КОРПУС ДЛЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ С ЭЛЕМЕНТОМ, ПРЕПЯТСТВУЮЩИМ РЕЗОНАНСУ ПОЛОСТИ
CASE FOR ELECTRONIC CIRCUITS WITH ELEMENT PREVENTING CAVITY RESONANCE

Это изобретение относится к области корпусов электрических схем, а более конкретно к корпусам для схем, рассчитанным на работу на радиочастоте, на частотах микроволн, миллиметровых волн и вплоть до терагерцового диапазона волн. Для целей этого описания такие частоты будут собирательно называться высокими частотами.
Электрические схемы, работающие на высоких частотах, вследствие своих свойств часто излучают электромагнитную (ЕМ) энергию. Такое излучение часто является нежелательным и может создавать проблемы, если излучение отводится в соседние компоненты или токопроводящие дорожки печатной платы и т.д., и может приводить к непредсказуемому или нежелательному режиму работы схемы. По этой причине особенно чувствительные части схемы или те компоненты, которые особенно чувствительны к излучению, часто заключают в металлические или иные электропроводные корпуса. Этим можно ослабить связь между схемами, установленными в отдельных корпусах, и таким образом частично снять проблему. Однако иногда это может приводить к усилению электромагнитной связи внутри отдельного металлического корпуса, приводя к возникновению обратной связи конкретной подсхемы, установленной внутри корпуса, замкнутой на саму себя или на другие подсхемы внутри того же самого корпуса.
Проблема усугубляется по мере того, как рабочая частота становится более высокой, поскольку длина волны электромагнитного излучения становится соответственно более короткой и, следовательно более близкой к длине волны, на которой сам корпус будет резонировать. Резонансы могут вызывать сильное возрастание напряженностей полей и поэтому в результате будут способствовать усилению связи между компонентами или токопроводящими дорожками печатной платы или даже между различными элементами одного и того же компонента внутри корпуса, что в большинстве случаев может приводить к нежелательному режиму работы схемы и даже к генерации, если имеются активные схемы.
Известное решение заключается в покрытии верха и/или боковых поверхностей корпуса поглощающим излучение материалом (ПИМ, RAM) или в помещении в полость брусков из поглощающего излучение материала. Поглощающий излучение материал представляет собой материал, имеющий такие характеристики, что он не обладает свойством отражать падающее электромагнитное излучение или обеспечивать возможность прохождения излучения. Вместо этого он рассчитан на поглощение излучения, эффективно рассеивая энергию в виде теплоты. Некоторые виды этих материалов являются довольно толстыми, поскольку для эффективности необходимо согласование импеданса излучаемой волны с сопротивлением рассеивающего энергию вещества в поглощающем излучение материале. Этим затрудняется использование их в высокочастотных корпусах, особенно на частотах миллиметровых волн, из-за размера корпуса, требуемого для согласования с поглощающим излучение материалом, и необходимости изготовления материалов с нужными параметрами материала.
Поглощающие излучение материалы других видов являются намного более тонкими. Emerson and Cuming Microwave Components изготавливает ряд листовых материалов, способных функционировать в качестве поглощающего излучение материала. Некоторые из них основаны на зависимых от длины волны эффектах и поэтому по своему существу являются узкополосными. Для уменьшения отражений от поверхности материалы других видов имеют удельное сопротивление, которое является градационным по толщине материала. Они работают в более широкой полосе частот, но также имеют свойство быть более толстыми. При использовании в полости, в которой установлены электронные компоненты, эффективность поглощения этих материалов имеет тенденцию понижаться по мере повышения рабочей частоты схем.
-1
-1
В патенте США №6054766 раскрыт корпус электрической схемы, спроектированный для решения некоторых проблем, описанных выше. Раскрытый корпус выполнен целиком или частично из кремниевых пластин, имеющих заданную удельную электропроводность σ от 1 до 10 Ом·м. Традиционно корпусы для высокочастотных схем часто изготавливают из цельного куска алюминия с полостями, полученными фрезерованием, для помещения в них самих схем. Поэтому для реализации патента США №6054766 необходимо отказаться от традиционных корпусов или в лучшем случае видоизменить их с тем, чтобы обеспечить возможность использования описанных кремниевых пластин.
Монолитные микроволновые интегральные схемы (MMIC), работающие на нескольких десятках гигагерц, размещают в корпусы, используя технологию перевернутого кристалла, в соответствии с которой для подавления паразитных мод колебаний внутри корпуса монолитную микроволновую интегральную схему присоединяют к кремниевой подложке с потерями. Это описано в “A flip-chip packaged coplanar 94 GHz amplifier module with efficient suppression of parasitic substrate effects”, Tessmann et al., IEE Microwave and Wireless Components Letters, vol.14, №4, April 2004. Поскольку технология перевернутого кристалла включает в себя расположение прибора на подложке перевернутым, то, как только он присоединен, становится трудно получать доступ к прибору для последующих исследований, обращений или модификаций, так что эта технология не является пригодной для всех ситуаций. Кроме того, имеются проблемы, связанные с сохранением расчетных электрических характеристик, например частотной характеристики, когда прибор перевернут.
В патентной заявке Великобритании №0128208.6 описано средство для экранирования электромагнитной помехи, в котором в полости использована разделительная стенка, закрепленная на крышке, при этом стенка эффективно разделяет полость на небольшие части. Стенка расположена так и имеет такую форму, что отделенные компоненты внутри полости эффективно изолированы друг от друга. Этот способ утрачивает свою эффективность, если чувствительные компоненты установлены очень близко к излучающим компонентам.
Задача настоящего изобретения заключается в по меньшей мере уменьшении проблем предшествующего уровня техники.
Согласно первому объекту настоящего изобретения предложен корпус для высокочастотной электрической схемы, содержащий полость, образованную внутри материала, для укрытия электрической схемы, отличающийся тем, что корпус дополнительно содержит материал, имеющий по меньшей мере одну поверхность, заходящую в корпус, при этом одна или каждая поверхность имеет на себе электропроводный материал, удельная электропроводность которого задана так, чтобы он был по меньшей мере отчасти поглотителем электромагнитного излучения.
В дополнение к любым электрическим схемам полость может содержать объем, по меньшей мере частично включающий в себя газ, такой как воздух, или диэлектрический материал, или вакуум. Электропроводная поверхность может быть поверхностью на диэлектрическом материале.
Электропроводная поверхность может быть поверхностью из удлиненного тонкого материала, поэтому по форме материал имеет сходство с пластиной. Материал может представлять собой диэлектрик, на который нанесена электропроводная поверхность. Он может создавать механическую опору для электропроводной поверхности. В качестве альтернативы электропроводная поверхность может быть поверхностью из более крупного массивного материала, такого как диэлектрический материал или электропроводный материал. В этом случае поверхность может быть внешней поверхностью массивного материала или может быть внутренней поверхностью, такой как сама электропроводная поверхность, полностью окруженная сплошным диэлектрическим материалом.
Обнаружено, что для материала электропроводной поверхности, заходящей в полость, характерна тенденция ослаблять любое электрическое поле, имеющееся в полости, поскольку электрическое поле наводит токи в электропроводном материале и по меньшей мере частично рассеивается в виде теплоты. Предпочтительно иметь электропроводный материал с удельным сопротивлением, подходящим для отведения электрических полей, имеющихся в корпусе, в электропроводный материал. С достижением преимущества удельное сопротивление электропроводного материала может быть задано в основном из условия согласования с импедансом электрического поля, существование которого ожидается в корпусе в том случае, если электропроводный материал не присутствует. Этим повышается эффективность поглощения электрического поля электропроводным материалом.
Вдобавок к поглощению мощности в электропроводной поверхности дополнительным эффектом изобретения является эффект отсечки мод низшего порядка, при этом электропроводная поверхность функционирует так, по меньшей мере отчасти, что уменьшает размеры полости, в которой она установлена. Это может быть полезно вследствие характера распространения поля в полости. Картина распространения поля внутри полости определяется модами. Моды, которые существуют в полости, зависят от размеров полости, соотнесенных с длиной волны излучения, распространяющегося внутри полости, при этом размером полости налагается верхняя граница на длину волны, которая может содержаться в моде. Поэтому посредством электропроводной поверхности, примененной в корпусе согласно настоящему изобретению, можно сделать так, что полость внутри корпуса окажется меньшей, и поскольку это касается излучения внутри полости, то тем самым предотвращается распространение моды внутри полости. Или же если эта мода является всего единственной, которая может существовать из-за размеров полости рабочей длины волны, то суммарная излучаемая энергия внутри полости будет значительно снижена. В случае использования при реализации изобретения диэлектрических материалов, описанных в настоящей заявке, корпус будет электрически казаться большим по сравнению с физическими размерами. Это происходит вследствие уменьшения длины волны электромагнитных полей внутри диэлектрика с повышенной диэлектрической постоянной. Предпочтительно, чтобы эти эффекты учитывались при рассмотрении конструктивного оформления любого диэлектрического материала, используемого для поддержания электропроводной поверхности.
Электропроводная поверхность может быть плоской или может иметь любую другую подходящую форму. В частности, это может быть форма, согласованная некоторым способом с формой полости, в которую она заходит. С достижением преимущества электропроводная поверхность может иметь цилиндрическую форму, такую как поверхность отверстия, образованного в диэлектрическом материале, при этом покрытие электропроводной поверхности нанесено на стенку отверстия. Другие формы могут быть подходящими для электропроводной поверхности, такие как криволинейные, или в виде множества плоских поверхностей, имеющих различные ориентации, которые могут быть приспособлены для согласования некоторым образом с размещением электрических схем внутри полости.
Может быть множество электропроводных поверхностей, размещенных внутри единственного корпуса электрической схемы. Это особенно выгодно, когда полость внутри корпуса является относительно большой по сравнению с рабочей длиной волны. Такие полости будут способствовать наличию более сложных мод, которые могут быть легче подавлены путем использования множества соответствующим образом разнесенных электропроводных поверхностей. При желании относительный размер и разнесение электропроводных поверхностей можно задавать из условия подавления некоторых мод и в то же время обеспечивать возможность существования в полости других мод. Предпочтительно, чтобы эта или каждая электропроводная поверхность находилась в полости на месте, относительно которого известно существование или ожидается образование электрического поля высокой напряженности. Такое размещение приводит к повышению эффективности поглощения любого распространяющегося электрического поля.
Материал, содержащий электропроводную поверхность, может быть непосредственно соединен с внутренней поверхностью корпуса или в качестве альтернативы может быть соединен опосредованно путем закрепления через посредство поддерживающего материала, на котором она образована, такого как диэлектрический материал. Плоскость электропроводной поверхности может быть расположена, по существу, перпендикулярно к поверхности корпуса, к которому она прикреплена.
Материал, образующий электропроводную поверхность, может быть закреплен на диэлектрике, описанном выше, или в качестве альтернативы материал может быть сделан соответствующей толщины, такой, чтобы он был достаточно прочным для прикрепления ко внутренней поверхности корпуса без всякой дополнительной механической опоры.
Если электропроводная поверхность и ее опора имеют форму пластины, то эта пластина обычно содержит лист, состоящий из одного или нескольких материалов, которые прикреплены к корпусу или же образуют часть его путем соединения с внутренней поверхностью корпуса вдоль края листа. Пластина может быть образована из любого подходящего материала. В частности, пластина может быть выполнена из материала, который сам является электропроводным, но предпочтительно, чтобы она была выполнена из диэлектрической подложки, имеющей основную поверхность, на которой образован электропроводный слой. Такой электропроводный слой может быть нанесен на часть подложки или на всю подложку. Предпочтительно, чтобы подложка была выполнена из материала с низкой диэлектрической постоянной. Среди других являются подходящими оксид алюминия, кварц, пластик, картон и стекло. Электропроводным материалом может быть нихром или углеродсодержащий материал, такой как углеродная пленка, или любой другой подходящий материал.
Предпочтительно, чтобы электропроводная поверхность была расположена или установлена на легко удаляемой части корпуса, такой как крышка полости. Этим обеспечивается возможность удобного введения электропроводной поверхности в объем полости путем установки или же размещения крышки или другой съемной части на корпусе. Этим обеспечивается возможность удобной модификации или замены с тем, чтобы можно было получать оптимальные результаты для различных распределений электрического поля внутри корпуса. В качестве альтернативы электропроводная поверхность может быть расположена или установлена на фиксированной поверхности полости, такой как боковая стенка.
Электропроводная поверхность может быть образована так, чтобы она составляла одно целое с корпусом и чтобы частично содержала тот же самый материал, из которого выполнен корпус, или она может быть установлена на корпус, или прикреплена к нему непосредственно или косвенно в качестве отдельной операции. Электропроводная поверхность может быть установлена так, чтобы она находилась в электрическом соединении с поверхностью, на которую она установлена. Она может быть прикреплена к корпусу путем использования любого подходящего средства, такого как эпоксидная смола, которая может быть, но необязательно, электропроводной, или в случае пластины путем использования фрикционной посадки в паз в корпусе, хотя могут быть использованы другие подходящие средства.
Резистивные свойства электропроводного материала могут быть выбраны на основе расчетных или оценочных значений импеданса для конкретного корпуса, и электрических характеристик, и предполагаемой рабочей частоты. Такой расчет или оценивание можно осуществлять аналитически или численно и предпочтительно выполнять их путем использования средства компьютерного моделирования, но в качестве альтернативы можно выполнять путем использования метода проб и ошибок. Обнаружено, что хорошие результаты могут быть получены без необходимости точного согласования удельной электропроводности с импедансом излучения внутри полости и что существенное улучшение характеристик схем может быть получено даже в случае, если между ними двумя имеется некоторое рассогласование. Поэтому само изобретение весьма способствует применению метода проб и ошибок для изготовления корпуса.
Корпус может быть изготовлен из любого подходящего материала, такого как фрезерованный материал с металлическими свойствами. Он также может быть изготовлен из неэлектропроводного материала, при этом предпочтительно, чтобы внутренние поверхности корпуса содержали электропроводный слой. Корпус также может быть образован путем выполнения полости внутри диэлектрического материала, при этом электропроводные стенки обеспечиваются множеством электропроводных сквозных отверстий. Если сквозные отверстия расположить близко в соответствии с заданной рабочей длиной волны, то они будут действовать как непрерывная электропроводная поверхность на этих длинах волн. Возможно, что такие электропроводные слои, нанесенные на внутреннюю поверхность корпуса, будут иметь характеристики электропроводности, отличные от характеристик электропроводности электропроводного слоя согласно настоящему изобретению.
Согласно второму объекту настоящего изобретения предложена пластина для подавления излучения мод полости, выполненная с возможностью установки внутри корпуса для высокочастотной электрической схемы, при этом пластина содержит по меньшей мере частично слой электропроводного материала, электропроводность которого задана так, чтобы он был по меньшей мере отчасти поглотителем электромагнитного излучения.
Предпочтительно, чтобы пластина содержала подложку, на которой закреплен электропроводный слой, детализированный выше.
Предпочтительно, чтобы пластина была прикреплена своим краем к внутренней поверхности корпуса.
Согласно третьему объекту настоящего изобретения предложена высокочастотная электрическая схема, установленная внутри полости в корпусе, при этом полость имеет внутреннюю поверхность, на которой расположен материал, имеющий электропроводную поверхность, заходящую в корпус, электропроводность ее задана так, чтобы она была по меньшей мере отчасти поглотителем электромагнитного излучения. Электропроводная поверхность, относящаяся к другим объектам изобретения, описана выше.
Согласно четвертому объекту настоящего изобретения предложен способ изготовления корпуса для высокочастотной электрической схемы, содержащий этапы, на которых располагают электропроводную поверхность на внутренней поверхности корпуса, при этом электропроводная поверхность заходит в корпус, а удельную электропроводность ее задают так, чтобы она была по меньшей мере отчасти поглотителем электромагнитного излучения.
Теперь только для примера изобретение будет описано более подробно со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1 - схематический вид усилителя, помещенного в полость корпуса известным способом;
фиг.2 - схематическая иллюстрация формирования мод электромагнитного излучения внутри полости;
фиг.3 - схематический вид первого варианта осуществления настоящего изобретения, при этом единственная электропроводная поверхность в виде пластины установлена на крышке корпуса электрической схемы;
фиг.4 - схематическое сечение корпуса электрической схемы с установленной крышкой согласно настоящему изобретению;
фиг.5 - схематический вид, иллюстрирующий изображение корпуса электрической схемы с единственной пластиной, использованного в экспериментах по компьютерному моделированию;
фиг.6 - график модельных характеристик поглощения мощности в случае единственной пластины, установленной в корпусе;
фиг.7 - схематический вид, иллюстрирующий изображение корпуса электрической схемы с двумя пластинами, использованного в экспериментах по компьютерному моделированию;
фиг.8 - график модельных характеристик поглощения мощности для корпуса, содержащего две пластины;
фиг.9 - график для сравнения зависимости измеренного и модельного поглощений мощности от частоты при единственной пластине;
21
фиг.10 - график для сравнения зависимости измеренного и модельного коэффициентов (S) прямого прохождения от частоты при единственной пластине;
11
фиг.11 - график для сравнения зависимости измеренного и модельного коэффициентов (S) прямого отражения на входе от частоты при единственной пластине;
фиг.12 - схематический вид модельного корпуса, включающего в себя электрические схемы, и кривые прохождения и отражения на плечах корпуса, при этом корпус не имеет средства ослабления;
фиг.13 - схематический вид того же самого корпуса и кривые прохождения и отражения, как показанные на фиг.11, но на этот раз с включением ослабляющих пластин согласно настоящему изобретению;
фиг.14 - схематический вид альтернативного варианта осуществления настоящего изобретения, при этом электропроводная поверхность реализована на основании поверхностного выреза в диэлектрической пластине;
фиг.15 - график результатов моделирований прохождения между двумя плечами для варианта осуществления из фиг.14 вместе с графиком результатов для аналогичной полости, не включающей в себя электропроводные поверхности внутри диэлектрической пластины.
На фиг.1 показан вид сбоку с местным разрезом типичного корпуса, используемого для размещения высокочастотных электронных схем. Эти корпусы часто выполняют из алюминиевых брусков с полостями, образованными в брусках фрезерованием, для размещения схем. Алюминиевый брусок 1 содержит полость 2, в которой установлена подложка 3, которая сама имеет высокочастотные электрические компоненты 4, установленные на ней, которые совместно образуют электрическую схему. Отверстия 5a, 5b в бруске 1 предусмотрены для ввода и вывода сигналов, а при необходимости для других целей, например для проводников источника питания. Крышка 6, выполненная из алюминиевого листа, для ясности показана отделенной от бруска 1, но, конечно, должна быть прикреплена к бруску 1, когда схема 3, 4 находится в рабочем состоянии.
В процессе работы благодаря свойствам электрических схем электромагнитное излучение 7 будет исходить от самих схем 3, 4 в полость 2. Это излучение может ответвляться в моду полости и, следовательно, к другим частям схемы и поэтому приводить к нежелательному режиму работы схемы. Известный способ подавления такого излучения 7 заключается в прикреплении к части или ко всей нижней стороне крышки 6 поглощающего излучение материала 8. Поглощающий излучение материал 8 ослабляет уровень отражения излучения 7 от крышки 6 и поэтому уменьшает энергию, которая может быть отведена обратно к схемам 3, 4. Однако по мере повышения рабочей частоты этот способ становится менее эффективным. Ослабление не является полным, а для потерь в поглощающем излучение материале характерна тенденция к снижению с частотой, и имеющийся импеданс может не обеспечивать оптимальных условий для ослабления.
На фиг.2 показано формирование мод внутри корпуса того типа, который показан на фиг.1. На ней показаны результаты компьютерного моделирования формирования мод на трех дискретных частотах простой пассивной микроволновой схемы в полости 200 размерами 6,6 мм×4,52 мм×1,0 мм. Модельная схема содержит два плеча 201, 202, каждое из которых связано с линией передачи (не показанной), направленной к центру полости, при этом каждая линия передачи заканчивается разомкнутой цепью, но каждая также имеет обычный согласующий шлейф (не показанный).
На фиг.2а показано формирование мод на первой резонансной частоте полости, на 38,1 ГГц. Линии 204 отображают линии равной напряженности электрического поля, при этом меньшие петли указывают на более высокую напряженность поля. Ими показано электрическое поле, сводящееся к единственному пику в центре полости 200.
На фиг.2b показано формирование мод на второй резонансной частоте полости, на частоте 53,9 ГГц. Можно видеть, что теперь внутри полости 200 имеются два пика электрического поля, образованные симметрично относительно центра полости, при этом нуль 205 поля проходит через центр полости 200.
Такие формирования мод продолжают видоизменяться по мере повышения частоты. На фиг.2с показан пятый резонанс полости на 76,6 ГГц. Образуются четыре пика электрического поля, при этом нулевые области 205, 206 проходят через центр полости в двух направлениях.
Возможно, что практическая система будет работать на других частотах, а не на частотах точных резонансов, показанных выше, и поэтому картины электрического поля, образующегося при такой работе, будут в большинстве случаев более сложными и динамичными. Однако на фиг.2 показаны поля, которые имеют тенденцию формироваться и путем осуществления этого создают проблемы связи, описанные в настоящей заявке.
Картины электрических полей на фиг.2 показаны для иллюстрации проблемы, подлежащей решению.
На фиг.3 показан первый вариант осуществления настоящего изобретения. На ней показана крышка 9, которая имеет установленную на нее электропроводную поверхность в виде пластины 10. Пластина 10 закреплена на краю 11 в пазу посредством электропроводной эпоксидной смолы. Пластина 11 выполнена из оксида алюминия и покрыта электропроводной пленкой из нихрома. На практике крышку 9 устанавливают на алюминиевый брусок (не показанный на этой фигуре) так, чтобы пластина 10 находилась внутри полости, образованной в бруске.
На фиг.4 показана крышка, такая же, как показанная на фиг.3, установленная на корпусе. Крышка 9 с прикрепленной к ней пластиной 10 расположена на верхней части бруска 1, то есть аналогично крышке, показанной на фиг.1. Возможно, что на практике полость 2 будет относительно неглубокой, так что нижняя часть пластины 10 будет вблизи электрических схем, фиг.4 выполнена не в масштабе. Обнаружено, что между нижней частью пластины и электрической схемой применим зазор от 50 мкм до 100 мкм, хотя хорошие характеристики могут быть получены путем использования и других размеров зазора. Пластина 10 или другая такая электропроводная поверхность в большинстве случаев должна быть расположена внутри полости 2 для максимизации поглощения энергии из полости. Часто ее положение можно определить путем моделирования физических и электрических характеристик полости на частотах, представляющих интерес, как это было сделано и показано на фиг.2. Например, необходимо выполнить моделирование проявления единственного доминирующего пика электрического поля в центре полости, подобного пику из фигуры 2а, в этом случае пластина, расположенная центрально в полости, будет целесообразной.

Варианты осуществления настоящего изобретения и полости, к которым они могут быть применены, включая полость, показанную на фиг.2, моделировались путем использования пакета программного обеспечения HFSS. Он является пакетом программ для моделирования, написанных Ansoft, и в нем использованы методы конечных элементов для вычисления графического отображения основных величин электромагнитного поля. В этом конкретном пакете программ для моделирования не предполагается учет элементов, имеющих усиление, и поэтому обыкновенная полость, имеющая прямоугольное поперечное сечение и не имеющая внутри источников, была использована как эталон для всех имитационных моделей изобретения, рассмотренных в этом описании. На фиг.5 показана полость 12 с электропроводной поверхностью, нанесенной на пластину 13, установленную центрально до верхней поверхности полости. Пунктирными участками показаны плечи 14, 15 волновода, которые облегчают моделирование ввода энергии в полость 12 и вывода из нее. Схема моделирования дает возможность изменять многие параметры и определять следствия. Изменяемыми параметрами были материал и толщина подложки пластины, удельная электропроводность и толщина (совместно определяющие поверхностное сопротивление) электропроводной пленки, нанесенной на подложку, и рабочие частоты.
Диэлектрические постоянные подложки пластины, использованные при моделировании, имеют значения, показанные в табл.1.
Таблица 1
ε<sub>r</sub>
Моделируемый материал
1
Нет подложки
3
Кварц
10
Оксид алюминия
Важным параметром является мощность, поглощаемая электропроводной поверхностью пластины из энергии, проходящей между плечами 14, 15. Обнаружено, что различные диэлектрические постоянные, использованные при моделировании, оказывают всего лишь небольшое влияние на поглощение мощности пластиной. Было обнаружено, что в случае материалов с более высокой диэлектрической постоянной поглощение возрастает незначительно, что можно ожидать вследствие дополнительной концентрации поля, которая происходит в подложке пластины.
Кроме того, было обнаружено, что изменение поглощения мощности с изменением входной частоты также небольшое. Когда моделирование проводилось в диапазоне 70-90 ГГц, поглощение мощности изменялось от около 65% до около 70% при самой лучшей модельной удельной электропроводности покрытия. Основная причина такого изменения с частотой заключается в том, что импеданс волновода и, следовательно, согласование электрического поля с электропроводной поверхностью пластины являются зависимыми от частоты.
Обнаружено, что поверхностное сопротивление электропроводной пленки на подложке оказывает намного более сильное влияние на характеристики поглощения мощности пластиной. В зависимости от размеров полости по отношению к длине волны распространяющегося излучения (показанного на фиг.2) и также геометрии возбуждения при испускании электромагнитного излучения внутри полости будут устанавливаться одна или несколько мод распространения. Некоторые или же все эти моды могут быть нераспространяющимися модами. Импеданс, определяемый отношением электрического и магнитного полей, в конкретной точке полости будет изменяться в соответствии с модами, установившимися в полости.
nm
Максимальное поглощение мощности внутри пластины будет происходить, когда сопротивление пластины согласовано с характеристическим сопротивлением волны. Для конкретной прямоугольной полости (при отсутствии пластины) величины характеристических сопротивлений волны для некоторых поперечных электрических волн (ТЕ) низшего порядка, обозначенных как TE, вычислены на частоте 80 ГГц и представлены в табл.2.
Таблица 2
TE<sub>nm</sub>
n=0
n=1
n=2
m=0
-
427
1083
m=1
273
259
226
m=2
116
114
111
m=3
75
75
74
Поэтому электропроводная поверхность должна быть сделана идеально согласованной с соответствующими модами в полости. Однако введение объектов в полость может изменить имеющиеся моды, поддерживаемые в полости, которые могут быть распространяющимися или нераспространяющимися. Это также применимо к настоящему изобретению независимо от того, используется ли электропроводная поверхность в виде пластины или в виде поверхности из материала с большей диэлектрической постоянной. Это следует учитывать при оценивании поверхностного сопротивления и толщины пленки, используемой для покрытия подложки пластины.
r
На фиг.6 представлен график, иллюстрирующий влияние поверхностного сопротивления на поглощаемую мощность для полости с фиг.4. На графике показана зависимость поглощаемой мощности в процентах от поверхностного сопротивления электропроводной пленки, нанесенной на подложку пластины толщиной 0,01 дюйма (0,254 мм) с ε=10, при частоте сигнала 80 ГГц. Показаны четыре кривые, и ими представлены толщины пленки 3 мкм, 1 мкм, 0,5 мкм и 0,1 мкм. Во всех случаях поверхностное сопротивление, соответствующее наибольшему поглощению мощности, находится между приблизительно 100 Ом/ и 200 Ом/ и является точно согласованным с модами m=2 из табл.2. Обнаружено, что пленочное покрытие 3 мкм должно быть наиболее эффективным поглотителем.
На фиг.7 показан вариант осуществления настоящего изобретения с использованием двух пластин 16, 17, установленных внутри полости 18 так, что они находятся на одинаковом расстоянии друг от друга и от боковых стенок 19 полости 18. Поскольку теперь в полости находятся два объекта, то преобладающие моды внутри него изменяются, и поэтому также изменяются сопротивления электромагнитного излучения, создающего моды.
График мощности, поглощаемой обеими пластинами 16, 17, в зависимости от их поверхностного сопротивления показан на фиг.8, при этом по сравнению со случаем единственной пластины из фиг.6 имеются различия в поверхностных сопротивлениях, при которых поглощается максимальная мощность, и в самих значениях максимального поглощения. Обнаружено, что при поверхностных сопротивлениях около 50-90 Ом/ наибольшее поглощение согласовано с модами m=3 из табл.2.
Как показано выше, поверхностное сопротивление пленочного покрытия, используемого на электропроводной поверхности, такой как пластина, заходящая в полость, будет влиять на поглощение мощности пластиной в полости. Пленочное покрытие может быть приспособлено для усиления эффектов отсечки мод низшего порядка от поверхности и в то же время сохранения согласования импеданса с модами полости.
20
20
Эффективность настоящего изобретения ожидается из-за способов согласования импеданса, рассмотренных выше, и также вследствие эффекта отсечки мод низшего порядка. Глубина проникновения поля в материал обратно пропорциональна корню квадратному из электропроводности и рабочей частоты. Поверхностное сопротивление обратно пропорционально удельной электропроводности. Следовательно, путем выбора пленки с низкой электропроводностью может быть образована пластина, которая имеет эффективное поверхностное сопротивление, необходимое для поглощения на рабочей частоте. Вместе с тем, если пленка является достаточно толстой относительно глубины проникновения поля, этим будет создаваться пластина, действующая как металлическая стенка, повышающая минимальную частоту при распространении. Если пластину с этими свойствами поместить в центре волновода, она будет вынуждать распространяющуюся волну переходить в моду ТЕ, когда она проходит пластину. Если рабочая частота является слишком малой для поддержания моды ТЕ, волна не будет распространяться. Поэтому пластина будет действовать как аттенюатор на высоких частотах и как фильтр верхних частот.
Таким образом, при использовании пластины, имеющей более толстую электропроводную пленку, выполненную из материала, имеющего более низкую удельную электропроводность, она будет приближаться к свойствам металлической стенки, тем самым улучшая отсечку мод низшего порядка, и в то же время сохраняя согласование импеданса для всех мод, которые все же образуются.
Обнаружено, что, чем дальше пластина продвинута в полость корпуса, тем лучше пластина ослабляет излучение. Были изготовлены практические схемы, при этом электропроводная поверхность продолжалась, по существу, от верхней части полости до линии, отстоявшей от поверхности электрических устройств внутри полости приблизительно на 50 мкм. Аналогичный зазор использовался для получения всех модельных результатов, представленных в настоящей заявке.
Все расчеты, представленные выше, были получены на компьютерной системе путем использования имитационных моделей. Результаты количественных измерений были получены для полости прямоугольного поперечного сечения 2,4 мм×1,3 мм, и эти результаты сравнивались с компьютерными имитационными моделями для той же самой полости. Для облегчения измерений эта полость имела плечо на каждом конце, обеспечивавшее возможность осуществления точных измерений. Пластину, представлявшую собой лист оксида алюминия толщиной 0,254 мм (0,01 дюйма), на который была нанесена нихромовая пленка толщиной 90 нм, помещали в полость и осуществляли измерения, показывающие характеристики поглощения и отражения полости в пределах диапазона частот от 70 ГГц до 110 ГГц.
На фиг.9 показаны результаты для мощности, поглощаемой пластиной, и также результаты компьютерного моделирования полости. Результаты вполне удовлетворительно совпадают друг с другом, особенно на более высокочастотном конце графика.
21
На фиг.10 показан график параметра S, или коэффициента прямого прохождения, как для модельной, так и для измеренной полостей. И опять обнаружено удовлетворительное соответствие между ними двумя, особенно если учесть, что параметры нанесены на график в логарифмическом (дБ) масштабе.
11
На фиг.11 показан график параметра S, или коэффициента отражения на входе, как для модельной, так и для измеренной полостей. И снова обнаружена удовлетворительная степень подобия между ними двумя, если иметь в виду, что параметры нанесены на график в логарифмическом (дБ) масштабе.
Соответствие между результатами измерений и моделирования указывает на достоверность имитационных моделирований, выполненных для замкнутой полости, представленной на фиг.2-7.
На фиг.12 и 13 количественно показано улучшение, которое является результатом использования изобретения, описываемого в настоящей заявке, характеристик корпуса, включая в себя электрические компоненты на высокой частоте. На фиг.12а показана модель корпуса 100, который имеет два плеча 101, 102. Каждое плечо 101, 102 имеет электрическую цепь, содержащую микрополосковую линию 103, 103', заканчивающуюся сопротивлением 104, 104, и смещенный T-образный согласующий шлейф 105, 105'. Между цепями, относящимися к каждому плечу 101, 102, существует промежуток, так что между цепями нет соединения по постоянному току. Размеры корпуса составляют 4 мм×3 мм.
21
11
22
На фиг.12b показаны модельные электрические характеристики полости из фиг.12а. Кривая, обозначенная квадратными значками, характеризует коэффициент (S) прохождения между двумя плечами 101, 102. Видно, что эти пики находятся около 60 ГГц, где потери между плечами составляют всего 5 дБ. Такой коэффициент прохождения обусловлен главным образом связью мод полости между цепями, соединенными с каждым плечом 101, 102. Две другие кривые, обозначенные кружками и крестиками, характеризуют S и S соответственно, и заметно наличие резонанса на той же самой частоте.
Таким образом, этим демонстрируется проблема, которая существует вследствие связи мод полости относительно электрических схем. Без влияний полости будет очень небольшое прохождение энергии между плечами.
На фиг.13а показана та же самая полость и цепи, которые показаны на фиг.12а, но на этот раз в соответствии с настоящим изобретением на верхней поверхности полости 100 использованы две пластины 106, 107. Пластины моделировались как кварцевые подложки толщиной 100 мкм с электропроводным покрытием с поверхностным сопротивлением 70 Ом/ на поверхности каждой из них.
21
11
22
На фиг.13b показаны модельные результаты для полости из фиг.13а. Опять-таки, кривая, обозначенная квадратными значками, характеризует коэффициент (S) прохождения между двумя плечами 101, 102. Можно видеть, что благодаря введению пластин 106, 107 в полость 100 коэффициент прохождения между плечами 101, 102 упал почти до -50 дБ. Кроме того, исключены резонансы из параметров S и S отражения.
Во всех вариантах осуществления изобретения, описанных выше для примера, имеется электропроводная поверхность, нанесенная на тонкую диэлектрическую пластину. На фиг.14 показано компьютерное изображение альтернативного варианта осуществления для случая реализации электропроводной поверхности. В полость 300 размерами 4,52 мм×6,6 мм×1 мм помещены электронные схемы на подложке 301, на подложке 302 способом, аналогичным описанному выше. В этом случае электрические схемы 301 являются простыми микрополосковыми 50-омными линиями от первого и второго плеч, каждая из которых заканчивается вблизи центра полости 300 шлейфом разомкнутой цепи. Отметим, что все основные внешние поверхности 303, 304 полости 300 с помощью программного обеспечения моделирования интерпретированы как идеально отражающие металлические проводники. Верхняя поверхность 304 означает внутреннюю поверхность крышки для полости 300. Пластина 305 из диэлектрического материала размером 4,52 мм×6,6 мм×0,8 мм закреплена на крышке полости так, что она в значительной мере заполняет верхнюю часть полости 300, при этом остается воздушный зазор 50 мкм между ее нижней поверхностью и верхней поверхностью подложки 302, установленной на основании полости.
В диэлектрическом материале 305 имеются пять квадратных отверстий 307, каждое с длиной стороны 0,8 мм. Каждая из внутренних поверхностей 308 отверстий 307 выполнена электропроводной с тем, чтобы имелось согласование удельного сопротивления относительно ожидаемого электромагнитного поля способом, подобным способу в вариантах осуществления пластины, описанных выше. Электромагнитное поле в значительной мере будет локализовано внутри диэлектрического материала, но будет входить в связь с электропроводной поверхностью 308 по сторонам отверстий в диэлектрике. Если удельная электропроводность и местоположение поверхностей выбраны надлежащим образом, то, как описано выше относительно варианта осуществления пластины, напряженность полей, имеющихся внутри полости, будет иметь тенденцию значительно уменьшаться.
На фиг.15 показаны эффекты, обеспечиваемые вариантом осуществления, рассмотренным на фиг.14. На фиг.15а показан график прохождения от первого ко второму плечу (нижняя кривая) в частотном диапазоне, представляющем интерес, для полости, в которой установлена диэлектрическая пластина без отверстий в ней. Поэтому отсутствуют раскрытые в настоящей заявке электропроводные поверхности, присутствующие в полости. На 45 ГГц и 56,5 ГГц можно видеть значительные резонансные пики, которые могут создавать проблемы в случае, если активные приборы, такие как усилители, помещены в полость. Предполагается, что пики, имеющиеся около 75 ГГц и выше, являются искусственными образованиями, вызванными программным обеспечением моделирования, а не точным представлением режима работы схемы, и могут быть проигнорированы.
На фиг.15b для того же самого диапазона частот показан график прохождения (нижняя кривая) от первого ко второму плечу аналогичной полости, но на этот раз введена диэлектрическая пластина, имеющая электропроводные отверстия, показанные на фиг.14. Можно видеть, что резонансные пики на 45 ГГц и 56,5 ГГц совершенно исчезли, при этом проходящая мощность на этих частотах более чем на 20 дБ меньше по сравнению с предыдущим графиком.
При моделировании варианта осуществления, изображенного на фиг.14 и фиг.15b, в диэлектрическом материале использовались квадратные отверстия, которые значительно сокращают модельное время. Однако в практической системе более удобно использовать круглые отверстия, поскольку они могут быть образованы стандартными способами сверления. На практике имеется небольшое различие в характеристиках между отверстиями двух конфигураций. Конечно, могут быть использованы другие конфигурации. Например, в диэлектрике может быть образована щель, а поверхность ее покрыта электропроводным материалом с целью получения электропроводной поверхности, аналогичной электропроводной поверхности, используемой в вариантах осуществления пластины, описанных выше. Отверстие, щель или другое окно, образованное в диэлектрическом материале, может быть удобно покрыто путем заполнения окна красящим веществом, обеспечивающим возможность получения нужных характеристик удельной электропроводности. Токи, наводимые в электропроводном материале, стремятся протекать только по поверхности или очень близко к ней, и поэтому в дополнение к поверхностным эффектам дополнительная толщина электропроводного материала будет оказывать очень небольшое влияние на имеющиеся поля.
Отметим, что в этом описании термины «электрический» и «электронный» и термины, производные от них, должны рассматриваться как синонимы. Кроме того, отметим, что термин «электропроводный», применительно к поверхности, заходящей в полость, описанную в настоящей заявке, охватывает резистивный материал, и поэтому этот термин не должен быть ограничен материалами, имеющими экстремально высокие удельные электропроводности, такими как чистые металлы. В этом смысле все удельные сопротивления до 10 кОм/, например до 1 кОм/, например до 200 Ом/, например до 100 Ом/, например до 50 Ом/, например до 10 Ом/, должны считаться подпадающими под термин «электропроводный».
Специалист в данной области техники должен осознавать, что другие варианты осуществления могут быть представлены в рамках изобретения, и поэтому изобретение не должно быть ограничено вариантами осуществления, описанными в настоящей заявке.