CC BY
115
Радиофизика
Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2014, № 1 (1), с. 58-62
УДК 621.382
ПУТИ МИНИАТЮРИЗАЦИИ НЕКОТОРЫХ УСТРОЙСТВ СВЧ И КВЧ ДИАПАЗОНОВ
© 2014 г. О.С. Орлов/ С.А. БабунькО
'ОАО «НПП «Салют», Н. Новгород 2ЗАО «НПП «Салют-27», Н. Новгород
bubu1@mail.ru
Поступила в редакцию 04.06.2013
Рассмотрена проблема миниатюризации некоторых устройств и приборов высокочастотных диапазонов. Представлены варианты схемотехнической и конструктивно-технологической реализации приборов в микроисполнении. Рассмотрены некоторые перспективы развития данного направления. Приведены параметры приборов, рассчитанных на основе теоретических моделей, достоверность которых подтверждена экспериментально.
Ключевые слова: миниатюризация, монолитно-но-пропускающий фильтр, защитное устройство.
Разработка высокочастотной радиоаппаратуры в миниатюрном исполнении была и остается одной из важнейших задач в современной радиоэлектронике [1-4]. Первоначально актуальность данной проблематики определялась в значительной степени необходимостью разработки фазированных антенных решеток и комплексных изделий [5]. На сегодняшний день стало очевидно, что современные требования многофункциональности, мощности и гибкости радиосистем, защищенности от воздействия случайных сигналов и специально созданных помех в высокочастотных диапазонах обусловливают необходимость разработки структур и устройств нового поколения [4]. Следует отметить, что задачи комплексной миниатюризации и интеграции компонентов в составе приборов и модулей всегда решались на разной схемной и методологической основе, в частности с применением передающих линий разных типов. Например, в [6] рассмотрены возможности создания миниатюрных гибридно-интегральных ключевых управляющих СВЧ-устройств, в [2, 3] -перспективы создания монолитно-интегральных схем и, соответственно, модулей и приборов. В данном контексте рассмотрим кратко некоторые характеристики микрополосковых линий (МПЛ) применительно к СВЧ и КВЧ диапазонам (рис. 1).
Проблемы создания монолитно-интегральных схем
По рис. 1 можно заметить, что элементная база РЭА на КВЧ в основном базируется на прямоугольных волноводах. В то же время некоторые виды МПЛ КВЧ можно рассматривать
-интегральная схема, сверхвысокие частоты, полос-
как модификации низкочастотных печатнополосковых схем, где однородное заполнение диэлектриком заменено многослойной структурой (подвешенная МПЛ, копланарный волновод). При соответствующем выборе размеров МПЛ, контроле качества токопроводящих покрытий погонное затухание не будет превышать
0.6-1 дБ/см даже в коротковолновом участке сантиметрового диапазона.
На рис. 2 представлены частотные зависимости потерь в линиях с волновым сопротивлением 50 Ом в диапазоне частот 5-100 ГГц, полученные экспериментально и теоретически. Кривая (1) - результат расчета для МПЛ на арсени-де галлия при относительной диэлектрической проницаемости ег=12.7, толщине подложки й=1.0 мм, ширине полосковой линии ^=0.07 мм, тангенсе угла диэлектрических потерь tgS=2•10- , толщина проводника 3 мкм. Кривая (2) - результат расчета потерь МПЛ на поликоре. Кривая (3) - расчет потерь в КВ на поликоре при єг=9.6, ^=0.1 мм, h2=0.5 мм, ^=0.07 мм, зазор между линиями 5=0.07 мм, tgS=1•10-4, толщина проводника 3 мкм.
Данные эксперимента хорошо согласуются с расчетными результатами. Экспериментально полученные кривые отображают затухание для МПЛ с подложкой i-GaAs, обработанной по 14 классу (высота микронеровностей 0.6 мкм), -кривая (4) и затухание в МПЛ с поликоровой подложкой (5). Отличие полученных результатов от расчетных в диапазоне частот до 30 ГГц составляет не более 10%.
Следует отметить значительное расхождение между справочными данными и результатами эксперимента. Характерно, что все зависимости
ОТКРЫТЫЕ
ПОЛУОТКРЫТЫЕ ЭКРАНИРОВАННЫЕ
НБЭКРАНИРОВАННЫЕ ВОЛНОВОДНО-ЩЕЛЕВЫЕ
1Тт7777777777П
Зеркальный болноЬоЬ
реберного типа
ОднопроЬодящоя
ОЗнопройо дщая МПЛ с экраном
1 Г
Шелакового
типа
ПоЗ&ешенная МПА
МПА щелеКого
типа
Копланарныи
ЬолноЬод
С оЗностороннеи металлизацией
С Звухстороннеи металлизацией
МПЛ обращенного типа
С противоположной металлизацией асимметричного типа
Рис. 1. Применяемые типы волноводов СВЧ и КВЧ
МПЛ
КВ
Рис. 2. Зависимость погонного затухания от частоты: 1 - расчетная для МПЛ на GaAs; 2 - расчетная для МПЛ на поликоре; 3 - расчетная для КВ на поликоре; 4 - потери в МПЛ на GaAs (эксперимент); 5 - потери в МПЛ на поликоре (эксперимент)
существенно отличаются от прогнозируемой функции к/05. В диапазоне свыше 30 ГГц зависимости соответствуют линейной функции вида к/+а. Этот факт обусловлен тем, что в диапазоне частот до 30 ГГц затухание в линии в значительной мере определяется омическими потерями в металле проводника, имеющими зависимость т[/. На более высоких частотах преобладают диэлектрические потери, линейно зависящие от частоты.
Применение двух проводящих плоскостей в случае линии щелевого и волноводно-щелевого типов позволяет повысить плотность энергии на краях проводников и усилить связь с навесными компонентами. В области коротких волн отпадает необходимость в экранировании. Оценивая возможности линий КВЧ открытого и полуоткрытого типов, кстати, широко используемых в квазиоптическом диапазоне, следует иметь в виду их недостатки: большое погонное затуха-
ние, чувствительность к нерегулярностям тракта, низкий коэффициент интеграции [2, 3], а также недостаточную корректность моделей.
Следует отметить, что экранированная МПЛ несимметричного типа по существу является единственной линией интегральных схем СВЧ-диапазона [1-3]. Результаты исследования характеристик МПЛ содержатся в ряде работ, в частности и таких, согласно которым величина погонного затухания (потерь) существенно зависит от профиля распределения электропроводности на границах раздела проводника и диэлектрика [1, 7].
Монолитно-интегральные устройства СВЧ
На рис. 3 представлена структура и схема сверхширокополосного монолитно-интегрального переключателя, выполненного на пластине арсе-
Рис. 3. Монолитный переключатель каналов 1x2 диапазона частот 0^37 ГГц
PORT
Р=1
Z=50 Ohm
\>
т
ID^Ss
* C=36pF
MUC3 Ю=М2 L1 =32 пН R1=0 01 Oh; L2=32 nH R2=0 01 Ohm L3=32 nH R3=0 01 Ohm” K1_2=0 1 K1_3=0 K2 3=0 1
+ 'D=
CAP ID=C3 I C=42pF
Рис. 4. Электрическая схема и внешний вид трехконтурного ПФ,/0=140 МГц, полоса 10%
Frequency (GHz)
Рис. 5. АЧХ трехконтурного ПФ, 70=140 МГц, полоса 10%: тонкая линия - расчетная, жирная линия - измеренная
нида галлия толщиной 0.1 мм с размерами 1.5х1.2 мм2.
Оценка коэффициента интеграции [4, 5] показывает, что устройство характеризуется высокой степенью «плотности упаковки» - параметра, принятого в микроэлектронике. Пассивные и активные компоненты схемы совмещены в соответствии с принципом функциональной интеграции, а элементы схемы - отрезки СВЧ-линий с распределенными параметрами - по возможности ограничены по габаритам.
Показателем качества микроустройств является воспроизводимость, а также точность аналитического расчета, корректность моделей, что обеспечивает невысокую чувствительность конечных параметров к допускам на изготовле-
ние. Согласно этим соображениям [4, 5], можно утверждать, что повышение степени интеграции СВЧ-микросхем широко известными методами -уменьшением толщины подложки, повышением ее диэлектрической проницаемости (более 10), методами многослойного и группового монтажа -при изготовлении МИС СВЧ оказывается недостаточно эффективным.
Миниатюризация полосно-пропускающих фильтров
С общих позиций рассмотрим проблему миниатюризации и повышения параметров фильтров. Решение проблемы предполагает существенное уменьшение габаритных размеров, по-
Рвх.. ЕЗт
а)
б)
г)
Рис. 6. Динамические характеристики самоуправляемых устройств: а) плавно-монотонная, б) кусочно-ломаная, в) ^образного типа; г) экспериментально снятые характеристики СВЧ-тиристора
вышение воспроизводимости структур и, как следствие, снижение себестоимости устройств, а также снижение потерь в полосе пропускания до уровня не более 1 дБ (в длинноволновых диапазонах).
На рис. 4 и 5 приведены схема и АЧХ (рассчитанная и измеренная) полосового фильтра с магнитно связанными контурами. За счет изменения величины связи можно настраивать фильтр на любую требуемую ширину полосы пропускания. Экспериментальный макет создан для частоты 140 МГц. Различные макеты показали [8], что подобная система конструирования ППФ работоспособна вплоть до 1 ГГ ц. Вариант монолитно-интегрального исполнения подобного фильтра (сокращающего размеры фильтра до нескольких миллиметров) будет работоспособен и в СВЧ-диапазоне.
Для более высокочастотных приложений авторами предложен вариант ППФ на магнитно связанных полосковых линиях [8, 9], который для монолитно-интегрального исполнения работает вплоть до КВЧ. Фильтр отличается тем, что не имеет паразитных полос пропускания на гармониках основной частоты.
Самоуправляемые защитные устройства
Самоуправляемые ЗУ с К-образной характеристикой на основе p+npn+-структур [10] позволяют наиболее просто (по сравнению с многодиодными комбинированными схемами) решать следующие задачи:
• достигается высокая степень миниатюризации (единственная структура без внешних цепей питания и управления);
• отпадает необходимость построения ЗУ как многоэлементной структуры (как в схеме с детектором и диодами различной мощности);
• устраняется необходимость настройки за счет расчета режимов работы и параметров применяемых для изготовления материалов;
• уменьшается время срабатывания по переднему фронту мощного СВЧ-импульса;
• уменьшается время восстановления сопротивления структуры после окончания действия импульса (по заднему фронту);
• уменьшается выделяемое на структуре тепло за счет скачкообразного перехода между состояниями с высоким и низким импедансами.
На основе четырехслойной модели структуры самоуправляемого ЗУ [4, 10] были рассчитаны технические характеристики и физические параметры элементов СВЧ-тиристора. Входная мощность, при которой происходит переключение структуры из непроводящего состояния в проводящее, была выбрана равной 1 Вт. В проводящем состоянии активное сопротивление структуры 1 Ом; ток через структуру 1 мА; падение напряжения 0.166 В; коэффициент отражения (в 50-омном тракте) 0.8; КСВн - 9. В непроводящем состоянии активное сопротивление 40 кОм; двойная амплитуда СВЧ-напряжения на тиристоре 8 В; ток через структуру 0.2 мА; коэффициент отражения 0.015; КСВн 1.3.
Выводы
Комплексная миниатюризация СВЧ-устройств и приборов на основе гибридной и монолитноинтегральной технологии и схемотехники позволяет создать основу для развития новых миниатюрных волновых радиосистем СВЧ и КВЧ диапазонов.
Список литературы
1. Гудков А.Г. Радиоаппаратура в условиях рынка. Комплексная технологическая оптимизация. М.: Сайнс-пресс, 2008. 336 с.
2. Китаев М.А., Осипов В.П., Орлов О.С. Монолитно-интегральные элементы и устройства миллиметрового диапазона волн // Матер. 6-й Международной Крымской конференции «КрыМиКо-1996», Севастополь: Вебер, 1996.
3. Орлов О.С., Осипов В.П. Монолитноинтегральные СВЧ-схемы, устройства и приборы // Радиотехника. 2001. №2. С. 17-23.
4. Бабунько С.А., Орлов О.С. Комплексная миниатюризация СВЧ-приборов // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2010. Том 13. № 1. С. 61-73.
5. Орлов О.С. Миниатюризация и качество твердотельных устройств СВЧ // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1987. Вып. 10 (104). С. 29-34.
6. Дзехцер Г.Б., Орлов О.С. РГЫ-диоды в широкополосных устройствах СВЧ. М.: Сов. радио, 1970. 200 с.
7. Орлов О.С., Рекшинский В.А. Экспериментальное исследование погонного затухания микро-полосковых линий методом больших КСВн // Техника средств связи. Сер. Радиоизмерительная техника. 1988. Вып. 4.
8. Бабунько С.А., Орлов О.С. Расчет и исследование полосовых фильтров в миниатюрном гибридноинтегральном исполнении // Радиотехника. Сер. Информационно-измерительные и управляющие системы. 2005. Вып. 1. С. 52-56.
9. Бабунько С.А. Построение полосовых фильтров на МПЛ // Матер. 20-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии КрыМиКо-2010». - Украина, Севастополь: Вебер, 2010. С. 657-658.
10. А.с. №091672. Полупроводниковая структура / Орлов О.С. Опубл. 27.09.1983.
MINIATURIZATION OF SOME SHF AND EHF DEVICES
O.S. Orlov, S.A. Babun’ko
The problem of miniaturization of some high-frequency devices is considered. Some options for circuit-design, structural and technological implementation of micro-miniature devices are proposed and some prospects for further development in this field are discussed. We also present the device parameters calculated on the basis of the theoretical models whose validity has been confirmed experimentally.
Keywords: miniaturization, monolithic integrated circuit (MIC), super high frequencies (SHF), bandpass filter, protective device.
References
1. Gudkov A.G. Radioapparatura v uslovijah rynka. Kompleksnaja tehnologicheskaja optimizacija. M.: Sajns-press, 2008. 336 s.
2. Kitaev M.A., Osipov V.P., Orlov O.S. Mono-litno-integral'nye jelementy i ustrojstva millimetrovogo diapa-zona voln // Mater. 6-j Mezhdunarodnoj Krymskoj kon-ferencii «KryMiKo-1996», Sevastopol': Veber, 1996.
3. Orlov O.S., Osipov V.P. Monolitno-integral'nye SVCh-shemy, ustrojstva i pribory // Radiotehnika. 2001. № 2. S. 17-23.
4. Babun'ko S.A., Orlov O.S. Kompleksnaja mi-niatjurizacija SVCh-priborov // Fizika volnovyh processov i radiotehnicheskie sistemy. 2010. Tom 13. № 1. S. 61-73.
5. Orlov O.S. Miniatjurizacija i kachestvo tverdo-tel'nyh ustrojstv SVCh // Jelektronnaja tehnika. Ser. 1. Jelektronika SVCh. 1987. Vyp. 10 (104). S. 29-34.
6. Dzehcer G.B., Orlov O.S. PIN-diody v shiro-kopolosnyh ustrojstvah SVCh. M.: Sov. radio, 1970. 200 s.
7. Orlov O.S., Rekshinskij V.A. Jeksperimen-tal'noe issledovanie pogonnogo zatuhanija mikropoloskovyh linij metodom bol'shih KSVn // Tehnika sredstv svjazi. Ser. Radioizmeritel'naja tehnika. 1988. Vyp. 4.
8. Babun'ko S.A., Orlov O.S. Raschet i issledovanie po-losovyh fil'trov v miniatjurnom gibridno-integral'nom ispol-nenii // Radiotehnika. Ser. In-formacionno-izmeritel'nye i upravljajushhie sistemy. 2005. Vyp. 1. S. 52-56.
9. Babun'ko S.A. Postroenie polosovyh fil'trov na MPL // Mater. 20-j Mezhdunarodnoj Krymskoj konfe-rencii «SVCh-tehnika i telekommunikacionnye tehnolo-gii KryMiKo-2010» - Ukraina, Sevastopol': Veber, 2010. S. 657-658.
10. A.s. №091672. Poluprovodnikovaja struktura / Orlov O.S. Opubl. 27.09.1983.
