Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние и тенденции развития методов проектирования и конструкций печатных плат свч диапазона 16
1.1 История изобретения и тенденции развития печатных плат 18
1.2 Краткий обзор современных публикаций по печатным платам и микрополосковым СВЧ устройствам на их основе 22
1.3 Физические и конструктивно-технологические особенности многослойных печатных плат 25
1.3.1 Печатные платы на фторопластовом основании 27
1.3.2 Печатные платы на керамическом основании 30
1.3.3 Гибкие печатные платы на основе жидкокристаллических полимеров 38
1.4 Микрополосковые СВЧ устройства на печатных платах с многослойными диэлектрическими подложками 44
1.5 Анализ методов расчета, проектирования и моделирования микрополосковых СВЧ устройств на печатных платах с многослойными диэлектрическими подложками 51
1.6 Выводы по главе 1 57
ГЛАВА 2. Исследование физических ограничений и потерь в моделях печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками и свч устройствах на их основе 59
2.1 Анализ физических ограничений и потерь в металлических проводниках 59
2.2 Анализ физических ограничений и потерь в диэлектрических материалах 62
2.3 Дисперсия диэлектрической проницаемости и необходимость ее учета 66
2.4 Анализ паразитных колебаний и волн в микрополосковых линиях с учетом многомодовой дисперсии 69
2.5 Выводы по главе 2 77
ГЛАВА 3. Исследование особенностей паразитного излучения из многослойных диэлектрических подложек печатных плат и свч устройств на их основе 79
3.1 Анализ паразитного излучения кромок многослойных диэлектрических подложек печатных плат СВЧ диапазона 79
3.2 Энергетические характеристики паразитного излучения кромок 89
3.3 Выводы по главе 3 92
ГЛАВА 4. Компьютерное моделирование и проектирование икрополосковых свч устройств на основе многослойных подложек печатных плат с помощью программных средств awr design environment (microwave office) 94
4.1 Краткий обзор программных средств для решения электродинамических задач 94
4.2 Метод моментов и его практическая реализация в программе AWR Design Environment (Microwave Office) 96
4.2.1 Обобщенная формулировка электродинамической задачи 96
4.2.2 Описание моделируемой электродинамической структуры 98
4.2.3 Формулировка и алгоритм метода моментов 101
4.2.4 Формирование и численное решение матрицы моментов 106
4.3 Пример моделирования межслойного перехода на основе
копланарной линии 111
- Физические и конструктивно-технологические особенности многослойных печатных плат
- Анализ паразитных колебаний и волн в микрополосковых линиях с учетом многомодовой дисперсии
- Анализ паразитного излучения кромок многослойных диэлектрических подложек печатных плат СВЧ диапазона
- Метод моментов и его практическая реализация в программе AWR Design Environment (Microwave Office)
Физические и конструктивно-технологические особенности многослойных печатных плат
Многослойные печатные платы, производимые в настоящее время рядом отечественных и зарубежных фирм, применительно к микрополосковым устройствам СВЧ диапазона, отличаются, прежде всего, материалами подложек. Так, например, группа российских предприятий PSElectro ООО «Электроконнект» выпускает в настоящее время платы для ВЧ и СВЧ устройств на фторопластовом основании, изготовленные из материалов ФЛАН, Дифлар, Rogers, Arlon, Taconics и др. (рисунок 1.3, а) [17]. Такие платы отличаются малой диэлектрической проницаемостью, не превышающей трех, минимальным тангенсом угла диэлектрических потерь, а также хорошей термомеханической стабильностью. Этой же фирмой выпускаются термостабильные печатные платы СВЧ на углеводородной керамической основе из оксида или нитрида алюминия, применяемые для спутниковых систем связи и микрополосковых антенн (рисунок 1.3, б).
Особый интерес для СВЧ диапазона представляют также гибкие печатные платы, выпуск которых налажен ПТК «Печатные платы» ФГУП «Рязанский приборный завод» [18], выполняемые в виде различных систем гибких шлейфов, содержащих многослойную структуру соединений. Такие платы с согласованными линиями передачи представляют альтернативу СВЧ линиям связи на расстояниях до 75 см и производительностью передачи информации до 10 Gbps (рисунок 1.4), что позволяет использовать их для авионики и другой специальной техники нового поколения. Рисунок 1.4 - Гибкие печатные платы
Проанализируем ниже подробнее физические и конструктивно-технологические свойства материалов подложек, используемые для многослойных печатных плат СВЧ диапазона.
Термин «фторопластовое основание» подразумевает использование материалов на основе полимера тетрафторэтилена (ПТФЭ). ПТФЭ или тефлон, был открыт в 1938 году Роем Планкеттом благодаря случайно произошедшему процессу спонтанной полимеризации газообразного тетрафторэтилена в белый порошок, похожий на парафин. Патент на открытие тефлона принадлежит американской фирме DuPont [19].
Благодаря своим уникальным физико-химическим и
конструктивным свойствам, тефлон нашел широкое применение в ВЧ и СВЧ технике и технологиях [20, 21]. Этот материал отличается очень высокой теплостойкостью, стабильностью диэлектрической проницаемости от температуры и крайне низким уровнем диэлектрических потерь. Все это предопределило его широкое использование в аэрокосмической и военной радиоэлектронной аппаратуре, а также бытовых устройствах [22].
Сравнительные характеристики производимых материалов на основе тефлона приведены в таблице 1.1.
Торговая марка Материал Толщина, мкм Диэлектрическая проницаемость Тангенс угладиэлектричес-кихпотерь на частоте10 ГГц Теплопроводность, Вт/мК Материал Rogers RO3003 760 3 0,0013 0,5 тефлон +наполнитель(керамика) RO3006 635 6,15 0,0024 0,61 RO3006 1270 RO3010 635 10,2 0,0035 0,66 RO3010 1270 Arlon AR 600 635 6 0,0035 0,43 тефлон +стекловолокно +керамика AR 1000 635 10 0,65 Taconic RF-60 635 6,15 0,0028 0,5 тефлон +стекловолокно +керамика Из приведенной таблицы 1.1 видно, что кроме тефлона материал подложки содержит стекловолокно, служащее для увеличения механической прочности, а также керамику, улучшающую температурную стабильность. Однако следует отметить, что использование керамики накладывает определенные ограничения на конструктивные свойства печатной платы. Так ее минимальная толщина ограничивается 120 мм, что соответствует минимальному размеру частиц керамики. Кроме того, ограничивается и минимальный размер между отверстиями в плате – он не может быть выполнен менее 250 мм. При разработке микрополосковых СВЧ устройств особое внимание уделяется согласованию линий передачи, которое определяется величиной волнового сопротивления электродинамической структуры заданной топологии [2, 12-15, 23]. В этом случае малая диэлектрическая проницаемость подложки позволяет увеличить ширину микрополоскового проводника, а значит, снизить потери мощности принимаемого или передаваемого сигнала. Кроме того, изготовить более широкие проводники технологически значительно проще. Этот факт обеспечивает значительное преимущество фторопластовых оснований по сравнению с другими диэлектрическими подложками. В таблице 1.2 приведена зависимость ширины микрополосковых проводников от толщины и диэлектрической проницаемости подложек для обеспечения волнового сопротивления 50 Ом [21].
Благодаря сходству технологий производства печатных плат из стеклотекстолита FR4 и тефлона, практический интерес представляет создание многослойных плат, содержащих слои из обоих материалов. При этом в рамках одного комплексного радиотехнического устройства, СВЧ блоки могут быть выполнены на участках платы с фторопластовым основанием, а НЧ узлы на участках платы из стеклотекстолита. Это позволит в целом удешевить конструкцию устройства и обеспечить целостность информативного сигнала.
Несмотря на значительные преимущества, печатные платы на фторопластовом основании имеют и ряд недостатков. Так известны исследования, проведенные компанией Arlon [24], показавшие, что коэффициент рассеяния таких печатных плат существенно изменяется под воздействием температуры и влажности, что в конечном итоге может привести к ухудшению стабильности электрических параметров и характеристик устройств. Также отмечена зависимость накопления такой платой влаги от количества выполненных отверстий – чем их больше, тем больше влаги способна накопить плата. А это, в свою очередь, приведет к расслоению участков платы, образованию вздутий, трещин и деформаций.
Другим недостатком печатных плат на основе фторопласта является так называемый эффект переплетения (Weave effect) [22, 25]. Он заключается в неравномерности заполнения тефлоновой основы наполнителем из стекловолокна и керамики, что ведет к изменению диэлектрической проницаемости платы в целом, ухудшению дисперсионных свойств и выходных характеристик СВЧ модуля. Это особенно важно учитывать при необходимости уменьшения толщин слоев многослойной платы для разработки устройств миллиметрового диапазона.
В настоящее время проектирование микрополосковых устройств СВЧ осуществляется на базе керамических подложек, представляющих собой многослойные структуры, выполненные с использованием технологий высокотемпературного или низкотемпературного обжига [26]. Для создания изделий микроэлектроники широко используется технология HTCC (High Temperature Co-fired Ceramics) – на основе высокотемпературной керамики, спекаемой за одну технологическую стадию. К преимуществам технологии HTCC можно отнести высокую теплопроводность материала основания и механическую прочность, а также стабильность электрических параметров устройств (рисунок 1.5) [27 - 29]. Для изготовления подложек используется либо алюмоксидная керамика с 92% содержанием Al2O3, либо нитрид алюминия, обладающий почти на порядок большей теплопроводностью (100-170 Вт/мС) по сравнению с оксидом алюминия (20-30 Вт/мС). Спекание слоев оксида алюминия в технологии HTCC происходит при температуре около 1600С.
Анализ паразитных колебаний и волн в микрополосковых линиях с учетом многомодовой дисперсии
Для снижения потерь, вызванных поверхностным эффектом, увеличивают габаритные размеры микрополосковых линий, располагая их на некоторой высоте над опорными слоями керамической подложки. Увеличение ширины, а значит, и площади поверхности микрополоскового проводника, вызывает снижение его волнового сопротивления по переменному току. Такой метод ограничения потерь в микрополосковых линиях является стандартным и хорошо зарекомендовавшим себя при проектировании аналоговых СВЧ устройств [8, 36-38, 41,68]. Следует также отметить, что в настоящее время микрополосковая техника широко применяется для создания различных цифровых схем и устройств, работающих в диапазоне до нескольких десятков ГГц [2-4]. Рассмотренный выше метод ограничения потерь для них неприемлем по двум причинам. Во первых, с увеличением габаритных размеров микрополосковых проводников, пропорционально квадрату высоты линии растут перекрестные помехи в соседних печатных дорожках, что требует их разнесения на значительные расстояния. Во-вторых, в крупногабаритных микрополосковых линиях возникает многомодовый режим, то есть возбуждение нескольких типов волн, отличных от TEM. При этом каждая мода характеризуется собственной скоростью распространения. Поэтому даже если вся входная мощность одновременно переходит в мощность нескольких типов волн, они не достигают конца линии синфазно, что и является причиной искажения цифрового сигнала.
Проанализируем ниже физические особенности возникновения паразитных типов колебаний и волн в микрополосковых линиях и проведем оценку высоты микрополоскового проводника на керамической подложке, допустимой для передачи неискаженного цифрового сигнала.
Конструктивно микрополосковая линия состоит из узкой металлической полоски и заземляющей плоскости, разделенных тонким слоем диэлектрика [12 - 15] (рисунок 2.6, а). Щелевая линия геометрически дуальна микрополосковой линии и представляет собой узкий зазор между двумя нанесенными на диэлектрическую подложку проводящими плоскостями, одна из которых заземлена (рисунок 2.6, б).
Копланарный волновод (рисунок 2.6, в) состоит из центрального проводника и параллельных ему заземляющих плоскостей, расположенных симметрично по обе стороны от него на диэлектрической подложке.
Копланарные полосковые линии (рисунок 2.6, г) геометрически дуальны копланарному волноводу и состоят из двух проводящих полосок, разделенных зазором, одна из которых заземлена.
Основные виды потерь в рассматриваемых микрополосковых линиях на керамических подложках с высокой диэлектрической проницаемостью — это потери в металлизации и диэлектрике. Причем первые, как правило, выше. Поэтому потери в линиях, в
которых плотность тока максимальна на сторонах металлических полосок, обращенных друг к другу, меньше потерь в остальных линиях, где возрастание плотности тока наблюдается вблизи края металлических проводников у разделяющего их зазора.
Паразитные колебания и волны в микрополосковых линиях возникают при приближении длины волны передаваемого сигнала к ее габаритным размерам. При расположении микрополосковой дорожки непосредственно на керамической подложке, в структуре распространяется квази-Т волна, а также волна НЕ1, имеющая наименьшую критическую частоту. Если проводник микрополосковой линии поднят достаточно высоко над опорным керамическим слоем, часть энергии СВЧ сигнала переносится в виде Т-волны, а другая часть распространяется в виде гибридных колебаний, отражающихся от его границ. Таким образом проявляется дисперсия, приводящая к задержке различных волн сигнала из-за отличия их фазовых скоростей.
Пороговую частоту, с которой начинается многомодовый режим в микрополосковой линии, можно оценить приближенно как частоту, равную 1/10 от критической частоты, определяемой по формуле материала подложки, Ъ - ее толщина. Так для алюмоксидной керамики с -г=9,8 и толщиной 0,5 мм, fKp =95,8 ГГц. Однако данный результат получен без учета дисперсии.
Оценить влияние дисперсии при многомодовом режиме колебаний в микрополосковых линиях можно по изменению эффективной диэлектрической проницаемости еэфф материала подложки. С погрешностью, не превышающей +1 %, это изменение можно вычислить по следующим аппроксимированным формулам [68]:
Анализ паразитного излучения кромок многослойных диэлектрических подложек печатных плат СВЧ диапазона
Современный этап развития микрополосковой техники связан с необходимостью оценки и учета величины суммарных потерь, возникающих при заданной топологии структуры и конструкции СВЧ устройства [26, 62, 70, 71]. При этом важно учесть не только диэлектрические потери и потери, вызванные поверхностным эффектом, но и потери на излучение. Особую роль в этом случае играют потери на паразитное излучение кромок многослойных диэлектрических подложек печатных плат [71, 72]. Использование таких печатных плат позволяет обеспечить заданное распределение электромагнитного поля и, как следствие, улучшить выходные параметры проектируемого СВЧ устройства. Сочетание металлических и диэлектрических элементов плат усложняет физические процессы в таких структурах, приводит к явлениям дифракции, взаимной трансформации типов волн, их излучению и переизлучению.
Оценка паразитного излучения выполнена ниже на основе аналитического моделирования с помощью программных средств MathCAD и использованием соотношений для моделей однослойной печатной платы, полученных в работе [73]. В качестве первой модели рассмотрим излучение открытого конца однослойного плоскопараллельного волновода, который имитирует обрыв микрополосковой структуры. Основной интерес в этом случае представляют колебания типа E0i при условии, что d/k« 1. Для упрощения математических выкладок рассмотрим двумерную задачу, при условии, что — . Используя аппарат тензорных функций Грина, получим выражения для источников - поверхностных плотностей электрического J и магнитного 3м токов, связанных с электромагнитными полями Еи Н в виде: волны при использовании разложения тензоров Грина по системе собственных волн LE, LM показывает, что в неограниченной диэлектрической подложке поверхностная волна переносит часть мощности первичного источника. При удалении от границы раздела воздух-диэлектрик компоненты поля поверхностной волны убывают экспоненциально, т.е. эта волна не дает вклад в поле излучения в волновой зоне.
При вычислении поля в волновой зоне от пространственной волны можно использовать метод перевала, суть которого состоит в приближенной оценке интегралов вида: I(p) = (p{ YHS)d с при больших значениях параметра - объемной плотности зарядов. При условии, что функции () и ( ) являются аналитическими на контуре интегрирования С, получим: I(p) « epnio I К4) + о(р ) Е Г( П = 0 где Ьо- корень уравнения KboJ Переходя в выражениях для пространственной части поля к полярной системе координат x = psin3, z = pcos3 и используя полученную формулу для тока, получим: Щ «FP-e" ІГі-Г 2(ksine)l , где VV-cos 0. Отсюда находим диаграмму направленности открытого конца плоскопараллельного волновода или кромки однослойной микрополосковой структуры в виде Fx(3) = \\-Г 2 (ksin0)1 М) . С L J %xkd учетом условия Ы«1 формула упрощается: 2 1 Fm (3.1) . kd(s, - cos в) 1 + 7 — є1 sin в Влияние обрыва однослойной диэлектрической подложки на характеристики излучения исследуется на основе второй модели, содержащей кромку структуры и ограниченный участок диэлектрической подложки. Обрыв слоя диэлектрика приводит к тому, что электрические токи на экране, индуцированные компонентой поля ну, существуют на ограниченном участке экрана длиной L. Такая площадка с током является излучающей, т.е. происходит частичная трансформация поверхностной неизлучающей волны в пространственную излучающую волну.
Другим источником дополнительного вторичного излучения является скачок компонент поля Esx и Ну в сечении по всей высоте структуры -d x oo.
Определим вклад в поле излучения волновой зоны обоих дополнительных источников. Поверхностная плотность электрического тока на экране
Метод моментов и его практическая реализация в программе AWR Design Environment (Microwave Office)
Все электродинамические структуры, моделируемые с помощью EM Sight, сводятся к многослойным. Каждый из слоев представляет собой пассивную схему с дискретными элементами. Первый шаг в решении задачи с помощью EM Sight состоит в разбиении структуры и распределении ее по слоям. Включение активных элементов предполагает разделение задачи на EM-структуру и отдельные схемы, а также описание всей структуры в виде блоков, используя различные конструкции.
Формально в EM Sight не имеется ограничения на максимальное число слоев, но реально эта величина не превышает 5–10 слоев. Наиболее часто встречается случай проектирования двухслойной структуры, в которой верхний диэлектрик моделирует воздух, а нижний – подложку микрополосковой линии. Диэлектрические слои могут быть без потерь или с потерями. Если все диэлектрические слои структуры не имеют потерь, то элементы матрицы моментов – действительные числа.
Диэлектрический слой без потерь имеет тангенс угла диэлектрических потерь равный нулю и также нулевую объемную проводимость [56]. Если для какого-либо из диэлектрических слоев эти параметры не равны нулю, то для расчета элементов матрицы моментов требуется использовать комплексные значения. Преимущество использования диэлектриков без потерь состоит в том, что вычисление элементов матрицы моментов, использующее математику действительных чисел, выполняется значительно быстрее – в 3-7 раз, чем вычисление комплексных величин. В EM Sight производится разбиение металлических слоев на ячейки, чтобы представить планарную конструкцию в виде набора перекрывающихся треугольных функций в X и Y направлениях. Каждая такая функция строится на площадке, имеющей ширину, равную, по крайней мере, одной ячейке, и длину - двум ячейкам. Элементарная базисная функция имеет конфигурацию самого наименьшего планарного базиса и состоит из двух ячеек. Базисные функции размером больше, чем 1x1 ячейку, конструируются из взвешенной суммы элементарных базисных функций. Например, на рисунке 4.2 показаны базисные функции по координате Х, которые соответствуют прямоугольной ячейке, выделенной в основании графика. Пунктирные линии на рисунке 4.3 представляют собой однородную сетку координат, в то время как сплошные линии представляют ячейки с переменными размерами. Такие ячейки будут всегда соответствовать однородной сетке.
Для того чтобы использовать треугольную базисную функцию, необходимо осуществить привязку топологии электродинамической структуры к сетке. Метод решения, используемый EM Sight, требует, чтобы ее геометрические размеры были согласованы с узлами однородной прямоугольной сетки. Однородная сетка требуется потому, что точки излома треугольников должны совпасть с узлами однородной сетки. EM Sight, во время разбиения топологии, автоматически привяжет любые формы к сетке, хотя иногда это может привести к неправильным результатам.
Приведенные на рисунке 4.3 графики показывают базисные функции, используемые для моделирования тока только в направлении Х. Токи в направлении Y, будут представлены другим набором базисных функций по оси Y. Когда в расчете применяются «треугольные» функции как базисные, то их максимальные значения совпадают в одной точке, и они равны нулю в остальных узловых точках.
Рассмотрим случай, когда несколько проводящих объектов находятся в слоистой среде. Эта среда состоит из N параллельных слоев между верхним полупространством z 0 (обычно воздух) и земляной плоскостью z = -dN.
Предположим, что плоскость соприкосновения двух слоев может быть смоделирована как импедансная граница, на которой существует простая связь между тангенциальными составляющими электрического и магнитного поля, а именно: де Zs - поверхностный импеданс. Электрические и магнитные стенки включены в уравнение (4.4) как частные случаи при Zs = О или Zs =со соответственно [54, 78]. Существование импедансной стенки подразумевает, что задача может быть решена без знания фактических полей, которые могут существовать ниже конечной плоскости z = -dN.
Каждый слой считается изотропным, однородным и с возможными потерями, т. е. материал имеет комплексную диэлектрическую проницаемость є и комплексную магнитную проницаемость ju.
Аналогично предполагаем, что металлические проводники в слоистой среде характеризуются граничными условиями на своих поверхностях: где Zs - поверхностный импеданс, равный нулю для идеальных электрических проводников, п - вектор, нормальный к поверхности S (рисунок 4.4), Js - поверхностный ток, существующий в проводнике. Этот ток возбуждает поле Ееи, в свою очередь, создает отраженное поле Е . Суммарное поле в уравнении (4.5) - сумма возбуждаемых и рассеиваемых полей.
