Диссертация (1137142), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Однако попрежнему остается актуальной задача создания приближенно56аналитических моделей элементов, узлов и модулей СВЧ устройств,описываемых простыми соотношениями, позволяющими существенноснизить требования к быстродействию и оперативной памятикомпьютера.1.6 Выводы по главе 11.
Проведен обзор современного состояния и тенденцийразвитиясовременныхмногослойныхпечатныхплатимикрополосковых 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.2. На основе выполненного обзора показано, что перспективнымявляется разработка комбинированных и гибридных СВЧ устройствнабазепечатныхподложками.платБлагодарясмногослойнымивыборудиэлектрическимиэлектрофизическихсвойствдиэлектрических слоев плат, резонансным явлениям в них и эффектузамедленияэлектромагнитныхволн,появляетсявозможностьсоздания микрополосковых устройств СВЧ с габаритными размерамизначительноулучшеннымименьшимирабочихэлектрическимидлинволн,характеристикамиобладающихинизкойстоимостью.3.Проанализированысуществующиеметодырасчета,проектирования и компьютерного моделирования, которые могут57быть использованы для определения основных характеристик ипараметров микрополосковых СВЧ устройств на печатных платах смногослойнымидиэлектрическимиподложками.Подчеркнутаэффективность использования приближенно-аналитических моделейи методов, позволяющих обеспечить необходимую точность расчетапри снижении требований к быстродействию и оперативной памятикомпьютера.58ГЛАВА 2Исследование физических ограничений и потерь вмоделях печатных плат с многослойнымидиэлектрическими подложками и СВЧ устройствах на ихосновеАнализосновныхтенденцийразвитияпроектированиямногослойных печатных плат для устройств СВЧ диапазона,проведенный в главе 1, позволяет сделать вывод о том, что особуюроль практически во всех рассмотренных методах и технологияхиграют используемые металлические и диэлектрические материалы иих конфигурации, которым в радиоволновом диапазоне часто неуделяется особого внимания [2-4, 26, 61].
Так при выборе материалапроводников необходимо оценивать потери на излучение, тепло искин-эффект, а при выборе диэлектриков - учитывать, что прискорости передачи информации 1 Гбит/с и более, тангенс угладиэлектрических потерь материала основания платы должен бытьминимальным (не более 0,001). Кроме того, необходимо учитывать ичастотную дисперсию, которая на частотах СВЧ диапазона начинаетпроявляться наряду с дисперсией диэлектрической проницаемости(пространственной дисперсией) материала, оказывая влияние нацелостность передачи информативного сигнала [62].2.1 Анализ физических ограничений и потерь вметаллических проводникахЭлектродинамические свойства металлов определяются ихпроводимостью. Вплоть до миллиметровых волн проводимостьметаллов сохраняет то же самое значение, что и на постоянном токе.59Мнимаячастькомплексногозначениядиэлектрическойпроницаемости металлов очень велика ε’’= 4πσ/ω = 2σ/f, где ω = 2πf –круговая частота.
Например, для меди удельное сопротивлениеρ=1,7·10-6 Ом·см, а величина проводимости σ = 91011/ρ =5·1017 с-1.Поэтому в СВЧ диапазоне вещественной частью комплекснойдиэлектрическойпроницаемостиобычнопренебрегают.Такимобразом, вследствие сильного поглощения, которое сопровождаетсяпрактически полным отражением падающей электромагнитной волныот границы раздела сред, поле в металл не проникает, асосредотачивается в тонком слое вблизи его поверхности.Глубина проникновения поля в металл или толщина скин-слояопределяется выражением, откуда для медногопроводника при длине волны λ = 1 мм δ = 0,04 мкм, при λ = 1 смδ=0,4 мкм, и при λ= 1 м δ = 4 мкм.
Толщина скин-слоя для разныхметаллов в зависимости от частоты показана на рисунке 2.1 [4, 63].Следует подчеркнуть, что электрическое и магнитное поляпроникают в скин-слой по-разному. Магнитное поле имеет тот жепорядок на поверхности металла, что и в падающей волне, аэлектрическое поле проникает уже ослабленным враз. Впредельном случае идеальной проводимости проводника, когдатолщина скин-слоя стремится к нулю, тангенциальное электрическоеполе на поверхности исчезает, а тангенциальное магнитное полепретерпевает скачок. Отсюда следует, что различие между реальнымии идеальными проводниками заключается в том, что в последнихотсутствуют тепловые потери, определяемые по закону ДжоуляЛенца.
В реальных проводниках тепловые потери возрастаютпропорционально уменьшению толщины скин-слоя.60Рисунок 2.1 – Толщина скин-слоя для разных металлов в зависимости отчастотыТаким образом, в микрополосковых линиях импедансные иэкранные проводники должны быть выполнены из металлов с малымудельным сопротивлением, обеспечивающих минимальные потери.Поэтомувиспользуютбольшинствеслучаевмедныеалюминиевыеипрактическогосплавы.примененияНекоторыехарактеристики металлов для мирополосковых СВЧ устройств,приведены в таблице 2.1 [64].61Таблица 2.1 – Характеристики металлов для микрополосковых СВЧустройствМеталлУдельный УдельнаяПримечание3вес, г/смпроводимостьG0, Ом-1·см-1Медь8,945,8·10-51,000Для печатныхпроводникови основания-5Серебро10,56,1·100,915Для покрытий-5Латунь8,7(4,0÷1,67)·101,430÷3,425Дляоснований2.2 Анализ физических ограничений и потерь вдиэлектрических материалахПотери в резонаторной структуре на СВЧ определяютсявеличиной (1/Q), где Q–ее нагруженная добротность.
Значение (1/Q)складывается из потерь в металлических проводниках (1/Qc), где Qc–собственная добротность, и потерь в диэлектрических материалах(1/Qd), где Qd– внешняя добротность. Величина диэлектрическихпотерь определяется по формуле62гдетангенсугладиэлектрическихпотерь,– диэлектрическая проницаемость используемого материала.На рисунке 2.2 показаны обобщенные зависимости затуханиясигнала в проводниках и диэлектриках от частоты [4].Рисунок 2.2 – Зависимость затухания сигнала в проводниках идиэлектриках от частотыИз рисунка 2.2 видно, что диэлектрические потери линейновозрастают с увеличением частоты, превышая затухание сигнала из-запотерь в металле на частотах выше 1 ГГц.
Необходимо такжеотметить, что потери в проводнике зависят не только от величиныскин-эффекта, но и от его поверхностного сопротивления Rs,определяемого по формуле:,где ρ – удельное сопротивление проводника.63Проведенный выше анализ показывает, что для уменьшениядиэлектрическихпотерьначастотахвыше1 ГГцвыгодноиспользовать материалы с низким тангенсом угла диэлектрическихпотерь.Впараметровтаблице 2.2приведенокерамическихисравнениедиэлектрическихполимерныхматериаловна частоте 2 ГГц [4].Таблица 2.2 – Диэлектрические параметры керамических и полимерныхматериалов на частоте 2 ГГцМатериалКерамикаОрганическиематериалыСиликатноестеклоБоросиликатноестеклоКварцевое стеклоОкись алюминияLTCC(Окисьалюминия/Боросиликатноестекло)ЭпоксидFR4ПолимидТефлонИз данныхматериаловДиэлектрическаяпроницаемость(2 ГГц)6,8[Q](2 ГГц)4,50,006 [150]3,89,05-80,00016 [6,000]0,0003 [3,000]0,005-0,0016[200-600]3,14,33,72,00,03 [30]0,015 [65]0,0037 [270]0,0005 [2,000]таблицы 2.2 следует, что0,01 [95]длякерамическихв целом ниже, чем для полимерных материалов.Сравнение керамических материалов, изготовленных по LTCCтехнологии, с наиболее распространенным материалом для печатныхплат - стеклотекстолитом FR4, показывает, чтодля него на 1/3выше, а добротность ниже почти на порядок.Нарисунке 2.3показанатрехмернаязависимостьдиэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрическихпотерь от температуры обжига для диэлектрических материалов,64использующихся в технологии LTCC [65].
Из данного рисунка видно,что несмотря на многообразие существующих материалов, ни один изних не находится вблизи области с надписью «Цель», чтоподтверждаетактуальностьпоискановыхдиэлектрическихматериалов и их соединений для создания многослойных подложекпечатных плат и микрополосковых СВЧ устройств на их основе.Рисунок 2.3 - Трехмерная зависимость диэлектрической проницаемости итангенса угла диэлектрических потерь от температуры обжига652.3 Дисперсия диэлектрической проницаемости инеобходимость ее учетаВбольшинствеслучаевразработчикимикрополосковыхустройств СВЧ диапазона понимают под частотной дисперсиейзависимость фазовой скорости электромагнитных волн от частоты илидлины волны и, как следствие, изменение формы произвольныхволновых возмущений в процессе их распространения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
