Симметричная щелевая линия передачи сигнала СВЧ- и КВЧ-диапазонов
MICROWAVE AND EHF SIGNAL SYMMETRICAL SLOT TRANSMISSION LINE

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.
4
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.
Близким техническим решением к заявляемому (аналогом) 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., Ч. 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.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявляемому является симметричная щелевая линия, содержащая щель, выполненную в проводящем покрытии, расположенном на одной стороне плоскопараллельной диэлектрической подложки, и диэлектрик, размещенный в щели, полностью заполняет ее, 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, при этом толщина диэлектрика, заполняющего щель не менее толщины проводящего покрытия, а отношение диэлектрической проницаемости диэлектрика, заполняющего щель, к диэлектрической проницаемости материала подложки составляет от 1 до 40, 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. Толщина диэлектрика, заполняющего щель, может превышает толщину проводящего покрытия на величину не более чем на 0,05 мм, а превышение ширины щели слоем диэлектрика над проводящим покрытием составляет не более 0,2 мм с обеих сторон. [Патент РФ на изобретение №2776955 «Симметричная щелевая линия СВЧ и КВЧ - диапазонов», приоритет 07.09.2021 г., авторы Клюев С.Б., Иовдальский В.А., Налогин А.Г., Пашков А.Н.].
Однако это техническое решение не позволяет в полной мере обеспечить оптимальные электрические характеристики СЩЛ.
Заявляемое техническое решение направлено на устранение указанных недостатков.
Техническим результатом изобретения является улучшение электрических характеристик симметричной щелевой линии передачи сигнала в гибридной интегральной схеме СВЧ- и КВЧ-диапазонов.
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, диэлектрик, размещенный в щели полностью заполняет ее, 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; на краях проводящего покрытия, образующего щель, закреплены и электрически соединены с ним проводящие пластины, образующие локальное увеличение толщины проводящего покрытия, причем толщина проводящих пластин равна от 0,005 до 0,25 мм, а содержание диэлектрического наполнителя в композиции, использующейся в качестве диэлектрика, заполняющего щель, составляет от 30 до 80%.
Сущность технического решения в следующем. Закрепление на краях проводящего покрытия, образующего щель, и электрическое соединение с ним проводящих пластин, образующих локальное увеличение толщины проводящего покрытия в области прилегающей к щели, позволяет сосредоточить электрическое поле в щели и уменьшить рассеивание энергии в окружающее пространство, за счет этого, уменьшить потери проходящего сигнала и расширить частотный диапазон и, тем самым, улучшить электрические характеристики.
Ограничение толщины проводящих пластин снизу не менее 0,005 мм определяется малым влиянием на электрические характеристики, а сверху не более 0,25 мм отсутствием заметного влияния на электрические характеристики при ухудшении массогабаритных характеристик.
Использование в качестве диэлектрика, заполняющего щель, композиции на основе отвердевающих соединений с диэлектрическим наполнителем с высокой степенью адгезии к диэлектрической подложке и проводящим покрытиям с указанным процентным содержанием диэлектрического наполнителя, позволяет минимизировать наличие воздушной прослойки в щели, упрощает выбор материалов наполнителя и отвердевающих соединений и их соотношения, для получения требуемых электрофизических параметров диэлектрика, заполняющего щель, обеспечивающих улучшение электрические характеристики СЩЛ.
Минимальное содержание диэлектрического наполнителя в композиции (30%) определяется возможностью влияния на электрофизические свойства (диэлектрическую проницаемость) материала композиции, а максимальное (80%) - возможностью смачивания поверхности частиц диэлектрического наполнителя и сохранения склеивающих свойств композиции для соединения с диэлектрической подложкой и проводящим покрытием щели.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 и фиг. 2 представлены разрез и общий вид симметричной щелевой линии передачи сигнала, где:
- щель 1;
- проводящее покрытие - 2;
- диэлектрическая подложка - 3;
- диэлектрик, размещенный в щели - 4;
- проводящие пластины - 5.
2
Пример 1. Симметричная щелевая линия передачи СВЧ- и КВЧ-диапазонов, содержащая щель 1 шириной 1,1 мм и длиной 10 мм, выполненную в проводящем покрытии 2 расположенном на одной стороне плоскопараллельной диэлектрической подложки 3 из диэлектрика Rodgers (Ro3006) толщиной 0,5 мм с диэлектрической проницаемостью 6,15, имеющем структуру, выполненную по тонкопленочной технологии: Cr (напыленный) (100 Ом/мм) - Cu (нап.) 1 мкм - Cu-(гальв. осажденная) 6 мкм - Ni(гальв.) 0,6-0,8 мкм - Au(гальв.) 3 мкм (суммарная толщина примерно 10 мкм).
3
2
9
Проводящие пластины 5 толщиной 0,2 мм и шириной 4 мм, длиной 10 мм, выполнены из сплава МД-50 (50% меди и 50% молибдена), имеющие гальваническое покрытие никелем 1 мкм и золотом толщиной 3 мкм, припаяны припоем ПОС61 к проводящему покрытию, в котором выполнена щель. Диэлектрик 4, заполняющий щель, содержит в своем составе эпоксидный клей МС-1 ((ТУ2252-004-07622667-98) и 64% наполнителя из мелкодисперсного порошка керамики BaTaMgO с размером частиц 7-8 мкм, с диэлектрической проницаемостью 25 (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). Диэлектрическая проницаемость диэлектрика 4, таким образом составляет примерно 16.
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 прототипа, их экспериментальная проверка, показали, что для заявляемого технического решения минимальные потери мощности (в диапазоне рабочих частот) составляют -0,1 дБ, при этом рабочий частотный диапазон на уровне коэффициента передачи по напряжению -0,2 дБ 16,09-55,72 ГГЦ (ширина 39,63 ГГц), в то время как для прототипа минимальные потери мощности (в диапазоне рабочих частот) составили -0,164 дБ, при этом рабочий частотный диапазон на уровне коэффициента передачи по напряжению - 0,2 дБ составляет (27,2-41,18) ГГц (ширина 13,98 ГГц).
Пример 2. Симметричная щелевая линия передачи СВЧ- и КВЧ-иапазонов, содержащая щель 1 шириной 1,1 мм и длиной 10 мм, выполненную в проводящем покрытии 2, расположенном на одной стороне плоскопараллельной диэлектрической подложки 3 из диэлектрика. В качестве материала диэлектрика подложки используется стеклокерамический материал (ТУ6366-001-07622667-2008) толщиной 0,25 мм с диэлектрической проницаемостью 7,2, имеющий структуру металлизации толщиной 50 мкм из пасты золото-палладий-серебро (ТУ6365-023-59839838-20129, изготовитель ООО «Дельта-Пасты»), выполненную по толстопленочной технологии [см. например, с. 19-34. Многослойные керамические платы ГИС СВЧ-диапазона на основе ГТСС: уч. пособие / Л.В. Ляпин, В.А. Иовдальский, под. ред. А.А. Борисова. - М.: КУРС, 2020. - 192 с.].
3
2
9
На краях проводящего покрытия, образующего щель, закреплены проводящие пластины 5 толщиной 0,15 мм и шириной 4 мм, длиной 10 мм, выполненные из сплава МД-50 (50% меди и 50% молибдена), имеющие гальваническое покрытие никелем 1 мкм и золотом 3 мкм. Проводящие пластины 5 припаяны припоем ПОС61 к проводящему покрытию 2, в котором выполнена щель, заполненная диэлектриком 4. Диэлектрик на основе эпоксидного клея МС-1 (ТУ2252-004-07622667-98) с 72% наполнителя из мелкодисперсного порошка керамики с размером частиц 7-8 мкм BaTaMgO с диэлектрической проницаемостью 25. Диэлектрическая проницаемость диэлектрика 4 составляет примерно 18.
Моделирование электрического поведения разрабатываемого устройства и прототипа, и экспериментальная проверка, показали, что для заявляемого технического решения минимальные потери мощности (в диапазоне рабочих частот) -0,097 дБ, при этом рабочий диапазон частот на уровне коэффициента передачи по напряжению -0,2 дБ составляет (15,89-56,20) ГГц, (ширина 40,31 ГГц), в то время как для прототипа минимальные потери мощности (в диапазоне рабочих частот) -0,164 дБ, при этом рабочий диапазон частот на уровне коэффициента передачи по напряжению -0,2 дБ составляет (27,2-41,18) ГГц (ширина 13,98 ГГц).
Процентное содержание диэлектрического наполнителя в композиции, использующейся в качестве диэлектрика, заполняющего щель, упрощает выбор материалов наполнителя и отвердевающих соединений, для получения требуемых электрофизических параметров диэлектрика 4, обеспечивающих улучшение электрических характеристик СЩЛ.
Все выше сказанное позволяет утверждать, что достигается заявленный технический результат: улучшение электрических характеристик.