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

ПРАВИТЕЛЬСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ_______________________________________________________Федеральное государственное автономное образовательноеучреждение высшего профессионального образованияНациональный Исследовательский Университет«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»Московский институт электроники и математикиНа правах рукописиЗАКИРОВА ЭЛЬМИРА АЛЕКСЕЕВНАИССЛЕДОВАНИЕ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ C МНОГОСЛОЙНЫМИДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПОДЛОЖКАМИ И РАЗРАБОТКАМИКРОПОЛОСКОВЫХ СВЧ УСТРОЙСТВ НА ИХ ОСНОВЕСпециальность 05.12.07 – Антенны, СВЧ устройства и их технологииДиссертация на соискание ученойстепени кандидата технических наукНаучный руководительд.т.н., профессор Елизаров А.А.Москва – 2014ПРЕДИСЛОВИЕСовременныйэтапразработкимикрополосковыхСВЧустройств, широко использующихся в радиоэлектронных системах,связан с необходимостью внедрения в процесс их проектированияпередовых технологий и новейших конструктивных решений.Даннаяфизическихдиссертационнаяиработапосвященаисследованиюконструктивно-технологическихособенностейпечатных плат с многослойными диэлектрическими подложками длясоздания на их основе многофункциональных элементов, узлов имодулей,обеспечивающихминиатюризациюиулучшенныеэлектрические параметры и характеристики микрополосковых СВЧустройств.Предложенныеиразработанныеконструкцииперспективны для применения в составе современных средств связи ителекоммуникаций.Автор считает своим долгом выразить глубокую признательностьзаведующему кафедрой «Радиоэлектроника и телекоммуникации»д.т.н., профессору Увайсову С.У.

за постоянное внимание иподдержку данной работы; д.т.н., профессору Кечиеву Л.Н., д.т.н.,профессору Петрову А.С., д.т.н., профессору Нефедову В.Н. и к.т.н.,доцентуХриткинуС.А.заполезныезамечанияисоветы,способствующие улучшению отдельных разделов и глав диссертации.2ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ................................................................................................. 6ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИИРАЗВИТИЯ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИКОНСТРУКЦИЙ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ СВЧ ДИАПАЗОНА ..........

161.1 История изобретения и тенденции развития печатных плат . 181.2 Краткий обзор современных публикаций по печатным платами микрополосковым СВЧ устройствам на их основе ...................... 221.3 Физические и конструктивно-технологические особенностимногослойных печатных плат .............................................................. 251.3.1 Печатные платы на фторопластовом основании ........................

271.3.2 Печатные платы на керамическом основании ............................. 301.3.3 Гибкие печатные платы на основе жидкокристаллическихполимеров .................................................................................................. 381.4 Микрополосковые СВЧ устройства на печатных платах смногослойными диэлектрическими подложками ............................ 441.5 Анализ методов расчета, проектирования и моделированиямикрополосковых СВЧ устройств на печатных платах смногослойными диэлектрическими подложками ............................ 511.6 Выводы по главе 1 ............................................................................ 57ГЛАВА 2.

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ОГРАНИЧЕНИЙ ИПОТЕРЬ В МОДЕЛЯХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ СМНОГОСЛОЙНЫМИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИПОДЛОЖКАМИ И СВЧ УСТРОЙСТВАХ НА ИХ ОСНОВЕ ...... 592.1 Анализ физических ограничений и потерь в металлическихпроводниках ............................................................................................. 592.2 Анализ физических ограничений и потерь в диэлектрическихматериалах ................................................................................................ 6232.3 Дисперсия диэлектрической проницаемости и необходимостьее учета ......................................................................................................

662.4 Анализ паразитных колебаний и волн в микрополосковыхлиниях с учетом многомодовой дисперсии ........................................ 692.5 Выводы по главе 2 ............................................................................ 77ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙПАРАЗИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ИЗ МНОГОСЛОЙНЫХДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОДЛОЖЕК ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ И СВЧУСТРОЙСТВ НА ИХ ОСНОВЕ ........................................................... 793.1 Анализ паразитного излучения кромок многослойныхдиэлектрических подложек печатных плат СВЧ диапазона ......... 793.2 Энергетические характеристики паразитного излучениякромок .......................................................................................................

893.3 Выводы по главе 3 ............................................................................ 92ГЛАВА 4. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИПРОЕКТИРОВАНИЕ МИКРОПОЛОСКОВЫХ СВЧУСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ МНОГОСЛОЙНЫХ ПОДЛОЖЕКПЕЧАТНЫХ ПЛАТ С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВAWR DESIGN ENVIRONMENT (MICROWAVE OFFICE) ............ 944.1 Краткий обзор программных средств для решенияэлектродинамических задач..................................................................

944.2 Метод моментов и его практическая реализация в программеAWR Design Environment (Microwave Office) .................................... 964.2.1 Обобщенная формулировка электродинамической задачи ......... 964.2.2 Описание моделируемой электродинамической структуры ....... 984.2.3 Формулировка и алгоритм метода моментов .............................. 1014.2.4 Формирование и численное решение матрицы моментов ......... 1064.3 Пример моделирования межслойного перехода на основекопланарной линии ..............................................................................

11144.4 Выводы по главе 4 .......................................................................... 115ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКАМИКРОПОЛОСКОВЫХ СВЧ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕПЕЧАТНЫХ ПЛАТ С МНОГОСЛОЙНЫМИДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПОДЛОЖКАМИ ................................... 1165.1 Разработка модифицированной печатной платы сподвешенной подложкой ..................................................................... 1165.2 Исследование микрополоскового фильтра на штыревойгребенке с многослойной подложкой ................................................

1265.3 Исследование микрополосковой спиральной антенны слинейной поляризацией ....................................................................... 1345.4 Исследование развязывающего фильтра на многослойномметаматериале ....................................................................................... 1435.5 Выводы по главе 5 .......................................................................... 153ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ .......... 155БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ..............................................

159ПРИЛОЖЕНИЕ..................................................................................... 1715ВВЕДЕНИЕАктуальность темыВсовременныхрадиотехническихкомплексах,системахавтоматики и управления широко используются микрополосковыеСВЧ устройства различного функционального назначения. Ихразработка диктует необходимость создания высокоэффективныхминиатюрных узлов и модулей, обладающих высокой надежностью,быстродействием, стабильностью электрофизических параметров ихарактеристик, отвечающих уровням необходимой электромагнитнойсовместимости и обладающих низкой стоимостью.

Такие тенденциитребуют использования новейших конструкторско-технологическихрешений на всех этапах проектирования СВЧ устройств, в том числе исовременных печатных плат.Традиционные печатные платы для производства изделийрадиоэлектроники с помощью технологии поверхностного монтажа,выполненные на основе гетинакса или стеклотекстолита, имеютвесьма ограниченную возможность применения в СВЧ диапазоне, чтообъясняется физическими ограничениями, увеличивающимися сростом частоты. Такие печатные платы могут быть использованытолько на частотах до единиц ГГц. При дальнейшем росте частотыувеличение потерь приводит к искажению информационного сигнала.Все это требует нового подхода к проектированию и технологиипечатных плат, использующихся в диапазоне СВЧ [1, 2].Состояние вопросаОднойизважныхтенденцийразвитиясовременныхмикрополосковых СВЧ устройств является расширение количества ихфункций при меньших массогабаритных показателях и стабильныхэлектрических параметрах и характеристиках.

Главным направлениемэтой тенденции является переход от традиционной двумерной6компоновкиэлементовитрехмерной.Применениеконструкциимногослойнойпечатнойплатытехнологии–кпозволяетповысить функциональную плотность СВЧ устройств в сочетании снизкойстоимостью,высокойнадежностьюихорошейвоспроизводимостью [3].Насовременномэтапепроектированиемикрополосковыхустройств СВЧ осуществляется на базе фторопластовых или, болееперспективных, керамических подложек, представляющих собоймногослойные структуры, выполненные с использованием технологийвысокотемпературного HTCC (High Temperature Co-fired Ceramics)или низкотемпературного LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics)обжига.

Разработана также модифицированная LTCC- технология наметаллеприLTCC-M,которойспециальносоставленнаямногослойная керамическая плата помещается на металлическийноситель или каркас, предотвращающий усадку структуры поплоскости подложки в процессе обжига [4].Некоторуюподложкамальтернативусоставляютгибкиемногослойнымпечатныекерамическимплатыжидкокристаллическихполимеров,позволяющиеплотностьэлектроннойаппаратурыкомпоновкинаосновеувеличитьисоздаватьпространственные трехмерные структуры без увеличения интеграциикомпонентов микросхем.