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 закреплена на дне 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 высокая спектральная плотность мощности фазовых шумов (СПМФШ), высокая паразитная емкость схемы 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-сигнала, 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 является высокая спектральная плотность мощности фазовых шумов (СПМФШ), высокая паразитная емкость схемы формирования СВЧ сигнала и низкие массогабаритные характеристики.
Заявленное изобретение позволяет в известной степени устранить указанные недостатки. Техническим результатом изобретения является улучшение электрических и массогабаритных характеристик гибридной интегральной схемы СВЧ-диапазона.
Технический результат достигается тем, что в гибридной интегральной схеме СВЧ-диапазона выполненной в виде многослойной печатной платы, 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 и коаксиальным диэлектрическим резонатором, расположенными на лицевой стороне верхнего диэлектрического слоя, а также активным управляющим компонентом, выводы которых электрически соединены с топологическим рисунком проводников металлизации верхнего диэлектрического слоя многослойной платы, которые в совокупности образуют генератор управляемый напряжением; коаксиальный диэлектрический резонатор имеет металлизационное покрытие на боковой поверхности, электрически соединенное с экранной заземляющей металлизацией платы; по меньшей мере, один коаксиальный выход на торцевой поверхности, обращенной к генераторному активному компоненту электрически соединен с активными генераторным и управляющим компонентами через проводники топологического рисунка металлизации, имеющими в своем составе емкостные связи, при этом в многослойной печатной плате выполнено отверстие соразмерное расположенному в нем диэлектрическому коаксиальному резонатору, который установлен на дне металлического корпуса и электрически соединен с дном корпуса металлизацией своей боковой поверхности, 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, имеет в своем составе емкостные связи и электрически соединена с проводниками топологического рисунка, расположенного на лицевой стороне верхнего диэлектрического слоя многослойной платы; управляющий компонент установлен на металлизации боковой поверхности диэлектрического резонатора и соединен с ним электрически одним выводом, подлежащим заземлению, а второй его вывод соединен с частью топологического рисунка проводников, расположенных на торцевой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора, и с топологическим рисунком проводников металлизации расположенного на лицевой стороне верхнего диэлектрического слоя многослойной платы, причем емкостная связь между проводником топологического рисунка соединения генераторного компонента и коаксиальным выходом диэлектрического резонатора выполнена в виде, по меньшей мере, одного зазора шириной 0,035-0,055 мм, а емкостная связь между боковой стороной проводника топологического рисунка соединения управляющего компонента и коаксиальным выходом диэлектрического резонатора выполнена в виде зазора шириной 0,16-0,24 мм.
Выполнение в многослойной печатной плате отверстия соразмерного расположенному в нем диэлектрическому коаксиальному резонатору, который установлен на дне металлического корпуса и электрически соединен с дном корпуса металлизацией своей боковой поверхности, позволяет уменьшить длину соединений коаксиального вывода диэлектрического резонатора с генераторным компонентом, и длину заземления металлизации боковой поверхности диэлектрического резонатора и, тем самым, уменьшить паразитные параметры соединений, а значит улучшить электрические характеристики схемы. Кроме того, при сохранении расстояния от диэлектрического резонатора до крышки корпуса, позволяет уменьшить высоту корпуса и его массу, а значит улучшить массогабаритные характеристики гибридной интегральной схемы. Расположение части топологического рисунка проводников генератора управляемого напряжением, соединяющей активные генераторный и управляющий компоненты с коаксиальным выходом коаксиального диэлектрического резонатора, которая имеет в своем составе емкостные связи, на торцевой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора, и электрически соединена с проводниками топологического рисунка, расположенного на лицевой стороне верхнего диэлектрического слоя многослойной платы, позволяет сократить длину соединения активных генераторного и управляющего компонентов с коаксиальным выводом диэлектрического резонатора и, тем самым, снизить паразитную индуктивность и емкость соединений, а значит улучшить электрические характеристики схемы, кроме того уменьшить площадь платы, занимаемой генератором, и, тем самым, улучшить массогабаритные характеристики.
Установка управляющего компонента на металлизации боковой поверхности диэлектрического резонатора и соединение с ним электрически одним выводом, подлежащим заземлению, а второго его вывода с частью топологического рисунка проводников, расположенной на торцевой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора, и с топологическим рисунком проводников металлизации расположенного на лицевой стороне верхнего диэлектрического слоя многослойной платы, позволяет уменьшить длину соединения управляющего компонента с коаксиальным выходом диэлектрического резонатора, значит уменьшить паразитные параметры генератора и, тем самым, улучшить электрические характеристики схемы, кроме того, уменьшить площадь платы, занимаемой генератором, а значит улучшить ее массогабаритные характеристики.
Выполнение емкостной связи между проводником топологического рисунка соединения генераторного компонента и коаксиальным выходом диэлектрического резонатора в виде, по меньшей мере, одного зазора шириной 0,035-0,055 мм, а емкостной связи между боковой стороной проводника топологического рисунка соединения управляющего компонента и коаксиальным выходом диэлектрического резонатора в виде зазора шириной 0,16-0,24 мм, позволяет сократить длину соединений и, тем самым, уменьшить их паразитные характеристики, а значит улучшить электрические характеристики схемы. Ограничение ширины зазора между коаксиальным выходом диэлектрического резонатора и боковой стороной проводника соединения с генераторным компонентом снизу (0,035 мм) связано с нежелательным уменьшением рабочей частоты генератора, а сверху (0,055 мм) - с отсутствием генерации, а, значит с ухудшением электрических характеристик. Ограничение ширины зазора емкостной связи между боковой стороной проводника соединения управляющего компонента и коаксиальным выходом диэлектрического резонатора снизу (0,16 мм) вызывает нежелательное уменьшение рабочей частоты генератора, увеличение фазовых шумов, а сверху (0,24 мм) - снижение диапазона частоты перестройки генератора, управляемого напряжением. Выход за указанные пределы приводит к ухудшению электрических характеристик.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1, 2, 3 и 4 представлена конструкция гибридной интегральной схемы генераторного модуля СВЧ-диапазона, где:
- многослойная печатная плата - 1;
- корпус - 2;
- крышка корпуса - 3;
- топологический рисунок проводников металлизации - 4;
- диэлектрический слой - 5;
- экранная заземляющая металлизация - 6;
- активный генераторный компонент - 7;
- коаксиальный диэлектрический резонатор - 8;
- активный управляющий компонент - 9 (фиг. 1 и 2 - бескорпусной; фиг. 3 и 4 - корпусированный);
- выводы навесных компонентов - 10;
- генератор управляемый напряжением - 11;
- металлизационное покрытие на боковой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора - 12;
- коаксиальный выход на торцевой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора - 13;
- емкостные связи - 14;
- отверстие в многослойной печатной плате - 15;
- зазор между пленочным проводником соединения генераторного компонента и коаксиальным выходом диэлектрического резонатора - 16;
- зазор между боковой стороной проводника топологического соединения управляющего компонента и коаксиального вывода диэлектрического резонатора - 17.
Устройство работает следующим образом. При подаче питания на активный генераторный компонент (транзистор) 7 за счет схемотехнического решения гибридной интегральной схемы генератора 11 создается область рабочего диапазона с отрицательным сопротивлением в базовой области транзистора. При подключении к этой цепи коаксиального диэлектрического резонатора (КДР) 8 с определенной добротностью происходит возбуждение транзистора на резонансной частоте подключаемого контура. Подачей напряжения на активный управляющий компонент 9 (варакторный диод) осуществляется перестройка частоты резонансного контура в рабочем диапазоне частот. Достижение заявленного технического результата - улучшение электрических и массогабаритных характеристик гибридной интегральной схемы достигается снижением паразитной индуктивности и емкости топологического рисунка 2 проводников многослойной платы 1 за счет уменьшения длины соединения коаксиального выхода 13 коаксиального диэлектрического резонатора (КДР) 8 и уменьшения площади многослойной платы 1 и уменьшения высоты корпуса за счет размещения коаксиального диэлектрического резонатора (КДР) 8 в отверстии 15 многослойной платы 1, а значит, и уменьшения размеров и массы корпуса 2 и крышки 3, путем переноса части топологического рисунка проводников 4 генератора управляемого напряжением 11, соединения активных генераторного 7 и управляющего 9 компонентов с коаксиальным выходом 13 коаксиального диэлектрического резонатора 8, расположения на торцевой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора 8 и наличия в ее составе емкостных связей 14, электрического соединения с пленочными проводниками топологического рисунка 4 расположенного на лицевой стороне диэлектрического слоя 5 многослойной платы 1. Снижение паразитной индуктивности и емкости позволяет уменьшить шунтирующий эффект паразитных емкостей и индуктивностей печатной платы 1 и, тем самым, повысить нагруженную добротность КДР 8 и рабочую частоту генератора 11.
В целом, за счет сохранения оптимального размера КДР 8 и, соответственно, обеспечив его (КДР) более высокую добротность удается снизить уровень фазовых шумов генератора 11, а значит, улучшить его электрические характеристики.
Пример 1. 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 нижнего диэлектрического слоя 5 нанесена экранная заземляющая металлизация 6 со структурой аналогичной структуре топологического рисунка проводников 4 металлизации. Многослойная печатная плата 1 своей обратной стороной, имеющей экранную заземляющую металлизацию 6, припаяна на дно корпуса 2 припоем ПИнСр-3. Коаксиальный диэлектрический резонатор 8 установлен и припаян припоем ПОИН-50 на дно металлического корпус 2 в отверстие 15 в плате 1, а его металлизационное покрытие 12 на боковой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора 8 электрически соединено через дно корпуса 2 с экранной заземляющей металлизацией 6 платы 1. На лицевой поверхности верхнего диэлектрического слоя 5 многослойной печатной платы 1 установлены навесные компоненты, в том числе, активный генераторный компонент 7, например, биполярный транзистор BFP420F7 и другие. Коаксиальный диэлектрический резонатор 8 типа КРП 5,7×4,5×4,0 мм расположен в отверстии 15 в плате 1 на дне корпуса 2 и электрически соединен с ним металлизационным покрытием 12 на боковой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора 8. Активный управляющий компонент 9 (например, безкорпусной варакторный диод с балочными выводами, производство АО «НПП «Исток» им. Шокина») установлен на боковой поверхности диэлектрического резонатора на металлизационное покрытие 12 на боковой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора 8 и соединен с ним электрически одним выводом, подлежащим заземлению, а второй его вывод 10 соединен с частью топологического рисунка 4 проводников, расположенных на торцевой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора 8, и с топологическим рисунком 4 проводников металлизации, расположенного на лицевой стороне верхнего диэлектрического слоя 5 многослойной платы 1. Корпус 2 и крышка 3 гибридной интегральной схемы генераторного модуля изготовлены из сплава АМГ с последующим гальваническим покрытием составом палладий - никель толщиной 6 мкм.
Пример 2. Гибридная интегральная схема генераторного модуля СВЧ - диапазона (фиг. 3 и 4) 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 нижнего диэлектрического слоя 5 нанесена экранная заземляющая металлизация 6 со структурой аналогичной структуре топологического рисунка проводников 4 металлизации. Многослойная печатная плата 1 своей обратной стороной, имеющей экранную заземляющую металлизацию 6, припаяна на дно корпуса 2 припоем ПИнСр-3. Коаксиальный диэлектрический резонатор 8 установлен и припаян припоем ПОИН-50 на дно металлического корпуса 2 в отверстие 15 в плате 1, а его металлизационное покрытие 12 на боковой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора 8 электрически соединено через дно корпуса 2 с экранной заземляющей металлизацией 6 платы 1. 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, и другие. Активный управляющий компонент 9 (корпусированный варакторный диод BBY55) установлен на металлизационное покрытие 12 на боковой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора 8 и соединен с ним электрически одним выводом, подлежащим заземлению, а второй его вывод 10 соединен с частью топологического рисунка 4 проводников, расположенной на торцевой поверхности коаксиального диэлектрического резонатора 8, и с топологическим рисунком 4 проводников металлизации, расположенного на лицевой стороне верхнего диэлектрического слоя 5 многослойной платы 1. Корпус 2 и крышка 3 гибридной интегральной схемы генераторного модуля изготовлены из сплава АМГ с последующим гальваническим покрытием составом палладий - никель толщиной 6 мкм.
Таким образом, использование изобретения позволяет улучшить электрические характеристики (за счет уменьшения длин соединений активных генераторного и управляющего компонентов с выходом коаксиального диэлектрического резонатора снижаются паразитные индуктивность и емкость соединений) и массогабаритные характеристики гибридной интегральной схемы СВЧ-диапазона (за счет уменьшения площади платы, занимаемой генератором управляемым напряжением).