сессия - 2 / СТтЗОБЗ / Лекция по ПЛ

Рис. 2.6. Параллельная ёмкость (а) и примеры её выполнения (б) – (г)

Рис. 2.7. Параллельная ёмкость в виде	Рис. 2.8. Конденсатор большой ёмкости на
плоского конденсатора	основе пленочной структуры:
	1- основной конденсатор;
	2-элементы дискретной подстройки

Подобные конденсаторы также имеют малую удельную ёмкость. Так, на подложке толщиной h=0,5 мм при εr=10 удельная ёмкость составляет 0,1 пФ/мм2.

Достоинствами конденсаторов этого типа являются высокая добротность, большое пробивное напряжение, возможность точной реализации требуемой ёмкости.

Конденсаторы на основе пленочных структур (рис. 2.8) обладают большой удельной ёмкостью. Нижней обкладкой такого конденсатора является металлизированный слой, нанесенный на подложку. На него напыляется пленка диэлектрика, в качестве которого применяют SiO2, SiO, Si3N. Сверху напыляется проводящая площадка, играющая роль второй обкладки конденсатора. Вместе с верхней обкладкой могут формироваться площадки для дискретной подстройки. Ёмкость пленочного конденсатора с точностью до 50% можно определить по формуле для плоского конденсатора.

	Ёмкость пленочного конденсатора можно
	увеличить, уменьшая толщину пленки,
	однако до определенного предела.
	Дальнейшее	уменьшение	её	толщины
	приводит к появлению технологических
	дефектов (проколов) и к значительному
Рис. 2.9. Структура МОП-конденсатора	снижению	пробивного	напряжения,
	практически	достижимым	в	настоящее
	время являются удельные			ёмкости
	30…50 пФ/мм2

На рис. 2.9 показана структура МОП-конденсатора. Технология изготовления таких конденсаторов во многом сходна с технологией изготовления таких конденсаторов во многом сходна с технологией изготовления транзисторных и диодных структур. Роль нижней обкладки играет пластина сильно легированного кремния (n+). На ней выращивается пленка диоксида кремния, толщину которого можно уменьшать до

0,3…0,5мкм, не опасаясь пробоя. Это позволяет получать высокие значения удельной ёмкости. При толщине пленки SiO2 - 0,4 мкм, удельная ёмкость составляет 100 пФ/мм2. Пробивное напряжение при этом может достигать 100 В и выше. Пленка алюминия, напыляемая поверх диэлектрика термическим испарением, является второй обкладкой конденсатора. Нижняя плоскость конденсатора припаивается к контактной площадке на подложке.

В качестве навесных конденсаторов в интегральных устройствах СВЧ применяют миниатюрные керамические конденсаторы типа К10-42 на частотах до 2 ГГц, представляющие собой параллелепипеды из керамики, торцы которых металлизированы и облужены. Конденсаторы устанавливаются с помощью пайки на контактные площадки, как показано на рис. 2.10. На частотах до1,5…2 ГГц используют также конденсаторы типов К10-9, К10-17, К10-43, имеющие аналогичную конструкцию.

Рис. 2.10. Общий вид миниатюрного		Рис.2.11. Конструкция пленочного
керамического конденсатора:		сосредоточенного резистора (а) и частотная
1	– конденсатор, 2 – выводы;	зависимость активной составляющей его
3	– контактная площадка;	проводимости (б)

4– подложка.

2.3.Резисторы

Резисторы широко используются в цепях питания и управления, в схемах сумматоров и делителей мощности, резистивных аттенюаторов в качестве согласованных нагрузок. Применяют резисторы двух типов: распределенные и сосредоточенные.

Распределенные резисторы выполняются на основе МПЛ с большим вносимым затуханием, которое создается за счет высокого поверхностного сопротивления полоски Rs. МПЛ изготавливается либо из материала с низкой проводимостью, либо должна иметь толщину, значительно меньшую глубины скин-слоя. Для уменьшения размеров такие линии сворачиваются в меандр или спираль, подобно распределенной индуктивности (см.

рис. 2.4).

Сосредоточенный резистор представляет собой отрезок линии передачи с высоким поверхностным сопротивлением. Длина l этого отрезка много меньше длины волны в линии (рис. 2.11, а). Перекрытие δ резистивной пленки с проводящими линиями обеспечивает надежный стабильный контакт. При реализации сопротивлений от 25 до 500 Ом перекрытие составляет 0,7…0,2 мм.

Номинальное сопротивление резистора определяется выражением:

R =	Rsl	(2.5)
	w

где Rs - поверхностное сопротивление слоя [Ом/мм]; l и w - длина и ширина соответственно резистивного слоя. Для напыления резистивных плёнок используют тантал, нихром, хром.

Структура такого резистора имеет распределенную ёмкость, которую можно приближенно оценить по формуле для плоского конденсатора. Если пренебречь влиянием распределенной индуктивности, комплексное сопротивление резистора может быть определено из соотношения:

Z& =	R	(2.6)
	1+iωCR
	s

Частотная зависимость активной составляющей сопротивления представлена на

(рис. 2.11,б).

Пленочные резисторы длиной не более 1 мм можно применять на частотах до 18ГГц. Увеличение их длины приводит к снижению верхней частоты рабочего диапазона. Для устранения влияния паразитной шунтирующей ёмкости удаляют часть металлизации непосредственно под резистором на противоположной стороне подложки.

Одной из важнейших характеристик резисторов является допустимая мощность рассеивания, которая зависит от теплопроводности материала подложки и площади резистивной пленки. Для резистора, выполненного на поликоровой подложке толщиной 1мм, при температуре подложки 70…80°С удельная мощность рассеяния составляет 5…10Вт/см2. Чтобы избежать локальных перегревов, резисторы обычно проектируют на мощность рассеяния около 0,5 Вт. При большей мощности рассеяния применяют распределенные резисторы либо резисторы в виде сектора или трапеции (рис. 2.12).

Резисторы, служащие согласованными нагрузками СВЧ, включаются между подводящей линией и короткозамыкателем. Короткое замыкание осуществляется через металлизированное отверстие в подложке или через металлизированную торцевую поверхность платы. Иногда в качестве короткозамыкателя применяется разомкнутый шлейф длиной (рис. 2.13). В заданной полосе частот требуемое качество заземления может быть обеспечено параллельным включением нескольких шлейфов разной длины.

Рис. 2.12. Варианты пленочных резисторов	Рис. 2.13. Согласованная нагрузка в виде
повышенной ёмкости	резистора со шлейфом

Рис. 2.14. Общий вид ниточного резистора:	Рис. 2.15. Конструкция таблеточного
1-резистор; 2-контактная площадка;	резистора:
3-подложка	1-резистор; 2-подложка; 3-контактная
	пластина

В микроэлектронных устройствах СВЧ используются также различные навесные малогабаритные резисторы: ниточные, таблеточные, в форме параллелепипеда. Ниточные резисторы имеют малые линейные размеры и достаточно просто устанавливаются в схему (рис. 2.14). Они применяются на частотах до 3 ГГц. Таблеточные резисторы имеют форму кругового цилиндра с металлизацией по торцам и устанавливаются в отверстия в подложке (рис. 2.15). Резисторы в виде параллелепипеда представляют собой миниатюрные элементы, разработанные специально для устройств на МПЛ. Наиболее распространенные их конструкции показаны на рис. 2.16. В плоском варианте (рис. 2.16, а) резистивный слой 1 выполняется в одной плоскости с контактными площадками 2 на общем основании 3.

Рис. 2.16. Общий вид резистора в виде параллелепипеда в плоском (а) и объемном (б) вариантах (толщина металлизации и резистивного слоя не показаны):

1-основание; 2-резистивный слой; 3-контактная площадка

В объемном варианте (рис. 2.16, б) резистор имеет форму параллелепипеда, на двух противоположных гранях которого расположены контактные площадки 3, а на третьей грани (между ними) напылена резистивная пленка 2. Установка такого резистора производится в отверстие в подложке, аналогично установке таблеточного резистора. В качестве материала оснований таких резисторов используют ситаллы, керамику из оксида алюминия, кремний. Малые размеры этих резисторов позволяют использовать их на частотах до 12…18 ГГц.

Все рассмотренные навесные резисторы являются маломощными. Их мощность рассеяния не превышает обычно 0,125 Вт. При больших мощностях рассеяния на частотах до 12...18 ГГц используют резисторы со специальными устройствами для отвода тепла.

2.4. Резонаторы

Резонаторы являются основными элементами колебательных систем и устройств СВЧ. По способу реализации резонаторы можно разделить на плоскостные и объемные.

Плоскостные резонаторы выполняются на основе линий передачи различных типов: микрополосковой, щелевой и т.п. В настоящее время задача анализа плоскостных резонаторов строго ещё не решена, поэтому для их расчета используются различного рода приближенные методы. Один из методов состоит в замене трехмерного плоскостного резонатора моделью Олинера. Модель имеет однородное диэлектрическое заполнение с относительной диэлектрической проницаемостью εэфф, а её геометрические размеры являются эффективными размерами резонатора. По периметру модели резонатора расположены магнитные стенки. Эффективные размеры и диэлектрическую проницаемость находят, исходя из условия равенства полной энергии поля резонатора и его модели.

На (рис. 2.17, а) показана топология резонатора. При малой толщине подложки (h<<wэфф, h<<lэфф) вариациями поля вдоль оси “y” можно пренебречь.

Рис. 2.17. Резонатор на несимметричной МПЛ

Рис. 2.18. Структура силовых линий в продольном сечении полуволнового резонатора

В резонаторе могут существовать колебания типа квази-Еm0n, где индекс m указывает число полуволн, укладывающихся по ширине резонатора (вдоль оси х), индекс n-число полуволн на длине резонатора (вдоль оси z). Резонансную длину волны для волны произвольного типа можно определить по приближенной формуле:

λрез =	2		εэфф
			2			2	(2.7)
	m				n
			+
w			l
	эфф				эфф

где wэфф, lэфф –эффективные размеры резонатора (см. рис. 2.17, б). Низшими типами колебаний являются E001 и Е101. Структура электромагнитного поля этих типов колебаний показана на рис. 2.18. Для колебаний Е001 эффективная длина резонатора:

lэфф =	λрез	=	λ	(2.8)
2	εэфф		2

где λ-длина волны в линии передачи, на основе которой выполнен резонатор. В

интегральных схемах СВЧ обычно λh >>1, поэтому эффективную длину резонатора

можно считать равной его геометрической длине. Резонанс электромагнитных волн возможен также и в резонаторе длиной λ/4.

Конструктивно резонатор может быть выполнен короткозамкнутым или разомкнутым на конце. Анализ систем, содержащих резонаторы на основе линий

передачи, удобно проводить с помощью представления резонаторов их эквивалентными схемами. Эквивалентная схема короткозамкнутого на конце прямоугольного резонатора для случая l=λ/4 показана на (рис. 2.19, а), для случая l=λ/2 – на (рис. 2.19, б). Параметры L и C эквивалентной схемы находятся по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) резонатора.

Рис. 2.19. Эквивалентные схемы	Рис. 2.20. Подковообразный резонатор на
прямоугольного короткозамкнутого	МПЛ
резонатора: а-четвертьволнового;
б-полуволнового

Существенным недостатком разомкнутого резонатора является наличие значительных потерь на излучение, что имеет следствием низкие достижимые добротности. Изгибая резонатор в виде подковы (рис. 2.20), влияние краевого эффекта в полуволновом резонаторе можно уменьшить, поскольку сведение вместе противофазных концов резонатора снижает потери на излучение. Однако при уменьшении зазора S наряду с уменьшением потерь на излучение наблюдается рост потерь в проводнике линии. Вследствие этого зависимость добротности резонатора от S имеет максимум, что позволяет выбрать оптимальное значение зазора. Исследования показывают, что добротность подковообразного резонатора, имеющего оптимальный зазор, приблизительно на 55% выше, чем прямолинейного. Применение подковообразных резонаторов позволяет также снизить занимаемую ими площадь.

Короткозамкнутые резонаторы имеют большие достижимые добротности, но реализация короткозамыкателя не всегда удобна в технологическом отношении.

В линию резонаторы могут включаться по-разному. Наиболее распространенные способы включения резонаторов по схеме двухполюсника показаны на рис. 2.21. Размер зазора S выбирается исходя из заданного коэффициента связи. Возможные способы включения резонаторов по схеме четырехполюсника показаны на рис. 2.22. Резонаторы могут выполняться также в виде шлейфов (рис. 2.23).

Рис. 2.21. Варианты	Рис. 2.22. Варианты	Рис. 2.23. Топология
включения резонатора в	включения резонатора в	резонаторов в виде
линию по схеме	линию по схеме	комбинации шлейфов
двухполюсника	четырехполюсника

На основе прямоугольных резонаторов конструктивно просто выполняются составные резонаторы, представляющие набор последовательно или параллельно включенных резонаторов. Методики расчета собственной и внешней добротности резонаторов для каждого способа включения различны и в общем случае представляют достаточно сложную электродинамическую задачу.

В современных микроэлектронных устройствах СВЧ находят применение и другие типы резонаторов, топологии которых представлены на рис. 2.24. При использовании тонкой подложки в круглом резонаторе (рис. 2.24, а) возможны колебания типа квази- Еm0n, где m, n – число полуволн, укладывающихся соответственно на окружности резонатора и вдоль радиуса. Резонансная длина волны круглого резонатора определяется формулой:

λ		(2.9)
	рез	= 2πrэфф εэфф
		νmn

где rэфф – эффективный радиус; εэфф – эффективная диэлектрическая проницаемость двумерной модели резонатора; νmn – n-ый корень производной функции Бесселя m-го порядка.

Рис. 2.24. Варианты топологии резонаторов:

а-круглый кольцевой; б-эллиптический; в-круглый; г-прямоугольный кольцевой

Низшими типами колебаний в плоской круглой резонансной структуре являются колебания типа E110 и Е210 (ν11 и ν21 – минимально возможные значения корней производной функции Бесселя). Структура полей колебаний низших типов в этом резонаторе показана на рис.2.25.

Рис. 2.25. Структура полей колебаний Е110	Рис. 2.26. Структура полей низших типов
и Е210 в круглом резонаторе на МПЛ	колебаний в эллиптическом резонаторе

Расчет эллиптических резонаторов производится на основе теории эллиптических волноводов. В резонаторах могут существовать колебания двух видов: четные квази- EmnS 0 имеющие симметричные относительно главной оси эллипса составляющие электромагнитного поля, и нечетные квази- EmnC 0 , симметричные относительно малой оси.

Структура полей в эллиптическом резонаторе для колебаний и показана на рис. 2.26. Резонансные длины волн эллиптического резонатора можно определить из выражения:

λрез =

2πe

εэфф

(2.10)

qmnS ,C

где e - эксцентриситет эллипса; qmnS ,C -n-ый корень четной или нечетной функции Матье первого рода m-го порядка.

Резонансную длину волны кольцевых структур в наиболее часто встречающихся на практике случаях R/w >>1 и а/w >>1 (см. рис. 2.24, в, г) можно найти по формуле:

λрез = εэфф Πср

(2.11)

где Пср – средний периметр кольцевого резонатора.

Возможные варианты топологии резонаторов на щелевой линии передачи показаны на рис. 2.27. Полуволновая щель (рис. 2.27, а) имеет реальную длину, при слабой внешней связи несколько меньшую λ/2 (λ - длина волны в щелевой линии передачи). Это объясняется индуктивным характером неоднородности, возникающей на концах щели. Введение ёмкостной нагрузки (рис. 2.27, б) или изгиб резонатора (рис. 2.27, а) позволяет уменьшить площадь, занимаемую резонатором. Замкнутые резонансные структуры (рис. 2.27, г, д) не имеют краевых неоднородностей, однако в них наблюдается излучение электромагнитных волн на определенных частотах. При построении устройств СВЧ применяются объемные резонаторы. Прямоугольный полосковый объемный резонатор представляет собой полосковый проводник, ограниченный со всех сторон прямоугольным экраном. По сравнению с обычными полосковыми резонаторами он имеет более высокую добротность. Анализ такой структуры можно проводить, рассматривая ее как волновод, частично заполненный диэлектриком. Резонатор имеет большие габариты, что затрудняет

его использование. К образованию объемного полоскового резонатора может привести неудачный выбор размеров корпуса интегральной схемы, что является крайне нежелательным. Тщательная отработка конструкции позволяет предотвратить это явление.

Рис. 2.27. Варианты топологии резонаторов на щелевой линии передачи

Объемный резонанс в диэлектрическом резонаторе аналогичен резонансу в полом волноводном резонаторе.

Диэлектрические резонаторы могут иметь различную форму: прямоугольную, цилиндрическую, дисковую. (рис. 2.28), однако наибольшее распространение благодаря высокой технологичности получили цилиндрические резонаторы.

Рис. 2.28. Разновидности обычных диэлектрических резонаторов.

Обычно резонаторы изготавливают из материалов с высокой диэлектрической проницаемостью εr. Электромагнитное поле концентрируется внутри резонатора и потери на излучение пренебрежимо малы. При εr > 100 нагруженная добротность резонатора зависит только от диэлектрических потерь:

QH ≈	1	(2.12)
	tgδ

и может достигать нескольких тысяч. Преимуществом диэлектрических резонаторов являются малые габариты. Так при ε > 100 длина волны в резонаторе и его размеры оказываются на порядок меньше длины волны.

Применение керамики термостабильных марок позволяет создавать резонаторы с температурным коэффициентом частоты (ТКЧ) не более 10-4 К-1.

3.Примеры конструкции функциональных узлов на полосковых линях СВЧ

3.1. Согласование в полосковой линии

При изменении ширины полосковой линии происходит изменение волнового сопротивления, что приводит к отражению электромагнитной волны от места

неоднородности. Для согласования соединения МПЛ с разными волновыми сопротивлениями может применяться конструкция, показанная на рис.3.1.

Рис. 3.1. Согласование ступенчатым переходом

Электрические длины отрезков l/λ =0,25 выбирают одинаковыми. Параметры волновых сопротивлений Zтр подбирают так, чтобы коэффициент отражения от первого и второго сечения был одинаковый. Тогда волна, прошедшая до второго сечения и отразившаяся от него, возвращаясь назад в месте первого сечения проходит дополнительный путь l/λ туда и обратно, т.е. 2l/λ =0,5. Такая волна будет противофазна волне, отражающейся от первого сечения. Обе отраженные волны гасят друг друга.

Возможно также согласование с помощью плавного перехода, показанного на рис.3.2.

Рис. 3.2. Согласование плавным переходом

Отсутствие резких изменений волнового сопротивления приводит к отсутствию отражений. Недостатком такого перехода является значительно большая длина, чем у ступенчатого.

3.2. Полосковые тройники

Тройником называется трехплечное устройство, предназначенное для деления мощности входного сигнала на две, возможно неравные части. Конструкция микрополоскового тройника показана на рис.3.3. Для расширения рабочей полосы частот в плечах тройника может использоваться ступенчатое согласование.