ВЫСОКОСТАБИЛЬНЫЙ ШИРОКОПОЛОСНЫЙ МИКРОПОЛОСКОВЫЙ КОНСТРУКТИВ Российский патент 2024 года по МПК H05K3/00 

Изобретение относится к области сверхвысоких частот (СВЧ-техника) и предназначено для применения в СВЧ-устройствах для радиолокации, радиосвязи и систем спутникового телевидения.

В СВЧ-технике хорошо известны следующие топологии: MSL (Microstrip Line), GCPW (Grounded Coplanar Waveguide), SIW (Substrate Integrated Waveguide). В заявляемом изобретении предлагается конструктив с новой топологией OSIM (On Substrate Integrated Microstip Line).

К преимуществам микрополосковой топологии MSL на керамических подложках можно отнести простоту, широкополосность и достаточную для применения в СВЧ-технике точность изготовления размеров любых СВЧ-элементов с диапазоном рабочих частот до десятков ГГц. К недостаткам микрополосковой топологии на керамических подложках можно отнести ограничение на размеры керамической подложки с ростом рабочей частоты. Это связано с высокой сложностью изготовления сквозных металлизированных отверстий в керамической подложке, в отсутствие которых в объеме подложки может возбудиться паразитная волна волноводного типа, которая, интерферируя с основой волной ТЕМ-типа, может существенно исказить АЧХ микрополосковой топологи.

Известно, что в микрополосковой линии распространяется волна типа-ТЕМ. Однако, керамическую подложку можно приближенно рассматривать как диэлектрический волновод, в котором могут распространяться волны волноводного типа НЮ, Н20.... Амплитуда таких волн зависит от топологии микрополосковой линии, а коэффициент распространения (действительный или мнимый), зависит от соотношения рабочей частоты и размеров керамической подложки. Такая волна имеет отличную от ТЕМ-волны структуру и скорость распространения и, интерферируя с основной волной типа-ТЕМ может искажать АЧХ микрополосковой топологии. Так, например, на частоте выше 12 ГГц в волноводе 23*10 с воздушным заполнением может распространяться первый паразитный высший тип колебаний Н20, а если этот волновод заполнить диэлектриком с диэлектрической проницаемостью 9,8 ед., как у поликора, то первый высший тип колебаний на частоте выше 12 ГГц будет распространяться и интерферировать с основной волной, если широкая стенка заполненного диэлектриком волновода имеет размер 23 мм/(корень из 9,8)=7 мм.).

К преимуществам копланарной топологии GCPW на печатных платах (GCPW-Grounded CoPlanar Waveguide - топология копланарной линии с экраном и сквозными металлизированными отверстиями) можно отнести простоту изготавливаемых на ее основе СВЧ-элементов с диапазоном рабочих частот до десятков ГГц без ограничения на размер печатной платы. Это является результатом того, что электромагнитная волна ТЕМ-типа из-за наличия сквозных металлизированных отверстий сосредоточена исключительно в зазорах между проводниками копланарной топологии и паразитная электромагнитная волна волноводного типа не распространяется на повышенных частотах СВЧ-диапазона в объеме самой печатной платы. К недостаткам копланарной топологии GCPW можно отнести недостаточную для применения в СВЧ-технике точность изготовления размеров СВЧ-элементов с диапазоном рабочих частот до десятков ГГц. Оптимальным является использование копланарной топологии GCPW для конструирования соединительных линий.

К преимуществам топологии SIW (Surface Integrated Waveguide) на печатных платах можно отнести высокую технологичность интегрирования печатной платы и волноводной топологии. К недостаткам топологии SIW можно отнести как недостаточную широкополосность, ограниченную полосой пропускания прямоугольного волновода, заполненного диэлектриком печатной платы, так и ограниченный перечень СВЧ-элементов, который может быть создан на основе топологии SIW, из-за того, что единственным элементом топологии является индуктивность сквозного металлизированного отверстия в печатной плате.

Известно устройство СВЧ-смеситель, содержащее керамическую подложку с микрополосковой топологией, интегрированную с несущей печатной платой, выполненной из материала типа текстолит, так, что керамическая подложка установлена на специальное основание, которое, в свою очередь, установлено в монтажное отверстие в несущей печатной плате с копланарной топологией GCPW (фиг. 1. Изображение «Rogers R04003C and alumina ceramic circuits» www.ipcb.com). Проводники микрополосковой и копланарной топологий соединяются контактными перемычками.

С целью достижения стабильности при воздействии внешних факторов в виде изменения окружающей температуры или механической нагрузки хрупкая керамическая подложка, для избегания растрескивания, установлена на специальное основание с ТКР (температурный коэффициент расширения), близким к ТКР керамической подложки. К недостаткам такого устройства можно отнести пониженный диапазон рабочих частот, связанный с наличием достаточно большой паразитной индуктивности у контактных перемычек, необходимых для соединения проводников микрополосковой топологии и проводников копланарной топологии на печатной плате, пониженную технологичность интегрирования керамической подложки и печатной платы, связанную с невозможностью использования технологии автоматизированного поверхностного монтажа из-за необходимости установки керамической подложки в монтажное отверстие в печатной плате. К дополнительным недостаткам такого конструктива можно отнести пониженные потери запирания, если микрополосковая топология выполнена в виде фильтра. Это связано с необходимостью экранирования повышенного электромагнитного изучения из элементов фильтра.

Исходя из вышесказанного, актуальной задачей СВЧ-техники является развитие направления интегрирования керамической подложки и печатной платы с целью создания нового микрополоскового высокостабильного конструктива, сочетающего в себе технологичность интегрирования, широкополосность и достаточную для применения в СВЧ-технике точность изготовления размеров СВЧ-элементов с диапазоном рабочих частот до десятков ГГц.

Наиболее близким решением к заявляемому является конструктив «ВЫСОКОСТАБИЛЬНЫЙ МИКРОПОЛОСКОВЫЙ КОНСТРУКТИВ» (патент на изобретение РФ №2210144, МПК Н01РЗ/08, опубл. 10.08.2003), содержащий керамическую подложку с микрополосковой топологией, интегрированную с несущей печатной платой с копланарной топологией так, что нижняя часть микрополосковой топологии заключена в электромагнитный экран, выполненный в виде швеллера, который, в свою очередь, установлен в монтажное отверстие в несущей печатной плате, выполненной из материала, например, стеклотекстолит. С целью достижения высокой стабильности при воздействии внешних факторов в виде изменения окружающей температуры или механической нагрузки керамическая подложка выполнена из достаточно толстой в 1-2 мм и высоко стабильной керамики с диэлектрической проницаемостью 60-80 ед.

К недостаткам такого решения можно отнести пониженный диапазон рабочих частот, связанный с наличием достаточно большой паразитной индуктивности у контактных перемычек, необходимых для соединения проводников микрополосковой топологии и проводников на печатной плате, пониженную технологичность интегрирования керамической подложки и печатной платы, связанную с невозможностью использования технологии автоматизированного поверхностного монтажа из-за необходимости установки керамической подложки в монтажное отверстие в печатной плате. К дополнительным недостаткам такого конструктива, можно отнести пониженные потери запирания, если микрополосковая топология выполнена в виде фильтра. Это связано с необходимостью экранирования повышенного электромагнитного изучения из элементов фильтра.

Технической проблемой заявляемого решения является разработка устройства, лишенного недостатков прототипа при сохранении его преимуществ.

Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение рабочего диапазона частот при повышении технологичности интегрирования керамической подложки и печатной платы, при сохранении стабильности устройства при воздействии внешних факторов в виде изменения окружающей температуры или механической нагрузки. Помимо этого, в случае выполнения микрополосковой топологии в виде фильтра, вышеназванный технический результат дополняется повышением потерь запирания.

Технический результат достигается тем, что в конструктиве, содержащем керамическую подложку с микрополосковой топологией, несущую печатную плату из материала типа стеклотекстолит, выполненный в форме швеллера металлический экран, контактные перемычки, керамическая подложка интегрирована с печатной платой так, что керамическая подложка установлена на металлизацию копланарной топологии печатной платы, экран изготовлен из материала типа «ковар» с высокопроводящим покрытием и установлен полками на металлизацию копланарной топологии печатной платы над керамической подложкой. Длина экрана специально подобрана и такова, что его края расположены над копланарной топологией. При этом в стенке экрана выполнено окно со специально подобранной длиной, в которое на полки установлена выполненная из материала типа «ковар» с высокопроводящим покрытием закрывающая окно крышка.

На фиг. 1 показан СВЧ-смеситель, содержащий керамическую подложку с микрополосковой топологией, интегрированную с несущей печатной платой, выполненной из материала типа текстолит, так, что керамическая подложка установлена на специальное основание, которое, в свою очередь, установлено в монтажное отверстие в несущей печатной плате с копланарной топологией GCPW.

На фиг. 2 приведено схематичное изображение заявляемого конструктива OSIM.

На фиг. 3 приведено схематичное изображение фрагмента заявляемого конструктива OSIM с изображением контактной перемычки. Позициями на чертежах обозначены:

1. Керамическая подложка,

2. Микрополосковая топология на керамической подложке,

3. Несущая печатная плата,

4. Копланарная топология GCPW на несущей печатной плате,

5. Электромагнитный металлический экран, выполненный в форме швеллера,

6. Полки экрана,

7. Контактная перемычка,

8. Стенка экрана,

9. Закрывающая окно крышка.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что заявляемое устройство, представляет собой микрополосковый конструктив с предлагаемым названием OSIM (On Substrate Integrated Microstrip), содержащий керамическую подложку 1 с микрополосковой топологией 2, которая интегрирована с несущей печатной платой 3, выполненной из материала типа стеклотекстолит с копланарной топологией 4 типа GCPW, так, что керамическая подложка 1 установлена на металлизацию копланарной топологии 4 платы 3. Электромагнитный металлический экран 5 изготовленный из материала типа «ковар» с высокопроводящим покрытием, выполненный в форме швеллера, установлен полками 6 на металлизацию копланарной топологии 4 печатной платы 3 над керамической подложкой 1 с микрополосковой топологией 2. При этом ширина зазора между полками 6 экрана 5 равна ширине керамической подложки 1, а длина экрана 5 такова, что его края расположены над копланарной топологией 4. При этом в конструктиве отсутствует монтажное отверстие в печатной плате 3. Контактные перемычки 7, соединяющие проводники микрополосковой 2 и копланарной топологий 4 имеют минимальную длину. В стенке 8 экрана 5 выполнено окно со специально подобранной длиной, в которое на полки 6 экрана 5 установлена изготовленная из материала типа «ковар» с высокопроводящим покрытием закрывающая окно крышка 9. При этом, в полках 6 экрана 5 могут быть выполнены прорези для соединения перемычками проводников микрополосковой и дополнительной копланарной топологии.

Так как в заявленном конструктиве OSIM экран 5 выполнен из материала типа «ковар», имеющего ТКР близкий к ТКР керамической подложки 1, и ширина зазора между полками 6 экрана 5 равна ширине подложки 1, то при воздействии внешних факторов в виде изменения окружающей температуры или механической нагрузки, экран 5 за счет своей механической жесткости стабилизирует геометрию печатной платы 3 под полками 6, и тем самым, стабилизирует геометрию печатной платы 3 непосредственно и под керамической подложкой 1, что приводит к исключению растрескивания хрупкой керамической подложки 1. В результате этого в конструктиве OSIM достигается заявленное в названии свойство высокой стабильности интегрирования керамической подложки с печатной платой.

Так как в заявленном конструктиве OSIM отсутствует монтажное отверстие в печатной плате 3, то это обеспечивает возможность применения автоматизированного поверхностного монтажа для интегрирования керамической подложки 1 и печатной платы 3. В результате этого в конструктиве OSIM достигается заявленный технический результат в части повышения технологичности интегрирования керамической подложки и печатной платы.

Так как в заявленном конструктиве OSIM отсутствует монтажное отверстие в печатной плате 3, и керамическая подложка 1 установлена на металлизацию топологии 4 печатной платы 3, то это обеспечивает минимальную паразитную индуктивность контактных перемычек 7, соединяющих проводники микрополосковой топологии 2 на керамической подложке 1 и копланарной топологии 4 на печатной плате 3, и в результате этого краевая емкость разомкнутого конца проводника в копланарной топологии 4, паразитная индуктивность перемычки 7 и краевая емкость разомкнутого конца проводника в микрополосковой топологии 2 образуют «П» образный сверхширокополосный низкочастотный фильтр, обеспечивающий согласование выходного импеданса копланарной топологии 4 с входным импедансом микрополосковой топологии 2 с понижением потерь пропускания в полосе частот до нескольких десятков ГГц. В результате этого в конструктиве OSIM достигается заявленный технический результат в части расширения рабочего диапазона частот.

Так как в заявленном конструктиве OSIM в стенке 8 экрана 5 выполнено окно, закрытое после монтажа перемычек 7 крышкой 9, то это повышает технологичность в части установки контактных перемычек 7, соединяющих проводники микрополосковой 2 и копланарной 4 топологий. В результате этого в конструктиве OSIM дополнительно достигается заявленный технический результат в части повышения технологичности интегрирования керамической подложки и печатной платы.

Так как в заявленном конструктиве OSIM края экрана 5 расположены над копланарной топологией 4, то это способствует повышению стабилизации экраном 5 геометрии печатной платы 3 вблизи и под сторонами керамической подложки 1. В результате этого в конструктиве OSIM дополнительно достигается результат в части высокой стабильности интегрирования керамической подложки и печатной платы.

Так как в заявленном конструктиве OSIM используется копланарная топология GCPW 4, то это обеспечивает простоту и широкополосность изготовленных на ее основе соединительных линий в диапазоне рабочих частот до десятков ГГц без ограничения на размер печатной платы. В результате этого в конструктиве OSIM достигается технический результат в части отсутствия ограничений на размер печатной платы.

Так как в заявленном конструктиве OSIM микрополосковая топология 2 выполнена на керамической подложке 1, то это обеспечивает достаточную для применения в СВЧ-технике точность изготовления размеров любых СВЧ-элементов с диапазоном рабочих частот до десятков ГГц. В результате этого в конструктиве OSIM достигается технический результат в части расширения диапазона рабочих частот.

В случае, если в заявленном конструктиве OSIM микрополосковая топология 2 выполнена в виде фильтра, то при заявленном равенстве зазора между полками 6 экрана 5 и ширины подложки 1 область между полками 6 экрана 5 вне керамической подложки 1 является запредельным волноводом для рабочего диапазона частот фильтра, и подбором длины экрана 5 исключается распространение паразитной электромагнитной волны, излучаемой со входа фильтра на его выход снаружи в обход экрана 5. Подбор длины экрана 5 определяется величиной необходимых потерь запирания для такой паразитной волны, зависящих от размера зазора между полками 6 экрана 5 и рабочего диапазона частот. В результате этого в конструктиве OSIM дополнительно достигается заявленный технический результат в части повышения потерь запирания.

В случае, если в заявленном конструктиве OSIM микрополосковая топология 2 выполнена в виде фильтра, то высокопроводящее покрытие экрана 5 и крышки 9 экранирует повышенное электромагнитное излучение из элементов фильтра. В результате этого в конструктиве OSIM дополнительно достигается заявленный технический результат в части повышения потерь запирания.

В случае, если в заявленном конструктиве OSIM микрополосковая топология 2 выполнена в виде фильтра, то подбор длины окна осуществлен так, что технологические зазоры между стенкой 8 и крышкой 9 экрана 5 располагаются не над керамической подложкой 1, а над копланарной топологией 3, что обеспечивает экранирование повышенного излучения из элементов фильтра. В результате этого в конструктиве OSIM дополнительно достигается заявленный технический результат в части повышения потерь запирания.

Конструктив OSIM имеет особую важность при конструировании прецизионных фильтров для цифровых СВЧ-синтезаторов, в которых необходимо интегрировать хрупкую и тонкую керамическую подложку из дорогостоящего монокристалла сапфира с микрополосковой топологией фильтра и печатную плату из материала типа текстолит, при повышенных требованиях к увеличению потерь запирания до «-90 дБ», а практически вся навесная элементная база микросхем выполнена для монтажа на копланарную топологию GCPW на печатной плате.

Конструктив OSIM имеет особую важность при конструировании делителей Уилкинсона в которых необходимо интегрировать хрупкую тонкую поликоровую керамическую подложку с микрополосковой топологией и печатную плату с копланарной топологией GCPW из материала типа текстолит, при необходимости соединения микрополосковой топологии с коаксиальными разъемами ввода/вывода СВЧ мощности, удаленными на несколько десятков миллиметров.

Конструктив OSIM позволяет создавать чип-конструктивы с малыми размерами керамической подложки с микрополосковой топологией различных СВЧ-элементов, соединенными между собой соединительными линиями с копланарной топологией GCPW на печатной плате.

Таким образом, в конструктиве OSIM достигается заявленный технический результат, заключающийся в расширении рабочего диапазона частот при повышении технологичности интегрирования керамической подложки и печатной платы и, в случае, если микрополосковая топология выполнена в виде фильтра, повышении потерь запирания.

Изобретение относится к области сверхвысоких частот и предназначено для применения в СВЧ-устройствах для радиолокации, радиосвязи и систем спутникового телевидения. Технический результат заключается в расширении рабочего диапазона частот при повышении технологичности интегрирования керамической подложки и печатной платы, при сохранении стабильности устройства при воздействии внешних факторов в виде изменения окружающей температуры или механической нагрузки. Технический результат достигается тем, что в конструктиве, содержащем керамическую подложку с микрополосковой топологией, несущую печатную плату из материала типа стеклотекстолит, выполненный в форме швеллера металлический экран, контактные перемычки, керамическая подложка интегрирована с печатной платой так, что керамическая подложка установлена на металлизацию копланарной топологии печатной платы, экран изготовлен из материала типа «ковар» с высокопроводящим покрытием и установлен полками на металлизацию копланарной топологии печатной платы над керамической подложкой. Длина экрана специально подобрана так, что его края расположены над копланарной топологией. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Микрополосковый конструктив, содержащий керамическую подложку с микрополосковой топологией, печатную плату с копланарной топологией, электромагнитный экран в форме швеллера, ширина зазора между полками которого равна ширине керамической подложки, контактные перемычки, отличающийся тем, что керамическая подложка установлена на металлизацию топологии печатной платы, экран выполнен из материала типа «ковар» с высокопроводящим покрытием и установлен полками на металлизацию топологии печатной платы над керамической подложкой, при этом длина экрана превышает длину керамической подложки.

2. Микрополосковый конструктив по п. 1, отличающийся тем, что в стенке экрана выполнено окно для установки перемычек, длина которого превышает длину керамической подложки, в которое смонтирована закрывающая окно крышка.