4.9.4 Микрополосковые линии передачи гимс свч

Микрополосковые линии (МПЛ) передачи применяются в основном в ГИМС СВЧ с распределенными параметрами, хотя, как отмечалось, в её состав могут входить элементы с сосредоточенными и распределенными параметрами.

Распространена конструкция несимметричной МПЛ, изображённая на рисунке 3.30, состоящая из сигнального проводника 2, размещённого на диэлектрической подложке 1, на противоположной поверхности которой нанесён проводящий слой 3, выполняющий функцию обратного провода.

Проектными параметрами МПЛ являются волновое сопротивление W [Ом] и затухание A [дб]. Сопротивление W [Ом] несимметричной МПЛ определяется по формуле

W = 377∙h /{(ε) ^1/2 ∙b ∙ [ 1+ 1,73 ε ^{– 0,072} ∙ (b/h)^{– 0,84}]}. (4.65)

При проектировании ГИМС СВЧ следует учитывать, что рабочая частота МПЛ должна быть ниже критической частоты Fk [ГГц]:

Fkр = 75/[h∙ (ε–1)^1/2], (4.66)

где h — толщина подложки, мм. Для МПЛ, изображённой на рисунке 4.30, при волновом сопротивлении 50 Ом, подложке из алюмооксидной керамики (толщина подложки h = 0,63 мм, диэлектрическая проницаемость ε ≈ 10), ширине сигнального проводникаb = 0,6 мм, критическая частота равна 39,3 ГГц.

На рисунке 4.31 изображена зависимость волнового сопротивления несимметричной МПЛ от ее геометрических размеров и относительной диэлектрической проницаемости ε.

Затухание (Ас) сигнала в МПЛ складывается из составляющих

Ас = Апр  + Ад + Аи,

где Апр — затухание, определяемое сопротивлением проводника линии, оценивается по графическим зависимостям, изображённым на рисунке 4.32;

Ад — затухание, обусловленное потерями в диэлектрике, определяется по выражению

Ад ≈ (27,3∙tgδ∙√ε)/λ, дБ/м,

где λ — длина волны, м;

Аи — затухание, обусловленное излучением из структуры линии, определяется по формуле

Аи ≈ (320/W)∙[π∙h/λ²]², дБ/м.

В несимметричной МПЛ часть электромагнитной энергии находится в пространстве над проводником (см. рис. 4.30). Этот воздушный зазор определяет плохо контролируемое рассеяние энергии на излучение.

В симметричной МПЛ, изображённой на рисунке 4.33, которая определяется как МПЛ с «подвешенной подложкой» 2 в проводящем корпусе 3, основным является воздух, что позволяет получать повышенные значения волновых сопротивлений.

Рисунок 4.33 Рисунок 4.34

Так при толщине h = 0,6 подложки 2, ширине сигнального проводника 1 b = 60 мкм, и H = 3 мм волновое сопротивление равно 160 Ом. Эта конструкция применяется для МПЛ повышенной добротности. Волновое сопротивление симметричной МПЛ определяется по формуле

W = (30∙π/√ε) ∙ [K(k)/ ∙K^′(k^′)], (4.67)

где К, K^′ — табличные значения эллиптических интегралов первого и второго рода от модулей

k = sch (π∙b/2h); k^′= th (π∙b/2h).

На рисунке 4.34 изображены компланарная (см рис. 4.34, а) и щелевая (см рис. 4.34, б) МПЛ.

В МПЛ несимметричных и с «подвешенной подложкой» распространяются поперечные волны ТЕМ типа. В компланарных и щелевых МПЛ присутствует повышенная продольная составляющая магнитного поля, что позволяет конструировать гиромагнитные элементы, например вентили. В щелевой МПЛ повышение волнового сопротивления достигается расширением щели.

Разновидностью симметричной является МПЛ с двухслойным диэлектриком, изображённая на рисунке 4.35. В этой МПЛ установлены две диэлектрические пластины 1, 2, между которыми расположен тонкоплёночный проводник 4. Наружные поверхности 3 этих пластин металлизированы и заземлены, а в линии распространяется «чистая» электромагнитная волна ТЕМ. Для исключения влияния и обеспечения необходимой симметрии сигнального проводника воздушные зазоры между диэлектрическими пластинами не должны превышать 1–2 % от расстояния между заметаллизированными поверхностями.

На рисунке 4.36 изображены для сравнения частотные зависимости потерь несимметричной МПЛ на алюмооксидной подложке толщиной 0,65 мм и симметричной МПЛ с двойным диэлектриком суммарной толщины 2 мм (см. рис. 4.36) при равных значениях волнового сопротивления W = 50 Ом.

На частотах до 10 ГГц оба типа линий имеют примерно одинаковые потери (выраженные в децибелах и отнесенные к длине волны), но в диапазоне частот 10–18 ГГц потери в несимметричной МПЛ (линия 2) существенно возрастают.

На рисунке 4.37 изображены зависимости добротности полуволновых резонаторов на МПЛ без нагрузки в зависимости от частоты. График 1 соответствует МПЛ с двойной диэлектрической пластиной из окиси алюминия, а график 2 соответствует несимметричной МПЛ на подложке из того же материала. Согласно приведенным материалам, добротность несимметричной МПЛ существенно ниже в сравнении с симметричной в основном из-за потерь на излучение на частотах более (7–18) ГГц.

Материалы проводников ГИМС СВЧ должны соответствовать комплексу требований низкочастотных ГИС по сопротивлению, по адгезии, по коэффициентам термического расширения. Дополнительно должны быть обеспечены условия снижения микронеровностей поверхности проводящих пленок, а толщина их должна в 3–4 раза превосходить глубину проникновения электрического поля d₀ на максимальных рабочих частотах Fm, которая определяется по формуле

d₀ = √ρ/(π∙μ∙Fm). (4.68)

Втаблице 4.18 приведены характеристики проводниковых материалов, наиболее широко применяемых при изготовленииГИМС СВЧ. Материалы проводников разделяются на две группы:

• с хорошей электропроводностью, но плохой адгезией к подложке;

• с плохой электропроводностью, но хорошей адгезией.

Таблица 4.18 — Параметры проводниковых материалов

Материал	ρ/ρCu	ТКЛР, (1/˚С)∙10^–6	d0, 2 ГГц, мкм	Качество адгезии
Медь	1	17,0	1,52	Очень плохое
Серебро	0,95	19,1	1,42	Плохое
Золото	1,35	14,1	1,63	Очень плохое
Алюминий	1,6	23,5	1,93	Хорошее
Хром	7,6	6,6	4,06	Хорошее
Тантал	9,1	6,5	44,7	Очень хорошее
Титан	33	8,9	10,21	Очень хорошее

Алюминий характеризуется высокой электропроводностью и хорошей адгезией к подложкам. Применение меди, серебра и золота обязывает к применению адгезионных слоёв хрома, тантала, титана. Тонкий слой хрома (около 10 нм), обеспечивающий хорошую адгезию, мало влияет на высокочастотные потери в полосковых линиях при толщине проводящего слоя более (3–4)d₀, но не менее 25 мкм. Однако слой хрома толщиной более 50 нм в сочетании со слоем золота тоньше 2,5 мкм имеет плохую температурную характеристику, а его потери в таком проводнике возрастают вследствие диффузии хрома в золото.

Сочетание хрома с медью не имеет названного недостатка, однако в этом сочетании образуется окись меди, приводящая к росту потерь. Применение слоёв титана или тантала в качестве адгезионных требует применения дополнительных буферных слоёв для исключения явления миграции атомов.

В СВЧ ИМС металлизация осуществляется напылением в вакууме или катодным распылением. Для ослабления дисперсионного изменения потерь неровности подложки не должны превышать 0,15 мкм. Наилучшие результаты получаются, если последовательность проводящих слоев формируется в одной камере в течение одного процесса.

Проводящие слои могут исполняться по толстопленочной технологии. Получающаяся в результате металлизация, имеющая толщину около 12 мкм, представляет собой смесь проводящего материала со стеклянной фриттой, в результате чего увеличивается удельное сопротивление и потери на высоких частотах. Наряду с невысокой точностью достижения функциональных параметров названный недостаток ограничивает применение толстопленочной технологии изделиями рабочих частот до 2 ГГц.