Проволочные соединения и их характеристики на высокой частоте

Введение

Внутрисхемные перемычки являются неотъемлемой частью СВЧ монолитных интегральных схем (MMIC). Они предназначены для подключения как активных компонентов, например транзисторов, так и портов ввода/вывода. Большинство СВЧ-систем используют соединительные провода для соединения компонентов с сосредоточенными параметрами, микрополосковых линий передачи, твердотельных устройств и интегральных схем [1]. Основным параметром соединительных проводов является индуктивность, которая существенно проявляется на высоких радиочастотах. Соединительные перемычки должны учитываться в качестве дополнительной индуктивности при моделировании на схемном уровне. Такие перемычки используются в гибридных интегральных схемах для подключения внутренней части печатной катушки индуктивности [2] или подключения внутренних активных устройств.

Оптимизация характеристик монолитных интегральных схем частично достигается за счет оптимизации длины (удлинения или подрезки) соединительных проводов между компонентами. Перемычки связи могут быть одиночными или их может быть несколько, что зависит от конкретного приложения. Оптимизация соединительных проводников, которые используются для подключения входных и выходных терминалов при разработке нового механического корпуса для MIC или MMIC, может оказаться трудоемким итерационным процессом. Иногда используются несколько параллельных перемычек связи, что в случае обрыва одной из них обеспечивает резервирование путем избыточности. В технических публикациях обычно описываются многопроволочные связи с упором именно на их надежность и способность выдерживать большие токи. В данной статье показано, как можно моделировать провода связи, а также предлагаются подходы для определения их оптимального числа.

Проволочная перемычка, благодаря ее более высоким качественным характеристикам, обладает преимуществом перед ленточной в случае, если ее диаметр равен ширине ленточного проводника. Решающее значение имеет также конструкция контактной площадки, поскольку ее емкость не должна иметь на рабочей частоте паразитного резонанса с индуктивностью провода связи. В статье предложена простая сосредоточенная модель, включающая индуктивность, последовательное сопротивление, сопротивление излучения, а также паразитную емкость проволочной перемычки. Кроме того, в статье подробно описывается подключение перемычек связи в корпусах MMIC и их оптимальный выбор для соответствия заданным характеристикам в рабочей области частот.

Определение понятия  «проволочная перемычка»

Эквивалентная схема проволочной перемычки связи представляет собой сосредоточенную катушку индуктивности с последовательно включенным резистором, причем паразитная индуктивность и сопротивление проволочной перемычки изменяются с частотой, что необходимо учитывать при проектировании СВЧ-аппаратуры. В некоторых приложениях для повышения надежности используют подключение несколькими проводами связи, это приводит к уменьшению индуктивности и сопротивления связи. На высоких частотах более сильно проявляется эффект самоиндукции и взаимной индуктивности при многопроводном подключении. Индуктивность провода связи зависит от:

• диаметра проволоки;
• ее материала;
• длины перемычки;
• рабочей частоты;
• высоты размещения над подложкой;
• расстояния между проводниками.

Обычно в качестве материла для перемычек выбирают золото, поскольку по сравнению с медью и алюминием оно имеет более высокий ток плавления. Дальнейшая нагрузочная способность в части передачи тока повышается за счет использования нескольких соединительных проводов в одной цепи. В случае n проводов связи общая индуктивность подключения уменьшается в √n раз по сравнению с индуктивностью одиночного проводника. Для достижения более точного соответствия между моделируемыми и измеренными результатами следует учитывать излучение проводника, которое моделируется как резистор, зашунтированный паразитным конденсатором CS.

Индуктивность L (нГн) проволоки диаметром d (мкм) и длиной l (мкм) в свободном пространстве равна:

Где

,   

Если рассматривать перемычку как проводник, установленный на высоте h [3] от токопроводящей поверхности, то данное уравнение модифицируется как (здесь величины h, l, d приведены в милах — тысячных долях дюйма):

Последовательное сопротивление проволочной перемычки состоит из поверхностного сопротивления R_s и сопротивления излучения R_r:

,

.

Емкость паразитного конденсатора равна:

В этих формулах r — радиус, d — диаметр, σ — удельная проводимость перемычки.

Сопротивление излучения R_r на низких частотах лежит в диапазоне пикоом, но на частотах диапазона Ka (26,5–40 ГГц) значение R_rвозрастает уже до уровня миллиом. Влияние высокой частоты приводит к увеличению сопротивления провода перемычки, а это, как следствие, приводит к увеличению потерь на более высоких частотах.

Характеристики перемычки в области высоких радиочастот 

На высоких частотах проволочное соединение оказывает отрицательное влияние на работу всего ВЧ-тракта. Если длина соединения меньше длины волны на рабочей частоте устройства, то такое соединение может быть смоделировано как паразитная индуктивность с некоторым последовательно включенным резистором. В проволочной перемычке имеется как внутренняя L_int, так и внешняя L_ext индуктивности:

L_e = L_int + L_ext.

С увеличением частоты внутренняя индуктивность уменьшается, а внешняя индуктивность увеличивается из-за наличия скин-эффекта. Кроме того, при использовании нескольких проводов линии связи необходимо учитывать влияние взаимной индуктивности L_m. Взаимная индуктивность, благодаря увеличению магнитной связи, возрастает при уменьшении расстояния S между проводами, а диаметр провода, в свою очередь, влияет на величину последовательного сопротивления. Индуктивность связи провода может быть представлена как:

, 

.

В идеальном случае, для того чтобы исключить наличие интерактивных полей связи, влияющих на работу устройства, перемычки должны быть расположены на одинаковом расстоянии. Скин-эффект, при котором токи проникают не на всю глубину проводника, а сосредоточены только в зависящем от частоты сигнала поверхностном слое, также является одним из важных определяющих факторов. С ростом рабочей частоты размер провода становится все более и более важен. На частотах выше 6 ГГц важную роль играют уже подложка и взаимные емкостные связи. Чтобы оптимизировать количество связующих проводов между ВЧ-переходом и тестируемым устройством, было выполнено параметрическое моделирование.

Рис. 1. Пример использования проводных перемычек и их эквивалентная модель

На рис. 1 показана обобщенная конструкция и эквивалентная схема проводника перемычки связи, а на рис. 2 приведена графическая иллюстрация и фотография практической схемы подключения обычной копланарной микрополосковой линии с использованием проволочного перехода для ее подключения.

Рис. 2. Схематическое изображение (а) и реальная конструкция (б) СВЧ-устройства с перемычками

Длина соединительных проводов влияет на вносимые потери. На частотах диапазона K_a для перемычки с размерами d = 1 мил, l = 10 мил и g = 20 мил наблюдаются потери в 1,5 дБ/мм. На более высоких частотах из-за влияния скин-эффекта значение индуктивности уменьшается, что приводит к уменьшению значения L_int. Но при этом из-за увеличения поверхностного сопротивления Rsи сопротивления излучения R_r увеличивается сопротивление, связанное с индуктивностью. Для обеспечения оптимальных характеристик предпочтительно устанавливать нечетное число соединительных проводов, так как при этом, как выяснилось, значительно уменьшаются потери на рассогласование.

Расположенная под проводниками заземленная проводящая плоскость создает отражения тока, при этом из-за подавления взаимной и внешней индуктивностей уменьшается общая индуктивность. Это экспериментально подтверждается установкой под проволочными связями токопроводящей металлической вставки, выполняющей здесь роль заземленной поверхности (рис. 3).

Рис. 3. Использование проволочного соединения с дополнительным заземляющим элементом

Как показано в таблице, минимальное количество требуемых проводов связи для достижения оптимальных характеристик на высоких частотах равно трем.

Комбинация проводов с параллельными связями уменьшает общую индуктивность L_T, которая находится суммированием собственной и взаимной индуктивностей:

Для дальнейшего снижения вносимых потерь конструкция перехода дополняется металлической вставкой, действующей как заземляющая пластина. Она уменьшает общую индуктивность приблизительно с 0,20 до 0,10 нГн, что приводит к снижению потерь в линии связи примерно на 1,5 дБ.

Выводы

В статье приводится подход к моделированию поведения проволочных перемычек связи, а также сравниваются их характеристики, которые были получены путем моделирования, с данными, которые дали экспериментальные исследования на реальных моделях. В статье приведено детальное описание поведения одиночной перемычки связи в области высоких радиочастот, которое рассматривается с разных сторон и включает в себя целый ряд самых различных аспектов. В ходе моделирования и исследований было обнаружено, что нечетное число параллельных соединительных проводов вместе с уменьшенной высотой зазора над заземляющей поверхностью приводит к более благоприятному поведению перемычки связи в области высоких частот.