Диссертация (Исследование печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками и разработка микрополосковых СВЧ устройств на их основе), страница 2

Такая технология 3D – структур получиланазвание «объемнаясистемнаяминиатюризацияи технологиясоединений» (Volumetric System Miniaturizationand InterconnectionTechnology – VSMI) [5].Внастоящеевремяисследованиями,разработкамииизготовлением печатных плат с многослойными диэлектрическимиподложками и микрополосковых СВЧ устройств на их основезанимается большое количество зарубежных компаний и фирм, средикоторых следует выделить DuРont, Kyocera, NEC, Hitachi, Fujitsu,7Matsushita, IBM, NGK, Toshiba, Murata и др. Из наиболее интересныхотечественныхпроизводителейнеобходимоотметитьгруппуроссийских предприятий PSElectro ООО «Электроконнект», ЗАОПредприятие «ОСТЕК», ПТК «Печатные платы» ФГУП «Рязанскийприборостроительный завод», а также исследования и разработкимикрополосковых СВЧ устройств, проводимые в ОАО «ОРКК» «НИИ КП», СПбГЭТУ «ЛЭТИ», ФГУП «Ростовский-на-Дону НИИрадиосвязи» (РНИИРС) и др.Цель диссертацииИсследование физических и конструктивно-технологическихособенностей печатных плат с многослойными диэлектрическимиподложками для создания на их основе многофункциональныхэлементов, узлов и модулей, обеспечивающих миниатюризацию иулучшенныеэлектрическиепараметрыихарактеристикимикрополосковых СВЧ устройств.Длядостиженияуказаннойцелинеобходиморешениеследующих задач:• анализ известных физических особенностей, конструкций итехнологийизготовленияпечатныхплатсмногослойнымидиэлектрическими подложками, их преимуществ, недостатков итенденций дальнейшего развития;•исследованиеметаллическихфизическихпроводникахиограниченийидиэлектрическихпотерьвматериалахмногослойных печатных плат и СВЧ устройств на их основе;•исследованиефизическихособенностейвозникновенияпаразитных типов колебаний и волн в одиночных и связанныхмикрополосковых линиях на керамических подложках для случаев ихсинфазного и противофазного возбуждения, включая анализ влияниямногомодовой дисперсии на передачу цифрового сигнала;8• исследование паразитного излучения кромок многослойныхдиэлектрических подложек печатных плат СВЧ диапазона;• анализ численных методов и программных средств длякомпьютерного моделирования микрополосковых СВЧ устройств наосновепечатныхплатсмногослойнымидиэлектрическимиподложками;• экспериментальное исследование макетов разработанныхмикрополосковыххарактеристикСВЧсустройстврезультатамиисравнениеаналитическихполученныхрасчетовикомпьютерного моделирования.Методы исследованияИсследования проведены с помощью математических аппаратовэлектродинамикиэлектрическихитеориицепейиэлектромагнитногосигналов;поля;численныхтеорииметодовикомпьютерного моделирования; изготовленных экспериментальныхмакетов СВЧ устройств.Достоверность научных положений, выводов и рекомендацийподтверждается корректностью используемых и опубликованныхматематическихвыводовимоделей;согласованностьюрядаполученных результатов с опубликованными в отечественной изарубежной печати результатами компьютерного моделирования,экспериментальных исследований и внедрением разработанныхэлементов и устройств в производство.Научная новизна, основные научные положения и результатыНа защиту выносятся перечисленные ниже новые научныеположения и результаты, полученные в работе:1.Модифицированнаяпечатнаяплатасподвешеннойподложкой и согласующим многослойным диэлектрическим экраномобеспечивает равномерное изменение волнового сопротивления впоперечном сечении, позволяет достичь уменьшения коэффициента9замедленияирасширениядиапазоначастотразрабатываемыхмикрополосковых СВЧ устройств за счет увеличения границывысокочастотной отсечки.2.

Микрополосковый фильтр низких частот на штыревойгребенке с многослойной подложкой обеспечивает увеличениечастоты среза не менее чем в 1,5 раза по сравнению с прототипом тойже топологии, выполненным на однослойной плате, без увеличениякоэффициента отражения.3. Микрополосковая спиральная антенна, выполненная намногослойной подложке, обеспечивает линейную поляризацию вполосе частот до полутора октав, при КСВН не хуже 2,0, габаритныхразмерах антенны, значительно меньших рабочей длины волны итребуемой диаграмме направленности.4. Развязывающий фильтр на однослойном метаматериалепозволяет достичь более чем двукратного роста затухания колебаний(121,2 – 115,1 дБ) по сравнению с затуханием, обеспечиваемымимпедансной металлической поверхностью (55,4 – 34,8 дБ), приширине полосы пропускания 130 МГц.5.

Развязывающий фильтр на многослойном метаматериале скольцевыми разомкнутыми резонаторами обеспечивает более чемдвукратное расширение полосы пропускания (до 270 МГц), посравнению с фильтром на однослойной структуре, при среднемснижении затухания на 28,6 дБ.Апробация работыОсновныетеоретическиеипрактическиерезультатыдиссертации докладывались и обсуждались на 8 Международных иВсероссийских научно-технических конференциях: LXVII Научнойсессии, посвященной Дню радио, Москва, 2012; Научно-техническихконференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМНИУВШЭ,практическихМосква,2012,конференциях2013;Международныхнаучно-–Practical"InternationalScientific10Conference"INNOVATIVEINFORMATIONTECHNOLOGIES",Prague, 2012, 2013; 6 и 7 Отраслевых научных конференциях«Технологии информационного общества», Москва, 2012, 2013; VВсероссийских научных Зворыкинских чтениях, Муром, 2013.Практическая ценность и внедрение результатовОсновные результаты диссертации получены при выполнениигранта научно-учебной группы «Электродинамика замедляющихсистем» № 13-05-0017, 2013 и инициативных работ, выполненных вМИЭМ НИУ ВШЭ при участии автора за период 2011-2013 г.Научные и практические результаты работы используются вОАО«Научно-исследовательскийинституткосмическогоприборостроения», Институте пути, строительства и сооруженийМосковского государственного университета путей сообщения; атакже в научной и учебной деятельности кафедры «Радиоэлектроникии телекоммуникаций» МИЭМ НИУ ВШЭ.

Использование результатовподтверждено соответствующими актами и заключениями.ПубликацииПо материалам диссертации опубликовано 14 работ, включая 4статьи в российских журналах (по списку ВАК РФ), 1 статья всборнике научных трудов, 6 статей в трудах российских имеждународных конференций, 3 патента РФ на изобретения иполезные модели.Структура диссертацииДиссертационная работа состоит извведения, пяти глав,заключения, библиографического списка и приложения. Общий объемдиссертациисоставляет178страниц,включая75рисунков,библиографический список из 109 отечественных и зарубежныхисточников на 12 страницах, приложения с актами использованиярезультатов на 8 страницах.Во введении к диссертации обоснована ее актуальность,рассмотрено состояние вопроса, сформулированы цели, задачи и11методы исследований, научная новизна, основные положения,выносимые на защиту, вопросы практической ценности, внедрениярезультатов,апробацииипубликаций.Приводитсякраткоесодержание каждой из глав.В первой главе проведен обзор современного состояния итенденций развития современных многослойных печатных плат имикрополосковых СВЧ устройств на их основе.

Проанализированыфизические и конструктивно-технологические особенности печатныхплат на многослойных фторопластовых и керамических основаниях,рассмотрены преимущества и недостатки гибких печатных плат наоснове жидкокристаллических полимеров, показаны тенденции ихдальнейшего развития. Сделан вывод об актуальности поставленнойнаучной задачи.Наоснованиивыполненногообзорапоказано,чтоперспективным является разработка комбинированных и гибридныхСВЧустройствнабазепечатныхплатсмногослойнымидиэлектрическими подложками.

Благодаря выбору электрофизическихсвойств диэлектрических слоев плат, резонансным явлениям в них иэффекту замедления электромагнитных волн, появляется возможностьсоздания микрополосковых устройств СВЧ с габаритными размерамизначительноменьшимиулучшеннымирабочихэлектрическимидлинволн,характеристикамиобладающихинизкойстоимостью.Проанализированысуществующиеметодырасчета,проектирования и компьютерного моделирования, которые могутбыть использованы для определения основных характеристик ипараметров микрополосковых СВЧ устройств на печатных платах смногослойнымидиэлектрическимиподложками.Подчеркнутаэффективность использования приближенно-аналитических моделейи методов, позволяющих обеспечить необходимую точность расчета12при снижении требований к быстродействию и оперативной памятикомпьютера.Во второй главе проведен анализ физических ограничений ипотерь в металлических проводниках и диэлектрических материалахмногослойных подложек печатных плат и СВЧ устройств на ихоснове.

Показано, что при выборе материала проводников необходимооценивать потери на излучение, тепло и скин-эффект, а при выборедиэлектриков - учитывать, что при скорости передачи информации1 Гбит/с и более тангенс угла диэлектрических потерь материалаоснования платы должен быть минимальным (не более 0,001). Крометого, необходимо учитывать и частотную дисперсию, которая начастотах СВЧ диапазона начинает проявляться наряду с дисперсиейдиэлектрическойматериала,проницаемостиоказываявлияние(пространственнойнацелостностьдисперсией)передачиинформативного сигнала.Проанализирована модель печатной платы с многослойнойдиэлектрической подложкой, представляемой в виде волноведущейсистемы, моды которой различаются поперечной структурой полей,обладающих своими фазовыми и групповыми скоростями.