Курсоваяработа
Тема:
«Делители мощностина МПЛ»
1. Краткая теория
В настоящеевремя область применения радиоэлектронных средств расширяется, комплексырадиосистем становятся все более сложными, это полностью относится и крадиотехнике СВЧ диапазона. В связи с расширением физических возможностейрадиоэлектронной аппаратуры во многих случаях необходимо не только излучать ипринимать СВЧ сигнал, но также производить его обработку и преобразование, поэтомуусложняются СВЧ схемы и в прежнем исполнении становятся громоздкими, поэтомувозникает необходимость создания миниатюрных схем работающих в СВЧ диапазоне.
Миниатюризациясхемных решений радиоаппаратуры в настоящее время реализуется с помощью гибридныхпленочных и твердотельных микросхем. Наибольшие успехи в этом плане былидостигнуты в области низких частот. Однако методы конструирования и технологияизготовления низкочастотных схем не могут быть перенесены на схемы СВЧдиапазона, так как между этими устройствами в микроисполнении существуетбольшое количество различий.
К радиотехническимустройствам СВЧ-диапазона предъявляются жесткие требования по снижениюсебестоимости, повышению надежности, уменьшению габаритов и веса. Сегодня вес игабариты стали факторами, ограничивающими применение СВЧ аппаратуры, особенно вмобильных установках – на борту наземного и водного транспорта, не говоря уже олетательных аппаратах. Поэтому использование миниатюризации и миниатюризацииэлементов и узлов на СВЧ в современной радиоэлектронике является актуальнойзадачей.
Посравнению с обычной аппаратурой микрополосковые и полосковые схемы болеетрудоемки в разработке, поскольку связь между элементами схемы за счет краевыхполей и полей излучения более трудно поддается учету, расчет многих элементовсхемы производится приближенно, а подстройка готовых схем затруднена.Окончательные размеры схем приходится отрабатывать путем перебора множествавариантов. Широкое развитие и распространение полосковой и микрополосковойтехники обусловлено тем, что к ее изготовлению можно применить технологиюпечатных плат, например, травление печатных проводников или вакуумноенапыление.
Применениеинтегральной технологии позволяет с успехом решать задачи по созданию АФУ привесьма жестких и противоречивых требованиях к электродинамическим,аэродинамическим, габаритным, весовым, стоимостным, конструктивным и другимпараметрам.
1.1 Мосты иделители мощности
В техникеСВЧ мостовые схемы обычно используются как делители мощности на два канала (вравных отношениях при высокой развязке между ними) и как балансные смесители свысокой развязкой между входными каналами. При использовании мостовой схемы вкачестве делителя, энергия подается в плечо 1, распределение мощности энергиипроисходит в равном соотношении между плечами 2 и 4, а при подаче мощности вплечо 2 энергия распределяется между плечами 1 и 3. В первом случае в плече 3,а во втором – в плече 4 устанавливается оконечная нагрузка. При использованиимостовой схемы в качестве смесителя энергия подается в плечи 1 и 3, выходнымиплечами будут 2 и 4.
1.2 Кольцевые и шлейфные мостовые схемы
Мостовые схемы в виде кольца характеризуются следующими основнымипараметрами:
– развязкой между каналами, которая определяется по формуле
/>
где Р2 и Р4 – величины мощностей на выходных каналах (при подаче мощностив 1 канал);
– делением мощности по выходным каналам.
Расчет мостовой схемы сводится к определению среднего диаметра dсри ширины кольца bк при заданных значениях волнового сопротивления Z0 питающейлинии и рабочей длине волны λ0. Расстояние между осями должно быть />, апо длинной стороне />. Длина средней линии кольца определяется из формулы />изэтой формулы />.
Волновое сопротивление кольца Zк определяется из соотношения />.
/>
Рис. 1. Конструкция кольцевого моста
Ширина полоски кольца Wк определяется аналогично ширине основной полоски.Для большей компактности мостовую схему можно выполнить в виде прямоугольника.
/>
Рис. 2. Конструкция шлейфного моста
Такая схема называется шлейфной. Размеры прямоугольникаопределяются по формуле
/>
Волновое сопротивление полосок прямоугольной мостовой схемы определяетсяиз выражения
/>
Ширина полоски шлейфа определяется аналогично ширине основной полоскипо формуле.1.3 Бинарные делители мощности
Бинарным делителеммощности (БДМ) называют 2|1+N|-полюсник, содержащий N-1 делителей, каждый из которых делит мощность пополам. Одиночныеделители в общем случае соединены между собой одинаковыми отрезками линийдлиной lc. В частных случаях lc = 0 и делители соединяются между собой непосредственно. СтруктураБДМ определяется числом N = 2n (n = 1, 2, 3, …) каналов деления. При этом: n = 1; N = 2 – одиночный делитель; (2 × 3)– полюсник; n = 2; N = 4 – четырехканальный БДМ; (2 × 5) – полюсник; n = 3; N = 8 – восьмиканальный БДМ; (2 ×9) – полюсник и т.д.
Мы будем рассматриватьБДМ, состоящий из одинаковых звеньев; БДМ из неодинаковых звеньеврассчитываются иными методами. Широко распространенный вариант реализации БДМсодержит одинаковые кольцевые делители мощности (КДМ).
/>
где функция вносимогозатухания /> при этом
/>
l– длина отрезков линиипередачи, коэффициент n определяется выбранным числом каналов N = 2n.
Отсюда следует, что сувеличением N расширяется полоса пропускания и увеличивается величинапульсаций; наличие соединительных линий приводит к расширению полосыпропускания по согласованию. Наибольший эффект достигается при />, />
Свойства БДМ,построенного на одинаковых КМД, можно рассмотреть на примере четырехканального(N = 4)делителя. Сравнительная оценка БДМ и КДМ показывает, что переходное затуханиеБДМ равно удвоенному переходному затуханию одиночной КДМ; развязка междувыходными плечами разных КДМ, входящих в БДМ, больше развязки между выходнымиплечами КДМ на величину переходного затухания; развязка между выходнымиплечами, принадлежащими одним и тем же КДМ (в составе БДМ), больше, чем междутеми же плечами в случае одиночных КДМ.
На центральной частотемощность, поступающая в БДМ, делится поровну между каналами. В полосе частотнаблюдается неравномерность деления между каналами, которая определяетсякоэффициентом
/>
где Р1 и РN – мощности в первом и N-м каналах, определенные на границах полосы пропускания.
Неравномерность деления/> находиться по графикамвидно, что оптимизация делителя по критерию неравномерности деления требуеткорректировки переходного затухания НО.
/>Диссипативныепотери в БДМ оцениваются из расчета 0,3 дБ на одну ступень деления.1.4 Пленочные резисторы
В полосковых схемахрезисторы используются в качестве СВЧ элементов, оконечных нагрузок и входят всостав низкочастотных цепей управления и питания. Применяются резисторы двухтипов: с сосредоточенными параметрами (много меньше длины волны в линии) и сраспределенными параметрами. Предпочтительная форма резистора ссосредоточенными параметрами – прямоугольная. Резистор, включенный в полосковуюлинию, представляет собой отрезок линии передачи, выполненный из материала свысоким поверхностным сопротивлением. Входное сопротивление резистора
/>,
где /> – номинальноесопротивление резистора (RS – поверхностное сопротивление резистивного участка); С – емкостьрезистора. При выводе предполагалось, что />;L –индуктивность. Емкость С можно оценить по формуле для плоского конденсатора. ВСВЧ резисторах существует распределенная шунтирующая емкость СР, навысоких частотах возникает последовательная индуктивность. В общем случаеналичие паразитной емкости приводит к уменьшению сопротивления R1 на высоких частотах по сравнению с R на постоянном токе.
При проектированиирезисторов важную роль играет выбор такого перекрытия N, при котором наблюдается стабилизацияпереходного контактного сопротивления. Рекомендуется для сопротивлений 25…50 ОмN=0.7…0.5 мм;50…200 Ом N=0.5…0.4 мм; 200…500 Ом N=0.4…0.2 мм. для резисторов укоторых b
1.5 Выбор типа полосковой линии
Таблица 1Тип полосковой линии Сечение полоски Преимущества Недостатки Несимметричная полосковая линия (с малым ε = 2…3 подложки)
/> Малые габариты, малый вес, низкая стоимость, не требует крепление Большие потери, отсутствие экранировки Микрополосковая (с высоким ε > 10)
Для нас оптимальнымвариантом является микрополосковая линия (МПЛ), так как она обладаетнаименьшими габаритами, весом и не вызывает конструктивных трудностей.1.6 Выбор материала подложки
Для МПЛ требуетсяматериал, обладающий высоким ε (порядка 9.5), малыми потерями,постоянством ε в широком диапазоне частот (т.е. малым количествомпримесей), малой пористостью, высокой теплопроводностью, низкой стоимостью.
В МПЛ, используемых вгибридных интегральных схемах (ИС), находят применение такие материалы, каккерамика, сапфир, ситалл. Основой керамики является окись алюминия Al2O3. Высокоглиноземистая керамика является сравнительно недорогимматериалом, имеет низкие потери, высокую диэлектрическую проницаемость, малыетемпературные изменения электрических параметров.
Таблица 2Материал подложки ε tg δ
Теплопроводность, />
Поликор 99,8% Al2O3 9,8
1*/> 0,06 – 0,09
Для нашей схемы мывыбираем поликор 99,8% Al2O3, так как он имеет высокуюдиэлектрическую проницаемость, низкие потери, и сравнительно не дорогой.
1.7 Выбор материал проводников
Материал проводников вМПЛ должен иметь высокую электропроводность, малую величину температурногокоэффициента сопротивления, хорошую адгезию к подложке, хорошую растворимость вхимическом травителе, легко осаждаться при вакуумном напылении или нанесениигальваническим методом.
Таблица 3Металл Ag Cu W Mn Rt Cr Ta Au
Объемная проводимость, /> 6,17 5,8 1,78 1,76 0,91 0,77 0,64 4,1
Нормированная толщина скин-слоя />, мкм 2,03 2,09 3,76 3,8 5,2 5,75 6,26 2,19
Исходя из требованийпроводимости и дешевизны выбираем Cu.
2. Электрический и конструктивный расчет
2.1 Расчётосновной МПЛ
Волновоесопротивление выбираем 50 Ом. Толщину подложки выберем стандартную 1 мм.Исходя из выбранных величин и свойств материала подложки определим ширинуметаллической полоски:
/>
ПосколькуА>1.52 то, учтя h=1 мм, ширину полоски определим по формуле
/>мм
Найдём критическуючастоту
/>ГГц
Определимпотери в МПЛ. Потери в МПЛ складываются из потерь в диэлектрике, потерь впроводнике и потерь на излучение. Потерями на излучение мы пренебрегаемпоскольку они незначительны.
/>
Определимразмеры корпуса МПЛ
Ширинуэкрана a при малой толщине полоски рекомендуетсявыбрать больше 4∙W. Для рассчитанной МПЛ а можно выбрать равным 4 мм.Относительное расстояние между экраном и полоской (b-h)/h берут равным 10. Отсюда b =9 мм.
2.2 Расчёткольцевого моста
Волновоесопротивление кольца моста
/>Ом
Определимширину полоски кольца. Учитывая, что толщина подложки 1 мм, получим:
/>
/> мм
Размерымоста зависят от длины волны в кольце
/>
Определимпараметры моста:
/>
/>
2 КСВ
/>
3 разбалансамплитуд
/>
4 развязкаизолированного плеча
/>
(b-h)/h =10, расстояние от полоски до экранабудет также равным 9 мм.
2.3 Расчётшлейфного моста
Шлейфныймост рассчитаем аналогично.
Волновоесопротивление шлейфов будет равным волновому сопротивлению основной линии, волновоесопротивление отрезков линии между шлейфами
/>
Длина линиимежду шлейфами будет равна четверти длины волны в ней.
Параметрымоста:
1 потеримощности
/>
2 КСВ
/>
3 разбалансамплитуд
/>
4 развязкаизолированного плеча
/>
2.4 Расчётбинарного делителя мощности
/>
Определимгеометрические размеры делителя мощности.
Длинарезистивного элемента 1 мм.
/>
Расстояниеот полоски до экрана также равно 9 мм.
3. Технология изготовления устройства 3.1Подготовительные технологические операции
Подготовительнымиявляются следующие операции: резка подложек, изготовление отверстий, склейкаподложек, очистка и подготовка поверхностей подложек.
Резку подложекпроизводят вначале или конце технологического цикла. При малых геометрическихразмерах микрополосковой платы применяют мультиплицированный фотошаблон спредусмотренными зазорами между схемами на ширину реза, и резку проводят вконце технологического цикла. Разделение подложек из неорганическихдиэлектриков осуществляют двумя способами:
1. Диэлектрическаяподложка с помощью термопластинчатого канифольного состава приклеивается кстеклянному основанию. Резка проводиться алмазными дисками диаметром 75…100 мм,толщиной 0,1…0,3 мм на специальном станке или на полуавтомате, ширина реза0,5…0,8 мм.
2. Скрайбированиеалмазным резцом и последующая ломка пластин (рекомендуется для подложектолщиной до 0,5 мм). Глубина надреза – до 0,5 толщины пластины. Прискрайбировании потери материала минимальны, так как ширина линии надреза 0,05 мм
3. Лазерноескрайбирование. Обеспечивает отличное качество реза, однако чувствительно кнарушениям технологии и требует высокой культуры производства.
Существуют три способаизготовления отверстий в подложках из неорганических диэлектриков:
1. Скоростное сверление– применяется при изготовлении отверстий диаметром 0,8 мм и проводиться спомощью перфорированных алмазных сверл. Одним сверлом сверлят до 10 отверстий.При серийном производстве сверление производят по кондуктору, имеющему отметкубазового угла.
2. Ультразвуковаяпробивка отверстий – наиболее универсальна, дает возможность получать отверстиялюбой конфигурации, а также проводить одновременную пробивку близкорасположенных отверстий. Например, для пробивки отверстий для выводовтранзистора изготовляют концентратор, в котором инструмент представляет собойсистему из трех твердосплавных цилиндров.
3. Лазерная пробивкаотверстий – практически единственная, позволяющая пробить отверстия диаметром0,05…0,5 мм.
Склейка подложекприменяется для создания комбинированных подложек, например ситалл-ферритовых.Обезжиренные подложки склеивают эпоксидным клеем в специальном приспособлении.
При отмывке подложекперед вакуумным напылением используют различные способы удаления загрязнений:химические реакции; механическая очистка (кистевая обработка, распыление реактива,кипячение, ультразвуковая обработка и т.д.); растворение загрязнений (жиров врастворителях, солей в воде и др.). Наиболее распространенной являетсякислотно-щелочная обработка. Удаление канифольных мастик и обезжириваниепроводится последовательной обработкой гидрофобным и гидрофильнымирастворителями. Затем проводится кислотная обработка при нагреве и щелочнаяобработка в перекисно-аммиачной смеси с помощью ультразвука. Обработка вгорячей хромовой смеси, серной и соляной кислотах может привести к размягчениюповерхностного слоя ситаллов и, как следствие, ухудшению адгезии напыленныхпленок. Последняя операция – отмывка подложек в бидистиллированной воде споследующей сушкой на центрифуге или обработка подложек в парах растворителей вспециальных камерах. Быстрым и эффективным способом отмывки подложек является«фреоновая технология». Перспективна плазмохимическая очистка подложек,обеспечивающая атомарно чистую поверхность.
При подготовке подложекпод химико-электролитическую металлизацию предусматривают обычнопредварительное увеличение степени шероховатости – матирование поверхности. Дляматирования подложек из ситалла используют смесь HF+H2SO4, Затем следует механическая зачистка, Так как на поверхностиобразуется мягкотравленный нерастворимый слой. Это может быть вызвано какобразованием новых нерастворимых продуктов реакции, так и тем, что скоростьдиффузии травителя в ситалл превышает скорость травления. Более технологичноиспользование шлифованного ситалла с последующей обработкой в горячих кислотах:H2PO4 +H2O; HNO; HCl. Трудность химической обработки ситаллов обусловлена их сложнымфизико-химическим составом.
При контроле отмывкиповерхности подложек наиболее распространены методы оптической микроскопии(подсчет светящихся точек в темном поле, исчезающих и неисчезающих рисок) и методы,основанные на смачивании. Однако смачиваемость и несмачиваемость не могутслужить однозначным критерием отмывки, так как состояние поверхности зависит отпоследней операции отмывки. Всестороннюю и тщательную проверку чистоты подложекследует проводить при отработке и выборе технологии отмывки. Из-за высокойактивности подготовленных подложек их сплошной контроль может привести кдополнительному загрязнению. Чистота поверхности является критерием переменными зависит от предъявляемых к подложке требований. Для объективной оценкиподготовки поверхности следует оценивать адгезию пленок к подложке.
радиотехнический диапазон делитель микрополосковый3.2 Тонкопленочная технология изготовления микрополосковых СВЧплат
Будемназывать технологию тонкопленочной, если толщина металлизации 0.5…50 мкм.
Электрохимическаяметаллизация с изготовлением резистивных элементов. Схема цикла:
1) Сверление отверстий на скоростном сверлильном станке алмазными перфорированнымисверлами, или на станке ультразвуковой прошивки.
2) Химическое осаждение из растворов резистивного материала, которыйодновременно является адгезионным подслоем.
3) Электролитическое наращивание меди до нормальной толщины.
4) Позитивное изображение рисунка проводниковых и резистивныхэлементов с последующим травлением.
5) Негативное изображение резистивных элементов, с последующимстравливанием проводящего слоя над резистивным элементом.
6) Подготовка номиналов резисторов.
7) Химическое осаждение антикоррозийных покрытий.
Достоинства метода: простота, отсутствие дорогостоящегооборудования; недостаток – для стабилизации резистивных слоев последнийподвергается вжиганию, что может ухудшить адгезию проводящего слоя крезистивному адгезионному подслою.
Литература
1.Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств /Под ред. В.И. Вольмана. – М.: Радио и связь, 1982. – 328 с.
2.Малорацкий Л.Г., Явин Л.Р., Проектирование и расчет СВЧэлементов на полосковых линиях. – М.: Сов. радио, 1972. – 232 с.
3.Микроэлектронные устройства СВЧ / Н.Т. Бова, Ю.Г. Ефремов,В.В. Конин и др. – К.: Техника, 1984. – 184 с.
4.Электрические чертежи и схемы / Александров К.К., Кузьмина Е.Г.– М.: Энергоатомиздат, 1990. – 288 с.
5.Конструирование и расчет полосковых устройств / Под редакциейпрофессора И.С. Ковалева. – М.: Советское радио, 1974. – 294 с.