магистрант
Гомзикова Т. А.
Омский
государственный технический университет
Расчет и проектирование устройств частотной селекции диапазона СВЧ с применением технологии LTCC
Устройства фильтрации являются одной из
основных составляющих радиотехнических систем. Развитие этой области науки, как
и любой другой, основано на стремлении снизить габариты устройства и улучшить
его электрические характеристики. В связи с этим ведутся поиски новых
топологических решений при проектировании фильтров, новых материалов и модернизация
старых технологий.
В настоящий момент одним из перспективных
путей реализации устройств фильтрации является переход к технологии LTCC. Эта
технология позволяет собрать в стек конструкции, которые раньше располагались в
одной плоскости, что существенно уменьшает габариты проектируемых устройств, а
также использовать совершенно новые топологии фильтров.
В системе автоматизированного
проектирования (САПР) AWR Microwave Office
было проведено моделирование схемы электрической диплексера (рис. 1), состоящего
из идеальных элементов: катушек индуктивности и конденсаторов, проведен
электрический анализ, получена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) (рис.
2).
|
|
|
Рис. 1 Схема электрическая диплексера на идеальных элементах |
|
|
|
Рис. 2 АЧХ диплексера на идеальных элементах |
Далее была поставлена задача определить
оптимальные по габаритам и электрическим характеристикам конструкции отдельных
пассивных элементов, составляющих фильтр.
В [1]
подробно описан анализ возможных вариантов реализации катушки индуктивности
(КИ) и выбрана оптимальная конструкция (рис. 3).
|
|
|
Рис. 3 – Стековая катушка |
Выбранная модель имеет высокую добротность
относительно других рассматриваемых конструкций, и ее характеристика тождественна
характеристике идеальной катушки индуктивности в более широком диапазоне
частот.
В работе также рассмотрены способы реализации
конденсаторов. Представляются
интересными плоскопараллельные (рис. 4а), встречно-штыревые (рис.4б) и
стековые конденсаторы (рис. 4в).
|
|
|
|
|
а) |
б) |
в) |
|
Рис. 4 Варианты реализации
конденсаторов: а – плоскопараллельный конденсатор; б – встречно-штыревой конденсатор; в – стековый конденсатор |
||
Главным критерием в выборе конструкции
конденсатора было достижение его минимальных габаритов. В этой связи мы
остановились на стековом конденсаторе (рис. 4в), габариты которого
минимальны за счет расположения обкладок в нескольких слоях. Способы уменьшения
габаритов емкостей описаны в [2] и включают следующее:
-
введение дополнительного слоя керамики и увеличение, таким
образом, расстояния между электродами;
-
введение слоя из материала с высокой диэлектрической
проницаемостью;
-
заполнение отверстий материалом с высокой диэлектрической
проницаемостью;
-
использование паст с высокой диэлектрической проницаемостью.
После того как были выбраны конструкции для
реализаций отдельных пассивных элементов, был спроектирован диплексер (рис.5).
|
|
|
|
Рис. 5 Конструкция диплексера, реализованного по технологии LTCC на стековых элементах |
Рис. 6 АЧХ диплексера, реализованного по технологии LTCC на стековых элементах |
На АЧХ диплексера (рис. 6) можно видеть
искажение характеристики на высоких частотах. Это объясняется размерами
элементов, составляющих диплексер. На высоких частотах они представляют собой
длинные линии. Решить эту проблему можно уменьшением габаритов элементов
составляющих устройство.
На первом этапе были заменены стековые
конденсаторы в фильтре верхних частот на тонкопленочные конденсаторы (рис. 7).
Пленка диэлектрика толщиной меньше 1 мкм позволяет формировать конденсаторы с
большим номиналом и маленькими габаритами[3].
|
|
|
Рис. 7 Конструкция тонкопленочного конденсатора: 1 – слой диэлектрика; 2 – нижняя обкладка
конденсатора; 3, 4 – верхние обкладки конденсатора |
Модель диплексера с использованием
тонкопленочных конденсаторов (рис. 8) имеет габариты 4,5×7,7×2,1
мм, которая состоит из 15 слоев керамики 951PX производства DuPont толщиной
0,140 мм. Контактные площадки межслойных переходов имели размеры
0,254×0,254 мм, диаметр штырей, которые являются межслойными переходами,
составил 0,200 мм, минимальная ширина внутренних проводников и зазоров
принималась равной 0,100 мм. В тонкопленочных конденсаторах для расчета
использовался диэлектрик SiO2 с
диэлектрической проницаемостью 3,6 и толщиной 0,050 мм. Применение
тонкопленочных конденсаторов увеличило диапазон рабочих частот до 4,9 ГГц (рис.
9).
|
|
|
|
Рис. 8 Конструкция диплексера, реализованного по технологии LTCC с использованием тонкопленочных конденсаторов |
Рис. 9 АЧХ диплексера, реализованного по технологии LTCC с использованием тонкопленочных конденсаторов |
Следующим этапом оптимизации конструкции
диплексера является переход к конденсаторам, сформированным в объеме [4] (рис.
10).
|
|
|
|
Рис. 10 Конструкция диплексера, реализованного по технологии LTCC с использованием конденсаторов, сформированных в объеме |
Рис. 11 АЧХ диплексера, реализованного по технологии
LTCC с использованием конденсаторов, сформированных в
объеме |
Габариты модели диплексера, которая
состоит из 11 слоев керамики 951PX производства DuPont толщиной 0,140 мм,
составляют 3,3×6,1×1,54 мм. Контактные площадки межслойных
переходов имели размеры 0,254×0,254 мм, диаметр штырей, которые являются
межслойными переходами, составил 0,200 мм, минимальная ширина внутренних
проводников и зазоров принималась равной 0,100 мм. Для формирования
конденсаторов в объеме использовался материал 5674, предусмотренный в системе Green tape 951
с диэлектрической проницаемостью 80 и толщиной диэлектрика 0,045 мм. Используя
интегрируемые в объем конденсаторы, удалось расширить диапазон рабочих частот
диплексера до 10 ГГц (рис. 11).
- Абрамова Е. Г., Гомзикова Т. А. Определение
оптимальных конструкций катушек индуктивности диапазона СВЧ, реализованных
с использованием технологии LTCC, Обмен
опытом в области создания сверхширокополосных радиоэлектронных систем. -
Омск 2010, с 5 – 9.
- Integrated Capacitors using
Jens Müller, Daniel Josip, MicroTech 2002,
- Ю. Н. Вольхин, В.А. Глущенко, А.А. Дубровская и др. Опыт разработки
и применения малогабаритных прецизионных термостабильных конденсаторов СВЧ
с изолирующими слоями из SiO2 и Ta2O5 для
сверхширокополосных устройств. Омск-2008.- с. 37-45.
- Jens Muller, Daniel Josip
«Integrated Capacitors using LTCC». Microtech. –2002.