книги / Технологическое проектирование микросхем СВЧ

Дисперсия - зависимость от частоты - наиболее выраже­ на в высокочастотной области СВЧ-диапазона. Необходимо отметить, что максимальная рабочая частота НМПЛ огра­ ничена влиянием следующих факторов: возбуждением пара­ зитных поверхностных мод, резко возрастающими потерями с повышением частоты, малыми допусками при изготовлении и резко выраженным влиянием неоднородностей, снижением добротности вследствие излучения на неоднородностях.

Дисперсию эффективной диэлектрической постоянной и волнового сопротивления можно определить по следующим формулам:

где

F ="IT1{о,5+t1++ю] }•

Существенная связь между волной квази- Т-типа и пара­ зитной модой поверхностной волны проявляется на частоте

где / г - граничная частота, ГГц; h - толщина подложки, мм. Влияние экрана или каких-либо металлических провод­ ников на характеристики НМПЛ сильно сказывается лишь при их близком расположении к микрополосковому проводни­ ку, при удалении от проводника на расстояние более Aw прак­

тически этим влиянием пренебрегают.

Огромный объем работ по расчету параметров НМПЛ, проведенный в последнее время, позволил получить табулиро­ ванные значения и графические зависимости, на основе кото­ рых можно строить инженерные методы расчета. На рис. 1.4

tty

8

$

4

2

О

Р ис. 1.4. Зависим ость е,ф (а) и Z0 (б) НМ П Л от изменения размеров w /h

представлены результаты расчета ZQ и £Эф согласно выраже­ ниям (1.1)—(1.3) в зависимости от w/h, проведенные для НМ­ ПЛ на кварцевых подложках (сг = 3,78), подложках из компо­ зиций на основе фторопласта (ег = 2 ,2 4 ) и керамики ВК 100-1

(fir = 9,8).

Щелевая микрополосковая линия (Щ МПЛ). Эта

линия представляет собой двухпроводную микрополосковую линию, в которой электромагнитное поле распространяется вдоль щели между проводящими поверхностями, нанесенны­ ми на одну из сторон диэлектрика (рис. 1.5). Основной тип волны в ЩМПЛ - волна Я-типа. По сравнению с НМПЛ в ЩМПЛ более сильно проявляется дисперсия; при одинаковых отношениях w /h значение ZQ больше, возможно только парал­ лельное включение навесных элементов; потери ал меньше.

Рис. 1.5. Щ елевая микро­ полосковая линия:

w - ширина зазора между проводниками; t и h - толщи­

на проводника и подложки со­ ответственно

Чтобы получить выражение в замкнутой форме с ма­ лой погрешностью, необходимое для анализа и проектирова­ ния ИС СВЧ, приходится принимать различные ограничения. Так, с достаточно высокой точностью (погрешность - до 2 %) можно представить выражения для расчета параметров, при­ няв конкретные значения:

ет= 9,7; 0,1 < Л/А0 < 2,95.

Для случая 0,02 < w /h < 0,2

Ав/Ао = -(0 ,1 2 6 w /h + 0,025)1п((Л/Ао) • 102)+

Zo= 37,895 + boW h - " -w"/hУ - ° ’ *> +

+10,839 lu ((го/Л) • 102) —(0,206 4- и>/Л2,496) • 5,411—

где w - зазор между микрополосками. Для случая 0,2 < w /h < 1 ,0

Здесь AB - длина волны в линии передачи.

На рис. 1.6 представлены результаты расчета значений Zo и 1/д/Ёэф для интегральных схем на подложках из керами­ ки ВК 100-1 при условии t/h > 0.

0t01 0,02 OfiO 0,0b 0,05 0,06 0,07 h/Л

5

Рис. 1.6. Зависимость Zo (a) и 1/y/êZç (<5) Щ М П Л от h /X

К о п л ан ар н ая ли н и я передачи (К Л П ). Копланарные линии передач используются для улучшения некоторых па­ раметров ИС СВЧ и гибкости их проектирования. Конструк­ ция КЛП представлена на рис. 1.7. Заметным преимуществом этой конструкции перед НМПЛ и ЩМПЛ является более про­ стое включение навесных дискретных элементов параллельно и последовательно в линию. В КЛП распространяется волна

квази- Т-типа.

Выражение для эффективной диэлектрической постоян­ ной в замкнутой форме имеет вид

где к = s /(s + 2u>); s - зазор между проводниками; w - ширина зазора.

Значения волновых сопротивлений для линий на под­ ложках из керамики ВК 100-1 (при условии t/h = 0,005, а —►оо) представлены на рис. 1.8.

Симметричная микрополосковая линия (СМ ПЛ).

Эта линия представляет собой пакет из двух диэлектрических подложек, имеющих с одной стороны полную металлизацию, с другой - разводку внутренних микрополосковых проводников (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Симметричная микрополосковая линия: w и t - ширина и толщина проводника соответственно; 6 - толщина пакета; 1 - проводник; 2 - диэлектрические платы; 3 - корпус

В СМПЛ с однородным диэлектриком распространяется волна квази-Т-типа. Достоинствами этой линии являются: отсутствие потерь на излучение, отсутствие наводок, возмож­ ность расчета с большей точностью.

Представим выражение для расчета волнового сопроти­ вления, полученное одним из методов электростатического анализа - конформным отображением:

_ ЗОх K '(k)

(1.17)

- ф г К (к) ’

где к = th(irw/(2b)); К{к) - эллиптическая функция первого рода с дополнительной функцией К'(к) = К(к1); к1= л/ l - А2.

Приближенное значение для К /К ' можно представить в следующем виде:

(1.18)

Волновое сопротивление в зависимости от отношения w/b для различных значений t/b показано на рис. 1.10.

Z0, Vfn Ом

где ai = 1/(1 —t/b); b - толщина линии передачи; t - толщина проводника.

При w/b < 0,35(1 —t/b) и w > t

a„p = O . O l U v ^ j l + fc 0,5 + 0 ,6 6 9 V « '-0 ,2 5 5 (< /w )4

где q = (jмедь/ <J ~ относительная проводимость металла мик­ рополоски; d = гс7 Jo, 5 + 0,8t/w —0 ,12(t/w)2J - эффективная ширина внутреннего проводника; / - частота.

Для расширения возможности проектирования, оптими­ зации конструкций и возможного улучшения конкретных па­ раметров ИС СВЧ широко исследуются различные модифика­ ции микрополосковых линий.

Для повышения добротности СМПЛ можно использовать модифицированные конструкции, представленные на рис. 1.11. Линия с подвешенной подложкой (см. рис. 1.11, а) наиболее перспективна при использовании в качестве подложек тон­ ких органических пленок, например, полиимидных металли­ зированных пленок толщиной 40 ... 80 мкм. Рабочий диапа­ зон - 10 ... 100 ГГц. В трехслойной линии (см. рис. 1.11, 6) повышенная добротность достигается удачным подбором ди­ электриков для снижения напряженности по периферии мик­ рополоски.

В качестве основного элемента направленных ответвите­ лей, фильтров, согласующих трансформаторов комплексных сопротивлений, линий задержки используются связанные микрополосковые линии (см. рис. 1.11, в). Это линии с непре­ рывно распределенными по длине электромагнитными связя­ ми. При расчете характеристик, оценивающих свойства свя­ занных линий, обычно применяются значения собственных и взаимных емкостей.

Для использования микрополосковых линий в устрой­ ствах с повышенным уровнем мощности СВЧ при конструиро­ вании увеличивают толщину микрополоски, избегают резких

/

2

t

Рис.1.11. Модифицированные

Jмикрополосковые линии:

а- линия с подвешенной подлож­ кой; 6 - трехслойная линия; в - связанная линия; 1 - проводник; 2 - тонкая органичесхая пленка; 3 - диэлектрический м атериал

изгибов и острых кромок, увеличивают ее ширину и соответ­ ственно толщину диэлектрической подложки, стараются ис­ пользовать диэлектрик с высокой теплопроводностью.

В о л н о водн о -щ елевы е л и н и и (В Щ Л ). С повышением частотного диапазона в представленных выше линиях (кроме линий на очень тонкой подвешенной подложке с малым зна­ чением Вт) увеличиваются: диэлектрические потери, потери

вадгезионном слое, уменьшаются: толщина подложек, шири­ на микрополосковой линии и зазоры между ними, возрастает влияние неоднородностей, происходит увеличение паразитных связей, дисперсии, возбуждение высших типов волн. Поэтому

вдиапазоне от 20 ГГц и выше создают линии, где электро­ магнитное поле концентрируется не в подложке, вокруг или под микрополоской, а ближе к экрану. Такие линии называют волноводно-щелевыми. Они представляет собой совокупность волновода-экрана и микрополосковой линии в ^-плоскости, сформированной на подложке с малым значением диэлектри­ ческой проницаемости (е < 4), толщиной около 0,2 мм, низким значением тангенса потерь. На рис. 1.12 представлены четыре наиболее распространенные модификации ВЩЛ.

Односторонняя и изолированная ВЩЛ имеют металлиза­ цию с одной стороны диэлектрика. Изоляция от волноводаэкрана в изолированной ВЩЛ позволяет использовать ее в