ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ СВЧ ВЫСОКОЙ МОЩНОСТИ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2025 года по МПК H01P3/08 

Изобретение относится к технике СВЧ, а именно к устройствам линии передачи СВЧ-энергии и может быть использовано в радиотехнических устройствах различного назначения в качестве элементной базы высокочастотных узлов, таких как: разделительно-суммирующие устройства, усилители СВЧ мощности, линии передачи, ответвители и другие.

Актуальность предлагаемого технического решения обусловлена, в том числе, увеличением выходной мощности широкополосных усилителей мощности на GaN-транзисторах, что приводит к возрастанию требования уменьшения перегрева конструкции как отдельных узлов, так и модуля в целом.

Микрополосковые линии передачи широко используются в технике СВЧ. Одной из задач, решаемых при использовании линии этого типа, является уменьшение габаритных размеров конструкции. Микрополосковые линии - несимметричные линии передачи для передачи электромагнитных волн в воздушной или, как правило, в диэлектрической среде (подложке), вдоль двух или нескольких проводников, имеющих форму тонких полосок и пластин. Такое название (микрополосковые) линии получили из-за того, что в результате высокой диэлектрической проницаемости подложки ее толщина и поперечные размеры полосы много меньше длины волны в свободном пространстве. В микрополосковой линии распространяется волна квази-ТЕМ и силовые линии электрического поля проходят не только в диэлектрике, но и вне его. К достоинствам микрополосковой линии и различных устройств на ее основе следует отнести также возможность автоматизации производства с применением технологий изготовления печатных плат, гибридных и пленочных интегральных микросхем. В последнее время помимо задачи, связанной с габаритными размерами, все более актуальной становится задача уменьшения потерь в линии и, как следствие, уменьшение перегрева.

Известна представленная на фиг. 1 микрополосковая линия (Л.Г. Малорацкий «Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях» 1972 г. Советское радио. Москва, стр. 57), представляющая собой пластину диэлектрика 1, на одной стороне которой нанесены проводники (проводящие полоски) схемы 2, а на другой - металлизированное покрытие 3, образующее проводящую плоскость. W и t - ширина и толщина проводника. Такая линия является простой в настройке, изготовлении и эксплуатации. Недостатком этой конструкции являются большие потери на высоких частотах и недостаточный отвод тепла.

Наиболее близкой к сущности заявленного изобретения является конструкция микрополосковой линии (Широкополосный усилитель мощности S-диапазона с выходной мощностью 300 Вт в непрерывном режиме. Кищинский А.А., Суханов Д.А. 26-ая Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». 2016 год), приведенная на фиг. 2 (прототип). Линия передачи сформирована на двух сторонах диэлектрической подложки 1 по стандартной печатной технологии. Линия является сложной волноведущей структурой. Металлизация 4 с обеих сторон платы соединена металлизированными переходными отверстиями 5. Плата зажимается между корпусом 7 и экранирующей крышкой 8, образуя линию передачи в виде волновода с центральным проводником, подвешенным при помощи диэлектрика. Предложенная конструкция обладает меньшими вносимыми потерями по сравнению с микрополосковой линией, т.к. в качестве основного диэлектрика используется воздух.

В связи с тем, что данная линия «подвешена» в волноводе при помощи диэлектрика, из которого изготовлена сама плата, то отвод тепла от данного проводника ограничен и для передачи СВЧ-сигнала большой мощности такая линия непригодна. С целью отведения тепла от линии между корпусом 7 и нижней металлизацией в такого типа линии применяются столбики из нитрида алюминия 6, показанные на фиг. 3, но их применение ограничивает рабочую область частот (оптимальное использование такой конструкции до 6 ГГц) в связи с возникновением волн высших типов, а также дополнительными паразитными потерями, возникающих в местах контакта теплоотводящих столбиков с линией передачи. Такая конструкция является нетехнологичной, в связи с тем, что столбик из нитрида-алюминия 6 должен заранее впаиваться в металлизированный стакан 9, который в свою очередь впаивается в корпус 7, а далее к верхней части столбика уже припаивается линия передачи. При этом все высоты должны быть точно рассчитаны, строго нормирована высота припоя, а также должны применяться несколько различных типов припоев для обеспечения сборки такой конструкции. В этой связи основным недостатком конструкции, описанной в прототипе, является узкая рабочая полоса частот, не позволяющая использовать данную конструкцию в приборах большой мощности с диапазоном частот до 20 ГГц, а также низкая технологичность сборки.

Заявляемая группа изобретений представляет собой конструкцию линии передачи, характеризующуюся меньшими вносимыми потерями при большей широкополосности, а также способ изготовления СВЧ-линии, характеризующийся повышенной технологичностью и ремонтопригодностью.

Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в уменьшении вносимых потерь линией передачи с теплоотводящими вставками на высоких частотах (до 20 ГГц), что позволяет применить ее в широкополосных приборах большой мощности.

Указанный технический результат достигается за счет применения вместо столбиков из нитрида алюминия 6 диэлектрических вставок 10 (нитридных, алмазных, бериллиевых и др.), которые снизу припаиваются к линии передачи (фиг. 4), а сбоку припаиваются к корпусу (фиг. 5). Уменьшение количества теплоотводящего диэлектрика, находящегося в волноводе непосредственно под нижней частью линии передачи, приводит к отсутствию высших типов волн на частотах до 20 ГГц. В линии передачи в районе диэлектрических вставок 10 выполнены вырезы, область которых обозначена цифрой 11 на фиг. 4, служащие для улучшения согласования и компенсации потерь на высоких частотах, что также приводит к уменьшению вносимых потерь заявляемой линией передачи. Дополнительно в линии передачи в районе диэлектрических перемычек (мостиков с платой) 12 выполнены вырезы, область которых обозначена цифрой 13, для уменьшения потерь в линии передачи в местах соприкосновения диэлектрических вставок из нитрида-алюминия с подвешенной частью линии. Также в верхнем экране устанавливаются специальные подстроечные винты 14, показанные на сечении линии на фиг. 5, которые установлены с равномерным шагом над линией и служащие для дополнительного согласования возникающих отражений в линии путем вкручивания или закручивания их над линией.

На фиг. 6 приводятся графики потерь заявляемой линии в сравнении с линией-аналогом, в которой используются теплоотводящие столбики из нитрида аллюминия. Из графика видно, что потери у заявляемой линии в верхней части рабочего диапазона ниже, чем у линии-аналога.

Способ изготовления предлагаемой СВЧ-линии, представленный на фиг. 7, предусматривает запайку нитридных теплоотводящих вставок 10 в нижнюю часть корпуса на металлическое основание 15 (этап 1), затем установку печатной платы на корпус и припайку центральной «подвешенной» части линии к теплоотводящим вставкам 10 (этап 2), а далее установку верхней части экрана 16 с выборкой определенной высоты над «подвешенной» частью корпуса (этап 3). При этом в верхнем экране располагаются специальные подстроечные винты 14 и стягивающие винты 17.

Предложенная СВЧ-линия передачи и способ ее изготовления поясняются следующими чертежами.

На фиг. 1 представлена микрополосковая линия, представляющая собой пластину диэлектрика 1, на одной стороне которой нанесены проводники (проводящие полоски) 2 схемы, а на другой - металлизированное покрытие 3, образующее проводящую плоскость.

На фиг. 2 представлено сечение конструкции линии передачи, сформированной на двух сторонах диэлектрической подложки 1 по стандартной печатной технологии. Металлизация 4 с обеих сторон платы соединена металлизированными переходными отверстиями 5. Помимо этого обозначен корпус 7 и экранирующая крышка 8.

На фиг. 3 представлено сечение конструкции линии передачи, сформированной на двух сторонах диэлектрической подложки по стандартной печатной технологии с столбиками из нитрида алюминия 6, применяемыми для отвода тепла от линии на корпус, которые впаиваются в металлизированный стакан 9.

На фиг. 4 представлена заявляемая линия передачи с диэлектрическими вставками 10, которые снизу припаиваются к линии передачи, а сбоку припаиваются к корпусу. Кроме того, на этом изображении в районе диэлектрических вставок 10 показаны вырезы 11, служащие для улучшения согласования и компенсации потерь на высоких частотах. В линии передачи в районе диэлектрических перемычек (мостиков с платой) 12 выполнены вырезы 13.

На фиг. 5 представлено сечение смоделированного изображения заявляемой линии передачи с установленной крышкой и подстроечными винтами 14, которые установлены с равномерным шагом над линией и служащие для дополнительного согласования возникающих отражений в линии путем вкручивания или закручивания их над линией.

На фиг. 6 показан график потерь линии аналога и заявляемой линии передачи. Видно, что на более высоких частотах потери в заявляемой линии меньше.

На фиг. 7 показана схема сборки линии передачи.

Изобретение относится к технике СВЧ, а именно к устройствам линии передачи СВЧ-энергии. Линия передачи, изготовленная по печатной технологии, подвешенная в волноводе при помощи диэлектрических перемычек, отличающаяся тем, что в линии используются диэлектрические теплоотводящие нитридные, или алмазные, или бериллиевые вставки, припаивающиеся к линии передачи снизу и к стенкам корпуса сбоку с выборками в линии передачи в районе диэлектрических теплоотводящих вставок и в районе диэлектрических перемычек, выполненных в виде мостиков с платой, также линия содержит подстроенные винты, расположенные в верхнем экране волновода. Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в уменьшении вносимых потерь линией передачи с теплоотводящими вставками на высоких частотах (до 20 ГГц), что позволяет применить ее в широкополосных приборах большой мощности. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

1. Линия передачи, изготовленная по печатной технологии, подвешенная в волноводе при помощи диэлектрических перемычек, отличающаяся тем, что в линии используются диэлектрические теплоотводящие нитридные, или алмазные, или бериллиевые вставки, припаивающиеся к линии передачи снизу и к стенкам корпуса сбоку с выборками в линии передачи в районе диэлектрических теплоотводящих вставок и в районе диэлектрических перемычек, выполненных в виде мостиков с платой, также линия содержит подстроенные винты, расположенные в верхнем экране волновода.

2. Способ изготовления СВЧ-линии передачи, отличающийся тем, что изготовление линии передачи выполняется по печатной технологии, при этом линия передачи подвешивается над воздушным каналом в металлическом корпусе и гальванически развязывается от корпуса при помощи диэлектрических неметаллизированных перемычек, выполненных из того же материала в процессе фрезеровки платы, из которого изготовлена плата, при этом плата, представляющая из себя металлизированный со всех сторон диэлектрик, прошитый металлизированными отверстиями, устанавливается в корпус, в который заранее впаивают теплоотводящие диэлектрические вставки, выполненные из нитрида, или алмаза, или бериллия, и устанавливают через стягивающие винты сверху металлическую крышку с каналом над линией передачи и подстроечными винтами, находящимися над линией.