ГИБРИДНАЯ ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА СВЧ-ДИАПАЗОНА
HYBRID INTEGRATED CIRCUIT OF THE MICROWAVE RANGE

Изобретение относится к области электронной техники, а именно, к гибридным интегральным схемам, например, генераторного модуля СВЧ-диапазона.
Известна гибридная интегральная схема генераторного модуля СВЧ-диапазона [А.А. Баронов, В.А. Шадский. Особенности проектирования гетеродина с петлей ФАПЧ Ku-диапазона. «ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНИКА.» Сер. 3, Микроэлектроника, Вып. 4 (160), 2015 г. стр. 18-22], выполненная в виде многослойной печатной платы с топологическим рисунком проводников металлизации, по крайней мере на одной из сторон каждого диэлектрического слоя многослойной печатной платы. И экранной заземляющей металлизацией на обратной стороне нижнего диэлектрического слоя. Навесные компоненты, в том числе коаксиальный диэлектрический резонатор, расположены на лицевой стороне верхнего диэлектрического слоя и соединены своими выводами с проводниками его топологического рисунка металлизации. Обратная сторона верхнего диэлектрического слоя многослойной платы имеет экранную заземляющую металлизацию на части своей обратной стороны, занятой схемой обработки СВЧ-сигнала, в том числе генератором, управляемым напряжением, с включенным в его схему коаксиальным диэлектрическим резонатором. Многослойная печатная плата установлена и электрически соединена с дном металлического корпуса с крышкой и отверстиями в углах корпуса для крепления корпуса в аппаратуре. Критерием оптимальности конструкции выбрана величина среднеквадратичного отклонения фазового шума.
Недостатками данного технического решения являются: наличие высоких паразитных емкостей в схеме формирования СВЧ сигнала и низкие массогабаритные характеристики.
Известна гибридная интегральная схема генераторного модуля СВЧ-диапазона [С.А. Самохин, И.В. Горюнов, В.А. Иовдальский, Е.В. Терешкин, Н.А. Федоров. Малогабаритный опорный СВЧ-генератор на коаксиальном резонаторе//«Электронная техника», Сер.1, СВЧ-техника, Вып. 2 (541), 2019 г., С. 58-66], выполненная в виде многослойной печатной платы с топологическим рисунком проводников металлизации, по крайней мере, на одной из сторон каждого диэлектрического слоя многослойной печатной платы. И экранной заземляющей металлизацией на обратной стороне нижнего диэлектрического слоя. Навесные компоненты, в том числе коаксиальный диэлектрический резонатор, расположены на лицевой стороне верхнего диэлектрического слоя и соединены своими выводами с проводниками его топологического рисунка металлизации. Обратная сторона верхнего диэлектрического слоя многослойной платы имеет экранную заземляющую металлизацию на части своей обратной стороны, занятой схемой обработки НЧ- и СВЧ-сигналов, в том числе генератором, управляемым напряжением, с включенным в его схему коаксиальным диэлектрическим резонатором. Многослойная печатная плата установлена и закреплена на дне металлического корпуса с крышкой.
Недостатками данного технического решения являются: наличие высоких паразитных емкостей в схеме формирования СВЧ-сигнала, что обуславливает низкие электрические характеристики и низкие массогабаритные характеристики.
Техническим результатом изобретения является улучшение электрических и массогабаритных характеристик гибридной интегральной схемы СВЧ-диапазона.
Технический результат достигается тем, что в известной конструкции гибридной интегральной схемы СВЧ-диапазона, которая установлена на дне металлического корпуса с крышкой и электрически соединена с ним, плата выполнена: с топологическим рисунком проводников металлизации, по крайней мере, на одной из сторон каждого диэлектрического слоя многослойной печатной платы и экранной заземляющей металлизацией на обратной стороне нижнего диэлектрического слоя, с навесными компонентами, в том числе активным генераторным компонентом, активным управляющим компонентом, и коаксиальным диэлектрическим резонатором, расположенными на лицевой стороне верхнего диэлектрического слоя и электрически соединенными с его топологическим рисунком проводников металлизации, образующими генератор, управляемый напряжением; обратная сторона верхнего диэлектрического слоя многослойной платы также имеет экранную заземляющую металлизацию, по меньшей мере, на части, занятой генератором, управляемым напряжением, коаксиальный диэлектрический резонатор имеет металлизационное покрытие на боковой поверхности, электрически соединенное с экранной заземляющей металлизацией через топологический рисунок проводников металлизации верхнего диэлектрического слоя, и, по меньшей мере, один коаксиальный выход на торцевой поверхности, обращенной к указанным активным компонентам, который электрически соединен с активными генераторным и управляющим компонентами через проводники топологического рисунка металлизации, имеющими в своем составе емкостные связи. Часть топологического рисунка проводников генератора, управляемого напряжением, соединяющая активные генераторный и управляющий компоненты с коаксиальным выходом коаксиального диэлектрического резонатора, расположена на торцевой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора и электрически соединена с пленочными проводниками топологического рисунка, расположенного на лицевой стороне верхнего диэлектрического слоя многослойной платы, и имеет в своем составе емкостные связи, причем емкостная связь между торцом пленочного проводника соединения генераторного компонента и коаксиальным выходом диэлектрического резонатора выполнена в виде зазора шириной от 0,14 до 0,18 мм, а емкостная связь между боковой стороной пленочного проводника соединения управляющего компонента и коаксиальным выходом диэлектрического резонатора выполнена в виде зазора шириной от 0,16 до 0,2 мм.
Расположение части топологического рисунка проводников генератора, управляемого напряжением, соединяющей активные генераторный и управляющий компоненты с коаксиальным выходом коаксиального диэлектрического резонатора, на торцевой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора и наличие в ее составе емкостных связей позволяет сократить площадь топологического рисунка многослойной платы, занимаемой ГИС, и тем самым сократить паразитную емкость проводников, а значит улучшить электрические характеристики. Кроме того, такое решение позволяет уменьшить размеры и массу многослойной платы и корпуса с крышкой и улучшить массогабаритные характеристики ГИС.
Электрическое соединение части топологического рисунка проводников генератора, управляемого напряжением, соединяющей активные генераторный и управляющий компоненты с коаксиальным выходом коаксиального диэлектрического резонатора, расположенных на торцевой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора, и наличие в ее составе емкостных связей с пленочными проводниками топологического рисунка, расположенного на лицевой стороне диэлектрического слоя многослойной платы, позволило сократить длину соединения и тем самым сократить паразитные индуктивности и емкости соединений, а значит улучшить электрические характеристики ГИС.
Выполнение емкостной связи между торцом пленочного проводника соединения генераторного компонента и коаксиальным выходом диэлектрического резонатора в виде зазора шириной от 0, 14 до 0,18 мм и выполнение емкостной связи между боковой стороной пленочного проводника соединения управляющего компонента и коаксиальным выходом диэлектрического резонатора в виде зазора шириной от 0,16 до 0,20 мм позволяют сократить длину связей, а значит уменьшить паразитные индуктивности и емкости соединений и тем самым улучшить электрические характеристики ГИС.
Ограничение ширины зазора емкостной связи между торцом пленочного проводника соединения генераторного компонента и коаксиальным выходом диэлектрического резонатора снизу (0,14 мм) связано с нежелательным уменьшением рабочей частоты генератора, а сверху (0,18 мм) - с отсутствием генерации, а значит с ухудшением электрических характеристик.
Ограничение ширины зазора емкостной связи между боковой стороной пленочного проводника соединения управляющего компонента и коаксиальным выходом диэлектрического резонатора снизу (0,16 мм) также вызывает нежелательное уменьшение рабочей частоты генератора, снижение диапазона частоты перестройки генератора, управляемого напряжением, а сверху (0,2 мм) с отсутствием генерации, а значит с ухудшением электрических характеристик.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен фрагмент конструкции гибридной интегральной схемы генераторного модуля СВЧ-диапазона, где:
- многослойная печатная плата - 1;
- топологический рисунок проводников металлизации - 4;
- диэлектрический слой - 5;
- активный генераторный компонент - 7;
- активный управляющий компонент – 8;
- коаксиальный диэлектрический резонатор – 9;
- металлизационное покрытие на боковой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора – 11;
- коаксиальный выход на торцевой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора – 12;
- емкостные связи – 13;
- торец пленочного проводника соединения генераторного компонента - 14;
- зазор между торцом 14 пленочного проводника соединения генераторного компонента и коаксиальным выходом диэлектрического резонатора - 15;
- боковая сторона пленочного проводника соединения управляющего компонента - 16;
- зазор между боковой стороной 16 пленочного проводника соединения управляющего компонента и коаксиального вывода диэлектрического резонатора - 17.
На фиг. 2 представлен разрез заявляемой конструкции, где:
- многослойная печатная плата - 1;
- корпус - 2;
- крышка корпуса - 3;
- диэлектрический слой - 5;
- экранная заземляющая металлизация - 6;
- активный генераторный компонент - 7;
- активный управляющий компонент – 8;
- коаксиальный диэлектрический резонатор – 9;
- генератор, управляемый напряжением - 10.
Устройство работает следующим образом. При подаче питания на активный генераторный компонент (транзистор) 7 за счет схемотехнического решения гибридной интегральной схемы генератора создается область рабочего диапазона с отрицательным сопротивлением в базовой области транзистора. При подключении к этой цепи коаксиального диэлектрического резонатора (КДР) 9 с определенной добротностью происходит возбуждение транзистора на резонансной частоте подключаемого контура. Подачей напряжения на активный управляющий компонент (варакторный диод) осуществляется перестройка частоты резонансного контура в рабочем диапазоне частот. Снижение паразитной индуктивности и емкости топологического рисунка 2 проводников многослойной платы 1 за счет уменьшения длины соединения коаксиального выхода 12 коаксиального диэлектрического резонатора (КДР) 9 и уменьшения площади многослойной платы 1, а значит и уменьшения размеров корпуса 2 и крышки 3 путем переноса части топологического рисунка проводников 4 генератора, управляемого напряжением 10, соединения активных генераторного 7 и управляющего 8 компонентов с коаксиальным выходом 12 коаксиального диэлектрического резонатора 9, расположения на торцевой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора 9 и наличия в ее составе емкостных связей 13, электрического соединения с пленочными проводниками топологического рисунка 4, расположенного на лицевой стороне диэлектрического слоя 5, многослойной платы 1 улучшены электрические и массогабаритные характеристики гибридной интегральной схемы. Это объясняется также тем, что снижение паразитной индуктивности и емкости позволяет снизить шунтирующий эффект паразитных емкостей и индуктивностей печатной платы 1 и тем самым повысить нагруженную добротность КДР 9 и рабочую частоту генератора 10.
В целом, за счет сохранения оптимального размера КДР 9 и соответственно обеспечив его (КДР 9) более высокую добротность, тем самым удается снизить уровень фазовых шумов генератора 10, а также улучшить его электрические характеристики и уменьшить массу и габариты гибридной интегральной схемы генератора 10, а значит улучшить массогабаритные характеристики.
Пример применения. Гибридная интегральная схема генераторного модуля СВЧ-диапазона имеет размеры 20×18×10,5 мм и массу 7,35 г, выполнена в виде многослойной печатной платы (1), имеющей четыре диэлектрических слоя 5. Материалом диэлектрических слоев является Ro4003 толщиной 0,25 мм. Каждый из диэлектрических слоев 5 многослойной печатной платы 1 имеет топологический рисунок проводников 4 металлизации, выполненной из меди толщиной 18 мкм с гальваническим покрытием золотом толщиной 3 мкм. На обратной стороне верхнего и нижнего диэлектрического слоя 3 нанесена экранная заземляющая металлизация 4 со структурой аналогичной структуре топологического рисунка проводников 2 металлизации. На лицевой поверхности верхнего диэлектрического слоя 5 многослойной печатной платы 1 установлены навесные компоненты, в том числе активный генераторный компонент 7, например биполярный транзистор BFP420F, активный управляющий компонент 8, например варакторный диод BBY55, конденсаторы типа К10-17 и другие, в том числе коаксиальный диэлектрический резонатор 9 типа КРП 5,5×4,5×4,0 мм (производства АО «НПП «Исток» им. Шокина). Корпус 2 и крышка 3 гибридной интегральной схемы генераторного модуля изготовлены из сплава АМГ с последующим гальваническим покрытием составом палладий-никель толщиной 6 мкм.
Многослойная печатная плата 1 своей обратной стороной, имеющей экранную заземляющую металлизацию 6, припаяна на дно корпуса 2 припоем ПИнСр-3. Коаксиальный диэлектрический резонатор 9 установлен и припаян припоем ПОИН-50 на топологический рисунок металлизации 4 верхнего диэлектрического слоя 5, а его металлизационное покрытие 11 на боковой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора 9 соединено, например, через топологический рисунок проводников металлизации 4 и металлизированное отверстие с экранной заземляющей металлизацией 6.
Устройство состоит из: активной части, а именно транзистора 7 с цепями смещения и согласования в составе топологического рисунка металлизации 4 и перестраиваемого резонансного контура, включающего в себя цепь варакторного диода 8 и цепь коаксиального диэлектрического резонатора (КДР) 9.
Таким образом, расположение части топологического рисунка проводников генератора, управляемого напряжением, на торцевой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора и наличие в ее составе емкостных связей позволяет сократить площадь топологического рисунка многослойной платы, занимаемой ГИС, и тем самым сократить паразитную емкость проводников, а значит улучшить электрические характеристики. Кроме того, такое решение позволяет уменьшить размеры и массу многослойной платы и корпуса с крышкой, что улучшает массогабаритные характеристики ГИС.