Распределенные плёночные элементы и элементы с сосредоточенными параметрами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Распределенные плёночные элементы и элементы с сосредоточенными параметрами



Содержание

Введение

1. Пленочные резисторы

2. Конденсаторы

3. Индуктивности

4. Подстроенные элементы

Литература



Введение

Пассивные пленочные элементы схем (R, C, L), особенно в микроволновом (СВЧ - сверхвысокочастотном) диапазоне частот, позволяют реализовать значительное количество устройств в гибридном или интегральном исполнении, что решает проблемы надежности, цены и габаритов. При этом размеры элементов могут быть как распределенными, так и полусосредоточенными и даже сосредоточенными.

Принято считать элементы сосредоточенными, когда их линейные размеры не превышают 0,03 (в длина волны в линии, определяемая значением длины волны в свободном пространстве 0 = с/f и эффективной диэлектрической проницаемостью подложки эф как в = 0(эф)-0,5). При таких размерах элементов можно пренебречь эффектами, обусловленными волновым характером электромагнитного поля, в частности сдвигом по фазе между входом и выходом элемента. Современные технологические приемы (фотолитография, ИС-технологии) позволяют реализовать сосредоточенные пассивные элементы, работающие вплоть до мм диапазона частот, которые с успехом применяются в генераторах большой мощности и малошумящих усилителях. Эти элементы выполняются обычно на кварце, что с одной стороны существенно улучшает параметры устройства по сравнению с распределёнными элементами, но значительно повышает их стоимость.

Полусосредоточенными считаются элементы, образованные отрезками ПЛ длиной менее четверти длины волны и имеющие в относительно небольшом диапазоне частот свойства сосредоточенных емкостей или индуктивностей.

Рассмотрим подобные элементы и их реализации в современ-ных микроволновых устройствах и системах.



1. Пленочные резисторы

В полосковых схемах резисторы используются в качестве схемных СВЧ элементов, оконечных нагрузок и входят в состав низкочастотных цепей управления и питания. Применяются резисторы двух типов: с сосредоточенными параметрами (много меньше длины волны в линии) и распределенными. Предпочтительная форма резистора с сосредоточенными параметрами прямоугольная. Резистор, включенный в полосковую линию, представляет собой отрезок ПЛ, выполненный из материала с высоким поверхностным сопротивлением. Входное сопротивление резистора

ZBX R/(1 + jCR/3),

где R = RSl/ номинальное сопротивление резистора (RS поверхностное сопротивление резистивного участка); С емкость резистора. При выводе предполагалось, что R << L; L индуктивность. Емкость С можно оценить по формуле для плоского конденсатора. Эквивалентная схема пленочного резистора на СВЧ, учитывающая структуру тонкой резистивной пленки, в которой отдельные гранулы резистивного материала разделены воздушными промежутками, окисными пленками или диэлектрическим материалом, приведена на рис. 9,1, а. В СВЧ резисторе существует распределенная шунтирующая емкость Ср, на высоких частотах возникает последовательная индуктивность. В общем случае наличие паразитной емкости приводит к уменьшению сопротивления R1 на высоких частотах по сравнению с R на постоянном токе (рис. 1, б).



а б

Рис. 1

Сосредоточенные пленочные резисторы (тонкопленочные) проектируют в виде полосок различной конфигурации. Электрический контакт с проводниками микросхемы обеспечивают перекрытием соответствующих участков резистивной и проводящей пленок (рис. 2).

Рис. 2

При проектировании тонкопленочных резисторов для обеспечения необходимого контакта между резистивным слоем и проводником размеры l1 и b1 не должны быть менее 200 мкм.

Исходными данными для расчета являются: номинальное значение резистора R, значение расчетной величины мощности рассеяния P.

Выбирают сопротивление квадрата резистивной пленки R, максимально допустимую удельную мощность рассеяния тонкопленочного резистора P и определяют геометрические размеры резистора l, b.

Обозначение размерности сопротивления квадрата пленки R условное, отнесенное к произвольному квадрату поверхности однородной пленки

R = /d,

где удельное сопротивление пленки, Оммм; d толщина пленки, мм.

Площадь резистора определяют по формуле

S = P/P,

формат которой численно равен отношению его длины к ширине

n = R/R.

При этом геометрические размеры резистора будут

l = 10 (Sn)1/2 , b = 10(S/n)1/2,

где l, b длина и ширина резистора, мм; s площадь, см2.

При проектировании сложных схем с большим количеством резисторов, имеющих различные номинальные значения R, допустимо использование более сложных топологических решений резисторов. В этом случае для их расчета следует пользоваться стандартом ОСТ 450.020.224-82.

Варианты включения резисторов между ПЛ различных размеров и конфигурации (например, в направленных делителях) представлены на рис. 2, б, в, г.

Рассмотрим более подробно, наиболее применяемые топологии резисторов.

Резистор, заземленный через отверстие cогласованная широкополосная нагрузка устройство СВЧ, предназначенное для согласования нерабочих выходов СВЧ-схем. Она представляет собой резистор с сопротивлением, равным волновому сопротивлению тракта СВЧ, подключенный одним плечом к ПЛ, другим плечом к короткозамкнутому основанию. Топология и варианты конструкций нагрузки показаны на рис. 3, а, б.

а б в

Рис. 3

Основной электрической характеристикой нагрузки является частотная характеристика KстU, а основные требования к согласованной нагрузке: размеры предельно малы по сравнению с длиной рабочей волны; в месте включения не должно быть существенных нерегулярностей; короткозамыкающий отрезок должен быть минимальной длины. Диаметр отверстия, через которое заземляют резистор нагрузки, должен быть достаточным для обеспечения надежной металлизации отверстия (обычно d = 1 2 мм).

Согласованная нагрузка с размерами резистора 0,5х0,5 мм (Ra = 50 Ом/) и контактной площадкой 0,5х0,5 мм в ПЛ с Z0 = 50 Ом на подложке из ситалла толщиной h = 0,5 мм, обеспечивает KстU < 1,15 до 10 ГГц. В микросхемах, работающих в полосе частот f/f0 10 %, малое KстU обеспечивает узкополосная согласованная нагрузка, роль короткозамыкателя которой выполняет разомкнутый на конце шлейф (рис. 3, б). Для обеспечения KстU 1,1 1,5 в полосе частот с перекрытием K = f2/f1, волновое сопротивление шлейфа Zш должно быть

Zш 0,1 Z0 tg/2k,



где f1 и f2 граничные частоты рабочей полосы.

Геометрическую длину шлейфа lш определяют по формуле

lш = 0,250/(эф.ш)0,5,

причем длина шлейфа lш должна быть равна или больше ширины шлейфа ш.

Резистор такого назначения можно реализовать и при замыкании на землю через проводящую плоскость на верхней поверхности платы (КстU резистора улучшается при заземлении через металлизированный торец платы), рис. 3, в. Величина сопротивления таких резисторов определяется как .

Простейший резистор, заземленный с помощью четвертьволнвого разомкнутого шлейфа и в виде линии передачи с большим затуханием имеют вид рис. 4 и его величина определяются как:

Рис. 4

,

f1, f2 - граничные частоты полосы, при этом коэффициент отражения равен

Резисторы в форме сектора, трапеции, полуокружности, сопряженный по окружности с полоской и заземленной поверхностью имеют вид рис. 5 и описываются соответственно формулами:



а б в г

Рис. 5

а.

б.

в.

г.

где

При проектировании резисторов важную роль играет выбор такого перекрытия N, при котором наблюдается стабилизация переходного контактного сопротивления.

Рекомендуется для сопротивлений 25 50 Ом N = 0,7 0,5 мм; 50 200 Ом N = 0,5 0,4 мм; 200 500 Ом N = 0,4 0,2 мм (см. рис. 6). Для резисторов, у которых b < , элемент стыковки с полоской, расширенный по сравнению с его рабочей частью, должен выступать из-под проводниковой пленки на расстояние в 1,5 2 раза превышающее ошибку на совмещение слоев при изготовлении платы.

Рис. 6

Резисторы с мощностью рассеяния до 0,5 Вт обычно выполняют в виде малогабаритных пленочных конструкций, а при более высокой мощности рассеяния используют конструкции, имеющие большую площадь. В нагрузочных резисторах на ситалле допустимо рассеивать до 3 Вт/см2, на поликоре до 20 Вт/см2 при рабочих температурах 60 - 70 0С.

Малогабаритные пленочные резисторы с сосредоточенными параметрами длиной до 1 мм используются до 18 ГГц, резисторы большой площади на частотах не более 1 2 ГГц. Одним из способов уменьшения шунтирующей емкости резистора является удаление экранной металлизации под резистором; иногда для улучшения частотных свойств увеличивают толщину подложки.

2. Конденсаторы

Различают параллельные и последовательные конденсаторы.

Параллельная ёмкость может выполняться в виде отрезка ПЛ с волновым сопротивлением Z1 меньшим Z0 (рис. 7) при этом номинал её определяется как C [пФ] Z1l(эф)0,5/c, Z1 [Ом], l [м], c = =3108 м/с, где величина l должна удовлетворять неравенству l < в/8; с скорость света [м/с] (либо по формуле плоского конденсатора, при выполнении указанного ранее неравенства С [пФ] = =0,885sr/d, где s - площадь металлической площадки, а d толщина слоя диэлектрика в см, r - относительная диэлектрическая проницаемость).

Рис. 7

Кроме того, параллельная ёмкость может быть выполнена на краю платы либо через отверстия в ПЛ с включением сосредоточенного элемента, либо в виде распределенной емкости. Такую емкость, как и любую реактивную проводимость можно создать в виде шлейфов, разорванных либо закороченных на землю на конце (рис. 8). При этом величина емкости (либо индуктивности) находится в сильной зависимости от частоты сигнала и определяется для входной реактивной проводимости параллельных шлейфов:

для короткозамкнутого Yвх.кз = j1/Zшctg2lш/в;

для разомкнутого Yвх.хх = 1/Zш tg2lш/в,

где Yш, Z ш волновая проводимость и сопротивление шлейфа; lш геометрическая длина шлейфа; в длина рабочей волны в ПЛ.

Рис. 8

В полосковых схемах на органических диэлектриках получила распространение емкость, образуемая при наложении части полоски на ее продолжение через слой пленочного диэлектрика (пленка из фторопласта, полиамидная и т.п.). В интегральных ИС СВЧ подобные емкости выполняются методами толстопленочной технологии. На рис. 9 приведены типичные топологии пленочных конденсаторов с элементами подстройки для получения более близких к номиналу значений. Отклонения от номинала в среднем 10 15 %.



а б в

Рис. 9

пленочный элемент резистор конденсатор

При составлении топологии отдельных слоев следует учитывать, что нижняя обкладка должна выступать за край верхней не менее чем на 200 мкм, а диэлектрик должен выступать за границы площадки перекрытия обкладок не менее чем на 200 мкм. Расчет емкости С по формуле плоского конденсатора (C [пФ] = =0,885lr/h, , l, h [см]) вносит погрешность не более 5 %, обусловленную пренебрежением краевыми эффектами, если l < .

Плоский конденсатор прямоугольного (как и круглого сечения) на материале подложки, рис. 10 иногда называемый сосредоточенным конденсатором на подложке, применяется вплоть до сантиметрового диапазона. Расчет подобных элементов (а), если их линейные размеры и l меньше , основан на представлении плоского конденсатора в виде отрезка ПЛ шириной и длиной l (б - для круглого сечения).

а б

Рис. 10

а. C [Ф] = C0 + Cк1 + Cк1, C0 = 0rl/h,

Cк1 = (0,50l) [120Zв(, h, 1)/Z2в(, h, r) - r/h],

Cк2 = (0,50) [120Zв(l, h, 1)/Z2в(l, h, r) - rl/h], l, , h [м].

б. C [Ф] = C0 + Cкр,

C0 = эф0r20/h, Cкр = 2эф0r0[ln(r0/2h) + 1,7726], r0, h [м].

Емкость конденсатора с учетом краевого эффекта дает погрешность результатов, получаемых по данным формулам, при 2h/ 1 около 1 %; при 2h/ 2 2 % и 2h/ 4 20 %.

На рис. 11 представлена зависимость емкости прямоугольного конденсатора от отношения /l при различных значениях параметра l/h, r и толщины подложки. Например, емкость при r = 2,5 равна среднему арифметическому ее значений при r = 2,3 и 2,7. Наличие двух значений r позволяет оценить влияние разброса r на емкость.

Рис. 11

На рис. 12 представлены зависимость эф от отношения r0/h при различных значениях r и зависимость емкости конденсатора круглого сечения от тех же параметров при = 2r0.

Рис. 12

Преимущества сосредоточенных конденсаторов на подложке: простота изготовления; возможность получения с достаточной точностью требуемой емкости, так как при обычно используемых толщинах подложек емкость на единицу площади невелика (для подложек с г = 10 около 0,1 пФ/мм2); высокое пробивное напряжение; возможность реализовать высокую добротность, так как нет ограничений на материал обкладок и их толщину в пределах используемой технологии; возможность точной подстройки простыми технологическими способами. Недостатки: относительно большая площадь элементов; невозможность достижения больших номиналов; усложнение конструкции при последовательном включении конденсаторов в линию из-за необходимости использовать отверстия и т.п.

Несмотря на универсальность, многослойная пленочная конструкция конденсатора обладает недостатками; трудно создать высокочастотные конденсаторы с высокой удельной емкостью (получены удельные емкости до 30 50 пФ/мм2); появляются дефекты (проколы) при изготовлении диэлектрических слоев; из-за малой толщины диэлектрического слоя не удается достичь высокого пробивного напряжения. Для создания конденсаторов небольшой емкости нередко используют конструкции без дополнительных диэлектрических слоев. К таким конденсаторам относятся торцевой зазор в полоске, гребенчатый зазор.

Последовательную емкость выполняют в виде планарной (гребенчатый) штыревой структуры, изображенной на рис. 13, которая имеет величину, определяемую как

C [пФ/ед. длины] = (r + 1) 0b[2A1(N - 1) + A2],

A1 = 0,614(h/s)0,25(t/h)0,439,

A2 = 0,775t/(2N - 1)(t + s) + 0,408,

N - число секций, h - толщина подложки.



Рис. 13

Либо в виде зазоров и параллельно расположенных ПЛ, при этом погонная емкость (Сп, пФ/см) между двумя такими обкладками (рис. 14, а) для подложек с r = 10 определяют по графику рис. 14, б. Для подложек с r = 7 8 следует значение, полученное из графика, умножить на 0,7.

Добротность конденсатора рассчитывается по формуле

1/QC = 1/QS + 1/Qd,

где Qs = 3/2Cl2RS добротность проводящих пластин; Qd= 1/tg добротность диэлектрической пленки.

Погрешность расчета емкости по приведенным формулам до 5 %, а добротность может быть оценена и как QС = 1/CR, где R= (4/3)bRS/Nt, Rs поверхностное сопротивление проводника, в котором сформирована емкость. На частоте 2 ГГц достигнута добротность конденсатора (С = 2,9 пФ), равная 677. Достоинство конструкции в ее простоте, несмотря на высокие требования к качеству изготовления штырей и зазоров, недостатки сложность подстройки и малый номинал.



а б

Рис. 14

Навесные конденсаторы постоянной емкости. В полосковых схемах в зависимости от типа конструкции используются: конденсаторы постоянной и переменной емкостей, предназначенные для относительно низкочастотных цепей, если они сохраняют свойства сосредоточенных элементов в СВЧ диапазоне; конденсаторы, разработанные специально для СВЧ диапазона. Номиналы конденсаторов соответствуют стандартным, но существуют более высокие классы точности: 0 (±2 %), 00 (±1 %), 05 (±0,5 %), 02 (±0,2 %), 01 (±0,1 %). По отклонению ТКЕ конденсаторы разделяются на две подгруппы: I керамические, стеклокерамические и стеклянные на номинальное рабочее напряжение до 1600 В, изолированные емкостью до 47 пФ, незащищенные и неизолированные емкостью до 20 пФ; II керамические, стеклокерамические и стеклянные на номинальное рабочее напряжение до 1600 В, изолированные емкостью больше 47 пФ, незащищенные и неизолированные емкостью больше 20 пФ, керамические, стеклокерамические и стеклянные на номинальное рабочее напряжение выше 1600 В.

Конденсаторы типа К10-9, К10-17, К10-42, К10-43 и т.п. представляют собой миниатюрные керамические параллелепипеды (рис. 15, б, слева (а) изображены бескорпусные резисторы), торцы которых металлизированы и облужены. Конденсаторы с помощью пайки крепятся к контактным площадкам схем. Габаритные размеры этих конденсаторов соответственно: К10-9 2x2x1,2; 2x4x1,2; 4x4x1,2; 2,5x5,5x1,2 мм; К10-17: 1,5x1,4x1,2; 2x1,9x1,2; 4x3x1,2; 5,5x4,6x2,0 мм; К10-42: 1,5x1,4x1,2 мм; К10-43: 4x2,9x2,4, 5,5x3,2x2,7; 8x6,8x2,4; 12x10,6x2,4 мм, а номиналы: К10-9 номиналы 2,2 47 000 пФ (допуск на емкость ±5 и ±10 %, ТКЕ + 3310-6 (ПЗЗ), 4710-6 (М47)), рабочее напряжение до 25 В; К10-17 номиналы 22 330 000 пФ (допуск на емкость ±5 и ±10 %, по ТКЕ относятся к группам МЗЗ, М47, М75), рабочее напряжение до 25 В; К10-42 номиналы 1 22 пФ (допуск от ±0,25 пФ до ±0,5 пФ для емкости 4,7 10 пФ и ±5; ±10; ±20 % для емкостей больше 10 пФ, по ТКЕ ( 47 ± 30)10-6 группа М47); рабочее напряжение 50 В, tg < 1510-4.

а б

Рис. 15

Конденсаторы К10-43 имеют номиналы 21,5 пФ 0,0442 мкФ с допуском ±1, ±2, ±5 %; ТКЕ (0 ± 30)10-6 (группа МПО); рабочее напряжение 25 В tg 1510-4. Конденсаторы К10-42 имеют наименьшие габаритные размеры и разработаны специально для применения в ГИС СВЧ на частотах до 2 ГГц.

В полосковых схемах можно использовать как малогабаритные переменные конденсаторы, не предназначенные для СВЧ техники, до 0,5 ГГц, так и конструкции, специально разработанные для СВЧ диапазона. Конденсаторы типа КТ4-25 (рис. 8.14, а) имеют габаритные размеры 8,5x4,5 (для номинального напряжения 250 В), 5х3,5 (100 В); 5х5x3,5 (100 В); 8,5х8,5х4,5 мм (250 В) и т.д. Они обеспечивают диапазоны изменения емкостей 1 5; 2 10; 5 25; 6 30 (100 В); 0,4 4; 2 20; 1 8; 5 40 пФ (250 В); ТКЕ (0 + 30)10-6 (группа МП0), (75 ± 30)10-6 (группа (М75) и (750 ± 100)10-6 (группа М750); tg 210-4. Конденсаторы выдерживают до 100 перестроек, масса не более 0,6 г. На частотах до 100 300 МГц можно применять малогабаритные пластинчатые конденсаторы с воздушным диэлектриком типа КПВ-1, обеспечивающие диапазоны изменения емкости 2 12 пФ. Однако из-за относительно больших для СВЧ цепей размеров и массы (15 20 г) эти типы конденсаторов используются редко.

Для диапазона СВЧ предназначены конденсаторы КТ4-22, имеющие размеры 8,5х8,5х4,5 мм и перестраиваемые от 0,21 до 2; от 1 до 5; от 2 до 10; от 3 до 15 и от 4 до 20 пФ. Номинальное напряжение конденсаторов 250 В; tg 2010-4; ТКЕ (75 ± 75)10-6; масса не более 0,7 г.

Конденсаторы типа КТ4-27 выдерживают до 50 циклов перестройки, разработаны, в частности, для ИС СВЧ и работают при номинальных напряжениях 25 и 50 В. Габаритные размеры 2,8х2,6х1,2 (25 В) и 5х4,7х1,8 мм. (50 В), диапазоны перестройки 0,4 2, 1 5 (25 В), 1 5, 2 10, 3 15, 4 20 пФ (50 В); ТКЕ (75 ± 125)10-6; tg 2010-4. Масса 0,07 г (25 В) и 0,2 г (50 В).

В диапазоне до 5 ГГц находит применение миниатюрный плоский конденсатор, обеспечивающий при габаритных размерах 5х1х0,5 мм перестройку 0,1 2,5 пФ. На частоте 1,4 ГГц потери 0,04 дБ.

3. Индуктивности

Индуктивность при номиналах единицы нГн - это отрезки полосковых линий. Плоские, спиральные элементы применяются в качестве дросселей и индуктивностей с номиналом от единиц нГн до сотен мкГн.

Такие элементы находят применение в полосковых схемах на органических и неорганических диэлектриках и являются по существу отрезком линии передачи, что упрощает технологию изготовления. Погрешности при реализации такие же, как при изготовлении проводников. Недостатки: большие габаритные размеры и отсутствие возможности простой подстройки.

С помощью прямоугольного проводника можно реализовать индуктивности малых номиналов (до единиц нГн). Рассмотрение прямоугольного отрезка, как короткозамкнутого отрезка линии передачи позволяет вывести как выражение для полного сопротивления такого элемента:

Z = Rl + jLl,

где R погонное активное сопротивление; L погонная индуктивность; l - длина рассматриваемого отрезка линии, так и добротности индуктивности

QL = L/R.

При этом сопротивление прямоугольной полоски можно определить как

R = RSl/2( + t),

где Rs поверхностное сопротивление, Ом; поправочный коэффициент, учитывающий неравномерное распределение тока в полоске. Отрезок проводника (рис. 16) в качестве индуктивности употребляется редко, но следует помнить, что отрезок линии передачи со свойствами последовательной индуктивности имеет индуктивность L металлической полоски шириной и длиной l (без учета влияния металлического основания подложки) определяемую формулой



Рис. 16

L [нГн] = 0,2l[ln(l/ + t) + 1,19 + 0,22( + t)/l],

где L величина индуктивности; l, , t длина, ширина и толщина полоски, мм.

Геометрические размеры индуктивностей величины L в структуре в виде полоски или “меандра” (рис. 17, а и б) можно определить из графика (рис. 17, а) (без учета металлического основания и подложки).

а б

Рис. 17

Величину индуктивности L полосковой линии шириной , высотой t и длиной l (рис. 18) с учетом влияния металлического основания подложки определяют по формуле

L = 0,46llg(8t/) + (/4t) 0,2l ln(8t/) + (/4t).

В случае, если параметры ПЛ заданы в виде волновых сопротивлений (рис. 19), индуктивность следует определять как:

L [Гн] Z1l(эф)0,5/с, Z0 << Z1, c = 3 1011 мм/с, l, мм, l < /8, Z0,Ом.

Рис. 18 Рис. 19 Рис. 20

Для цилиндрического проводника, применяемого крайне редко (рис. 20) ввиду низкой технологичности индуктивность равна

L [нГн] = 0,2l[ln(l/d) + 0,386], d, мм, l, мм.

Круглая одиночная петля (рис. 21) обладает индуктивностью:

Рис. 21 Рис. 22 Рис. 23

L [нГн] = 0,2l[ln(2l/( + t)) - 2,451],

, t и l - ширина, толщина витка и его периметр, мм.

Квадратная петля и равносторонний треугольник (рис. 22, 23) имеют индуктивности, соответственно:

L [нГн] = 0,2l[ln(2l/ + t) 2,853],

L [нГн] = 0,2l[ln(2l/ + t) 3,197],

где l, , t сторона квадрата или треугольника, ширина и толщина витка, мм.

Значение индуктивности, выполненной в форме круглой спирали (рис. 24), определяют по формуле



L = 5 (D + d)2 N2 /(15D 7d),

если заданы D, d внешний и внутренний диаметры (стороны) спирали, мм; N число витков.

Рис. 24

Либо при задании R1, R2 внутреннего и внешнего радиусов, мм, N числа витков, и величины а = 0,5(R1 + R2), c = R2 R1

L [нГн] = 0,4N2a[(ln8a/c - 0,5) + (c/a)2(ln8a/c + 3,583)/24] 2,853],

L [нГн] = 10N2(R1 + R2)2/(15R2 7R1),

L [нГн] = 39,3(0,8a2N2)/(6a + 10c).

Индуктивность плоской квадратной спирали (рис. 25) определяется по одной из формул

L [нГн] = 2,41aN5/3ln(8a/c),

L [нГн] = 8,5S0,5N5/3 (R1 = 0),

L [нГн] = 0,27D8/35/3(1 + q/)5/3,

где а = 0,5(R1 + R2), c = R2 R1, S - площадь, см2, ширина витка, мм, q - ширина зазора, мм, D - сторона квадрата, мм.



Рис. 25

Если параметры плоской спирали заданы через внешний диаметр, то расчет ее индуктивности можно провести по формуле

L = 6 (D + d)2 N2 /(15D 7d).

Внешний диаметр (сторону) спирали определяют по формуле

D = d + (2N 1)s + 2,

где s шаг спирали и ширина спиральной полоски, мм.

Число витков спирали определяют по формуле

N = [(D + s) (d + 2)]/2s.

Добротность пленочных катушек индуктивности определяют (в общем случае как QL = L/R, где сопротивление прямоугольной полоски R = 0,5Rsl/(+t), Rs - поверхностное сопротивление, поправочный коэффициент (рис. 26, а), учитывающий неравномерное распределение тока в полоске) по формулам:

для индуктивности в форме круглой спирали

Q = 2103 (D + d) f1/2/(15D 7d);

для индуктивности в форме квадратной спирали (f частота, ГГц).



Q = 1,6103 (D + d) f1/2/(15D 7d).

Погрешность расчета индуктивностей в виде спиралей составит 10 %. Расчет производят методом последовательных приближений до получения расчетной величины индуктивности, совпадающей с заданной с требуемой точностью.

Плоские спиральные индуктивности круглой или прямоу-гольной (квадратной) формы применяются в качестве контурных индуктивностей или дросселей, позволяя реализовать значения индуктивности от единиц нГн до сотен мкГн. Добротность круглой спиральной индуктивности

Добротность квадратной спиральной индуктивности

где L индуктивность, нГн; d1 = 2R1; d2 = 2R2; f частота, ГГц; ' поправочный коэффициент, учитывающий эффект «близости» витков плоской катушки, рис. 26, б.

а б

Рис. 26

Наилучшее значение QL получают при d1/d2 = 0,2. Экспериментально установлено, что выбор одинаковой ширины витков и зазоров между ними ( = s) позволяет получить оптимальную добротность. На рис. 26, б представлена зависимость ' для круглых проводников от соотношения их диаметра и межвиткового расстояния с. Кривая 1 соответствует синфазным токам в соседних витках, кривая 2 противофазным. Эффект близости изменяет распределение тока в проводниках и приводит к возрастанию сопротивления (до 30 35 % при малом s). При использовании данных этого рисунка для прямоугольных проводников полагают, что c/d = =(s + )/.

Используя комбинации L и C можно получить резонаторы или контура параллельного или последовательного типа. Добротность подобных контуров лежит в пределах 10 - 90.

Индуктивные элементы. Несмотря на относительную простоту изготовления пленочных индуктивностей, навесные индуктивные элементы также находят широкое применение в качестве дросселей питания и элементов гибридных схем СВЧ. Навесные бескорпусные печатные катушки индуктивности используют в ГИС на частотах до 200 МГц: номиналы 26 230 мкГн; размеры 6х6 мм при толщине 0,25 мм; добротность в пределах 20 30; рабочий ток до 250 мА.

В качестве дросселей до 100 мкГн могут быть использованы индуктивности на торроидальных сердечниках диаметром 2 мм. Разработаны чип-индуктивности, имеющие номиналы 15 1000 мкГн при добротности 70 80, используемые на частотах до 300 400 МГц. Конструкции, предназначенные для высокочастотных трансформаторов, применяются также и для создания высокочас-тотных индуктивностей в диапазоне сотен МГц: номинал от единиц до 1000 мкГн. В метровом и дециметровом диапазоне используются высокочастотные дроссели типа ДМ. Паразитные параметры этих дросселей можно компенсировать в узкой полосе частот с помощью коротких индуктивных отрезков. Дроссели (ГИ 0.477.005ТУ) выпускаются трех типоразмеров на 64 номинала. Габаритные размеры типоразмеров: I: L = 70 мм; l = 11,5 мм; D = 3,8 мм; II: L = 72 мм; l = 13,5 мм; D = 4,4 мм; III: L = 80 мм; l = 21,5 мм; D = 5,1 мм. По значению рабочего тока различаются семь типов дросселей: на 0,1; 0,2; 0,4; 0,6; 1,2; 2,4; 3 А. В зависимости от типоразмера и рабочего тока устанавливается диапазон номиналов дросселей. Например, дроссели ДМ-0,1 имеют номиналы 40 125 мкГн (типоразмер I), 140 200 мкГн (типоразмер II), 200 500 мкГн (типоразмер III). Точность выполнения номиналов составляет ±5 %, добротность 80 100. Дроссели типа ДМ работают при температуре 60 155 ОС при относительной влажности 98 % (40 ОС), выдерживают вибрации в диапазоне 5 2500 Гц (ускорение 20 g). На параметры ПЛ дроссели оказывают минимальное влияние при включении их над платой перпендикулярно оси полоски в области малой концентрации электромагнитного поля. Однако технологически подобное включение трудно осуществить с достаточной надежностью в тех случаях, когда вывод дросселя необходимо паять непосредственно к ПЛ. Существует ряд конструкций дросселей, однако их конструкции могут быть использованы лишь в сантиметровом диапазоне.

4. Подстроенные элементы

Необходимость в подстроечных элементах вызвана разбросом характеристик схем из-за технологических, производственных и других причин, неидентичности характеристик навесных компонентов и т.д. Подстраивать можно большинство топологических элементов полосковых схем.

На рис. 27 изображены конструктивные элементы, позволяющие в ПЛ осуществить: изменение длины прямого и ступенчатого проводников напайкой или разрывом перемычек (рис. 27, а, б); изменение длины проводника, замкнутого на землю, напайкой или разрывом перемычек (рис. 27, в); изменение ZВ полосковой линии (рис. 27, г). Между подстроечными полосковыми элементами наиболее типичны зазоры 0,3 мм, что вполне доступно для изготовления печатных плат и микросхем СВЧ.

а б в

Рис. 27, г

На рис. 28, а изображена наиболее часто употребляемая конфигурация верхней обкладки конденсатора. Данная форма обкладок и методы присоединения (и отсоединения) подстроечных секций могут употребляться в любом типе пленочных конденса-торов. Настройка штыревых (планарных) конденсаторов выполняется разрывом или напайкой перемычек в отдельных штырях, что позволяет так же, как в пленочных, получать высокую точность настройки схем.

а б

Рис. 28

Подстройка индуктивных элементов осуществляется в небольших пределах с помощью изменения числа витков (рис. 28, б). При этом ограничения на размер зазора те же, что и для полосковых проводников.

СВЧ резистор можно подстроить, изменив его форму (лазерная подгонка номинала в сторону его увеличения рис. 29, а) либо толщину резистивного слоя (абразивная подгонка номинала толстопленочного резистора соскабливанием слоя материала с его поверхности). Резисторы, входящие в состав низкочастотных цепей (питания и управления), можно подстраивать, как показано на рис. 4.29, б (разрывом перемычек).

а б

Рис. 29



Литература

1. Jesse, Russell Burrows-Wheeler transform / Jesse Russell. - М.: Книга по Требованию, 2013. - 112 c.

2. Баскаков, А. И. Локационные методы исследования объектов и сред / А.И. Баскаков, Т.С. Жутяева, Ю.И. Лукашенко. - М.: Academia, 2011. - 384 c.

3. Гарматюк, С. С. Задачник по устройствам генерирования радиосигналов. Учебное пособие / С.С. Гарматюк. - М.: ДМК Пресс, 2015. - 672 c.

4. Драгунов, В. П. Основы наноэлектроники / В.П. Драгунов, И.Г. Неизвестный, В.А. Гридчин. - М.: Высшая школа, 2006. - 496 c.

5. Дьелесан, Э. Упругие волны в твердых телах. Применение для обработки сигналов / Э. Дьелесан, Д. Руайе. - М.: Главная редакция физико-математической литературы издательства "Наука", 1982. - 424 c.

6. Егупов, Н.Д. Методы классической и современной теории автоматического управления. В 5 томах. Том 3. Синтез регуляторов систем автоматического управления / Н.Д. Егупов, К.А. Пупков. - М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. - 616 c.

7. Карташкин, А. С. Компьютерные информационные технологии в бортовой РЛС / А.С. Карташкин. - М.: РадиоСофт, 2011. - 216 c.

8. Королев, М. А. Технология, конструкции и методы моделирования кремниевых интегральных микросхем. В 2 частях. Часть 1. Технологические процессы изготовления кремниевых интегральных схем и их моделирование / М.А. Королев, Т.Ю. Крупкина, М.А. Ревелева. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2007. - 400 c.

9. Логвинов, В. В. Схемотехника телекоммуникационных устройств, радиоприемные устройства систем мобильной и стационарной радиосвязи, теория электрических цепей / В.В. Логвинов, В.В. Фриск. - М.: Солон-Пресс, 2011. - 656 c.

10. Лопатин, В. Ф. Теория передачи сигналов железнодорожной автоматики, телемеханики и связи / В.Ф. Лопатин, А.Д. Моченов. - М.: ИнФолио, 2010. - 368 c.

11. Нефедов, В. И. Основы радиоэлектроники и связи / В.И. Нефедов, А.С. Сигов. - М.: Высшая школа, 2009. - 736 c.

12. Радиотехнические устройства и элементы радиосистем / В.А. Каплун и др. - М.: Высшая школа, 2005. - 296 c.

13. Ткаченко, Ф. А. Электронные приборы и устройства / Ф.А. Ткаченко. - М.: Новое знание, Инфра-М, 2011. - 688 c.

14. Ушаков, П. А. Цепи и сигналы электросвязи / П.А. Ушаков. - М.: Академия, 2010. - 352 c.

15. Фокин, В. Г. Оптические системы передачи и транспортные сети / В.Г. Фокин. - М.: Эко-Трендз, 2008. - 288 c.

16. Хорн, Б. К. П. Хорн Зрение роботов / Б. К. П. Хорн Хорн. - М.: Мир, 1989. - 488 c.

17. Ютт, В. Е. Электронные системы управления ДВС и методы их диагностирования / В.Е. Ютт, Г.Е. Рузавин. - М.: Горячая линия - Телеком, 2007. - 104 c.

Размещено на Allbest.ru