ГИБРИДНАЯ ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА СВЧ-ДИАПАЗОНА
MICROWAVE HYBRID INTEGRATED CIRCUIT

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, 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 обработке 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. [А.А. Баронов, В.А. Шадский. Особенности проектирования гетеродина с петлей ФАПЧ Ku-диапазона. // Электронная техника. Серия 3. Микроэлектроника», вып. 4(160), 2015 г., стр. 18-22]. Критерием оптимальности конструкции выбрана величина среднеквадратичного отклонения фазового шума. Недостатками данного технического решения являются высокая спектральная мощность фазовых шумов (СПМШ), высокая паразитная емкость схемы формирования СВЧ сигнала и низкие массогабаритные характеристики.
Также известна гибридная интегральная схема генераторного модуля СВЧ-диапазона, 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, в том числе, занятой схемой обработки СВЧ-сигнала, генератора, управляемого напряжением с включенным в его схему коаксиальным диэлектрическим резонатором. Многослойная печатная плата установлена и закреплена на дне металлического корпуса с крышкой [С.А. Самохин, И.В. Горюнов, В.А. Иовдальский, Е.В. Терешкин, Н.А. Федоров. Малогабаритный опорный СВЧ-генератор на коаксиальном резонаторе. // «Электронная техника. Серия 1. СВЧ-техника», вып. 2(541), 2019 г., с. 58-66]. Недостатками данного технического решения является высокая спектральная мощность фазовых шумов (СПМШ), высокая паразитная емкость схемы формирования СВЧ-сигнала и низкие массогабаритные характеристики.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшение электрических и массогабаритных характеристик ГИС СВЧ-диапазона. Технический результат достигается тем, что в известной конструкции гибридной интегральной схемы СВЧ-диапазона, выполненной в виде многослойной печатной платы, которая установлена на дне металлического корпуса с крышкой и электрически соединена с ним, причем, 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, соединенными с проводниками топологического рисунка металлизации и коаксиальным диэлектрическим резонатором, соединенным, по крайней мере, одним выводом с проводником топологического рисунка металлизации, верхний диэлектрический слой многослойной платы, занятый схемой генератора, управляемого напряжением, имеет на обратной стороне экранную заземляющую металлизацию, по меньшей мере частично. При этом в многослойной плате выполнено отверстие, в котором расположен коаксиальный диэлектрический резонатор, установленный на дно корпуса и электрически соединенный с ним, таким образом, что обеспечивается совпадение по высоте и расположению вывода коаксиального диэлектрического резонатора с проводником топологического рисунка металлизации верхнего диэлектрического слоя многослойной печатной платы, а расстояние между выходом вывода коаксиального диэлектрического резонатора и местом его соединения с проводником топологического рисунка металлизации многослойной печатной платы не более 1,5 мм.
В слоях многослойной печатной платы, с обратной ее стороны, непосредственно под верхним диэлектрическим слоем выполнена выборка, соответствующая в плане части схемы, занятой схемой генерации и обработки СВЧ-сигнала генератора, управляемого напряжением, а отверстие в многослойной печатной плате, в котором расположен коаксиальный диэлектрический резонатор, непосредственно соединено с выборкой.
Многослойная печатная плата установлена и закреплена в корпусе с крышкой.
Многослойная печатная плата своей обратной стороной с экранной заземляющей металлизацией может быть закреплена и электрически соединена с металлическим основанием, которое, в свою очередь, установлено и электрически соединено с дном корпуса, а в металлическом основании выполнено отверстие, соответствующее по конфигурации выборке многослойной печатной платы и отверстию в плате для установки диэлектрического резонатора, а края отверстия в металлическом основании расположены под краем выборки на величину 1-5 мм.
В дне корпуса может быть выполнено углубление, расположенное под выборкой в многослойной печатной плате и соответствующее ей по конфигурации, края углубления выходят за площадь проекции выборки на 1-5 мм, при этом остаточная толщина дна корпуса не менее 1 мм.
В обратной стороне верхнего диэлектрического слоя многослойной печатной платы может быть выполнено углубление, соответствующее по конфигурации и месту расположения выборке в нижерасположенных слоях многослойной печатной платы, при этом остаточная толщина верхнего диэлектрического слоя многослойной печатной платы не менее 0,1 мм.
Изобретение поясняется чертежами. На Фиг. 1 и фиг. 2 представлена конструкция гибридной интегральной схемы генераторного модуля СВЧ-диапазона, где:
- многослойная печатная плата - 1;
- топологический рисунок проводников металлизации - 2;
- диэлектрический слой - 3;
- экранная заземляющая металлизация - 4;
- навесные компоненты - 5;
- коаксиальный диэлектрический резонатор - 6:
- выводы навесных компонентов - 7;
- генератор, управляемый напряжением - 8;
- дно корпуса - 9;
- корпус - 10;
- крышка корпуса - 11;
- отверстие в многослойной печатной плате - 12;
- выход вывода коаксиального диэлектрического резонатора - 13;
- выборка в многослойной печатной плате - 14;
- металлическое основание - 15;
- края отверстия металлического основания - 16;
- углубление в дне корпуса - 17;
- углубление в обратной стороне верхнего диэлектрического слоя многослойной печатной платы - 18.
Размещение коаксиального диэлектрического резонатора (6) в отверстий (12), выполненном в многослойной плате (1) и его электрическое соединение с дном (9) корпуса (10), таким образом, что обеспечивается соответствие по высоте и расположению вывода (7) коаксиального диэлектрического резонатора (6) с проводником (2) верхнего слоя (3) многослойной печатной платы (1), а расстояние между выходом (13) вывода (7) коаксиального диэлектрического резонатора (6) и местом его соединения с проводником (2) многослойной печатной платы (1) не более 1,5 мм, позволяет существенно сократить длину вывода коаксиального диэлектрического резонатора, что ведет к уменьшению его паразитной индуктивности при сохранении добротности колебательной системы генератора, а также к уменьшению массы и габаритов схемы, то есть улучшить электрические и массогабаритные характеристики схемы.
Выполнение в слоях (3) многослойной печатной платы (1) с обратной ее стороны, непосредственно под верхним диэлектрическим слоем (3), выборки (14), соответствующей в плане части схемы, занятой схемой генерации и обработки СВЧ-сигнала генератора, управляемого напряжением (8), позволяет существенно снизить паразитную емкость между топологическим рисунком проводников металлизации на лицевой поверхности многослойной печатной платы и экранной заземляющей металлизацией за счет увеличения расстояния между обкладками паразитной емкости, так как нижней обкладкой паразитной емкости в этом случае является дно корпуса, диэлектрик емкости становится двухслойным и имеет большую толщину, причем вторым слоем является воздух, имеющий низкую диэлектрическую проницаемость равную единице, что дополнительно позволяет уменьшить паразитную емкость, и тем самым сохранить добротность колебательного контура генератора и за счет этого снизить значение спектральной плотности мощности шумов, а значит, улучшить электрические характеристики схемы. Улучшение массогабаритных характеристик происходит за счет уменьшения массы многослойной печатной платы (1).
Соединение отверстия (12) и выборки (14) в многослойной печатной плате (1) позволяет дополнительно улучшить массогабаритные характеристики схемы и исключить возможность образования замкнутой герметичной полости в составе конструкции, тем самым выравнивая давление в выборке и над многослойной печатной платой, что обеспечивает прочность конструкции.
Возможность размещения многослойной печатной платы (1) на металлическом основании (15), которое установлено и электрически соединено с дном (9) корпуса (10), и электрическое соединение многослойной печатной платы (1) своей обратной стороной с экранной заземляющей металлизацией (4) с металлическим основанием (15), и выполнение отверстия (16) в металлическом основании (15), соответствующего по конфигурации выборке (14) в многослойной печатной плате (1) и отверстию в плате, для установки коаксиального диэлектрического резонатора, а также расположение краев отверстия (16) основания (15) под краем выборки (14) на величину 1-5 мм позволяет увеличить толщину слоя диэлектрика паразитной емкости и тем самым дополнительно уменьшить паразитную емкость схемы и улучшить ее электрические характеристики, такое расположение отверстия (16), снизу исключает возможность влияния на величину паразитной емкости, а сверху отсутствием влияния на нее.
Выполнение в дне (9) корпуса (10) углубления (17), расположенного под выборкой (14) в многослойной печатной плате (1) и соответствующего ей по конфигурации, с краями углубления (17), выходящими за площадь проекции выборки (14) на 1-5 мм и с глубиной, обеспечивающей остаточную толщину дна (9) корпуса (10) не менее 1 мм, позволяет дополнительно снизить паразитную емкость схемы и тем самым улучшить электрические и массогабаритные характеристики схемы. Ограничение расположения краев углубления (17) выходящими за площадь проекции выборки (14) на 1-5 мм, снизу обеспечиваетотсутствие влияния на паразитную емкость, а сверху исключает влияние на нее.
Выполнение в обратной стороне верхнего диэлектрического слоя (3) многослойной печатной платы (1) углубления (18), соответствующее по конфигурации и месту расположения выборки (14) в нижерасположенных слоях (3) многослойной печатной платы (1), с глубиной, обеспечивающей остаточную толщину верхнего диэлектрического слоя (3) многослойной печатной платы (1) не менее 0,1 мм, позволяет снизить паразитную емкость схемы и, тем самым, улучшить ее электрические характеристики. Ограничение величины остаточной толщины верхнего диэлектрического слоя (3) многослойной печатной платы (1) не менее 0,1 мм, позволяет сохранить прочность платы при монтаже навесных компонентов и присоединении их выводов к проводникам топологического рисунка металлизации.
Устройство работает следующим образом.
При подаче питания на активный элемент (транзистор) за счет схемотехнического решения гибридной интегральной схемы генераторного модуля создается область рабочего диапазона с отрицательным сопротивлением в базовой области транзистора. При подключении к этой цепи диэлектрического резонатора с определенной добротностью происходит возбуждение транзистора на резонансной частоте подключаемого контура. Подачей напряжения на варакторный диод осуществляется перестройка частоты резонансного контура в рабочем диапазоне частот.
Снижение паразитной индуктивности происходит за счет уменьшения длины вывода коаксиального диэлектрического резонатора и расположения коаксиального диэлектрического резонатора в отверстии в многослойной печатной плате. Снижение паразитной емкости топологического рисунка металлизации за счет выполнения выборки в обратной стороне многослойной печатной плате, позволяет снизить шунтирующий эффект паразитных емкостей и индуктивности печатной платы и тем самым повысить нагруженную добротность диэлектрического резонатора. В целом, за счет сохранения оптимального размера диэлектрического резонатора и, соответственно обеспечив его более высокую добротность, тем самым, снизить уровень фазовых шумов генераторного модуля, а также, улучшить его электрические характеристики, и уменьшить массу и высоту гибридной интегральной схемы генераторного модуля, а значит, улучшить массогабаритные характеристики.
Пример №1. Гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона, представленная на Фиг. 1, имеет размеры 20×18×10,5 мм и массу 7,35 г, выполнена в виде многослойной печатной платы, имеющей три диэлектрических слоя. Материалом диэлектрических слоев является Ro4003 толщиной 0,25 мм. Каждый из диэлектрических слоев многослойной печатной платы имеет топологический рисунок проводников металлизации, выполненной из меди толщиной 18 мкм с гальваническим покрытием золотом толщиной 3 мкм. На обратной стороне верхнего и нижнего диэлектрических слоев нанесена экранная заземляющая металлизация со структурой, аналогичной структуре топологического рисунка проводников металлизации. На лицевой поверхности верхнего диэлектрического слоя многослойной печатной платы установлены навесные компоненты, в частности, биполярный транзистор BFP420F, варакторный диод BBY55, конденсаторы типа К10-17 и другие. Корпус и крышка гибридной интегральной схемы генераторного модуля, изготовлены из сплава АМГ, которые имеют гальваническое покрытие составом палладий - никель толщиной 6 мкм.
Многослойная печатная плата своей обратной стороной, имеющей экранную заземляющую металлизацию, припаяна на дно корпуса припоем ПИнСр-3. Коаксиальный диэлектрический резонатор установлен в отверстии размером 5,7×4,7 мм, выполненном в многослойной печатной плате, и припаян к дну корпуса припоем ПОИН-50, таким образом, что обеспечивается соответствие по высоте и расположению выхода вывода коаксиального диэлектрического резонатора с проводником топологического рисунка проводников металлизации верхнего слоя многослойной печатной платы, для чего диэлектрический резонатор заглублен в дно корпуса на 1 мм(т.е. расположен в углублении размером 5,7×4,7×1,0 мм в дне корпуса).
В слоях многослойной печатной платы, с обратной ее стороны, непосредственно под верхним диэлектрическим слоем, выполнена выборка размером 13×9 мм, соответствующая в плане части схемы, занятой схемой генерации и обработки СВЧ-сигнала генератора, управляемого напряжением, а отверстие в многослойной печатной плате непосредственно соединено с выборкой для удобства монтажа коаксиального диэлектрического резонатора.
Пример №2. Гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона, представленная на Фиг. 2, где многослойная печатная плата своей обратной стороной с экранной заземляющей металлизацией закреплена и электрически соединена с металлическим основанием, выполненным из сплава МД-50 толщиной 1,0 мм с гальваническим покрытием никель 1 мкм и золото 3 мкм, которое, в свою очередь, установлено и электрически соединено с дном корпуса, а в металлическом основании выполнено отверстие, соответствующее по конфигурации выборке многослойной печатной платы и отверстию в многослойной печатной плате для размещения коаксиального диэлектрического резонатора, а края отверстия расположены под краем выборки на величину 0,5 мм.
Пример №3. Гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона, представленная на Фиг. 2, где в дне корпуса толщиной 5 мм, выполнено углубление 2 мм, расположенное под выборкой в многослойной печатной плате и соответствующее ей по конфигурации, края углубления выходят за площадь проекции выборки на 1 мм, при этом остаточная толщина дна корпуса 3 мм.
Пример №4. Гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона, представленная на Фиг. 2, где в обратной стороне верхнего диэлектрического слоя толщиной 0,25 мм многослойной печатной платы выполнено углубление 0,1 мм, соответствующее по конфигурации и месту расположения выборке в нижерасположенных слоях многослойной печатной платы, а остаточная толщина верхнего диэлектрического слоя многослойной печатной платы равным 0,15 мм.
В целом, за счет предложенного технического решения обеспечивается более высокая нагруженная добротность диэлектрического резонатора и тем самым снижается уровень фазовых шумов генераторного модуля, что ведет к улучшению электрических и массогабаритных характеристик гибридной интегральной схемы генераторного модуля.