RU2789795C1

RU2789795C1 - Симметричная щелевая линия передачи сигнала СВЧ- и КВЧ-диапазонов

Info

Publication number: RU2789795C1
Application number: RU2022123276A
Authority: RU
Inventors: Сергей Борисович Клюев; Виктор Анатольевич Иовдальский; Алексей Григорьевич Налогин; Алексей Николаевич Пашков
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" им. А.И. Шокина"
Filing date: 2022-08-31
Publication date: 2023-02-10

Abstract

Изобретение относится к СВЧ-технике. Симметричная щелевая линия передачи сигнала СВЧ- и КВЧ-диапазонов, содержащая щель, выполненную в проводящем покрытии, расположенном на одной стороне плоскопараллельной диэлектрической подложки, диэлектрик, размещенный в щели, полностью заполняет её, в качестве диэлектрика, заполняющего щель, используется композиция на основе отвердевающих соединений с диэлектрическим наполнителем с высокой степенью адгезии к диэлектрической подложке и проводящим покрытиям, образующим щель. На краях проводящего покрытия, образующего щель, закреплены и электрически соединены с ним проводящие пластины, образующие локальное увеличение толщины проводящего покрытия, причём толщина проводящих пластин равна от 0,005 до 0,25 мм, а содержание диэлектрического наполнителя в композиции, использующейся в качестве диэлектрика, заполняющего щель, составляет от 30 до 80%. Технический результат - улучшение электрических характеристик симметричной щелевой линии передачи сигнала в гибридной интегральной схеме СВЧ- и КВЧ-диапазонов. 2 ил.

Description

Изобретение относится к электронной технике и может использоваться, например, в качестве линии передачи сигнала в гибридных интегральных схемах СВЧ и КВЧ - диапазона.

Известна симметричная щелевая линия (СЩЛ), представляющая собой узкую щель, вырезанную в проводящей плоскости, расположенной на одной из сторон плоскопараллельного магнитодиэлектрического слоя определенной толщины, образующего подложку, при этом в щели концентрируются линии электрического поля, при условии, что диэлектрическая проницаемость подложки больше единицы, а линии магнитного поля имеют вид эллипсов, переходящих в кривые типа «седло», образуя, таким образом, основную волну СЩЛ. Распределение тока в металлическом слое - экспоненциальное. На поверхности проводящих металлических полуплоскостей ток занимает относительно большую область, в силу чего потери у СЩЛ имеют, например, относительно несимметричной полосковой линии, малую величину [Е.И. Нефёдов. Электромагнитные поля и волны // М.: - «Академия», 2014 г. - С. 219-221].

Недостатком данного технического решения являются узкий рабочий частотный диапазон и высокие вносимые потери мощности проходящего сигнала.

Известна симметричная щелевая линия, содержащая подложку, на одной стороне которой, нанесен полупроводниковый слой, и два металлических проводника, в которой с целью уменьшения вносимых потерь, на полупроводниковом слое дополнительно размещены две полосы, выполненные из легированного полупроводника, а два металлических проводника размещены на них. При этом, проводимость легированного полупроводника более или равна 1 Ом/см, толщина каждой полосы составляет 0,02-0,1 толщины подложки и расстояние между ближайшими кромками полос составляет 0,0025-0,06 длины волны, а расстояние между каждой из этих кромок и ближайшей к ней кромкой металлического проводника выбрано не менее четверти длины волны [А. с. СССР №1224867 А, МПК⁴ Н01Р 3/08, приоритет 08.08.1984 г. Щелевая линия].

Известна симметричная щелевая линия, содержащая две металлические полоски, которые образуют щелевую линию, диаметрально противоположно расположенные на разных сторонах диэлектрической подложки. Вносимые потери такой щелевой линии находятся в диапазоне 1,6-2,4 дБ. [Chang Wei Zhang. A Novel W-Band Waveguide-To-Microstrip Antipodal Finline Transition. / Proceeding of 2013 IEEE International Conference on Applied Superconductivity and Electromagnetic, China, October 25-27, 2013, p. 166-168. ID3062, ISBN 978-1-4799-0070-1/13].

Недостатком данного технического решения являются небольшой рабочий частотный диапазон, довольно высокие вносимые потери мощности проходящего сигнала и сложность изготовления.

Близким техническим решением к заявляемому (аналогом) является симметричная щелевая линия, представляющая собой открытую направленную структуру с узкой щелью или зазором в тонком проводящем слое, выполненном на одной стороне диэлектрической подложки, в которой с целью расширения полосы рабочих частот СЩЛ в щели линии размещена диэлектрическая вставка толщиной менее толщины проводящего слоя, причем диэлектрическая проницаемость вставки превышает диэлектрическую проницаемость подложки. При этом, в симметричной щелевой линии часть электрического поля находится в воздухе, другая часть - в диэлектрической подложке и в диэлектрической вставке. Понятие вставка предполагает изготовление вставки отдельно от подложки с щелью в проводящем слое, расположение и закрепление (например, клеевое) вставки в щели [С.Б. Клюев, Е.И. Нефёдов, А.А. Потапов. Симметричная щелевая линия с диэлектрической вставкой в щели // Труды десятой всероссийской конференции «Необратимые процессы в природе и технике» в 3х частях., // г. Москва, 29-31 января 2019 г, Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана, // изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019 г., Ч. 1, С. 39-41].

Недостатком данного технического решения являются: недостаточное расширение рабочего частотного диапазона, довольно высокие вносимые потери мощности проходящего сигнала, сложность изготовления, связанная как с размерами вставки, так и с необходимостью использования для закрепления вставки диэлектрического связующего вещества (например, эпоксидного клея). Включение дополнительно связующего вещества, которое находится между вставкой и диэлектрической подложкой, увеличивает потери мощности и ограничивает возможности расширения частотного диапазона. Кроме этого, в такой конструкции между вставкой и краями щели в проводящем слое неизбежно образуется воздушное пространство, которое, по крайней мере частично, будет заполнятся связующим веществом, что также способствует увеличению потерь мощности и ограничивает возможности расширения частотного диапазона. Сложность изготовления обуславливается необходимостью изготовления вставки прямоугольного сечения с малыми размерами сечения (от 0,1 до 1 мм по ширине и от 0,005 до 0,05 мм по высоте) и относительно большой длиной (примерно до 10 мм), а также высокими требованиями к гладкости поверхности.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявляемому является симметричная щелевая линия, содержащая щель, выполненную в проводящем покрытии, расположенном на одной стороне плоскопараллельной диэлектрической подложки, и диэлектрик, размещенный в щели, полностью заполняет ее, ширина щели равна от 0,2 мм до 1,7 мм, при этом отношение ширины щели к толщине подложки составляет от 0,5 до 3,5, при этом толщина диэлектрика, заполняющего щель не менее толщины проводящего покрытия, а отношение диэлектрической проницаемости диэлектрика, заполняющего щель, к диэлектрической проницаемости материала подложки составляет от 1 до 40, в качестве диэлектрика, заполняющего щель, используется композиция на основе отвердевающих соединений с диэлектрическим наполнителем с высокой степенью адгезии к диэлектрической подложке и проводящим покрытиям, образующим щель. Толщина диэлектрика, заполняющего щель, может превышает толщину проводящего покрытия на величину не более чем на 0,05 мм, а превышение ширины щели слоем диэлектрика над проводящим покрытием составляет не более 0,2 мм с обеих сторон. [Патент РФ на изобретение №2776955 «Симметричная щелевая линия СВЧ и КВЧ - диапазонов», приоритет 07.09.2021 г., авторы Клюев С.Б., Иовдальский В.А., Налогин А.Г., Пашков А.Н.].

Однако это техническое решение не позволяет в полной мере обеспечить оптимальные электрические характеристики СЩЛ.

Заявляемое техническое решение направлено на устранение указанных недостатков.

Техническим результатом изобретения является улучшение электрических характеристик симметричной щелевой линии передачи сигнала в гибридной интегральной схеме СВЧ- и КВЧ-диапазонов.

Технический результат достигается тем, что в симметричной щелевой линии передачи сигнала СВЧ- и КВЧ-диапазонов, содержащей щель, выполненную в проводящем покрытии, расположенном на одной стороне плоскопараллельной диэлектрической подложки, диэлектрик, размещенный в щели полностью заполняет ее, в качестве диэлектрика, заполняющего щель, используется композиция на основе отвердевающих соединений с диэлектрическим наполнителем с высокой степенью адгезии к диэлектрической подложке и проводящим покрытиям, образующим щель; на краях проводящего покрытия, образующего щель, закреплены и электрически соединены с ним проводящие пластины, образующие локальное увеличение толщины проводящего покрытия, причем толщина проводящих пластин равна от 0,005 до 0,25 мм, а содержание диэлектрического наполнителя в композиции, использующейся в качестве диэлектрика, заполняющего щель, составляет от 30 до 80%.

Сущность технического решения в следующем. Закрепление на краях проводящего покрытия, образующего щель, и электрическое соединение с ним проводящих пластин, образующих локальное увеличение толщины проводящего покрытия в области прилегающей к щели, позволяет сосредоточить электрическое поле в щели и уменьшить рассеивание энергии в окружающее пространство, за счет этого, уменьшить потери проходящего сигнала и расширить частотный диапазон и, тем самым, улучшить электрические характеристики.

Ограничение толщины проводящих пластин снизу не менее 0,005 мм определяется малым влиянием на электрические характеристики, а сверху не более 0,25 мм отсутствием заметного влияния на электрические характеристики при ухудшении массогабаритных характеристик.

Использование в качестве диэлектрика, заполняющего щель, композиции на основе отвердевающих соединений с диэлектрическим наполнителем с высокой степенью адгезии к диэлектрической подложке и проводящим покрытиям с указанным процентным содержанием диэлектрического наполнителя, позволяет минимизировать наличие воздушной прослойки в щели, упрощает выбор материалов наполнителя и отвердевающих соединений и их соотношения, для получения требуемых электрофизических параметров диэлектрика, заполняющего щель, обеспечивающих улучшение электрические характеристики СЩЛ.

Минимальное содержание диэлектрического наполнителя в композиции (30%) определяется возможностью влияния на электрофизические свойства (диэлектрическую проницаемость) материала композиции, а максимальное (80%) - возможностью смачивания поверхности частиц диэлектрического наполнителя и сохранения склеивающих свойств композиции для соединения с диэлектрической подложкой и проводящим покрытием щели.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 и фиг. 2 представлены разрез и общий вид симметричной щелевой линии передачи сигнала, где:

- щель 1;

- проводящее покрытие - 2;

- диэлектрическая подложка - 3;

- диэлектрик, размещенный в щели - 4;

- проводящие пластины - 5.

Пример 1. Симметричная щелевая линия передачи СВЧ- и КВЧ-диапазонов, содержащая щель 1 шириной 1,1 мм и длиной 10 мм, выполненную в проводящем покрытии 2 расположенном на одной стороне плоскопараллельной диэлектрической подложки 3 из диэлектрика Rodgers (Ro3006) толщиной 0,5 мм с диэлектрической проницаемостью 6,15, имеющем структуру, выполненную по тонкопленочной технологии: Cr (напыленный) (100 Ом/мм²) - Cu (нап.) 1 мкм - Cu-(гальв. осажденная) 6 мкм - Ni(гальв.) 0,6-0,8 мкм - Au(гальв.) 3 мкм (суммарная толщина примерно 10 мкм).

Проводящие пластины 5 толщиной 0,2 мм и шириной 4 мм, длиной 10 мм, выполнены из сплава МД-50 (50% меди и 50% молибдена), имеющие гальваническое покрытие никелем 1 мкм и золотом толщиной 3 мкм, припаяны припоем ПОС61 к проводящему покрытию, в котором выполнена щель. Диэлектрик 4, заполняющий щель, содержит в своем составе эпоксидный клей МС-1 ((ТУ2252-004-07622667-98) и 64% наполнителя из мелкодисперсного порошка керамики Ba₃Ta₂MgO₉ с размером частиц 7-8 мкм, с диэлектрической проницаемостью 25 (См. Акимов А.И. Керамические диэлектрики для высокочастотной техники. // «Актуальные проблемы физики твердого тела», (ФТТ-2005): сборник докладов Международной научной конференции, 26-28 октября г. Минск, Изд. Центр БГУ, 2005, Т. 1, с. 17-19). Диэлектрическая проницаемость диэлектрика 4, таким образом составляет примерно 16.

Математическое моделирование геометрических и электрических характеристик симметричной щелевой линии с помощью пакета программ ANSYS HFSS на основе трехмерного полноволнового алгоритма расчета электромагнитного поля в частотной области, использующего метод конечных элементов (Finite Element Method, FEM), для определения электрического поведения разрабатываемого устройства и прототипа, их экспериментальная проверка, показали, что для заявляемого технического решения минимальные потери мощности (в диапазоне рабочих частот) составляют -0,1 дБ, при этом рабочий частотный диапазон на уровне коэффициента передачи по напряжению -0,2 дБ 16,09-55,72 ГГЦ (ширина 39,63 ГГц), в то время как для прототипа минимальные потери мощности (в диапазоне рабочих частот) составили -0,164 дБ, при этом рабочий частотный диапазон на уровне коэффициента передачи по напряжению - 0,2 дБ составляет (27,2-41,18) ГГц (ширина 13,98 ГГц).

Пример 2. Симметричная щелевая линия передачи СВЧ- и КВЧ-иапазонов, содержащая щель 1 шириной 1,1 мм и длиной 10 мм, выполненную в проводящем покрытии 2, расположенном на одной стороне плоскопараллельной диэлектрической подложки 3 из диэлектрика. В качестве материала диэлектрика подложки используется стеклокерамический материал (ТУ6366-001-07622667-2008) толщиной 0,25 мм с диэлектрической проницаемостью 7,2, имеющий структуру металлизации толщиной 50 мкм из пасты золото-палладий-серебро (ТУ6365-023-59839838-20129, изготовитель ООО «Дельта-Пасты»), выполненную по толстопленочной технологии [см. например, с. 19-34. Многослойные керамические платы ГИС СВЧ-диапазона на основе ГТСС: уч. пособие / Л.В. Ляпин, В.А. Иовдальский, под. ред. А.А. Борисова. - М.: КУРС, 2020. - 192 с.].

На краях проводящего покрытия, образующего щель, закреплены проводящие пластины 5 толщиной 0,15 мм и шириной 4 мм, длиной 10 мм, выполненные из сплава МД-50 (50% меди и 50% молибдена), имеющие гальваническое покрытие никелем 1 мкм и золотом 3 мкм. Проводящие пластины 5 припаяны припоем ПОС61 к проводящему покрытию 2, в котором выполнена щель, заполненная диэлектриком 4. Диэлектрик на основе эпоксидного клея МС-1 (ТУ2252-004-07622667-98) с 72% наполнителя из мелкодисперсного порошка керамики с размером частиц 7-8 мкм Ba₃Ta₂MgO₉ с диэлектрической проницаемостью 25. Диэлектрическая проницаемость диэлектрика 4 составляет примерно 18.

Моделирование электрического поведения разрабатываемого устройства и прототипа, и экспериментальная проверка, показали, что для заявляемого технического решения минимальные потери мощности (в диапазоне рабочих частот) -0,097 дБ, при этом рабочий диапазон частот на уровне коэффициента передачи по напряжению -0,2 дБ составляет (15,89-56,20) ГГц, (ширина 40,31 ГГц), в то время как для прототипа минимальные потери мощности (в диапазоне рабочих частот) -0,164 дБ, при этом рабочий диапазон частот на уровне коэффициента передачи по напряжению -0,2 дБ составляет (27,2-41,18) ГГц (ширина 13,98 ГГц).

Процентное содержание диэлектрического наполнителя в композиции, использующейся в качестве диэлектрика, заполняющего щель, упрощает выбор материалов наполнителя и отвердевающих соединений, для получения требуемых электрофизических параметров диэлектрика 4, обеспечивающих улучшение электрических характеристик СЩЛ.

Все выше сказанное позволяет утверждать, что достигается заявленный технический результат: улучшение электрических характеристик.

Claims

Симметричная щелевая линия передачи сигнала СВЧ- и КВЧ-диапазонов, содержащая щель, выполненную в проводящем покрытии, расположенном на одной стороне плоскопараллельной диэлектрической подложки, диэлектрик, размещенный в щели, полностью заполняет её, в качестве диэлектрика, заполняющего щель, используется композиция на основе отвердевающих соединений с диэлектрическим наполнителем с высокой степенью адгезии к диэлектрической подложке и проводящим покрытиям, образующим щель, отличающаяся тем, что на краях проводящего покрытия, образующего щель, закреплены и электрически соединены с ним проводящие пластины, образующие локальное увеличение толщины проводящего покрытия, причём толщина проводящих пластин равна от 0,005 до 0,25 мм, а содержание диэлектрического наполнителя в композиции, использующейся в качестве диэлектрика, заполняющего щель, составляет от 30 до 80%.