4.9.7 Конструкции гимс свч

Наиболее распространенным является модульное конструирование СВЧ-ИМС, обеспечивающее электромагнитное экранирование, механическую прочность и защиту от воздействий окружающей среды. Большинство СВЧ-модулей герметизируют, что обеспечивает стабильность их характеристик. Кроме того, конструкция модуля должна обеспечивать проведение испытаний и оптимизацию отдельных узлов до их объединения в блок, герметизацию для защиты открытых полупроводниковых переходов, охлаждение модуля, а также его малые размеры и массу.

Применяют два способа сборки сложных ГИМС СВЧ из отдельных узлов. Один из них — непосредственное соединение отдельных ИМС, представляющих элементы СВЧ тракта, на плоском основании. Для более плотного монтажа подбирают такую конфигурацию проводника на составляющих микросхемах, которая обеспечивала бы ее стыковку с соседней схемой. При повышенных требованиях к защите от радиопомех и межсхемной изоляции модули собирают из отдельных полностью экранированных отсеков, ослабление сигналов между которыми достигает 100 дБ. Этот способ уменьшает время сборки и настройки модуля, обеспечивает минимальный объем, дополнительную механическую защиту, возможность быстрой замены отдельных элементов модуля.

Для герметизации модулей используются цельнометаллические корпуса из латуни или алюминия с углублениями, фрезерованными отсеками для размещения модуля. Экономичны корпуса, изготовленные методом литья под давлением или методом штамповки на основе керамики и других материалов.

Металлические корпуса обеспечивают экранирование модулей от внешних электромагнитных полей. Однако при этом часто наблюдается нарушение формы частотных характеристик, проявляющееся в виде пиков потерь или фазовых искажений. Эти искажения объясняются возникновением колебаний высших типов в местах переходов и неоднородностей, в местах подключений шлейфов и микрополосковых резонаторов и др. При больших коэффициентах стоячих волн напряжения (КСВН) и преобразовании одного типа волн в другой может возникать паразитное излучение неэкранированных МПЛ. Нежелательные резонансы устраняются применением поглощающих материалов, компромиссным уменьшением расстояния между подложкой и экранами. Предотвращение паразитных резонансов в конкретном частотном диапазоне обеспечивается соответствующим выбором размеров корпуса и расчетом. Учёт влияния расстояния Н1 верхней экранирующей крышки от элементов платы с МПЛ показывает, что оно становится существенным при условии Н1/h (h — толщина платы). Для предотвращения появления паразитных волн высших типов из-за влияния излучения неоднородностями стыков и переходов должно выполняться условие

λ < 2[(M/L)²  + (N/A)²]^–1/2, (4.69)

где М и N — целые положительные числа;

L, A — линейные размеры платы ГИМС.

При выборе размера Н1 по формуле

Н1 + h = (R/R–1) ∙ h ∙ (1–1/ε), (4.70)

где R = (λ/2)² ∙ [(M/L)²  + (N/A)²], возбуждение волн высших типов благоприятно.

Выбор высоты корпуса зависит от многих факторов, и обычно высота подбирается на основе опыта проектировщика экспериментально с контролем изменений характеристик и параметров модулей. Соотношения (4.69), (4.70) следует учитывать при выборе размеров корпуса микросхем.

В ГИМС СВЧ регулировка параметров внутри корпуса исключается, в связи с чем обычно повышаются требования к точности расчета изготовления элементов микросхем. Для активных элементов наиболее распространены методы измерения их параметров до монтажа с последующим учетом результатов измерений, но и это не дает хороших результатов. Обычно требуется дополнительная настройка ГИМС СВЧ.

Для дополнительной настройки СВЧ-ИМС применяют в основном два метода:

• активный, с помощью емкостных и индуктивных элементов;

• механический, с помощью селективного испарения пленки лазерным лучом, настроечных винтов, перемещаемых магнитных сердечникови т.д.

Перечисленные методы, за исключением селективного испарения пленки лазерным лучом, требуют введения в схему дополнительных элементов.

Соединение ГИМС СВЧ с аппаратурой внешнего взаимодействия осуществляется с помощью коаксиально- или волноводно-микрополосковых переходов. Из коаксиально-микрополо-сковых переходов наибольшее распространение получили соосные переходы, в которых оси соединяемых линий параллельны. В переходе, показанном на рис. 4.43, МПЛ 5 шириной 500 мкм соединяется методом сварки с внутренним проводником 1 коаксиального разъема 9 золотой лентой 4 шириной порядка 500 мкм. Чем тоньше лента, тем меньше неоднородность, а значит и КСВН. При использовании для электромонтажа пайки толщина и ширина проводника должны быть минимальными. Позиция 2, 3, 6, 7, 8 соответственно обозначают фиксирующий изолятор, крышку корпуса, медное основание, плату ГИМС, основание корпуса.

Другая конструкция коаксиально-микрополоскового перехода изображена на рисунке 4.44. Здесь коаксиальный разъем модифицирован с целью создания ступенчатого перехода от стандартного к меньшему разъему, размеры которого выбирают в соответствии с толщиной МПЛ. Размер перехода выбирают таким образом, чтобы обеспечить согласование между обеими коаксиальными секциями. Внутренний проводник разъёма нависает над микрополосковым проводником и соединяется с ним с помощью пайки индиевым припоем (либо сваркой). Компактный низкоиндуктивный контакт с заземленной пластиной формируется с помощью широкой золотой ленты, которая приваривается к подложке и прижимается к боковой стенке. Характеристики такого перехода можно оценить с помощью оконечной нагрузки МПЛ, состоящей из секции магнитного поглощающего материала и металлического клина, который соединен с верхней крышкой корпуса миниатюрными пружинами.

Соответствующим выбором поглощающего материала, длины и угла ленты КСВН оконечной нагрузки может быть уменьшен до 1,1 в полосе частот 8–10 ГГц. Для разделения отражения от перехода и нагрузки последняя сделана скользящей вдоль МПЛ, что позволило экспериментально оптимизировать размеры коаксиально-микрополоскового перехода. В результате КСВН всей конструкции составил 1,15 в полосе частот 8–12 ГГц.

Волноводно-микрополосковый переход изображён на рисунке 4.45. Соединение волновода с МПЛ осуществляется широкополосным ступенчатым трансформатором гребенчатого типа, состоящим из четвертьвол-новых секций и механически связанным с микрополосковой схемой посредством специального контакта при-жимного винта. Волновые сопротивления и геометрические размеры каждой ступени трансформатора определяются для заданной полосы частот. Высоту последней ступени трансформатора выбирают таким образом, чтобы подложка соприкасалась с гребенчатой линией в ее центре. Применяемые в переходах гребенчатые линии имеют ширину 2–2,5 мм. Для большей механической прочности волновод и подложку закрепляют на общем основании. Изолированный прижимной винт соединяет контактный элемент с МПЛ. Край гребенчатой линии используют в качестве стопорного устройства для установки подложки.

При переходе с волновода на МПЛ происходит преобразование типов волн в основной для коаксиально-микрополосковых тип с поперечным электрическим полем.