Симметричная щелевая линия передачи сигнала СВЧ- и КВЧ-диапазонов
SYMMETRICAL SLOT SIGNAL TRANSMISSION LINE OF THE MICROWAVE AND HF BANDS

Изобретение относится к электронной технике и может использоваться, например, в качестве линии передачи сигнала в гибридных интегральных схемах СВЧ и КВЧ-диапазона.
Известна симметричная щелевая линия (СЩЛ), представляющая собой узкую щель, вырезанную в проводящей плоскости, расположенной на одной из сторон плоскопараллельного магнитодиэлектрического слоя определенной толщины, образующего подложку, при этом в щели концентрируются линии электрического поля, при условии, что диэлектрическая проницаемость подложки больше единицы, а линии магнитного поля имеют вид эллипсов, переходящих в кривые типа «седло», образуя, таким образом, основную волну СЩЛ. Распределение тока в металлическом слое - экспоненциальное. На поверхности проводящих металлических полуплоскостей ток занимает относительно большую область, в силу чего потери у СЩЛ имеют, например, относительно несимметричной полосковой линии, малую величину [Е.И. Нефёдов. Электромагнитные поля и волны // М.: - «Академия», 2014 г. - С. 219-221]. Недостатком данного технического решения являются узкий рабочий частотный диапазон и высокие вносимые потери мощности проходящего сигнала.
Известна симметричная щелевая линия, содержащая подложку, на одной стороне которой нанесен полупроводниковый слой, и два металлических проводника, в которой с целью уменьшения вносимых потерь, на полупроводниковом слое дополнительно размещены две полосы, выполненные из легированного полупроводника, а два металлических проводника размещены на них. При этом проводимость легированного полупроводника более или равна 1 Ом/см, толщина каждой полосы составляет 0,02-0,1 толщины подложки и расстояние между ближайшими кромками полос составляет 0,0025-0,06 длины волны, а расстояние между каждой из этих кромок и ближайшей к ней кромкой металлического проводника выбрано не менее четверти длины волны [А.с. СССР №1224867 А, МПК Н01Р 3/08, приоритет 08.08.1984 г. Щелевая линия]. Недостатком данного технического решения являются узкий рабочий частотный диапазон и высокие вносимые потери мощности проходящего сигнала.
Известна симметричная щелевая линия, содержащая две металлические полоски, которые образуют щелевую линию, диаметрально противоположно расположенные на разных сторонах диэлектрической подложки. Вносимые потери такой щелевой линии находятся в диапазоне 1,6-2,4 дБ [Chang Wei Zhang. A Novel W-Band Waveguide-To-Microstrip Antipodal Finline Transition. / Proceeding of 2013 IEEE International Conference on Applied Superconductivity and Electromagnetic, China, October 25-27, 2013, p. 166-168. ID3062, ISBN 978-1-4799-0070-1/13]. Недостатком данного технического решения являются небольшой рабочий частотный диапазон, довольно высокие вносимые потери мощности проходящего сигнала и сложность изготовления.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявляемому является симметричная щелевая линия, представляющая собой открытую направленную структуру с узкой щелью или зазором в тонком проводящем слое, выполненном на одной стороне диэлектрической подложки, в которой с целью расширения полосы рабочих частот СЩЛ в щели линии размещена диэлектрическая вставка толщиной менее толщины проводящего слоя, причем диэлектрическая проницаемость вставки превышает диэлектрическую проницаемость подложки. При этом в симметричной щелевой линии часть электрического поля находится в воздухе, другая часть - в диэлектрической подложке и в диэлектрической вставке. Понятие вставка предполагает изготовление вставки отдельно от подложки с щелью в проводящем слое, расположение и закрепление (например, клеевое) вставки в щели [С.Б. Клюев, Е.И. Нефёдов, А.А. Потапов. Симметричная щелевая линия с диэлектрической вставкой в щели // Труды десятой всероссийской конференции «Необратимые процессы в природе и технике» в 3х частях., // г.Москва, 29-31 января 2019 г, Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана, // изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019 г., 4.1, С. 39-41]. Недостатком данного технического решения являются: недостаточное расширение рабочего частотного диапазона, довольно высокие вносимые потери мощности проходящего сигнала, сложность изготовления, связанная как с размерами вставки, так и с необходимостью использования для закрепления вставки диэлектрического связующего вещества (например, эпоксидного клея). Включение дополнительно связующего вещества, которое находится между вставкой и диэлектрической подложкой, увеличивает потери мощности и ограничивает возможности расширения частотного диапазона. Кроме этого, в такой конструкции между вставкой и краями щели в проводящем слое неизбежно образуется воздушное пространство, которое, по крайней мере частично, будет заполнятся связующим веществом, что также способствует увеличению потерь мощности и ограничивает возможности расширения частотного диапазона. Сложность изготовления обуславливается необходимостью изготовления вставки прямоугольного сечения с малыми размерами сечения (от 0,1 до 1 мм по ширине и от 0,005 до 0,05 мм по высоте) и относительно большой длиной (примерно до 10 мм), а также высокими требованиями к гладкости поверхности.
Заявляемое техническое решение направлено на устранение указанных недостатков. Техническим результатом изобретения является снижение вносимых потерь мощности проходящего сигнала, расширение рабочего диапазона частот, упрощение технологии изготовления.
Технический результат достигается тем, что в симметричной щелевой линии передачи сигнала СВЧ и КВЧ-диапазонов, содержащей щель, выполненную в проводящем покрытии, расположенном на одной стороне плоскопараллельной диэлектрической подложки, и диэлектрик, размещенный в щели, ширина щели равна от 0,2 мм до 1,7 мм, при этом отношение ширины щели к толщине подложки составляет от 0,5 до 3,5. Диэлектрик, размещенный в щели, полностью заполняет ее, при этом его толщина не менее толщины проводящего покрытия, отношение диэлектрической проницаемости диэлектрика, заполняющего щель к диэлектрической проницаемости материала подложки составляет от 1 до 40, а в качестве диэлектрика, заполняющего щель, используется композиция на основе отвердевающих соединений с диэлектрическим наполнителем с высокой степенью адгезии к диэлектрической подложке и проводящим покрытиям, образующим щель. В симметричной щелевой линии передачи СВЧ и КВЧ-диапазонов толщина диэлектрика, заполняющего щель, может превышать толщину проводящего покрытия на величину не более чем на 0,05 мм, а превышение ширины щели слоем диэлектрика над проводящим покрытием может составлять не более 0,2 мм с обеих сторон.
Математическое моделирование геометрических и электрических характеристик симметричной щелевой линии с помощью пакета программ ANSYS HFSS на основе трехмерного полноволнового алгоритма расчета электромагнитного поля в частотной области, использующего метод конечных элементов (Finite Element Method, FEM) для определения электрического поведения разрабатываемого устройства и их экспериментальная проверка, показали, что заполнение щели диэлектриком с определенным соотношением диэлектрической проницаемости диэлектрика, заполняющего щель, к диэлектрической проницаемости материала подложки позволяет существенно расширить рабочий диапазон частот, снижение вносимых потерь мощности проходящего сигнала.
Выполнение ширины щели в диапазоне, от 0,2 мм до 1,7 мм, позволяет сосредоточить (локализовать) электромагнитное поле внутри щели в диэлектрике, заполняющем щель, что снижает вносимые потери мощности сигнала.
Дальнейшее уменьшение ширины щели меняет структуру волны и электромагнитного поля, что приводит к увеличению потерь и к сужению рабочего диапазона частот, и создает технологические трудности при изготовлении.
Увеличение ширины щели свыше 1,7 мм приводит к увеличению вносимых потерь мощности и также к ухудшению массогабаритных характеристик.
Выбор отношения ширины щели к толщине подложки в интервале от 0,5 до 3,5 позволяет локализовать электромагнитное поле непосредственно в диэлектрике, заполняющем щель, что приводит к снижению вносимых потерь и к расширению диапазона рабочих частот.
Ограничение отношения ширины щели к толщине подложки снизу от 0,5 объясняется тем, что при меньшем соотношении электромагнитная волна распространяется также и с обратной стороны подложки, что приводит к увеличению потерь сигнала.
Отношение ширины щели к толщине подложки более 3,5 приводит не только к увеличению вносимых потерь, но и к ухудшению массогабаритных характеристик.
Заполнение щели полностью диэлектриком позволяет сосредоточить электромагнитное поле внутри щели в диэлектрике и, тем самым, снизить вносимые потери мощности, проходящего сигнала, и расширить рабочий диапазон частот, что подтверждают графики на фиг. 2.
Выбор отношения диэлектрической проницаемости материала, заполняющего щель к диэлектрической проницаемости материала подложки в интервале от 1 до 40 за счет локализации электромагнитного поля в диэлектрике, заполняющем щель и верхней части подложки, прилегающей к щели, позволяет уменьшить вносимые потери мощности сигнала.
Если отношение диэлектрической проницаемости материала, заполняющего щель, к диэлектрической проницаемости материала подложки будет меньше 1, то значительная часть электромагнитной волны будет проходить через подложку, что приведет к увеличению вносимых потерь мощности сигнала. Если отношение диэлектрической проницаемости материала, заполняющего щель, к диэлектрической проницаемости материала подложки будет больше 40, то наблюдается увеличение вносимых потерь мощности и сужение частотного диапазона.
Превышение толщины диэлектрика, заполняющего щель, над толщиной проводящего покрытия на величину не более 0,05 мм позволяет сконцентрировать электромагнитное поле внутри щели, в диэлектрике, заполняющем щель, и подложке, что заметно снижает вносимые потери мощности проходящего сигнала. Дальнейшее увеличение превышения толщины диэлектрика, заполняющего щель, над толщиной проводящего покрытия, то есть, более 0,05 мм не целесообразно, поскольку снижение вносимых потерь мощности проходящего сигнала, будет незначительным.
Превышение ширины слоя диэлектрика, но не более чем на 0,2 мм с каждой стороны щели, обеспечивает полное заполнение щели диэлектриком, и упрощает технологию изготовления щелевой линии. Ограничение превышения ширины слоя диэлектрика, превышающего по высоте проводящее покрытие щелевой линии, не более 0,2 мм с каждой стороны щели, объясняется тем, что современные технологические методы изготовления аналогичных пленочных устройств (щелевых линий передачи) обеспечивают достаточную точность совмещения слоев и вполне обеспечивают указанный предел. Дальнейшее увеличение указанного предела не будет снижать сложность изготовления.
Использование в качестве диэлектрика композиции на основе отвердевающих соединений с диэлектрическим наполнителем с высокой степенью адгезии к диэлектрической подложке и проводящим покрытиям дает возможность одновременного заполнения всех щелевых линий, находящихся на подложке, диэлектриком при групповом их изготовлении, что существенно упрощает технологию изготовления [См. например, с. 67. Многослойные керамические платы ГИС СВЧ-диапазона на основе LTCC: уч. пособие / Л.В. Ляпин, В.А. Иовдальский, под. ред. А.А. Борисова. - М.: КУРС, 2020. - 192 с.].
Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлено поперечное сечение конструкции симметричной щелевой линии с диэлектриком, заполняющим щель, толщиной равной толщине проводящего покрытия (А) и с диэлектриком, заполняющим щель, толщиной, превышающей толщину проводящего покрытия (Б), где:
- диэлектрическая подложка 1;
- проводящее покрытие 2;
- щель 3;
- диэлектрик заполняющий щель, 4.
На фиг. 2 представлены графики зависимости вносимых потерь мощности проходящего сигнала от рабочей частоты для трех вариантов конструкции симметричной щелевой линии, где линия 1 - заявляемый вариант; линия 2 - прототип; линия 3 - аналог.
На фиг. 3 представлены графики зависимости коэффициента передачи проходящего сигнала по напряжению от рабочей частоты для трех вариантов конструкции симметричной щелевой линии, где линия 1 - заявляемый вариант; линия 2 - прототип; линия 3 - аналог.
Устройство работает следующим образом. Сигнал поступает на вход симметричной щелевой линии передачи, проходит вдоль щели и поступает на выход щелевой линии со сравнительно малыми потерями мощности в достаточно широком диапазоне частот.
2
Пример практического осуществления. Симметричная щелевая линия передачи СВЧ и КВЧ-диапазонов, содержащая щель 3 шириной 0,5 мм и длиной 10 мм, выполненную в проводящем покрытии 2 расположенном на одной стороне плоскопараллельной диэлектрической подложки 1 из диэлектрика Rodgers (Ro3006) толщиной 0,5 мм с диэлектрической проницаемостью 6,15. Структура проводящего покрытия: Cr(нап.) (100 Ом/мм) - Cu(нап.)1 мкм - Cu-(гальв) 6 мкм - Ni(гальв.) 0,6-0,8 мкм - Au(гальв.) 3 мкм.
3
2
9
Диэлектрик, заполняющий щель 4, имеет в составе эпоксидный клей (ЭК) с наполнителем и содержит примерно 78-80% наполнителя, имеет диэлектрическую проницаемость, примерно 16. Наполнителем является мелкодисперсный порошок с размером частиц 3-5 мкм BaTaMgO с диэлектрической проницаемостью 20 (См. Акимов А.И. Керамические диэлектрики для высокочастотной техники // «Актуальные проблемы физики твердого тела», (ФТТ-2005): сборник докладов Международной научной конференции, 26-28 октября г. Минск, Изд. Центр БГУ, 2005, Т. 1, с. 17-19).
Оценка эффективности предлагаемого технического решения, относительно аналога и прототипа представлена в графическом виде на фиг. 2, 3.
Анализ результатов аналога (щелевая линия с заполнением щели воздухом) показывает, что минимальная величина коэффициента передачи составляет -0,185 дБ, а рабочий диапазон частот на уровне коэффициента передачи по напряжению -0,2 дБ равен 25,86-37,17 ГГц (ширина диапазона 11,31 ГГц). Величина коэффициента передачи по напряжению -0,2 дБ выбрана как соответствующая достаточно высокому уровню прохождения сигнала.
Дальнейшее сравнение результатов анализа аналога, прототипа (со щелевой линией с заполнением вставкой из диэлектрика) и заявляемого технического решения позволяет утверждать, что достигается заявленный технический результат: снижение вносимых потерь мощности, что подтверждается изменением величины коэффициента передачи по напряжению, проходящего сигнала в заявляемом техническом решении составляет -0,021 дБ (величина коэффициента передачи по напряжению на уровне -0,2 дБ) по отношению к прототипу (13,9%) и - 0,055 дБ по отношению к аналогу (на 42,3%); расширение частотного диапазона на 0,66 ГГц (4,72%) по отношению к прототипу и 3,33 ГГц (29, 44%) по отношению к аналогу, что подтверждается графиками фиг. 2 и фиг. 3; упрощается технология изготовления.