Симметричная щелевая линия передачи сигнала СВЧ-диапазона с межслойным переходом Российский патент 2025 года по МПК H01P3/08 H01P3/02 

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

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 низкие электрические характеристики, а именно большие вносимые потери.

Известна симметричная щелевая линия передачи сигнала СВЧ-диапазона, содержащая 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 [Патент РФ №2820073 на изобретение, приоритет 20.02.2024 г. МПК Н01Р 3/088. Опубликовано: 28.05.2024 Бюл. №16. / Симметричная щелевая линия передачи сигнала СВЧ-диапазона с межслойным переходом. / Клюев С.Б., Иовдальский В.А., Демшевский В.В.], принято за прототип. Недостатком данного технического решения являются недостаточно высокие электрические характеристики, а именно, высокие вносимые потери мощности сигнала и недостаточно широкий рабочей частотный диапазон, сложность изготовления.

Технический результат - обеспечение передачи сигнала с одной стороны диэлектрической подложки на другую, улучшение электрических характеристик устройства, а именно, снижение потерь мощности проходящего сигнала и расширение рабочего частотного диапазона.

Технический результат достигается тем, что в симметричной щелевой линии передачи сигнала СВЧ-диапазона с межслойным переходом, содержащей диэлектрическую подложку, плоские металлические экраны, образующие щелевую линию, часть симметричной щелевой линии расположена на одной стороне диэлектрической подложки, а другая часть на другой ее стороне, межслойный переход выполнен в виде двух сквозных металлизированных отверстий с диаметром от 20 до 300 мкм, каждое из которых попарно электрически соединяет края металлических экранов, перпендикулярных щели; причем отверстия расположены с каждой из сторон щели; центры отверстий находятся в одной плоскости, перпендикулярной плоскости сторон подложки, и находятся на краях соединяемых экранов, а расстояние между отверстиями соответствуют ширине щели, при этом сохраняется ширина щели на поверхностях подложки, а также внутри подложки.

Сущность технического решения заключается в следующем. Выполнение сквозных отверстий металлизированными и расположение их с каждой из сторон щели, позволяет осуществить межслойный переход электромагнитной волны с одной стороны подложки на другую в одном устройстве, без использования дополнительных переходных устройств.

Диапазон изменения размеров диаметров отверстий обусловлен тем, что отверстия диаметром менее 20 мкм сложно металлизировать, а отверстия диаметром более 300 мкм не приводят к расширению частотного диапазона, но снижают прочность устройства. Расширение диапазона способствует расширению применяемости устройства.

Расположение отверстий таким образом, что центры отверстий находятся в одной плоскости, перпендикулярной плоскостям сторон подложки, и находятся на краях соединяемых экранов, а расстояние между отверстиями соответствует ширине щели, при этом, обеспечивается сохранение ширины щели не только на поверхностях подложки, но и внутри ее и, таким образом, позволяет передавать сигнал с одной стороны подложки на другую с малыми потерями мощности проходящего сигнала.

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 устройство позволяет максимально эффективно передавать сигнал СВЧ-диапазона с минимальными потерями и обеспечивает расширение рабочего частотного диапазона.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен общий вид симметричной щелевой линии передачи сигнала СВЧ-диапазона с межслойным переходом, вид устройства сверху и разрезы по А-А и по Б-Б, где:

- диэлектрическая подложка 1;

- плоские металлические экраны 2;

- щель 3;

- сквозные металлизированные отверстия 4;

- металлизация отверстия 5.

На фиг. 2 показаны зависимости потерь мощности сигнала от частотного диапазона, для прототипа (кривая 1) и для предлагаемого устройства (кривая 2).

Устройство работает следующим образом. Сигнал поступает на вход симметричной щелевой линии 3, расположенной на одной стороне подложки 1, проходит по симметричной щелевой линии 3, образованной металлическими экранами 2, и доходит до отверстий 4 с металлизацией 5 в диэлектрической подложке 1, проходит через подложку между отверстиями на другую сторону подложки 1, проходит по симметричной щелевой линии 3 и поступает на выход симметричной щелевой линии 3. 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 1 из поликора (керамика ВК-100) с диэлектрической проницаемостью 9,8 и толщиной 0,5 мм. На диэлектрическую подложку с обеих сторон нанесены металлические экраны 2 со структурой металлизации: Cr напыленный (с поверхностным сопротивлением 100 Ом/мм²) - Cu напыленная (толщиной 1,2 мкм) - Cu гальванически осажденная (толщ. 3 мкм) - Ni гальванически наращенный (0,6 мкм) - Au гальванически наращенное (толщиной 2 мкм) [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 3 между ними шириной 0,5 мм. Края металлических экранов 2, перпендикулярных щелевой линии передачи 3, расположены с обеих сторон подложки 1, находятся в одной плоскости перпендикулярной подложке 1 друг против друга на ее разных сторонах, и соединяются попарно с краями металлических экранов 2, перпендикулярных щели 3, расположенных с одной стороны от щели 3, на разных сторонах подложки 1, через металлизацию 5 двух отверстий 4, диаметром 100 мкм. Структура металлизации отверстий: Pd (химически осажденный) - Ni химически осажденный (толщиной 0,2 мкм) - Cu гальванически осажденная (толщ. 3 мкм)- Ni гальванически наращенный (0,6 мкм) - Au гальванически наращенное (толщиной 2 мкм), приведенной в литературной ссылке (учебном пособии) указанной выше, для металлизации отверстий. При этом расстояние между отверстиями 4, их расположение и металлизация 5 обеспечивает сохранение ширины щели 3, равной 0.5 мм внутри подложки 1.

Измерения электрических характеристик изготовленных образцов СЩЛ показали, что вносимые потери составили до - 0,1 дБ, а ширина рабочего диапазона составляет 21 ГГц на уровне потерь - 0,3 дБ.

Анализ полученных результатов, представленных на фиг. 3, показывает, что потери мощности проходящего сигнала в разрабатываемом устройстве (кривая 2) составляют - 0,1 дБ, что в два раза меньше, чем в техническом решении, принятом за прототип (кривая 1). Частотный рабочий диапазон у разрабатываемого устройства на уровне потерь - 0,3 дБ составляет 21 ГГц (кривая 2), в то время как у прототипа 17ГГц (кривая 1), т.е. на 22% шире. Таким образом, подтверждается достижение заявленного технического результата.

Изобретение относится к технике СВЧ. Симметричная щелевая линия передачи сигнала СВЧ-диапазона с межслойным переходом содержит диэлектрическую подложку, плоские металлические экраны, образующие щелевую линию. Часть симметричной щелевой линии расположена на одной стороне диэлектрической подложки, а другая часть на другой её стороне. Межслойный переход выполнен в виде двух сквозных металлизированных отверстий с диаметром от 20 до 300 мкм, каждое из которых попарно электрически соединяет края металлических экранов, перпендикулярных щели. Отверстия расположены с каждой из сторон щели. Центры отверстий находятся в одной плоскости, перпендикулярной плоскости сторон подложки, и находятся на краях соединяемых экранов, а расстояние между отверстиями соответствуют ширине щели, при этом сохраняется ширина щели на поверхностях подложки, а также внутри подложки. Технический результат - обеспечение передачи сигнала с одной стороны диэлектрической подложки на другую, улучшение электрических характеристик устройства, а именно снижение потерь мощности проходящего сигнала и расширение рабочего частотного диапазона. 3 ил.

Симметричная щелевая линия передачи сигнала СВЧ-диапазона с межслойным переходом, содержащая диэлектрическую подложку, плоские металлические экраны, образующие щелевую линию, часть симметричной щелевой линии расположена на одной стороне диэлектрической подложки, а другая часть на другой её стороне, отличающаяся тем, что межслойный переход выполнен в виде двух сквозных металлизированных отверстий с диаметром от 20 до 300 мкм, каждое из которых попарно электрически соединяет края металлических экранов, перпендикулярных щели; причём отверстия расположены с каждой из сторон щели; центры отверстий находятся в одной плоскости, перпендикулярной плоскости сторон подложки, и находятся на краях соединяемых экранов, а расстояние между отверстиями соответствуют ширине щели, при этом сохраняется ширина щели на поверхностях подложки, а также внутри подложки.