Ответвитель Ланге
LANGE COUPLER

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано при изготовлении микрополоскового квадратурного ответвителя Ланге, который применяется во многих схемах обработки СВЧ сигналов, таких как балансные смесители и усилители, фазовращатели, аттенюаторы, модуляторы, дискриминаторы, фильтры, линии задержки и согласующие цепи.
Известен ответвитель Ланге (US 3516024А, Н01P 5/14, US 4636754 А, Н01Р 5/14,), представляющий собой устройство с четырьмя портами, которое обеспечивает деление мощности электромагнитной волны, поступающей на входной первый порт, ровно пополам (3 дБ) между третьим прямым и вторым связанным портами в полосе частот, при этом четвертый порт является изолированным. Устройство содержит пять параллельно расположенных тонкопленочных многослойных металлических микрополосковых линий (МПЛ), образующих встречно-штыревую структуру и сформированных на диэлектрической подложке из оксида алюминия с использованием техники фотошаблонов, причем первый и пятый МПЛ имеют длину, равную одной восьмой длины электромагнитной волны, а остальные МПЛ имеют длину, равную четверти длины электромагнитной волны. Несмежные МПЛ в ответвителе Ланге соединены с использованием воздушных токопроводящих проволочных перемычек, каждая из которых состоит из групп по нескольку навесных проволок, причем токопроводящие перемычки изолированы от МПЛ, расположенных между соединяемыми несмежными МПЛ.
Недостатками такого ответвителя Ланге является низкая надежность из-за возможных ошибок при выполнении ручных операций сварки проволочных перемычек между МПЛ и провисания проволочных перемычек вплоть до касания МПЛ при эксплуатации, что вызывает короткие замыкания.
Известен ответвитель Ланге, в котором для электрического соединения между несмежными МПЛ встречно-штыревой структуры вместо проволочных перемычек применяются воздушные полосковые (микромостиковые) перемычки (ЕР 1032072 В1, Н01Р 5/186; Waterman, R.C., Jr., Fabian, W., Pucel, R.A., Tajima, Y., Vorhaus, J.L. GaAs monolithic Lange and Wilkinson couplers. IEEE Transactions on Electron Devices, 1981 Vol. 28; No. 2, p. 212-216).
Однако недостатком такого ответвителя является низкая надежность воздушных микромостиковых перемычек, которые являются хрупкими и могут обрушаться при эксплуатации изделий, вызывая разрыв соединений или нежелательные короткие замыкания МПЛ.
Известен ответвитель Ланге в виде толстопленочной печатной платы (US 6753746 В2, Н01Р 5/187), содержащий диэлектрическую подложку, изготовленную из материала с высокой диэлектрической проницаемостью, металлический заземляющий слой, установленный на первой стороне диэлектрической подложки, линейный слой, установленный на второй стороне диэлектрической подложки в виде встречно-штыревой структуры МПЛ, изолирующий слой, нанесенный на линейный слой, несколько контактных площадок, сформированных в изолирующем слое, тем самым обнажая часть линейного слоя без покрытия изолирующим слоем, и проводящий материал, нанесенный на изолирующий слой для соединения нескольких контактных площадок, тем самым образуя плоский слой перемычки, который соединяется с линейным слоем через круглые контактные площадки.
-5
-6
Недостатком такого ответвителя Ланге является низкая надежность, из-за применяемого проводящего материала слоя перемычек на основе эпоксидной смолы с наполнителем металлического порошка, который имеет низкую прочность из-за растрескивания после отверждения, что приводит к обрыву соединений между полосками; кроме того, такой материал имеет высокое объемное электрическое сопротивление (порядка 10 - 10 Ом⋅м), что вызывает нагрев и последующее разрушение перемычек и, как следствие, снижает надежность устройства.
Наиболее близким к заявляемому устройству является ответвитель Ланге (US 5410179А, H01V 29/02), содержащий диэлектрическую подложку, металлический заземляющий слой, сформированный на первой стороне диэлектрической подложки, линейный слой, сформированный на второй стороне подложки и образующий встречно-штыревую структуру из пяти металлических токопроводящих МПЛ, диэлектрический слой из полиимидной пленки, нанесенной на вторую сторону подложки и линейный слой МПЛ с использованием термопластичного адгезионного слоя путем его нагрева до температуры 235°С с последующим охлаждением, контактные окна, сформированные в диэлектрическом слое, и плоский слой токопроводящих перемычек, нанесенных на диэлектрическую пленку для соединения несмежных МПЛ через контактные окна в диэлектрической пленке.
Недостатком такого ответвителя Ланге является низкая надежность из-за наличия клеевого соединения диэлектрической пленки, а также из-за окисления металлических токопроводящих МПЛ при высокой температуре (235°С) приклеивания полиимидной пленки, что приводит к повышению электрического сопротивления МПЛ и вызывает их нагрев при эксплуатации. Кроме того, из-за неравномерности толщины диэлектрического слоя, нанесенного на всю поверхность подложки и МПЛ возникает большой разброс электрических характеристик ответвителя Ланге в СВЧ диапазоне.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности ответвителя Ланге.
Решение указанной технической задачи заключается в том, что предлагаемое устройство, так же как и известное, содержит диэлектрическую подложку, металлический заземляющий слой, сформированный на первой стороне диэлектрической подложки, линейный слой, сформированный на второй стороне подложки и образующий встречно-штыревую структуру из пяти токопроводящих МПЛ, диэлектрический слой, нанесенный на вторую сторону подложки и линейный слой МПЛ, контактные окна, сформированные в диэлектрическом слое, и плоский слой токопроводящих перемычек, нанесенных на диэлектрический слой для соединения несмежных МПЛ через контактные окна в диэлектрическом слое.
Но, в отличие от известного, в предлагаемом устройстве диэлектрический слой выполнен в виде полимерной фоточувствительной композиции, включающей компоненты в следующем соотношении, масс. %: поли(о-гидроксиамид) - 12…15; светочувствительный компонент - 2.4…3; кислотный катализатор - 2.5…5; амидный растворитель - остальное; при этом диэлектрический слой наносится на локальные области МПЛ с образованием изолированных участков в линейном слое в местах пересечения линейного слоя со слоем перемычек.
В предлагаемом устройстве токопроводящие перемычки выполнены в виде многослойного металлического покрытия Cr-Cu-Cr+гальваническое Аu, где Сu является основным токопроводящим слоем, а Аu выступает в качестве финишного покрытия.
Внесенные изменения позволяют повысить надежность ответвителя Ланге.
Предлагаемое изобретение поясняется следующим образом.
На Фиг. 1 показан предлагаемый в качестве изобретения направленный ответвитель Ланге, содержащий диэлектрическую подложку 1, на одной стороне которой нанесен металлический заземляющий слой 2, а на другой стороне нанесен токопроводящий линейный слой 3, содержащий пять параллельно расположенных тонкопленочных металлических МПЛ, образующих встречно-штыревую структуру, причем первая и пятая МПЛ имеют длину, равную одной восьмой эффективной длины электромагнитной волны, а остальные МПЛ имеют длину, равную четверти эффективной длины электромагнитной волны. Поверх линейного токопроводящего слоя на локальные области МПЛ нанесен изолирующий слой диэлектрика 4 с низкой диэлектрической проницаемостью с образованием изолированных участков в линейном слое в местах пересечения с токопроводящими металлическими полосковыми перемычками 5, которые сформированы поверх изолирующего слоя с возможностью соединения несмежных МПЛ.
Согласно изобретению, ответвитель Ланге обеспечивает деление мощности электромагнитной волны, поступающей на входной порт I, ровно пополам (3 дБ) между прямым III и связанным II портами в полосе частот, при этом порт IV является изолированным, и мощность на него не поступает.
В ответвителе Ланге в качестве диэлектрической подложки может быть использована полированная керамическая подложка из поликора (Ще7.817.000-07 ТУ 6366-000-07593894-2013) толщиной 0,5 мм.
Заземляющий металлический слой может быть сформирован в виде многослойного металлического покрытия Cr-Cu-Cr+гальваническое Аu, где Аu используют в качестве финишного покрытия, причем подслой выполнен из Сr марки ЭРХ согласно ТУ 14-5-76-76, а основной токопроводящий слой выполнен из Сu марки М006 согласно ГОСТ 859-2014.
Линейный слой МПЛ может быть сформирован в виде многослойного металлического покрытия Cr-Cu-Cr+гальваническое Аu, где Сu является основным токопроводящим слоем, а Аu используют в качестве финишного покрытия и стоп-слоя при формировании проводящего слоя перемычек, причем толщина слоя Сu должна быть не менее 6 мкм, а толщина гальванического Аu - не менее 2 мкм. При этом ширина микрополосковых линий и зазор между ними могут составлять порядка 50 мкм.
Диэлектрический слой толщиной 5-7 мкм должен быть выполнен в виде полимерной фоточувствительной композиции, включающей компоненты в следующем соотношении, масс. %: поли(о-гидроксиамид) - 12…15; светочувствительный компонент - 2.4…3; кислотный катализатор -2.5…5; амидный растворитель - остальное. При этом диэлектрический слой наносится только на локальные области МПЛ с образованием изолированных участков в линейном слое в местах пересечения линейного слоя со слоем перемычек. Данный диэлектрический слой:
- имеет высокую адгезию (15-18 МПа) к другим материалам, что повышает надежность соединения его с подложкой, линейным слоем и слоем перемычек;
- является пластичным и не растрескивается после отверждения, что снижает возможность возникновения межслойных коротких замыканий;
- имеет низкую (190-200°С) температуру задубливания (отверждения), что снижает окисление меди в многослойных (Cr-Cu-Cr+гальваническое Аu) МПЛ линейного слоя;
- имеет низкую (3,5-4) относительную диэлектрическую проницаемость, что снижает паразитную емкость в местах пересечения линейного слоя и слоя перемычек и, тем самым, улучшает электрические характеристики в СВЧ диапазоне;
- снижает разброс электрических характеристик в СВЧ диапазоне за счет нанесения диэлектрика только на локальные области МПЛ.
Проводящие перемычки могут быть выполнены в виде многослойного металлического покрытия Cr-Cu-Cr+гальваническое Аu, где Сu является основным токопроводящим слоем, а Аu выступает в качестве финишного покрытия.
Надежность и электрические характеристики электронных устройств, главным образом, определяются активными электрическими потерями в этих устройствах: чем ниже активные электрические потери, тем меньше разогрев электронного устройства и тем выше его эксплуатационная надежность и лучше электрические характеристики. На Фиг. 2 приведены результаты измерений средних прямых активных электрических потерь между портами I и II, а также между портами I и III изготовленных согласно изобретению ответвителей Ланге, которые показывают, что с учетом коэффициента деления 3 дБ, прямые потери находятся в интервале от 0,23 дБ до 0,45 дБ (в диапазоне частот от 2 ГГц до 4 ГГц), что соответствует активным потерям менее 10% от входной мощности электромагнитной волны и свидетельствует о высокой надежности и высоких электрических характеристиках изготовленных ответвителей Ланге.