автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Исследование печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками и разработка микрополосковых СВЧ устройств на их основе

На правах рукописи

Закирова Эльмира Алексеевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ С МНОГОСЛОЙНЫМИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПОДЛОЖКАМИ И РАЗРАБОТКА МИКРОПОЛОСКОВЫХ СВЧ УСТРОЙСТВ НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность: 05.12.07 -Антенны, СВЧ устройства и их технологии

3 О СКТ 2014

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005553974

Москва-2014

005553974

Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики».

доктор технических наук, профессор Елизаров Андрей Альбертович

Совлуков Александр Сергеевич, доктор технических наук, профессор, Институт проблем управления РАН им. В.А. Трапезникова, главный научный сотрудник

Байков Андрей Юрьевич,

кандидат физико-математических наук, доцент, Московский финансово-юридический

университет, заведующий кафедрой Общих математических и естественнонаучных дисциплин

Ведущая организация: ЗАО «Научно-исследовательский институт

инновационных технологий (НИИИТ)», группа компаний «ОСТЕК»

Защита состоится «20» ноября 2014 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.048.13 при Национальном исследовательском университете «Высшая школа экономики» по адресу: 109028, г. Москва, Б. Трехсвятительский пер., 3, зал заседаний ученого совета (к.217).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» по адресу 101000, г. Москва, ул. Мясницкая, д. 20 и на сайте http://www.hse.ru.

Автореферат разослан « Л » Уо 2014г.

Ученый секретарь диссертационного

совета к.т.н., профессор

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Николай Николаевич Грачев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В современных радиотехнических комплексах, системах автоматики и управления широко используются микрополосковые СВЧ устройства различного функционального назначения. Их разработка диктует необходимость создания высокоэффективных миниатюрных узлов и модулей, обладающих высокой надежностью, быстродействием, стабильностью электрофизических параметров и характеристик, отвечающих уровням необходимой электромагнитной совместимости и обладающих низкой стоимостью. Такие тенденции требуют использования новейших конструкторско-технологических решений на всех этапах проектирования СВЧ устройств, в том числе и современных печатных плат.

Традиционные печатные платы для производства изделий радиоэлектроники с помощью технологии поверхностного монтажа, выполненные на основе гетинакса или стеклотекстолита, имеют весьма ограниченную возможность применения в СВЧ диапазоне, что объясняется физическими ограничениями, увеличивающимися с ростом частоты. Такие печатные платы могут быть использованы только на частотах до единиц ГГц. При дальнейшем росте частоты увеличение потерь приводит к искажению информационного сигнала. Все это требует нового подхода к проектированию и технологии печатных плат, использующихся в диапазоне СВЧ [1*, 2*].

Состояние вопроса

Одной из важных тенденций развития современных микрополосковых СВЧ устройств является расширение количества их функций при меньших массогабаритных показателях и стабильных электрических параметрах и характеристиках. Главным направлением этой тенденции является переход от традиционной двумерной компоновки элементов и конструкции печатной платы - к трехмерной. Применение многослойной технологии позволяет повысить функциональную плотность СВЧ устройств в сочетании с низкой стоимостью, высокой надежностью и хорошей воспроизводимостью [3*].

На современном этапе проектирование микрополосковых устройств СВЧ осуществляется на базе фторопластовых или, более перспективных, керамических подложек, представляющих собой многослойные структуры, выполненные с использованием технологий высокотемпературного НТСС (High Temperature Co-fired Ceramics) или низкотемпературного LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics) обжига.

Разработана также модифицированная LTCC-технология на металле LTCC-M, при которой специально составленная многослойная керамическая плата помещается на металлический носитель или каркас, предотвращающий усадку структуры по плоскости подложки в процессе обжига [4*].

Некоторую альтернативу многослойным керамическим подложкам составляют гибкие печатные платы на основе жидкокристаллических полимеров, позволяющие увеличить плотность компоновки электронной аппаратуры и создавать пространственные трехмерные структуры без увеличения интеграции компонентов микросхем. Такая технология 3D - структур получила название «объемная системная миниатюризация и технология соединений» (Volumetrie System Miniaturization and Interconnection Technology - VSMI) [5*].

В настоящее время исследованиями, разработками и изготовлением печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками и микрополосковых СВЧ устройств на их основе занимается большое количество зарубежных компаний и фирм, среди которых следует выделить DuPont, Kyocera, NEC, Hitachi, Fujitsu, Matsushita, IBM, NGK, Toshiba, Murata и др. Из наиболее интересных отечественных производителей необходимо отметить группу российских предприятий PSElectro ООО «Электроконнект», ЗАО Предприятие «ОСТЕК», ПТК «Печатные платы» ФГУП «Рязанский приборостроительный завод», а также исследования и разработки микрополосковых СВЧ устройств, проводимые в ОАО «ОРКК» - «НИИ КП», СПбГЭТУ «ЛЭТИ», ФГУП «Ростовский-на-Дону НИИ радиосвязи» (РНИИРС) и др.

Цель диссертации

Исследование физических и конструктивно-технологических особенностей печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками для создания на их основе многофункциональных элементов, узлов и модулей, обеспечивающих миниатюризацию и улучшенные электрические параметры и характеристики микрополосковых СВЧ устройств.

Для достижения указанной цели необходимо решение следующих задач:

• анализ известных физических особенностей, конструкций и технологий изготовления печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками, их преимуществ, недостатков и тенденций дальнейшего развития;

• исследование физических ограничений и потерь в металлических проводниках, диэлектрических материалах многослойных подложек и СВЧ устройствах на их основе;

• исследование физических особенностей возникновения паразитных типов колебаний и волн в одиночных и связанных микрополосковых линиях на керамических

4

подложках для случаев их синфазного и противофазного возбуждения, включая анализ влияния многомодовой дисперсии на передачу цифрового сигнала;

• исследование паразитного излучения кромок многослойных диэлектрических подложек печатных плат СВЧ диапазона;

• анализ численных методов и программных средств для компьютерного моделирования микрополосковых СВЧ устройств на основе печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками;

• экспериментальное исследование макетов разработанных микрополосковых СВЧ устройств и сравнение полученных характеристик с результатами аналитических расчетов и компьютерного моделирования.

Методы исследования

Исследования проведены с помощью математических аппаратов электродинамики и теории электромагнитного поля; теории электрических цепей и сигналов; численных методов и компьютерного моделирования; изготовленных экспериментальных макетов СВЧ устройств.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректностью используемых и опубликованных математических выводов и моделей; согласованностью ряда полученных результатов с опубликованными в отечественной и зарубежной печати; результатами компьютерного моделирования, экспериментальных исследований и внедрением разработанных элементов и устройств в производство.

Научная новизна, основные научные положения и результаты

На защиту выносятся перечисленные ниже новые научные положения и результаты, полученные в работе:

1. Модифицированная печатная плата с подвешенной подложкой и согласующим многослойным диэлектрическим экраном обеспечивает равномерное изменение волнового сопротивления в поперечном сечении, позволяет достичь уменьшения коэффициента замедления и расширения диапазона частот разрабатываемых микрополосковых СВЧ устройств за счет увеличения границы высокочастотной отсечки.

2. Микрополосковый фильтр низких частот на штыревой гребенке с многослойной подложкой обеспечивает увеличение частоты среза не менее чем в 1,5 раза по сравнению с прототипом той же топологии, выполненным на однослойной плате, без увеличения коэффициента отражения.

3. Микрополосковая спиральная антенна, выполненная на многослойной подложке, обеспечивает линейную поляризацию в полосе частот до полутора октав, при КСВН не хуже 2,0, габаритных размерах антенны, значительно меньших рабочей длины волны и требуемой диаграмме направленности.

4. Развязывающий фильтр на однослойном метаматериале позволяет достичь более чем двукратного роста затухания колебаний (121,2 - 115,1 дБ) по сравнению с затуханием, обеспечиваемым импедансной металлической поверхностью (55,4 -34,8 дБ), при ширине полосы пропускания 130 МГц.

5. Развязывающий фильтр на многослойном метаматериале с кольцевыми разомкнутыми резонаторами обеспечивает более чем двукратное расширение полосы пропускания (до 270 МГц), по сравнению с фильтром на однослойной структуре, при среднем снижении затухания на 28,6 дБ.

Апробация работы

Основные теоретические и практические результаты диссертации докладывались и обсуждались на 8 Международных и Всероссийских научно-технических конференциях: LXVII Научной сессии, посвященной Дню радио, Москва, 2012; Научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ НИУ ВШЭ, Москва, 2012, 2013; Международных научно-практических конференциях "International Scientific - Practical Conference "INNOVATIVE INFORMATION TECHNOLOGIES", Prague, 2012, 2013; 6 и 7 Отраслевых научных конференциях «Технологии информационного общества», Москва, 2012, 2013; V Всероссийских научных Зворыкинских чтениях, Муром, 2013.

Практическая ценность и внедрение результатов

Основные результаты диссертации получены при выполнении гранта научно-учебной группы «Электродинамика замедляющих систем» № 13-05-0017, 2013 г. и инициативных работ, выполненных в МИЭМ НИУ ВШЭ при участии автора за период 2011-2013 г.

Научные и практические результаты работы используются в ОАО «Научно -исследовательский институт космического приборостроения», Институте пути, строительства и сооружений Московского государственного университета путей сообщения; а также в научной и учебной деятельности кафедры «Радиоэлектроники и телекоммуникаций» МИЭМ НИУ ВШЭ. Использование результатов подтверждено соответствующими актами и заключениями.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 14 работ, включая 4 статьи в российских журналах (по списку ВАК РФ), 1 статья в сборнике научных трудов, 6 статей в трудах российских и международных конференций, 3 патента РФ на изобретения и полезные модели.

Структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложения. Общий объем диссертации составляет 178 страниц, включая 75 рисунков, библиографический список из 109 отечественных и зарубежных источников на 12 страницах, приложения с актами использования результатов на 8 страницах.

Во введении к диссертации обоснована ее актуальность, рассмотрено состояние вопроса, сформулированы цели, задачи и методы исследований, научная новизна, основные положения, выносимые на защиту, вопросы практической ценности, внедрения результатов, апробации и публикаций. Приводится краткое содержание каждой из глав.

В первой главе проведен обзор современного состояния и тенденций развития современных многослойных печатных плат и микрополосковых СВЧ устройств на их основе. Проанализированы физические и конструктивно-технологические особенности печатных плат на многослойных фторопластовых и керамических основаниях, рассмотрены преимущества и недостатки гибких печатных плат на основе жидкокристаллических полимеров, показаны тенденции их дальнейшего развития. Сделан вывод об актуальности поставленной научной задачи.

На основе выполненного обзора показано, что перспективным является разработка комбинированных и гибридных СВЧ устройств на базе печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками. Благодаря выбору электрофизических свойств диэлектрических слоев плат, резонансным явлениям в них и эффекту замедления электромагнитных волн, появляется возможность создания микрополосковых устройств СВЧ с габаритными размерами значительно меньшими рабочих длин волн, обладающих улучшенными электрическими характеристиками и низкой стоимостью.

Проанализированы существующие методы расчета, проектирования и компьютерного моделирования, которые могут быть использованы для определения основных характеристик и параметров микрополосковых СВЧ устройств на печатных платах с многослойными диэлектрическими подложками. Подчеркнута эффективность

использования приближенно-аналитических моделей и методов, позволяющих обеспечить необходимую точность расчета при снижении требований к быстродействию и оперативной памяти компьютера.

Во второй главе проведен анализ физических ограничений и потерь в металлических проводниках и диэлектрических материалах многослойных подложек печатных плат и СВЧ устройств на их основе.

Проанализирована модель печатной платы с многослойной диэлектрической подложкой, представляемой в виде волноведущей системы, моды которой различаются поперечной структурой полей, обладающих своими фазовыми и групповыми скоростями. В рамках такой модели рассмотрены колебательные искажения, возникающие при распространении квазимонохроматического сигнала. Показано, что эффекты пространственной дисперсии в СВЧ диапазоне проявляются слабее, поскольку в большинстве случаев практического применения печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками, длина волны Л» а, где а - характерный линейный размер волноведущей структуры. Поэтому частотная дисперсия в этом случае более существенная, так как сверхвысокие частоты электромагнитного излучения и внутриатомных (молекулярных) процессов соизмеримы, и отклик среды часто носит резонансный характер.

Проведен анализ физических особенностей возникновения паразитных типов колебаний и волн в одиночных и связанных микрополосковых линиях на керамических подложках для случаев их синфазного и противофазного возбуждения, а также возможности передачи с помощью микрополосковой линии цифровых сигналов. Из результатов расчета следует, что степень колебательных искажений за счет проявления дисперсии растет пропорционально квадрату высоты подъема дорожки, а минимальная дисперсия, допустимая для неискаженной передачи цифрового сигнала, достигается при высоте подъема микрополосковой дорожки, не превышающей 0,5 мм.

В третьей главе проведен анализ паразитного излучения кромок многослойных диэлектрических подложек печатных плат СВЧ диапазона на основе двух моделей -первой в виде открыто го. конца плоскопараллельного волновода, имитирующего кромку микрополосковой бесконечной структуры, и второй - содержащей кромку структуры и ограниченный участок диэлектрической подложки. Оценка паразитного излучения выполнена с помощью программных средств МаЛСАБ и, использованием соотношений для моделей однослойной печатной платы, полученных в работе [6*].

Аналитическое выражение для диаграммы направленности кромки тонкой однослойной микрополосковой структуры с учетом обрыва диэлектрической подложки определяется тремя составляющими:

F(0) =

t | . kd(si'- cos2 в)

+(1+ COS0)-

akU-mee-'^Sm{/3kLI2) +

¡¡kin

где F,(0) =

, ,kd(e'-cos2 в) 1 + j———:--

a +sin в -i

диаграмма направленности открытого конца

^ ,, ■ „ -тип sm(BkL/2)

плоскопараллельного волновода, FJe) = akLsmtle ————— - диаграмма

pkL / 2

направленности линейного электрического тока, бегущего вдоль оси oz с замедленной

фазовой скоростью, F3(g) = (l + cosff) "—-—g-^c-005^. диаграмма линейного

a +sin 0

распределения синфазно возбуждаемых элементов Гюйгенса (множитель (1+cosG)) с убыванием амплитуды по экспоненциальному закону при удалении от экрана, е '-1 а2

а = —-kd, /? = 1+--cos в, к = 2л/Х- волновое число, ei=el'e, s¡'- относительная

2

диэлектрическая проницаемость слоя диэлектрика толщиной d, L - длина ограниченного участка диэлектрической подложки.

Графики на рисунке 1 демонстрируют суммарные диаграммы направленности F(9) для однослойной, трехслойной и пятислойной подложек печатных плат при различных размерах L/X.

Кривые F(Q) имеют колебательный характер, число осцилляции и их амплитуда возрастают с увеличением числа слоев, а также размера подложки L/X, т.к. возможности интерференции волн, излученных отдельными токами, при этом увеличиваются. Отклонение от первоначальной диаграммы направленности кромки F¡(9) становится менее заметным с уменьшением относительной диэлектрической проницаемости материала слоев и относительной толщины подложки dfk.

Проведен расчет и анализ энергетических характеристик паразитного излучения кромок печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками, показавший необходимость экранирования пассивных микрополосковых СВЧ устройств, а также

учета искажений, вносимых паразитным излучением кромок, на диаграммы направленности антенн и излучателей при работе в диапазоне свыше 10 ГГц.

Р(©)

Р(0)

0, рад

Р(©) 15

10

1_=ЗА/2

Три слоя Один слой

Пять слоев

©, рад

15

10

1 = 2Х

Пять

эи слоя

щ

дин слой I

©, рад 3

Рисунок I. Суммарные диаграммы направленности р(в) для однослойной, трехслойной и пятислойной подложек печатных плат и различных размеров ¿УЛ.

Результаты аналитического моделирования подтверждают вывод о необходимости частотного ограничения, которое накладывается на выбор толщин многослойных плат для СВЧ устройств - суммарная толщина многослойной подложки платы не должна превышать четверти рабочей длины волны. Так в диапазоне длин волн в 1 - 10 мм допустимая толщина платы составляет 0,25 - 2,5 мм.

В четвертой главе выполнен краткий обзор современных программных средств, используемых для моделирования электродинамических структур. Проанализированы возможности и особенности алгоритма численного моделирования с помощью AWR Design Environment (Microwave Office) микрополосковых СВЧ устройств, выполненных на основе односторонних и двусторонних печатных плат. Рассмотрен пример компьютерного моделирования межслойного перехода на основе копланарной линии в диапазоне частот 1-18 ГГц.

В пятой главе предложены, теоретически обоснованы, численно и экспериментально исследованы новые микрополосковые устройства СВЧ на основе печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками. В результате компьютерного моделирования и экспериментальных исследований подтверждена возможность реализации с помощью разработанных микрополосковых структур требуемых значений S - параметров и заданных диаграмм направленности, обеспечивающих возможность их миниатюризации и многофункционального использования.

Предложена, теоретически обоснована и исследована модифицированная печатная плата с подвешенной подложкой. Чертеж поперечного сечения такой платы с многослойной подложкой толщиной d представлен на рисунке 2, а с многослойной подложкой толщиной di и многослойным согласующим диэлектрическим экраном толщиной d2 - на рисунке 3. Относительные диэлектрические проницаемости слоев подложки и диэлектрического экрана линейно уменьшаются с ростом номера слоя.

Использование такой конструкции платы позволяет обеспечить согласование ее диэлектрических слоев между собой с линейным возрастанием их волнового сопротивления от плоскости экрана к плоскости импедансных проводников, что позволяет избежать возникновения отраженной волны в поперечном сечении. Кроме того, в такой плате обеспечивается также согласование импедансных проводников с

внешним воздушным пространством за счет использования многослойного диэлектрического экрана с линейно увеличивающимся волновым сопротивлением.

1

/> :.■/ //< лл / '/.'/•'/.'I/

V V. '/.'.<.: У//. ', 'У, '/,' '. '/< > V

/г , ' 'ь ■ ' '

Л

Рисунок 2. Модифицированная печатная плата с подвешенной подложкой

Рисунок 3. Модифицированная печатная плата с подвешенной подложкой и согласующим диэлектрическим экраном

Для анализа дисперсионных свойств модифицированной печатной платы с подвешенной подложкой рассмотрим модель несимметричной микрополосковой линии, выполненную на ее основе, и сравним ее характеристики с характеристиками моделей микрополосковых линий на платах - прототипах.

На рисунке 4 показаны полученные с помощью МаШСАБ дисперсионные характеристики для квази-Т волны в несимметричной микрополосковой линии с £/=9,8; линии с подвешенной подложкой ¿7=9,8; ¿2=1,0 и линии на основе модифицированной печатной платы с трехслойной подложкой £/=9,8; £2=5,6; £?=2,4.

р/к3

2 1; О

& щт

¿-, - 9.8; с-1 -1,0

9,8; гг2 = 5,6; е3 = 2,4

0,5 1,о кй

Рисунок 4. Дисперсионные характеристики микрополосковых линий Из анализа дисперсионных кривых следует, что с ростом параметра Ы, пропорционального частоте, дисперсия во всех трех рассматриваемых случаях

12

возрастает, причем относительное замедление р//< стремится к квадратному корню из эффективного значения относительной диэлектрической проницаемости первого слоя. Однако следует отметить, что на более низких частотах замедление линии с многослойной подложкой ниже замедления линии с подвешенной подложкой и воздушным зазором, и линии с однослойным однородным основанием. Такой эффект роста фазовой скорости волны в линии с многослойной подложкой в сочетании с эффектом согласования диэлектрических слоев представляет интерес при создании новых микрополосковых СВЧ устройств, обеспечивая возможность расширения диапазона частот за счет увеличения границы высокочастотной отсечки.

На рисунках 5 и 6 показаны рассчитанные с помощью МаЛСАБ зависимости добротности и ширины полосы пропускания при КСВН = 2 от относительной толщины подложки для четвертьволновых резонаторов, выполненных на основе линии, рассмотренных выше.

<3 300 200 100

0

Рисунок 5. Зависимости добротности микрополосковых линий от относительной толщины

подложек

ДС, % 30 20 10

0 0,06 0,12 0,18 сИХ

Рисунок б. Зависимости ширины полосы пропускания микрополосковых линий от относительной толщины подложек

Из графиков, показанных на рисунке 5, видно, что с ростом толщины

диэлектрической подложки добротности всех представленных микрополосковых линий снижаются. Однако если при малых толщинах подложек разница в добротности весьма существенна, то при приближении к толщине, близкой к четверти длины волны, эта разница не столь велика. Из анализа зависимостей, представленных на рисунке 6,

^ Е, = 9,8 _

г, =9.8;г2 = 1,0^-^ ' * ....... —----------------- _ ех = 9.8; е2 = 5,6; £ъ = 2А

0,06 0,12 0,18 <ЦХ

¿1 = 9,8;£2 =5,б;г-3 = 2,4

\ "

г, =9,8; е2 =1,0

. ...................................... =9,8

■ "......... 1 \

следует, что резонатор на основе модифицированной печатной платы с трехслойной подложкой имеет значительный выигрыш в ширине рабочей полосы частот - почти в 2,5 раза по сравнению с резонатором на основе линии с подвешенной подложкой, и в 9 раз по сравнению с резонатором на несимметричной микрополосковой линии.

Использование многослойной диэлектрической подложки с согласованными волновыми сопротивлениями слоев позволило предложить новую конструкцию микрополоскового гребенчатого фильтра низких частот с увеличенной частотой отсечки по сравнению с фильтром той же топологии на однослойной подложке.

На рисунке 7 показана ЗО-модель микрополоскового фильтра низких частот, выполненная на трехслойной подложке, где цифрой 1 обозначена импедансная штыревая гребенка, цифрой 2 - изотропный металлический экран, цифрами 3, 4, 5 — слои четвертьволновой подложки с линейно возрастающим от плоскости экрана к плоскости импедансной штыревой гребенки волновым сопротивлением. На этом же рисунке даны характеристики комплексного коэффициента передачи S2i фильтра от частоты, рассчитанные с помощью программы AWR Design Environment (Microwave Office) для случая однослойной подложки (кривые 1 - численный расчет и 2 -схемотехнический расчет), для случая трехслойной подложки (£7=9,8; £2=5,6; £у=2,4)

Рисунок 7. Модель микрополоскового гребенчатого фильтра низких частот и расчетные зависимости параметра в дБ от частоты в ГГц

Экспериментальные исследования макетов фильтров, изготовленных на многослойных подложках размерами 584x182 мм из материала ФЛАН с указанными выше значениями диэлектрической проницаемости, выполнены на базе скалярного

14

анализатора цепей Р2М-18А НПФ «Микран». Из анализа теоретических и экспериментальных кривых следует, что с увеличением числа слоев подложки частота среза фильтра увеличивается с 8 ГГц для однослойной подложки до 12 ГГц для трехслойной подложки и 13 ГГц - для пятислойной подложки. При этом рост частоты среза достигается без увеличения коэффициента Бц, значения которого не превышают 0,5 дБ. В целом разница результатов расчета и эксперимента находится в пределах допустимой погрешности и не превышает 3 %.

При использовании модифицированной печатной платы для создания микрополосковых антенн и излучателей их импедансные проводники, имеющие в большинстве случаев применения волновое сопротивление десятки Ом, необходимо согласовать с внешним воздушным пространством, имеющим сопротивление 120я=376,7 (Ом). Для этого в конструкцию платы введен многослойный диэлектрический экран с линейно увеличивающимся от плоскости импедансных проводников волновым сопротивлением (рисунок 3). Выравнивание скачка волнового сопротивления обеспечивает повышение коэффициента излучения и расширение диаграммы направленности антенн и излучателей [7*, 8*], а кроме того, позволяет осуществить преобразование круговой или эллиптической поляризации в линейную, при габаритных размерах антенны, значительно меньших рабочей длины волны.

ЗБ-модель такой микрополосковой спиральной антенны, выполненной на трехслойной подложке, показана на рисунке 8, где цифрой 1 обозначена импедансная двухзаходная спираль с логарифмической намоткой, цифрой 2 - изотропный металлический экран, цифрами 3, 4, 5 - слои четвертьволновой подложки с линейно возрастающим от плоскости экрана к плоскости импедансной спирали волновым сопротивлением.

Рисунок 8. Модель микрополосковой спиральной антенны с линейной поляризацией и составляющие ее поля в дальней зоне 15

Результаты моделирования диаграмм направленности микрополосковой спиральной антенны в плоскости XY, полученные с помощью программы AWR Design Environment (Microwave Office), рисунки 9-10, наглядно демонстрируют градации изменения левосторонней круговой поляризации при практически не меняющейся правосторонней поляризации, задаваемой рисунком топологии спиралей. Так на рисунке 9 слева даны диаграммы направленности прототипа - двухзаходной спиральной антенны с логарифмической намоткой на однослойной подложке с относительной диэлектрической проницаемостью £=9,8. Такая антенна обладает правосторонней круговой поляризацией при слабо выраженной левосторонней поляризации.

30 Deg Conic Cut CP Rinl (dB)

Mi^ M.m -40 dB

30 Den Conic Cut CP Rail (dB)

Mag Max

0<Ш

-40tffl

Рисунок 9. Диаграммы направленности микрополосковой спиральной антенны на однослойной подложке (слева) и трехслойной подложке (справа)

Увеличение числа слоев подложки с линейно возрастающим от плоскости экрана к плоскости импедансной спирали волновым сопротивлением в случае трехслойной платы с £"/=9,8; £2=5,6; бз=2,4 (рисунок 9, справа) приводит к «выравниванию» левосторонней круговой поляризации, которая при дальнейшем увеличении числа слоев обеспечивает линейную поляризацию.

На рисунке 10 показаны диаграммы направленности спиральной антенны с линейной поляризацией на десятислойной подложке (£7=16,0; £2=9,8; е3=7,2; £¿=5,6; £•^=4,2; £¿=3,8; £"7=3,2; £в=2,8; £"9=2,4; £ю=2,33) в плоскостях ХУ и Ж.

Рисунок 10. Диаграммы направленности микрополосковой спиральной антенны на десятислойной подложке в плоскостях ХУ(слева) и Х2 (справа)

Экспериментальное исследование диаграмм направленности и КСВН макета микрополосковой спиральной антенны проводилось при помощи измерительной установки на основе скалярного анализатора цепей Р2М-18А. Макет антенны выполнен на трехслойной плате из ФЛАНа с £/=9,8; е2=5,6; £>=2,4 и габаритными размерами 40x40 мм. Резонансная частота антенны 915 МГц, КСВН не хуже 1,5. Данные расчета и эксперимента находятся в пределах допустимой погрешности, не превышающей 2 %.

В последние годы рядом отечественных и зарубежных фирм проявлен интерес к исследованиям и разработкам СВЧ устройств на метаматериалах - искусственных периодических структурах с модифицированными значениями диэлектрической и магнитной проницаемости, позволяющих обеспечивать управление законами распространения и дисперсии электромагнитных волн [9*-10*].

Применение композитной высокоимпедансной поверхности метаматериала позволяет использовать ее для создания новых малогабаритных развязывающих фильтров СВЧ диапазона.

Предлагаемая конструкция развязывающего фильтра содержит экранированную с одной стороны однослойную или многослойную диэлектрическую плату с периодически расположенными рядами сквозных отверстий, в каждом из которых закреплены идентичные металлические элементы в виде распределенных колебательных контуров, связанных емкостными зазорами и имеющих геометрические размеры много меньшие рабочей длины волны (рисунок 11).

Композитная поверхность метаматериала фильтра возбуждается с помощью емкостного зазора, образованного двумя параллельными микрополосковыми линиями 3, расположенными по краям диэлектрической платы 1. Конструктивные размеры каждого из колебательных контуров 2, образующих метаматериал, много меньше рабочей длины волны возбуждения. Распределенные колебательные контуры метаматериала могут быть представлены эквивалентной схемой 5, содержащей индуктивности, образованные полыми цилиндрическими металлическими ножками, соединенными с экраном, и емкости, сформированные между соседними контурами. Такая эквивалентная схема представляет собой схему линии передачи с отрицательной дисперсией, обладающую отрицательной фазовой скоростью и положительной групповой скоростью. Каждый из идентичных колебательных контуров, образующих метаматериал, обладает собственной добротностью <2 > 100 и при изменении геометрических размеров может иметь резонансную частоту от 0,1 до 100 ГГц.

Рисунок 11. Конструкция и топология развязывающего фильтра на метаматериале На рисунке 12 показаны зависимости комплексного коэффициента передачи S2i от частоты, полученные для развязывающего фильтра с импедансной металлической поверхностью (кривая 1) и фильтра с метаматериалом, выполненного по рисунку 11 (кривая 2). Сравнение данных характеристик показывает более чем двукратный рост затухания колебаний у метаматериала 121,2 - 115,1 дБ против 55,4 - 34,8 дБ, обеспечиваемых импедансной металлической поверхностью в диапазоне 4020 -4150 МГц.

Рисунок 12. Зависимости параметра 821 в дБ от частоты в МГц для развязывающего фильтра на метаматериале

Резонансная природа метаматериала не позволяет обеспечивать развязку в широкой полосе частот. Так рассмотренная выше конструкция фильтра обеспечивает полосу пропускания 130 МГц. Расширение полосы достигается применением многослойных плат с расположением в промежуточных слоях между каждым колебательным контуром и экраном импедансных проводников в виде разрезанных по диагоналям квадратных площадок или кольцевых разомкнутых резонаторов (КРР), представляющих собой вложенные друг в друга и разомкнутые с противоположных сторон изолированные кольца.

Такие промежуточные слои также представляют собой высокоимпедансные поверхности, которые в сочетании с композитной поверхностью из колебательных контуров позволяют создавать развязывающие фильтры на объемных метаматериалах, обеспечивающие расширение полосы пропускания и возможность ее перестройки. Использование таких многослойных конструкций приводит к небольшому снижению добротности электродинамической структуры фильтра, увеличивая эквивалентные параметры индуктивности и емкости каждого колебательного контура метаматериала, что и позволяет расширить полосу пропускания. На рисунке 13 показаны результаты численного эксперимента, полученного для развязывающего фильтра с КРР (кривая 3), в сравнении с топологией фильтра по рисунку 11 (кривая 4).

I к

Г г

«Ё

Рисунок 13. Конструкция и топология развязывающего фильтра на метаматериале с расширенной полосой пропускания

Сравнение полученных результатов демонстрирует полосу пропускания 3960 -4230 МГц для фильтра на метаматериале с КРР, при затухании 84,3 - 94,7 МГц. Таким образом, достигается более чем двукратное расширение полосы пропускания - до 270 МГц, при среднем снижении затухания на 28,6 дБ.

Экспериментальное исследование макета развязывающего фильтра, изготовленного на подложке из стеклотекстолита №-4 с габаритными размерами 100x50 мм, выполнено с помощью векторного анализатора ZVB-4 компании ЯоёЬе&ЗсЬшагг. Данные расчета и эксперимента находятся в пределах допустимой погрешности.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основным итогом диссертационной работы является решение актуальной задачи, заключающейся в разработке новых микрополосковых СВЧ устройств на основе исследования физических особенностей и технологий изготовления печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками. Особенностью работы является ее прикладная направленность, позволяющая использовать полученные теоретические и экспериментальные результаты для решения конкретных научно-практических задач.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Проведен анализ современного состояния и тенденций развития современных печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками и микрополосковых СВЧ устройств на их основе, включающий их физические и конструктивно-технологические особенности, а также аналитические и численные методы, которые могут быть использованы для их расчета, проектирования и компьютерного моделирования. На основе анализа установлено, что благодаря выбору

20

электрофизических свойств диэлектрических слоев плат, резонансным явлениям в них и эффекту замедления электромагнитных волн появляется возможность создания комбинированных и гибридных микрополосковых устройств СВЧ с габаритными размерами значительно меньшими рабочих длин волн, обладающих улучшенными электрическими характеристиками и низкой стоимостью.

2. Проанализированы основные физические ограничения и потери в металлических проводниках и диэлектрических материалах многослойных подложек печатных плат и СВЧ устройствах на их основе. Показано, что при выборе материала проводников необходимо оценивать потери на излучение, тепло и скин-эффект, а при выборе диэлектриков учитывать величину тангенса угла диэлектрических потерь материала основания платы, который должен быть минимальным (не более 0,001).

3. Разработана модель печатной платы с многослойной диэлектрической подложкой, представленной в виде волноведущей системы, моды которой различаются поперечной структурой полей, обладающих своими фазовыми и групповыми скоростями. Рассмотрены особенности возникновения в такой структуре паразитных колебаний и волн, показана необходимость учета и дана оценка влияния многомодовой дисперсии, а также возможности неискаженной передачи цифровых сигналов.

4. Проведен анализ паразитного излучения двух моделей печатной платы с многослойной подложкой - первой в виде открытого конца плоскопараллельного волновода, имитирующего кромку микрополосковой бесконечной структуры, и второй - содержащей кромку структуры и ограниченный участок диэлектрической подложки. На основе результатов аналитического моделирования сделан вывод о необходимости частотного ограничения, которое накладывается на выбор толщин многослойных подложек для СВЧ устройств - суммарная толщина многослойной подложки печатной платы не должна превышать четверти рабочей длины волны.

5. Выполнен краткий обзор современных программных средств для моделирования электродинамических структур. Показано, что использование программы AWR Design Environment (Microwave Office), реализующей метод моментов, позволяет исследовать распределение напряженностей составляющих полей (в виде матриц рассеяния) для различных режимов возбуждения проектируемых микрополосковых СВЧ устройств на основе печатных плат с многослойными подложками и уточнять полученные ранее приближенно-аналитические соотношения для их моделей.

6. Предложены, теоретически обоснованы, численно и экспериментально исследованы микрополосковые устройства СВЧ на основе печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками. В результате компьютерного моделирования и экспериментальных исследований подтверждена возможность реализации с помощью разработанных микрополосковых структур требуемых значений S - параметров и заданных диаграмм направленности, обеспечивающих возможность их миниатюризации и многофункционального использования.

Теоретические и экспериментальные результаты работы нашли практическое применение при проектировании:

- модифицированной печатной платы с подвешенной подложкой и согласующим многослойным диэлектрическим экраном, обеспечивающей возможность достижения более равномерного изменения волнового сопротивления в поперечном сечении при незначительном росте потерь и критичности изменения относительной диэлектрической проницаемости подложки по сравнению с однослойной платой -прототипом;

- микрополоскового фильтра низких частот на штыревой гребенке с многослойной подложкой, обеспечивающего увеличение частоты среза не менее чем в 1,5 раза по сравнению с прототипом той же топологии, выполненным на однослойной плате, без увеличения коэффициента отражения;

- микрополосковой спиральной антенны, выполненной на многослойной подложке, обеспечивающей линейную поляризацию в полосе частот до полутора октав, при КСВН не хуже 2,0, габаритных размерах антенны, значительно меньших рабочей длины волны и требуемой диаграмме направленности;

- развязывающего фильтра на однослойном метаматериале, позволяющего достичь более чем двукратного роста затухания колебаний (121,2 - 115,1 дБ) по сравнению с затуханием, обеспечиваемым импедансной металлической поверхностью (55,4 - 34,8 дБ), при ширине полосы пропускания 130 МГц;

- развязывающего фильтра на многослойном метаматериале с кольцевыми разомкнутыми резонаторами, обеспечивающего более чем двукратное расширение полосы пропускания (до 270 МГц), по сравнению с фильтром на однослойной структуре, при среднем снижении затухания на 28,6 дБ.

ПУБЛИКАЦИИ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

Работы, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах,

рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ:

1. Закирова Э.А. Анализ паразитных колебаний и волн в микрополосковых линиях с учетом многомодовой дисперсии // Технологии ЭМС, № 3(42), 2012. - С.69-72. (0,18 авт. л.) (в соавторстве с Елизаровым A.A., личный вклад 0,09 авт. л.).

2. Закирова Э.А. Исследование излучения радиочастотных элементов на микрополосковых спиральных замедляющих системах // T-Comm. Телекоммуникации и транспорт, № 10, 2012. - С.51-53. (0,14 авт. л.) (в соавторстве с Елизаровым A.A., личный вклад 0,07 авт. л.).

3. Закирова Э.А. Моделирование излучения кромок многослойных печатных плат СВЧ диапазона // T-Comm. Телекоммуникации и транспорт, № 9, 2013. - С.76-79. (0,18 авт. л.) (в соавторстве с Елизаровым A.A., личный вклад 0,09 авт. л.).

4. Закирова Э.А. Анализ паразитного излучения кромок многослойных печатных плат СВЧ диапазона // Технологии ЭМС, № 3(45), 2013 - С.16-23. (0,36 авт. л.) (в соавторстве с Елизаровым A.A., личный вклад 0,18 авт. л.).

Другие работы, опубликованные автором по теме диссертации:

5. Закирова Э.А. Исследование многослойной печатной платы с подвешенной подложкой для микрополосковых СВЧ устройств // Труды LXVII Научной сессии, посвященной Дню радио. - Москва, 2012. - С.366-369. (0,18 авт. л.) (в соавторстве с Елизаровым A.A., личный вклад 0,09 авт. л.).

6. Закирова Э.А. Инновационные технологии проектирования многослойных печатных плат диапазона СВЧ // Материалы международной научно-практической конференции «Инновационные информационные технологии». - Прага, 2012. -С.408-411. (0,18 авт. л.) (в соавторстве с Елизаровым A.A., личный вклад 0,09 авт.л.)

7. Закирова Э.А. О необходимости учета дисперсии при оценке ЭМС многослойных печатных плат микроволнового диапазона // Электромагнитная совместимость и проектирование электронных средств. Сборник научных трудов под ред. Л.Н. Кечиева. М.: МИЭМ, 2012. - С.36-39. (0,18 авт. л.) (в соавторстве с Елизаровым

A.A., личный вклад 0,09 авт. л.).

8. Закирова Э.А. Исследование модифицированной печатной платы с подвешенной подложкой // Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, посвященная 50-летию МИЭМ. Тезисы докладов / Науч. ред.:

B. Н. Азаров, М. В. Карасев, В. П. Кулагин, Ю. Л. Леохин, Б. Г. Львов, Н. С. Титкова. М.: МИЭМ, 2012. - С.234-235. (0,09 авт. л.).

9. Закирова Э.А. Исследование микрополосковых частотно-селективных СВЧ устройств на многослойных печатных платах // В кн.: Наука и образование в

развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России. V Всероссийские научные Зворыкинские чтения: сб. тез. докл. Всероссийской межвузовской научной конференции. Муром, 1 февр. 2013 г. Муром: Издательско-полиграфический центр МИ ВлГУ, 2013,- № 11. - С. 314-315. (0,09 авт. л.) (в соавторстве с Елизаровым A.A., личный вклад 0,045 авт. л.).

10. Закирова Э. А. Инновационные технические решения в разработке микрополосковых антенн и СВЧ устройств на многослойных печатных платах // В кн.: Труды международной научно-практической конференции "International Scientific - Practical Conference "INNOVATIVE INFORMATION TECHNOLOGIES", Prague, 2013, April 22-26 / Отв. ред.: И. А. Иванов; под общ. ред.: С. У. Увайсов; науч. ред.: С. У. Увайсов. Т. 2. М.: МИЭМ НИУ ВШЭ, 2013,- С. 218-225. (0,36 авт. л.) (в соавторстве с Елизаровым A.A., Филимоновой A.C., личный вклад 0,12 авт.л.).

11. Закирова Э. А. Аналитическое моделирование излучения кромок однослойных и многослойных печатных плат в программе MathCAD // Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ НИУ ВШЭ. Тезисы докладов / Науч. ред.: А. Н. Тихонов, В. Н. Азаров, М. В. Карасев, В. П. Кулагин, Ю. JI. Леохин, Б. Г. Львов, У. В. Аристова, Н. С. Титкова. М.: МИЭМ НИУ ВШЭ, 2013,- С. 186-187. (0,09 авт. л.).

12. Патент РФ на изобретение № 2 484 559. Печатная плата с подвешенной подложкой //Э.А. Закирова. Опубл. в БИ №16, 2013. (0,36 авт. л.) (в соавторстве с A.A. Елизаровым, личный вклад 0,18 авт. л.).

13. Патент РФ на полезную модель № 124445. Микрополосковый фильтр на штыревой гребенке с многослойной подложкой // Э.А. Закирова. Опубл. в БИ № 2, 2013. (0,36 авт. л.) (в соавторстве с A.A. Елизаровым, личный вклад 0,18 авт. л.).

14. Патент РФ на полезную модель № 133655. Микрополосковая спиральная антенна с двусторонней круговой поляризацией // Э.А. Закирова. Опубл. в БИ № 29, 2013. (0,36 авт. л.) (в соавторстве с A.A. Елизаровым, личный вклад 0,18 авт. л.).

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1*. Политехнический словарь. Редкол.: Ишлинский А.Ю. и др. М.: Советская энциклопедия, 1989.

2*. Кечиев Л.Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры. М.: ООО «Группа

«ИДТ», 2007.

3*. Khandpur R.S. Printed Circuit Boards. Design, Fabrication, Assembly and Testing. McGrow-HiH Сотр., Inc., 2006. 4*. Imanaka Y. Multilayered Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC) Technology. Springer Science, Inc., 2005. 5*. Технологии в производстве электроники. Часть III. Гибкие печатные платы / Под общ. ред. А.М.Медведева и Г.В.Мылова. М.: ООО «Группа «ИДТ», 2008.

6*. Электродинамический расчет характеристик полосковых антенн / Б.А.Панченко, С.Т.Князев и др. М.: Радио и связь, 2002.

7*. Елизаров A.A., Пчельников Ю.Н. Радиоволновые элементы технологических приборов и устройств с использованием электродинамических замедляющих систем. М.: Радио и связь, 2002.

8 . Чебышев В.В. Электродинамика излучающих и направляющих полосковых структур в слоистых средах. М.: ИД «Медиа Паблишер», 2011.

9 . Вендик И.Б., Вендик О.Г. Метаматериалы и их применение в технике сверхвысоких частот (обзор) // Журнал технической физики.-2013.-Т.83,- вып.1. - С.3-28.

10 . Metamaterials Handbook: Vol. I. Phenomena and Theory of Metamaterials, 926 p. Vol. II. Applications of Metamaterials, 724 p. / Ed. by F. Capolino CRC Press, Taylor & Francis Group, 2009.

Лицензия ЛР № 020832 от «15» октября 1993 г. Подписано в печать <.([9» 20 1Ч г. Формат 60x84/16

Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1.

Тираж 110 экз. Заказ №б2_Типография издательства НИУ ВШЭ, 125319, г. Москва, Кочновский пр-д., д. 3.