Синтез широкополосных переходов для объемных интегральных схем СВЧ

Основные принципы проектирования ОИС СВЧ заложены в 1990‑х гг. прошлого века в [1]. В настоящее время подавляющее большинство разработчиков СВЧ-техники обращает внимание именно на эти элементы микроэлектроники.

Основная проблема синтеза ОИС СВЧ сводится к переходам и согласованию линий разных типов. Непрерывная топологическая связность поля, согласование всех сегментов интегральной схемы между собой устанавливают довольно жесткие и противоречивые требования.

Большая часть навесных и конструктивных элементов слоя ИС СВЧ, их соединения, связи между ними очень похожи на стандартные решения в гибридных интегральных схемах, но именно переходы между линиями и специфика самих линий (двухстороннее экранирование) имеют большое значение только при синтезе ОИС СВЧ.

К современным переходам предъявляются следующие требования:

• малые потери;
• широкополосность;
• возможность подстройки и регулировки.

Рассмотрим некоторые устройства, которые нам удалось синтезировать и довести до промышленного уровня.

Копланарно-щелевой переход

Идея копланарно-щелевого перехода довольна проста — вырождение одной из половин копланарной линии и трансформация второй половины в щелевую линию (см. рис. 1).

Рис. 1. Чертеж и 3D-модель копланарно-волнового перехода

Синтез переходов подобного рода осложняется двумя аспектами:

1. Используется тонкий диэлектрик толщиной менее 1 мм. В таких случаях при расчетах размеры зазоров и толщины проводящих элементов становятся соизмеримы с толщиной диэлектрика или меньше ее. Чтобы обеспечить высокое разрешение, требуется использовать высокоточное производственное оборудование.
2. Отсутствие методики расчета согласования двух параллельно подключенных щелевых линий с общей фазовой плоскостью. В данном случае для расчета волнового сопротивления щелевой линии использовался справочник [2] (см. рис. 2).

Рис. 2. Принципиальная схема копланарно-щелевого перехода. Макет изготовлен из тонкого диэлектрика и алюминия

В процессе эксперимента представленный макет показал удовлетворительные результаты (см. рис. 3). Прохождение волны было зафиксировано на уровне –1,7…–2,3 дБ, однако часть энергии проходила и через вырожденную линию, т. к. этот участок все же оставался эйканалом. Все измерения производились в диапазоне 2–4 ГГц.

Рис. 3. Макет копланарно-щелевого перехода

Эксперимент показал, что синтезированный макет можно использовать в ОИС СВЧ для создания новых устройств на щелевой линии.

Полосково‑щелевой переход

Потребность перехода с полосковой на щелевую линию достаточно высока (см. рис. 4), но данная проблема пока не решена, поскольку эти два типа линий очень отличаются друг от друга.

Рис. 4. Чертеж и 3D-модель модифицированного полосково-щелевого перехода

Полосковая линия использует объем диэлектрика и двухстороннюю металлизацию, тогда как щелевая — лишь одну сторону диэлектрика и в большей мере сосредоточена на поверхности.

Для проверки правильности идеи мы синтезировали симметричный макет с двумя переходами.

В плане электродинамических свойств обе линии являются несимметричными, что значительно упрощает создание конструкции и синтез макета (см. рис. 5).

Рис. 5. Принципиальная схема полосково-щелевого макета

Полученный макет показал наилучшие результаты с точки зрения амплитудно-частотной характеристики. Потери при прохождении волны составили –0,7 дБ. Резкий спад к 4 ГГц обусловлен отсутствием гальванической связи между заземлениями линий двух типов (см. рис. 6).

Рис. 6. Макет полосково-щелевого перехода 1

Макетирование подобных переходов возможно на любых материалах (органических, неорганических, метаматериалах). Примером синтеза перехода на стекловолоконном диэлектрике служит следующий макет (см. рис. 7).

Рис. 7. Макет полосково-щелевого перехода 2

Поскольку каждый материал ведет себя по-разному на СВЧ, при макетировании подобных переходов с емкостной связью на землю это обстоятельство следует учитывать (толщина и диэлектрическая проницаемость материала изменяет значение погонных параметров).

Копланарно-полосковый переход

Важной задачей является согласование полосковой и копланарной линий (см. рис. 8). Обе линии нередко применяются в объемной интегральной схемотехнике и, следовательно, имеется необходимость в синтезе копланарно-полоскового перехода.

Рис. 8. Чертеж и 3D-модель копланарно-щелевого перехода

Эквивалентная схема этого перехода напоминает схему копланарно-щелевого перехода, но, в отличие от него, изменение импеданса двух линий в этом случае происходит равномерно (см. рис. 9).

Рис. 9. Эквивалентная схема копланарно-полоскового перехода

В плане макетирования данный переход является самым простым из-за отсутствия чрезмерно тонких зазоров (более 100 мкм). Уровень прохождения у представленного макета приблизительно составляет –1,1 дБ. Кроме того, имеется неравномерность из-за отсутствия гальванической связи между заземлениями (см. рис. 10).

Рис. 10. Макет копланарно-полоскового перехода

СВЧ-устройства на переходах

При синтезе элементарных устройств с использованием переходов можно получить Т‑образный делитель. Это устройство делит входную мощность пополам, а также позволяет осуществить копланарно-щелевой переход (см. рис. 11).

Рис. 11.
а) модель перехода;
б) принципиальная схема

На рисунке 12 представлена 3D-модель Т‑образного делителя. В предложенной схеме имеются линии трех типов. Устройство разделено на сегменты. Сегменты А и D являются полосковыми линиями, рассчитанными на 50 Ом, а сегменты B и С — щелевыми линиями. В точке сопряжения с копланарной линией их волновое сопротивление составляет по 100 Ом. Волновое сопротивление копланарной линии — 50 Ом.

Рис. 12. Модель устройства

Центральный вырез позволяет разделить основной канал между собой на два плеча, сведя к минимуму их воздействие друг на друга, что, в свою очередь, позволяет уменьшить потери при прохождении волны.

Для проверки работоспособности был создан макет устройства, и сняты его частотные характеристики (см. рис. 13).

Рис. 13.
а) Т-образный делитель;
б) частотные характеристики. Это устройство должно работать с потерями от 3 дБ в плече

Выводы

Результатом проведенной работы стал синтез ряда переходов для ОИС СВЧ, а также некоторые простые устройства, которые могут использоваться разработчиками СВЧ-техники.

Характеристики синтезированных устройств несовершенны, однако следует учитывать, что синтез образцов и макетирование осуществлялось в университетской лаборатории кафедры электроники и схемотехники СПбГУТ им. проф. М. А. Бонч-Бруевича.