* Значения КСВН в конкретном диапазоне частот уточняются в ТУ и при поставке
Резистивный слой наносился по тонкопленочной технологии. В качестве материалов резистивного слоя использовалась разработанная в то же время серия резистивных сплавов на основе силицидов хрома (РС3710, 5402 и т. п.). Данные материалы обеспечивают приемлемые значения стабильности резистора под электрической нагрузкой и ТКС в пределах + 150 ррт/град. Контактные площадки были либо только со стороны резистивного слоя (Р1-1, Р1-47), либо с заходом на торцы резистора (С6-9), либо с заходом на торцы и обратную сторону подложки (Р1-8). Появление мощных полосковых СВЧ-тран-зисторов дало толчок к проектированию мощных СВЧ-усилителей, построенных по этому принципу. Одновременно появились полосковые СВЧ-резисторы на соответствующие мощности. Это серия резисторов С6-6-1, Р1-2, Р1-3, Р1-5, Р1-9, Р1-17. Основные параметры полосковых СВЧ-резисторов приведены в таблице 2.
Полосковые резисторы устанавливаются либо на плоский теплоотвод с помощью пайки (С6-6-1, Р1-17-1), либо на промежуточный элемент крепления — винт (Р1-3, Р1-5) или фланец (Р1-2, Р1-9, Р1-17).
Отдельную группу резистивных СВЧ-по-глотителей представляют планарные аттенюаторы и делители мощности. Данный вид изделий может быть использован в качестве навесных элементов гибридных интегральных схем или в качестве поглощающего элемента коаксиального СВЧ-аттенюато-ра. Основные характеристики приведены в таблице 3.
Направления и особенности проектирования пассивных ВЧ- и СВЧ-компонентов
Проектирование ВЧ/СВЧ пассивных компонентов с высокими частотно-мощностны-ми характеристиками связано с выбором материалов, технологии нанесения пленочных проводящих и резистивных слоев, схемноконструктивными вопросами обеспечения равномерности тепловыделения, оптимизации геометрии резистивной пленки и контактов, расчетом топологии цепей коррекции паразитных параметров.
В настоящее время достигнуты большие успехи в области высокотеплопроводящих материалов (окмал, теплонит, нитрид бора с коэффициентами теплопроводности X порядка 400-600 Вт/(м-К). Технологически освоен процесс нанесения на керамические подложки алмазных пленок с X я 1000 Вт/(м-К), позволяющий в пять-восемь раз повысить удельную импульсную рассеиваемую резистором мощность. Другой способ — увеличение массы резистивного слоя за счет перехода к толстопленочной технологии, но толстые пленки отличаются большей структурной неоднородностью. Третий способ — улучшение теплоотвода со стороны резистивной пленки.
Мощные резисторы охлаждаются за счет отвода тепла через подложку на теплоотвод [1]. Доля мощности, отводимой непосредственно от тепловыделяющей пленки за счет конвекции и излучения, может составлять менее 1%. Мощность, отдаваемую резистором на теплоотвод через подложку, можно определить по формуле:
Р = ВхХхДТ,
где X — коэффициент теплопроводности материала подложки при рабочей температуре подложки, Вт/м-град; ДТ — допустимая разность температур резистивной пленки и теплоотвода с фланцем, град; В — конструктивный коэффициент изделия по отношению к мощности, зависящий от размеров и формы изделия.
Емкость между резистивным слоем и нижней металлизированной поверхностью резистора (терминатора) приблизительно будет
С = ехе0хВс,
где е — относительная диэлектрическая проницаемость материала подложки; е0 — абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м; Вс — конструктивный коэффициент для емкости, зависящий от площади резистивного слоя, толщины подложки, конструкции резистора, м.
Введем показатель К — коэффициент ча-стотно-мощностного поглощения резисторов, терминаторов или поглотителей (иначе коэффициент качества поглощения с точки зрения достижения частотно-мощностных характеристик), К = РхР.
Связь между мощностью, частотой и номинальным сопротивлением терминатора определяется соотношением:
к = [вР/(х0хвс)]х[(ххдт)де, (1)
где Вр — коэффициент, зависящий от конструкции.
Можно представить (1) в виде:
ВК = Вр/(е0хВс),
где ВК — общий конструктивный коэффициент; Вм — коэффициент, зависящий от материала подложки Вм = ХДТ/е; Я — сопротивление поглотителя.
Таким образом
К = ВкхВЫ/Я- (2)
Следовательно, для поглощающих мощность изделий подобного класса качество поглощения (Рхр) = (качество конструкции х х качество материала)/Я.
Из (2) следует несколько выводов:
• Качество материала подложки с точки зрения достижимых характеристик резистора зависит от соотношения коэффициентов теплопроводности и диэлектрической проницаемости ее материала. (Например, нитрид алюминия имеет показатель Х/е в 7 раз более высокий по сравнению с поликором).
• Максимально допустимая разность температур пленки и теплоотвода (или максимальная температура пленки при фиксированной температуре теплоотвода, определяющая термостойкость пленки) пропорционально влияет на К резистора. Допустимая температура зависит от материала резистивной пленки и технологии изготовления резистора. Более высокая температура приводит к температурной нестабильности и более быстрому старению пленки, однако облегчает реализацию теплоотвода.
• Номинальное сопротивление резистора Я связано с его показателем К обратной зависимостью. Например, от резистора с сопротивлением 100 Ом следует ожидать вдвое меньшей мощности или диапазона рабочих частот, чем от резистора 50 Ом.
Таблица 3. Основные характеристики резистивных СВЧ-поглотителей
Тип Номинальная мощность, Вт Величина ослабления, Дб Диапазон рабочих частот, ГГц КСВН, не более
ПР1-1 0,5 0,5-32 0-1,2 1,2-18,0 1,15* 1,5*
ПР1-11 0,25 0-2 2-10 1,2* 1,8*
ПР1-И3 1,0 1-50 0-18,0 18,0-26,0 1,6* 2,0*
С6-8 1,0 1-60 0-18,0 1,6*
П2-4 1,0 1-80 0-12,4 1,6*
* Значения КСВН в конкретном диапазоне частот уточняются в ТУ и при поставке
Рис. 1. Поглощающие изделия: а) группы 1; б) группы 2; в) группы 3; г) группы 4; д) группы 5
Зависимость нарушается при низких значениях номинала (Я ^ 50 Ом), когда основное влияние на частотный диапазон будет оказывать индуктивность.
Условно можно разделить поглощающие изделия на несколько групп в зависимости от способов и уровня их согласования с подводящим волновым трактом.
Группа 1. Изделия с широкой (по сравнению с шириной согласованного полоска) пленкой, не согласованные по волновому сопротивлению с подводящим полосковым трактом
Эти изделия могут монтироваться в торец линии, методом перевернутого кристалла и др. Уровень рассогласования и КСВН зависит от конструкции собственно терминатора и способа монтажа. Наиболее распространенная конструкция. Достижимая величина для подложек на нитриде алюминия примерно К< 70 Вт-ГГц (рис. 1а).
Группа 2. Изделия на подложке оптимальных размеров при согласовании выводом
Размеры подложки выбираются из условия частичного согласования с волновым трактом. Частично «подсогласуются» за счет полоскового вывода и подбора зазоров между подложкой и терминатором. Ширина резистивной пленки на выбранной подложке должна быть примерно такой, чтобы полосок указанной ширины имел волновое сопротивление 30-40 Ом [6]. Достижимая величина примерно К < 140 Вт-ГГц (рис. 1б).
Группа 3. Изделия однозвенные, согласованные выделенными элементами
Фундаментальная оценка сверху для качества согласования любой комплексной нагрузки была получена Фано [2] на основании работ Боде [3]:
|Г'тах ^ ^РН^'нХ
где <3'Н = (Д///0) — полосовая добротность нагрузки; Дf = -/я) — полоса согласования;
/с = ^ х^ — средняя частота полосы согласования; Н, flí — нижняя и верхняя частоты полосы согласования. На практике такая оценка малопригодна, поскольку она не дает ответа на вопрос о качестве согласования при конечном (в нашем случае — небольшом) числе элементов цепи. Дополнительные согласующие элементы (обычно в виде прямого или изогнутого тонкого полоска) используются в ряде серийно выпускаемых конструкций терминаторов. Практически достижимая величина для нитрида алюминия К< 250-450 Вт-ГГц (рис. 1в).
Группа 4. Изделия двух- и многозвенные с элементами согласования
Содержат несколько звеньев с резистивными пленками и индуктивно-емкостными элементами. Ограничения Фано - Юлы для многозвенных цепей смягчаются, поскольку относятся к каждому звену отдельно, полосовая добротность которого становится меньше добротности однозвенной конструкции. Практически достижимая величина для двухзвенной конструкции на подложке из нитрида алюминия К< 500-600 Вт-ГГц (рис. 1г).
Группа 5. Поглощающие изделия с объемной подложкой или неоднородной пленкой, согласованные с волновым процессом Теоретически не имеют ограничений на рассеиваемую мощность и диапазон частот. Требуют использования нескольких пленок (минимум двух), или непрямоугольной формы подложки (сужающейся), или расширяющейся по определенному закону формы пленки, или использования пленок с неодинаковым по поверхности сопротивлением. Разнообразие конструкций велико. Величина К определяется конструкцией и ограничивается ее габаритами и погрешностью реализации конструктивных параметров. Ее можно оценить как К ~ 2000-5000 Вт-ГГц и более для не слишком сложных конструкций (рис. 1д).
Цепи согласования позволяют расширить частотный диапазон резисторов в 2-3 раза и больше. Повышение порядка согласующей цепи требует чрезвычайно точной реализации номиналов согласующих элементов. Ограничения согласующих цепей:
• допустимые погрешности реализации, которых требуют согласующие цепи, — 2-5% при однозвенной цепи, 0,5-1% при двухзвенной и сотые доли процента при многозвенной;
• разброс диэлектрической проницаемости материала подложки может достигать для разных партий нескольких процентов;
• требуемый допуск воспроизведения геометрических размеров согласующих элементов составляет 0,5-5 мкм и менее;
• разброс сопротивления резистивной пленки (до 10-15% от номинала) регулируется путем подгонки, которая изменяет геометрические размеры резистивного слоя, согласующие же элементы в цепочках высокого порядка рассчитаны на номинальные размеры резистивного слоя с высокой точностью; подгонка приводит к частичному рассогласованию конструкции;
• согласующие элементы занимают заметную часть подложки (при минимальной ширине полосков 0,1-0,2 мм — до половины подложки), что снижает удельную рассеиваемую мощность.
Толщина подложки:
• оптимальная толщина подложки зависит от рассеиваемой мощности и диапазона частот;
• для мощностей 200-500 Вт при использовании нитрида алюминия она составляет 1,5-2 мм (при выполнении согласования), для мощностей в десятки ватт — 0,5-1 мм. Неудачная толщина подложки требует повышенных издержек на реализацию согласующих цепей или использования меньшей части подложки для нанесения резистивной пленки, что снижает коэффициент К (снижение достигает 15-25% от возможного уровня К при данном типе конструкций).
Многозвенная конструкция включает несколько резистивных пленок на одной подложке, связанных через согласующие элементы. Такая конструкция лучше однозвенной.
Использование нескольких резистивных слоев позволяет:
• уменьшить номиналы согласующих элементов;
• упростить конструктивную реализацию согласующих элементов (например, толщина индуктивностей может составлять 200 мкм вместо 5 мкм);
• расширить (при двух резистивных пленках с одним значением сопротивления) частотный диапазон примерно в 2 раза по сравнению с согласованными элементами с одной пленкой и в 6-8 раз по сравнению с несогласованными элементами;
• повысить удельную мощность рассеивания за счет лучшего использования поверхности подложки, даже при пленках с одинаковым номиналом поверхностного сопротивления. Удельная мощность может быть повышена еще на 20% при реализации резистивных пленок с разными номиналами сопротивлений.
При уменьшении всех конструктивных размеров резистора или терминатора (как и любых полосковых изделий) в два раза, ровно в два раза возрастает его максимальная рабочая частота и так же уменьшается допустимая рассеиваемая мощность (конвекция и излучение малы и не учитываются). При этом толщина подложки и размеры всех согласующих элементов должны быть уменьшены тоже в два раза. Поверхностное сопротивление пленки остается прежним.
Пропорциональное изменение размеров в N раз может быть успешно применено в ограниченном диапазоне коэффициента пропорциональности, например, резистор на подложке толщиной 1,5 мм с максимальной рабочей частотой 1 ГГц может быть пересчитан для подложки 1 мм с максимальной частотой 1,5 ГГц и для подложки 0,5 мм — с частотой 3 ГГц.
При увеличении размеров резистора относительно прототипа происходит возрастание объема изделия в N раз (в то время как мощность растет только в N раз) и увеличение толщины подложки. Требования к точности изготовления резистора снижаются.
При уменьшении размеров резистора относительно прототипа происходит уменьшение толщины подложки до слишком малых величин, уменьшение размеров согласующих элементов, контактов и выводов в N раз с соответствующим сокращением допусков на их изготовление. Толщина пленки при этом не меняется для сохранения поверхностного сопротивления, что слегка нарушает пропорциональность конструкции. При изменении толщины подложки и ширины выводов в широких пределах может быть нарушено согласование с подводящим волновым трактом.
На рис. 2 приведены частотно-мощностные параметры спроектированных и проверенных путем трехмерного электродинамического моделирования терминаторов. Видно, что достаточно хорошо выполняется соотношение:
□ ♦ Согласованные с двумя пленками. Диапазон температур 85—125 °С □ Согласованные с двумя пленками. Диапазон температур 100—150 X А Согласованные с одной пленкой. Диапазон температур 85—125 X X Согласованные с одной пленкой. Диапазон температур 100—150 “С Ж Несогласованные. Диапазон температур 85—125 X О Несогласованные. Диапазон температур 100—150 X
▼
п
□ о?
ж
0 5 10 15 20 25 30 35
Частота, ГГц
Рис. 2. Частотно-мощностные параметры терминаторов
PxF = const.
Константа зависит от числа звеньев (однозвенная или двухзвенная схема), в некоторой степени от толщины подложки, минимально допустимой ширины проводника и других конструктивных факторов.
Увеличение показателя К до величин, более высоких, чем полученная величина 500-600 Вт-ГГц, при использовании подложек нитрида алюминия с коэффициентом теплопроводности около 150 Вт/м-град сопряжено со следующими проблемами:
• конструкции резисторов требуют реализации входящих в них элементов с погрешностью не более 1-5 мкм (в первую очередь, это зазоры, выполняющие функцию емкости, согласующие индуктивности и др.);
• требуется высокоэффективный теплоотвод, который не должен приводить к заметному увеличению теплового сопротивления резистора при эквивалентной толщине медного фланца 0,75-1 мм (возможно, теплоотвод с жидкостным охлаждением для резисторов мощностью более сотен ватт). Учитывая современные тенденции развития СВЧ-радиоэлектроники, можно выделить основные направления развития СВЧ-рези-сторостроения.
1. Резкое расширение номенклатуры СВЧ-ре-зисторов. Сейчас мы предлагаем не более 5-10% от номенклатурного ряда мирового рынка. Это касается в первую очередь полосковых СВЧ-резисторов и аттенюаторов.
2. Микроминиатюризация СВЧ-резисторов за счет применения сверхвысокотеплопроводных материалов. Проведенные исследования показали, что, например, резистор мощностью 150 Вт, изготовленный на алмазной подложке, в 2 раза меньше по размерам и работает на частоте 6 ГГц против 2 ГГц резистора на нитриде алюминия.
3. Создание интегрированных СВЧ-структур. Это Я, I, С наборы и функциональные схемы, сформированные на одном чипе. Одним из массовых применений являются схемы развязки СВЧ-шин передачи цифровой информации. Построение таких устройств на дискретных чип-резисторах, конденсаторах и индуктивностях уже практически невозможно.
4. Детальное и точное исследование СВЧ-ха-
рактеристик уже выпускаемых и вновь разрабатываемых резисторов, поглотителей и терминаторов. ■
Литература
1. Садков В. Д., Моругин С. Л., Славинский О. К., Перепонов А. Д. Математическая модель ЧИП-резистора в микрополосковом тракте. Конструирование и исследование радиоэлементов и узлов на основе машинного проектирования. М.: Радиотехнический институт АН СССР, 1987.
2. Боде Г. Теория цепей и проектирование усилителей с обратной связью. М.: ГИИЛ, 1948.
3. Фано Р. Теоретические ограничения полосы согласования произвольных импедансов / Пер. с англ.; под ред. Г. И. Слободенюка. М.: Советское радио, 1965.
4. Кудрявцев А. М., Никулин С. М. Интеллектуальные информационно-измерительные системы ВЧ- и СВЧ-диапазона. Н. Новгород: НГТУ, 2006.
5. Ульриксон Б. Преобразование данных из частотной области во временную // ТИИЭР. 1986. Т. 74. № 1.
6. Беднов А. В., Кудрявцев А. М., Никулин С. М. Цифровая обработка результатов СВЧ-измере-ний методом «спектрального окна» // Датчики и системы. 2004. № 6.
7. Вайткус Р. Л. Широкополосный метод вынесения с использованием короткозамкнутой цепи, разомкнутой цепи и промежуточной линии // ТИИЭР. 1986. Т. 74. № 1.
