Симметричная щелевая линия передачи сигнала СВЧ-диапазона с межслойным переходом Российский патент 2024 года по МПК H01P3/08 

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].

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, МПК 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].

Известна симметричная щелевая линия, содержащая щель, выполненную в проводящем покрытии, расположенном на одной стороне диэлектрической подложки [Патент РФ № 2776955 «Симметричная щелевая линия передачи сигнала СВЧ и КВЧ диапазонов», МПК H01P3/08, приоритет 07.09.2021, опубл. 29.07.2022, принят за прототип]. Для передачи сигнала в другую плоскость необходимо соединять две щелевые линии через дополнительное переходное устройство.

Недостатками аналогов и прототипа являются увеличение габаритов устройства при наличии необходимости передачи сигнала в другую плоскость за счет введения для соединения щелевых линий дополнительного устройства, обеспечивающего переход (переходника) и увеличение вносимых потерь мощности проходящего сигнала.

Предложенное техническое решение направлено на устранение недостатков аналогов и прототипа.

Технический результат – обеспечение передачи сигнала с одной стороны диэлектрической подложки на другую, улучшение массогабаритных характеристик устройства.

Технический результат достигается тем, что в симметричной щелевой линии передачи сигнала СВЧ–диапазона содержащей диэлектрическую подложку, плоские металлические экраны, образующие щелевую линию, часть симметричной щелевой линии расположена на одной стороне диэлектрической подложки, а часть – на другой стороне диэлектрической подложки, межслойный переход выполнен в виде частично металлизированного отверстия в диэлектрической подложке, центр которого находится в точке пересечения центра щели с плоскостью, в которой находятся края экранов, перпендикулярные щели; частичная металлизация отверстия попарно соединяет металлические экраны, расположенные с каждой из сторон щели на разных сторонах подложки, между собой, при этом сохраняется размер ширины щели на другой стороне подложки, причем, диаметр отверстия выбирается из следующих условий:

0.2 ≤ W ≤ 1.0

1.5W ≤ D ≤ 2.5W

где W-ширина щели, мм; D – диаметр отверстия, мм.

Сущность технического решения заключается в следующем. Отверстие с частичной металлизацией в диэлектрической подложке позволяет осуществить межслойный переход электромагнитной волны с одной стороны подложки на другую в одном устройстве, без использования дополнительных переходных устройств.

Выполнение частично металлизированного отверстия в точке пересечения центра щели с плоскостью, в которой находятся края металлических экранов и попарное соединение металлических экранов, расположенных на разных сторонах подложки, между собой через металлизацию на внутренней стороне отверстия, позволяет не только передать сигнал с одной стороны подложки на другую с малыми потерями, но и устраняет необходимость использовать специальные переходные устройства (переходники) для соединения щелевых линий, находящихся на разных сторонах, что улучшает массогабаритные характеристики устройства.

Выбор диапазона ширины щели W от 0.2 мм до 1.0 мм объясняется тем, что размер щели меньше 0.2 мм создает технологические трудности при изготовлении устройства, а увеличение ширины щели свыше 1.0 мм приводит к ухудшению массогабаритных характеристик.

Математическое моделирование геометрических и электрических характеристик щелевой линии передачи сигнала СВЧ – диапазона с межслойным переходом с использованием 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 их экспериментальная проверка, показали, что зависимость размера отверстия от геометрических характеристик щелевой линии (ширины щели и толщины подложки) в указанных пределах позволяет максимально эффективно передавать сигнал СВЧ-диапазона с минимальными потерями и массогабаритными характеристиками.

Выбор диапазона размера диаметра частично металлизированного отверстия от 1,5W до 2,5W объясняется тем, что нижний предел ограничен технологическими трудностями, а верхний предел обусловлен ухудшением массогабаритных характеристик.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлен общий вид симметричной щелевой линии передачи сигнала СВЧ-диапазона с межслойным переходом, на фиг.2 представлен вид устройства сверху (а) и разрез (б) по щелевой линии, где:

- плоские металлические экраны 1;

- щели 2;

- диэлектрическая подложка 3;

- частично металлизированное отверстие 4;

- металлизация отверстия 5.

Устройство работает следующим образом. Сигнал поступает на вход симметричной щелевой линии, расположенной на одной стороне подложки, проходит по симметричной щелевой линии, образованной металлическими экранами 1 и диэлектрической подложкой 3, и доходит до отверстия 4 с частичной металлизацией 5 в диэлектрической подложке 3, проходит по нему на другую симметричную щелевую линию, образованную металлическими экранами 1, находящимися на другой стороне диэлектрической подложки 3, и поступает на выход симметричной щелевой линии. Таким образом, осуществляется переход сигнала с одного слоя на другой слой диэлектрической подложки.

Пример 1. Симметричная щелевая линия передачи сигнала СВЧ–диапазона с межслойным переходом выполнена на диэлектрической подложке 3 из поликора (керамика ВК-100) с диэлектрической проницаемостью 9,8 и толщиной 0,5 мм. На диэлектрическую подложку с обеих сторон нанесены металлические экраны 1 со структурой металлизации: Cr напылённый (с поверхностным сопротивлением 100 Ом/мм²) - Cu напылённая (толщиной 1,2 мкм) - Cu гальванически осажденная (толщ. 3 мкм) - Ni гальванически наращенный (0,6 мкм) - Au гальванически наращенное (толщиной 3мкм) [См. В.А. Иовдальский. Конструкция и технология микрополосковых плат ГИС СВЧ-диапазона. / Учебное пособие. Под научной редакцией д.т.н., генерального директора АО «НПП «Исток» им. Шокина» А.А. Борисова, Москва, изд. КУРС, 2018, С.175.], образующие щель 2 между ними шириной 0,5 мм. Края металлических экранов 1, перпендикулярных щелевой линии передачи 2, расположены с обеих сторон подложки 3, находятся в одной плоскости перпендикулярной подложке 3 друг против друга на ее разных сторонах, и соединяются через частичную металлизацию 5 отверстия 4 диаметром 0.75 мм со структурой: Pd (химически осаждённый)-Ni химически осаждённый (толщиной 0,2 мкм) - Cu гальванически осажденная (толщ. 3 мкм)- Ni гальванически наращенный (0,6 мкм)-Au гальванически наращенное (толщиной 2мкм), приведённой в литературной ссылке (учебном пособии) указанной выше, для металлизации отверстий. При этом, металлизация 5 в отверстии 4 обеспечивает сохранение ширины щели 2, равную 0.5 мм. Измерения показали, что вносимые потери составили до -0,23 дБ.

Пример 2. Симметричная щелевая линия передачи сигнала СВЧ–диапазона шириной 0,4 мм с межслойным переходом выполнена на диэлектрической подложке 3 из материала Rogers TMM 4 с диэлектрической проницаемостью 4,5 и толщиной 0,3 мм. На диэлектрическую подложку 3 с обеих сторон нанесены металлические экраны 1 из меди толщиной 9 мкм. Края металлизации 5 в отверстии 4 диаметром 0,5 мм обеспечивают сохранение ширины щели 2. Измерения показали, что вносимые потери составили -0,2 дБ.

Анализ полученных результатов показывает, что вносимые потери предлагаемого устройства симметричной щелевой линии передачи сигнала СВЧ–диапазона с межслойным переходом незначительно отличаются от прототипа, что подтверждает достижение заявляемого технического результата.

Изобретение относится к СВЧ технике. Симметричная щелевая линия передачи сигнала СВЧ-диапазона содержит диэлектрическую подложку, плоские металлические экраны, образующие щелевую линию. При этом часть симметричной щелевой линии расположена на одной стороне диэлектрической подложки, а часть – на другой стороне диэлектрической подложки, межслойный переход выполнен в виде частично металлизированного отверстия в диэлектрической подложке, центр которого находится в точке пересечения центра щели с плоскостью, в которой находятся края экранов, перпендикулярные щели; частичная металлизация отверстия попарно соединяет металлические экраны, расположенные с каждой из сторон щели на разных сторонах подложки, между собой, при этом сохраняется размер ширины щели на другой стороне подложки. Диаметр отверстия выбирается из следующих условий: 0.2 ≤ W ≤ 1.0; 1.5W ≤ D ≤ 2.5W, где W - ширина щели, мм; D - диаметр отверстия, мм. Технический результат - обеспечение передачи сигнала с одной стороны диэлектрической подложки на другую, улучшение массогабаритных характеристик устройства. 2 ил.

Симметричная щелевая линия передачи сигнала СВЧ–диапазона с межслойным переходом, содержащая диэлектрическую подложку, плоские металлические экраны, образующие щелевую линию, отличающаяся тем, что часть симметричной щелевой линии расположена на одной стороне диэлектрической подложки, а часть - на другой стороне диэлектрической подложки, межслойный переход выполнен в виде частично металлизированного отверстия в диэлектрической подложке, центр которого находится в точке пересечения центра щели с плоскостью, в которой находятся края экранов, перпендикулярные щели; частичная металлизация отверстия попарно соединяет металлические экраны, расположенные с каждой из сторон щели на разных сторонах подложки, между собой, при этом сохраняется размер ширины щели на другой стороне подложки, причем диаметр отверстия выбирается из следующих условий:

0.2 ≤ W ≤ 1.0;

1.5W ≤ D ≤ 2.5W,

где W - ширина щели, мм; D - диаметр отверстия, мм.