ПЕРЕХОДНОЕ УСТРОЙСТВО ОТ ВОЛНОВОДА К ЭЛЕКТРОННОЙ СХЕМЕ, СПОСОБ МИНИМИЗАЦИИ УТЕЧКИ СИГНАЛОВ ИЗ ПЕРЕХОДА, ВОЛНОВОД-СИГНАЛЬНЫЙ ПРОВОДНИК И ПЕРЕХОДНОЕ УСТРОЙСТВО ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ ДЛЯ МИНИМИЗАЦИИ УТЕЧКИ СИГНАЛОВ Российский патент 1999 года по МПК H01P5/107 H01P1/04 

Настоящее изобретение относится к волноводно-микрополосковому переходу, где волноводный штырь проходит сквозь печатную плату перед образованием контакта с микрополосковой линией. Кроме этого, изобретение относится к микрополосковому переходу, где требуется пропустить сигнал, передаваемый по микрополосе, сквозь многослойную печатную плату. В частности, изобретение относится к конструкции волноводных переходов, использующихся при работе с радиочастотными сигналами.

В одной из конструкций двухсторонних или многослойных печатных плат, подключаемых к волноводу, для отбора сигнала из волновода, применяется штырь, который проходит сквозь стенку волновода и печатную плату, и, выступая в волновод, отбирает волновые сигналы, распространяющиеся по волноводу. Для того, чтобы подобная конструкция работала надлежащим образом, необходимо электрически соединить штырь с микрополосковым проводником. Обычно это делается путем выполнения отверстия и установки штыря до нанесения покрытия (травления) на печатную плату. Такая конструкция обеспечивает малые потери в переходе, если только отсутствуют или весьма малы потери сигнала в материалах, из которых изготавливаются печатные платы, например, таких, как политетрафторэтилен (PTFE) или FR4, и тогда штырь, проходящий сквозь материал платы, не вносит значительного рассогласования (в нагрузке). Однако устройство, показанное на фиг. 1, имеет потери на переходе более 1 дБ. Это неприемлемо для малошумящих приемников. Считают, что заземляющие плоские элементы, имеющиеся на обеих сторонах платы из FR4, действуют, как плоско-параллельный волновод, в который могут попадать сигналы, что приводит к дополнительным потерям и изменению импеданса перехода, вызывающего рассогласования в микрополосковой линии. Любое рассогласование также ведет к потере сигнала.

Целью настоящего изобретения является создание усовершенствованной конструкции перехода, которая устраняла бы или частично ослабляла влияние хотя бы одного из упомянутых выше недостатков.

В наиболее широком аспекте рассмотрения это достигается выполнением нескольких отверстий в печатной плате, поверхность которых имеет электролитическое покрытие и которые расположены вокруг РЧ волноводного или микрополоскового перехода, и соединением этих отверстий с покрытием с землей. В результате конструкция перехода приобретает значительно повышенные эксплуатационные показатели, в том числе значительно сниженный уровень потерь по сравнению с известными конструкциями.

В предпочтительном варианте устройства все отверстия, в том числе и то, через которое проходит штырь связи, выполнены в виде сквозных отверстий с электрическими покрытиями их поверхности, в целях простоты изготовления и затрат (финансовых).

В альтернативном варианте устройства могут быть использованы и закрытые (глухие) отверстия. В многослойной или двухслойной печатной плате может быть предусмотрено множество отверстий.

Обычно вокруг волноводного штыря или штыря типа "микрополоса-микрополоса" выполняют четыре таких отверстия с покрытием, которые располагают точно по окружности концентричной с окружностью, сквозь которую проходит штырь связи. Отверстия располагают в непосредственной близости от межслойного соединения.

В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения предусматривается переход от РЧ волновода к электронной схеме, когда волноводный штырь проходит сквозь отверстие в печатной плате и подключается к сигнальному проводнику на этой плате, при этом печатная плата имеет заземляющий плоский (печатный) элемент, и множество отверстий с покрытием расположены вокруг волноводного штыря в непосредственной близости от него, в результате чего импеданс перехода максимально близок к характеристическому импедансу микрополосковой линии, а отверстия с покрытиями соединены с заземляющим элементом для минимизации утечки сигналов, передаваемых на плату волноводным штырем. Предпочтительно также, чтобы отверстие для ввода штыря также имело покрытие.

Предпочтительно также, чтобы четыре отверстия были расположены вокруг волноводного штыря. Обычно такие отверстия с покрытием их поверхностей располагают по окружности, центр которой есть штырь. В альтернативных вариантах три, пять или другое количество отверстий могут быть выполнены для достижения удовлетворительных эксплуатационных показателей.

Было установлено, что именно четыре сквозных отверстия с покрытием обеспечивают удовлетворительные результаты, но при этом весьма важным является расстояние между отверстиями и межслойным созданием, когда отверстия должны быть сгруппированы вблизи этого соединения. Эти параметры зависят от частоты. Было установлено, что если отверстия расположены слишком близко, то импеданс перехода может оказаться ниже стандартного характеристического импеданса 50 Ом, а если они (отверстия) расположены слишком далеко друг от друга, то это привело бы к недопустимой утечке в плату. Кроме того, расстояние между отверстиями также является важным параметром, поскольку величина зазора между отверстиями и частота РЧ сигнала определяют собой, какой величины РЧ сигнал может пройти через отверстия. Хотя известны различные примеры размеров отверстий, их диаметров и расстояний между ними, нетрудно понять, что эти параметры в каждом конкретном случае могут быть определены путем обычного эксперимента.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения разработан способ минимизации утечки РЧ сигнала из перехода от волновода к проводнику, проходящих сквозь печатную плату, прилегающую к волноводу, когда в соответствующем устройстве, реализующем этот способ, штырь проходит сквозь печатную плату и стенку волновод в этот волновод, включающий операции:
распределения множества отверстий, выполняемых в печатной плате, вокруг упомянутого штыря,
нанесения электролитического или иного электропроводного покрытия на боковую поверхность каждого отверстия, и
соединения отверстий с покрытием с заземляющим элементом.

В предпочтительном варианте данного способа в печатных платах выполняют сквозные отверстия. В другом варианте способа отверстия могут быть выполнены глухими.

Обычно печатная плата выполняется многослойной.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения является наличие печатной платы, связанной со штырем, который вставляется в волновод для приема из него сигналов и передачи этих сигналов на печатную плату, которая содержит по крайней мере один проводник для соединения со штырем, заземляющий плоский элемент, а также имеет сквозное отверстие для вставки штыря связи, множество отверстий с покрытием их поверхности, расположенных в печатной плате в круг сквозного отверстия с покрытием, причем множество отверстий с покрытием соединяются с землей, а их размеры и форма выбраны из соображений минимизации утечки сигналов из штыря в печатную плату.

Предпочтительно, чтобы сквозное отверстие для прохода штыря имело покрытие на своей поверхности.

В соответствии еще с одним аспектом настоящего изобретения предусмотрен переход к печатной плате для минимизации утечки сигналов, передаваемых на микрополосковые проводники, и проходящих сквозь печатную плату, причем переход к печатной плате содержит первый микрополосковый элемент на одной стороне печатной платы для передачи на него сигнала, второй микрополосковый элемент на другой стороне платы для приема сигнала, проводящее сигнал средство, проходящее сквозь плату и соединенное с первым и вторым микрополосковыми проводниками, заземляющий элемент в печатной плате, множество сквозных отверстий с покрытиями или глухих отверстий, расположенных на печатной плате вокруг проводящего сигнал средства, при этом сквозные отверстия или глухие отверстия с покрытием их поверхности соединяются с заземляющим элементом для минимизации утечки сигнала, проходящего сквозь печатную плату между первым и вторым микрополосковыми проводниками.

Эти и другие аспекты настоящего изобретения будут более понятными из последующего описания, приведенного совместно с прилагаемыми рисунками, на которых изображено следующее:
фиг. 1 - вид сверху перехода от волновода к микрополосковой линии, где показано множество отверстий, расположенных вокруг штыря связи, соединенного с микрополосковой линией;
фиг. 2 - разрез по линии А-А перехода от волновода к микрополосковой линии, показанного на фиг. 1 в соответствии с реализацией настоящего изобретения;
фиг. 3 - вид по фиг. 1 в увеличенном масштабе, где показаны взаимное расположение и размеры сквозных отверстий с покрытием в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения;
фиг. 4 - вид, аналогичный фиг. 2, где показаны глухие отверстия с покрытием,
фиг. 5 - вид в разрезе, аналогичный фиг. 2, переходного соединения "микрополоса-микрополоса" через трехслойную печатную плату.

На фиг. 1 показан вид сверху печатной платы, обозначенной позицией 10 и имеющей микрополосковую линию 12, которая оканчивается сквозным отверстием с покрытием, и штырь связи 14. Как можно видеть на чертеже, четыре сквозных отверстия 16 с покрытием расположены вокруг штыря 14. Далее, на чертеже фиг. 2 в разрезе по линии А-А (фиг. 1) показано одно из сквозных отверстий с покрытием 16 и штырь 14.

Печатная плата 10 соединена с вершиной волновода 18, который имеет отверстие 20, через которое входит волноводный штырь 14. Печатная плата 10 представляет собой многослойный слоистый материал и имеет верхний слой 22 из политетрафторэтилена (PTFE), затем медную пластину 24 (заземляющую), приклеенную к верхнему слою, нижний слой из материала на основе фибергласса и смолы (FR 4), и нижнюю медную подложку 28, через которую осуществляется электрический и механический контакт с волноводом 18. Слой из PTFE 22 и заземляющая пластина 24 приклеиваются к слою из FR4 с помощью препрега или клеевого слоя 30. Конструкция микрополосковых плат хорошо известна в технике и их изготовление начинается с составления PTFE пластины и FR4 пластины, которая имеет медные слои на обеих сторонах. Затем медь вытравливается с одной стороны FR4 слоя, после чего слои PTFE и FR4 склеиваются с помощью препрега при высоком давлении.

Штырь 14 проходит сквозь отверстие с покрытием 32, которое точно соответствует отверстию 20, и крепится к покрытию верхнего слоя платы паяным соединением 34, как показано на фиг. 2. Волноводный штырь имеет изогнутую часть 36, которая опирается на имеющие покрытие стороны отверстия для фиксации волноводного штыря 14 по центру отверстия 32. Металлизация (покрытие) стенок отверстия 32 обеспечивается путем сверления сквозного отверстия в плате 10 до травления. В результате нанесения покрытия на стенках отверстия 32 образуется электропроводный материал, т.е. медь, а также на верхней и нижней поверхностях 40 и 42 платы 10. В такой конструкции весьма важно, что кольцевые зазоры 44 и 46 образуются между покрытием сквозного отверстия и заземляющей пластиной 28 и заземляющей площадкой 28, соответственно; эти зазоры предотвращают закорачивание сигнала от штыря на землю.

Покрытие на внутреннюю поверхность сквозного отверстия 16 наносится таким же образом, как в сквозном отверстии 32 для волноводного штыря 14. В этом случае покрытие 48 неразрывно переходит в поверхность заземляющей пластины 24 и заземляющей площадки 28. Эти отверстия сверлятся таким же образом, как и отверстие для волноводного штыря. Четыре отверстия 16 расположены вокруг штыря 14 и действуют как барьер для утечки РЧ сигнала на штыре, ограничивая утечку в материалы PTEE и FR4 печатной платы. При частотах в диапазоне 10,95-11,7 ГГц отверстия разнесены так, как показано на фиг. 3. Каждое отверстие 16 имеет внутренний диаметр 0,5 мм, а отверстие 32 для штыря - 1,0 мм. Отверстие в металлической пластине между слоями имеет диаметр 3,5 мм. Такие размеры и расположение отверстий определялись специально, в результате чего они обеспечивают барьер для утечки сигнала на радиочастотах в указанном выше диапазоне, а также обеспечивают величину импеданса перехода, близкую к характеристическому импедансу в 50 Ом, что дает удовлетворительное согласование в минимальный уровень утечки в материал платы. Расположение отверстий относительно друг друга весьма важно, поскольку величина зазора между отверстиями определяет величину РЧ сигнала, который может просочиться между отверстиями. Хотя диаметр отверстия оказывает свое влияние на величину нежелательного просачивания сигнала, главным фактором здесь является все же расстояние между крайними точками отверстий.

Проводящий материал любой формы, расположенный вокруг штыря, будет пригоден для уменьшения утечки сигнала в материал печатной платы, пока между электропроводными элементами не останется очень малый зазор или его не будет вовсе.

Следует отметить, что можно допустить различные модификации описанного выше варианта реализации настоящего изобретения, если они не выходят за рамки заявляемого объема изобретения. Например, отверстия 16 не обязательно должны проходить сквозь всю печатную плату. Поскольку было установлено, что по сравнению с материалом PTFE основная часть уровня утечки определяется материалом FR4, в плате могут быть выполнены глухие отверстия, пронизывающие только материал FR4 и не затрагивающие материал PTFE. Это наилучшим образом иллюстрируеся на чертеже фиг. 1, где отдельные элементы платы имеют те же позиции, что и на фиг. 1 и 3, и где глухие отверстия 50 проходят только сквозь материал FR4. Эти глухие отверстия 50 образуются путем сверления в материале FR4 после изготовления многослойных плат, но до нанесения электролитических покрытий. Отверстия 50 (их покрытия) соединяются с земляной пластиной 24 в зоне соединения материалов PTFE и FR4. Кроме этого, размер и взаимное расположение отверстий зависит от частоты используемых сигналов. Вполне понятно также, что могут иметь место и другие характеристические импедансы, например, 75 Ом. Отверстия совсем не обязательно должны располагаться вокруг штыря по окружности, а в настоящем варианте это сделано просто из соображений удобства. В многослойной печатной плате внутренние соединения могут выполняться с использованием принципов и конструкций, аналогичных случаю РЧ перехода "волновод- проводник". Это иллюстрируется чертежом на фиг. 5. Здесь печатная плата имеет 3 слоя -1, 2 и 3, и медную микрополосковую линию 62 в слое 1, соединенную с медной микрополосковой линией 64 в слое 3 через отверстие 32 с медным покрытием. Слои 1, 2 и 2,3 разделены материалом препрег 30. В случае РЧ перехода множество сквозных и глухих отверстий с покрытием могут быть распределены вокруг отверстий для внутренних соединений во избежание потерь сигнала в слое 2. Кроме того, в случае перехода "микрополоса-микрополоса" могут использоваться как сквозные, так и глухие отверстия с покрытием, размер и взаимное расположение которых выбирается из условия минимизации утечки.

Переходное устройство для РЧ волноводного сигнала, минимизирующее утечку на радиочастотах благодаря выполнению множества сквозных или глухих отверстий с электролитическим покрытием в печатной плате. Отверстия с покрытием расположены по окружности, центром которой является волноводный штырь перехода волновод - микропленочная линия. Каждое из отверстий соединено с заземляющей пластиной. Размер и взаимное расположение отверстий с покрытием создают барьер для утечки сигнала на радиочастотах в диапазоне 10,95 - 11,7 ГГц, а также обеспечивает величину импеданса перехода, близкую к характеристическому импедансу линии 50 Ом, что обеспечивает удовлетворительное согласование и минимальную утечку в материал платы. Это устройство может быть также использовано для минимизации утечки в переходах микропленка - микропленка с прохождением сквозь плату. Техническим результатом является уменьшение потерь сигнала. 3 с. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Переход от радиочастотного волновода к микрополосковой линии, содержащий микрополосковую печатную плату, расположенную между волноводом и микрополосковой линией, содержащую слоистый материал первого слоя, на который опирается микрополосковая линия, заземляющую пластину и второй слой на основе фибергласа и смолы, штырь волновода, проходящий сквозь печатную плату и выступающий из нее и соединенный с микрополосковой линией, отличающийся тем, что вокруг штыря волновода в печатной плате расположены множество отверстий с электролитическим покрытием, соединенных с заземляющей плоскостью, причем взаимное расположение отверстий с электролитическим покрытием выбрано из условий уменьшения утечки энергии со штыря волновода в печатную плату и согласования электрического импеданса перехода от РЧ волновода к микрополосковой линии с характеристическим электрическим импедансом микрополосковой линии. 2. Переход по п.1, отличающийся тем, что отверстия с электролитическим покрытием являются сквозными отверстиями с электролитическим покрытием, проходящими сквозь оба слоя печатной платы. 3. Переход по п.1 или 2, отличающийся тем, что отверстия с электролитическим покрытием являются глухими отверстиями с электролитическим покрытием, проходящими только через второй слой печатной платы. 4. Переход по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что штырь проходит сквозь предназначенное для штыря отверстие с электролитическим покрытием в печатной плате. 5. Переход по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что вокруг штыря волновода расположены четыре отверстия с электролитическим покрытием. 6. Переход по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что отверстия с электролитическим покрытием расположены на окружности круга с центром на штыре. 7. Способ минимизации утечки радиочастотных сигналов из перехода от волновода к микрополосковой линии, проходящих сквозь микрополосковую печатную плату, расположенную между волноводом и микрополосковой линией, содержащую слоистый материал первого слоя, заземляющую пластину и второй слой, и в которой штырь проходит от микрополосковой линии, опирающейся на первый слой, сквозь первый и второй слои печатной платы в волновод, отличающийся тем, что располагают множество отверстий в печатной плате вокруг штыря, осуществляют электролитическое покрытие отверстий проводящим материалом, соединяют отверстия с электролитическим покрытием с заземляющей пластиной. 8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что включает операцию выполнения сквозных отверстий в печатной плате. 9. Способ по п. 7, отличающийся тем, что включает операцию выполнения глухих отверстий в печатной плате. 10. Микрополосковый переход печатной платы для минимизации утечки радиочастотных сигналов, проходящих сквозь многослойную микрополосковую печатную плату, содержащий первую микрополосковую линию, размещенную на одной стороне печатной платы для передачи сигнала, вторую микрополосковую линию, размещенную на другой стороне печатной платы для приема указанного сигнала, проводящее сигнал средство, проходящее сквозь плату и подсоединенное между первой и второй микрополосковыми линиями соответственно, отличающийся тем, что в печатной плате вокруг проводящего сигнал средства расположено множество отверстий с электролитическим покрытием, соединенных с заземляющей пластиной для минимизации утечки сигнала, проходящего сквозь плату между первой и второй микрополосковыми линиями.