Автореферат (Исследование печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками и разработка микрополосковых СВЧ устройств на их основе)

На правах рукописи Закирова Эльмира Алексеевна ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ С МНОГОСЛОЙНЫМИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПОДЛОЖКАМИ И РАЗРАБОТКА МИКРОПОЛОСКОВЫХ СВЧ УСТРОЙС~~ НА ИХ ОСНОВЕ Специальность: 05.12.07- Антенны, СВЧ устройства и их технологии Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва — 2014 Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики». Научный руководитель: Официальные оппоненты: Ведущая организация: Защита состоится «20» ноября 2014 г.

в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.048.13 при Национальном исследовательском университете <<Высшая школа экономики» по адресу: 109028, г. Москва, Б. Трехсвятительский пер., 3, зал заседаний ученого совета (к.217). С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» по адресу 101000, г.

Москва, ул. Мясницкая, д. 20 и на сайте Ы1р://жжж.Ьзе.тп. Автореферат разослан «» 2014г. Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., профессор доктор технических наук, профессор Елизаров Андрей Альбертович Совлуков Александр Сергеевич, доктор технических наук, профессор, Институт проблем управления РАН им. В.А.

Трапезникова, главный научный сотрудник Байков Андрей Юрьевич, кандидат физико-математических наук, доцент, Московский финансово-юридический университет, заведующий кафедрой Общих математических и естественнонаучных дисциплин ЗАО «Научно-исследовательский институт инновационных технологий (НИИИТ)», группа компаний «ОСТЕК» Николай Николаевич Грачев ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Акт альность темь~ В современных радиотехнических комплексах, системах автоматики и управления широко используются микрополосковые СВЧ устройства различного функционального назначения. Их разработка диктует необходимость создания высокоэффективных миниатюрных узлов и модулей, обладающих высокой надежностью, быстродействием, стабильностью электрофизических параметров и характеристик, отвечающих уровням необходимой электромагнитной совместимости и обладающих низкой стоимостью.

Такие тенденции требуют использования новейших конструкторско-технологических решений на всех этапах проектирования СВЧ устройств, в том числе и современных печатных плат. Традиционные печатные платы для производства изделий радиоэлектроники с помощью технологии поверхностного монтажа, выполненные на основе гетинакса или стеклотекстолита, имеют весьма ограниченную возможность применения в СВЧ диапазоне, что объясняется физическими ограничениями, увеличивающимися с ростом частоты. Такие печатные платы могут быть использованы только на частотах до единиц ГГц.

При дальнейшем росте частоты увеличение потерь приводит к искажению информационного сигнала. Все это требует нового подхода к проектированию и технологии печатных плат, использующихся в диапазоне СВЧ [1*, г*1. Состоннис поп оси Одной из важных тенденций развития современных микрополосковых СВЧ устройств является расширение количества их функций при меньших массогабаритных показателях и стабильных электрических параметрах и характеристиках. Главным направлением этой тенденции является переход от традиционной двумерной компоновки элементов и конструкции печатной платы — к трехмерной.

Применение многослойной технологии позволяет повысить функциональную плотность СВЧ устройств в сочетании с низкой стоимостью, высокой надежностью и хорошей воспроизводимостью [3*1. На современном этапе проектирование микрополосковых устройств СВЧ осуществляется на базе фторопластовых или, более перспективных, керамических подложек, представляющих собой многослойные структуры, выполненные с использованием технологий высокотемпературного НТСС (Н1ф ТешрегаШге Со-йгео Сегаппсз) или низкотемпературного 1.ТСС (1ои Тешрегагпге Со-йгес1 Сегаш1сз) 3 обжига. Разработана также модифицированная ЬТСС-технология на металле ЬТСС-М, при которой специально составленная многослойная керамическая плата помещается на металлический носитель или каркас, предотвращающий усадку структуры по плоскости подложки в процессе обжига [4*].

Некоторую альтернативу многослойным керамическим подложкам составляют гибкие печатные платы на основе жидкокристаллических полимеров, позволяющие увеличить плотность компоновки электронной аппаратуры и создавать пространственные трехмерные структуры без увеличения интеграции компонентов микросхем. Такая технология ЗР— структур получила название «объемная системная миниатюризация и технология соединений» (Уо1шпе1пс Яуз|еш Мш1ашпяабоп апд 1п1егсоппесйоп Тес1шо1ояу — УЯМ1) [5*]. В настоящее время исследованиями, разработками и изготовлением печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками и микрополосковых СВЧ устройств на их основе занимается большое количество зарубежных компаний и фирм, среди которых следует выделить ПиРоп1, Куосега, НЕС, НйасЫ, Рщйзи, Ма1зпзЫ1а, 1ВМ, МОК, ТозЫЬа, Мига1а и др. Из наиболее интересных отечественных производителей необходимо отметить группу российских предприятий РЯЕ1ес1го 000 «Электроконнект», ЗАО Предприятие <<ОСТЕК», ПТК «Печатные платы» ФГУП «Рязанский приборостроительный завод», а также исследования и разработки микрополосковых СВЧ устройств, проводимые в ОАО «ОРКК» - «НИИ КП», СПбГЭТУ «ЛЭТИ», ФГУП «Ростовский-на-Дону НИИ радиосвязи» (РНИИРС) и др.

Исследование физических и конструктивно-технологических особенностей печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками для создания на их основе многофункциональных элементов, узлов и модулей, обеспечивающих миниатюризацию и улучшенные электрические параметры и характеристики микрополосковых СВЧ устройств. Для достижения указанной цели необходимо решение следующих задач: ° анализ известных физических особенностей, конструкций и технологий изготовления печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками, их преимуществ, недостатков и тенденций дальнейшего развития; ° исследование физических ограничений и потерь в металлических проводниках, диэлектрических материалах многослойных подложек и СВЧ устройствах на их основе; ° исследование физических особенностей возникновения паразитных типов колебаний и волн в одиночных и связанных микрополосковых линиях на 4 керамических подложках для случаев их синфазного и противофазного возбуждения, включая анализ влияния многомодовой дисперсии на передачу цифрового сигнала; ° исследование паразитного излучения кромок многослойных диэлектрических подложек печатных плат СВЧ диапазона; ° анализ численных методов и программных средств для компьютерного моделирования микрополосковых СВЧ устройств на основе печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками; ° экспериментальное исследование макетов разработанных микрополосковых СВЧ устройств и сравнение полученных характеристик с результатами аналитических расчетов и компьютерного моделирования.

Методы исследования Исследования проведены с помощью математических аппаратов электродинамики и теории электромагнитного поля; теории электрических цепей и сигналов; численных методов и компьютерного моделирования; изготовленных экспериментальных макетов СВЧ устройств. остове ность на чных положений выводов и екоменда ий подтверждается корректностью используемых и опубликованных математических выводов и моделей; согласованностью ряда полученных результатов с опубликованными в отечественной и зарубежной печати; результатами компьютерного моделирования, экспериментальных исследований и внедрением разработанных элементов и устройств в производство.

На чная новизна основные на чные положения и ез льтаты На защиту выносятся перечисленные ниже новые научные положения и результаты, полученные в работе: 1. Модифицированная печатная плата с подвешенной подложкой и согласующим многослойным диэлектрическим экраном обеспечивает равномерное изменение волнового сопротивления в поперечном сечении, позволяет достичь уменьшения коэффициента замедления и расширения диапазона частот разрабатываемых микрополосковых СВЧ устройств за счет увеличения границы высокочастотной отсечки.

2. Микрополосковый фильтр низких частот на штыревой гребенке с многослойной подложкой обеспечивает увеличение частоты среза не менее чем в 1,5 раза по сравнению с прототипом той же топологии, выполненным на однослойной плате, без увеличения коэффициента отражения. 3. Микрополосковая спиральная антенна, выполненная на многослойной подложке, обеспечивает линейную поляризацию в полосе частот до полутора октав, при КСВН не хуже 2,0, габаритных размерах антенны, значительно меньших рабочей длины волны и требуемой диаграмме направленности. 4.