ЭЛЕМЕНТЫ МИКРОПОЛОСКОВОГО ТРАКТА

ПЛЕНОЧНЫЕ РЕЗИСТОРЫ

Тонкопленочные резисторы проектируются в виде полосок различной конфигурации. Электрический контакт с проводниками обеспечивают перекрытием соответствующих участков резистивной и проводящей пленок.

Исходными данными для расчета геометрических размеров резистивных элементов являются номинальное значение их сопротивления R и рабочая мощность рассеяния Р. Резистивный материал выбирают с учетом удельного сопротивления единицы поверхности пленки р₀, ее толщины 1, допустимой удельной мощности рассеяния Р₀. Необходимое удельное сопротивление должно обеспечиваться при толщине пленки не менее 0,05 мкм, в противном случае надежность резисторов при повышенных электрических и тепловых нагрузках не гарантируется. Следует учитывать также, что допустимая удельная мощность рассеяния для конкретного резистивного материала определенной толщины зависит от теплопроводности материала подложки и класса чистоты обработки ее поверхности. Поэтому при конструировании микросхем, работающих при повышенной мощности рассеяния, допустимую мощность целесообразно рассчитывать по температуре локального перегрева в зоне резистора, которая не должна превышать 100⁰ С.

Перекрытие резистивной пленки и проводящего элемента в зоне их контактирования (рис.17) должно обеспечивать надежный контакт независимо от способов формирования элементов и придания им заданной конфигурации.

Геометрические размеры резистивных элементов СВЧ микросхем рассчитывают по формулам, применяемым для расчета низкочастотных резисторов:

где S, 1, b—площадь, длина и ширина резистора; N—число квадратов; Р₀ и R_ — удельные мощность рассеяния и сопротивление.

При вычерчивании топологии резистивного слоя к расчетной длине резистивной полоски прибавляют не менее 100... 200 мкм с каждой стороны на перекрытие с проводником.

ПЛЕНОЧНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ

Конденсаторы СВЧ микросхем могут быть выполнены как в виде трехслойной пленочной структуры, содержащей обкладки и диэлектрический слой, так и в виде планарной конструкции, формируемой в едином технологическом цикле с другими проводящими элементами (микрополосковая линия передачи, индуктивная катушка и др.). Планарные конденсаторы имеют малые значения емкости (не более 2 пФ), а пленочные— емкости больших номиналов. Емкость планарных конденсаторов зависит от ширины зазора, толщины пленок и диэлектрической постоянной материала подложки или наполнителя. Если использовать наполнители с большим значением диэлектрической постоянной, то можно увеличить ее емкость между электродами на порядок.

Пленочные конденсаторы рассчитывают исходя из требуемого номинального значения емкости с учетом удельной емкости структуры. Площадь перекрытия обкладок определяют по формуле Sc = С/Со, где С — номинальное значение емкости, а Со — удельное. Затем вносят технологическую поправку на выводы для контактирования. Для повышения надежности конденсаторов длина линии пересечения нижней и верхней обкладок, разделенных диэлектрическим слоем, должна быть минимальной. С другой стороны, для снижения потерь за счет сопротивления обкладок рекомендуется прямоугольная форма конденсатора с выводом по широкой стороне. Конструкцию конденсатора выбирают на основе компромиссного решения с учетом его рабочих характеристик в составе микросхемы.

Рисунок 18 - Варианты выполнения конденсаторов: (а) – планарный; (б), (в) – с

напылением диэлектрика; (г) – поперечное сечение конденсатора с напылением

диэлектрика (1, 3 – металл, 2 – диэлектрик, 4 – подложка)

ПЛЕНОЧНЫЕ КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ

Катушки индуктивности с сосредоточенными параметрами могут быть получены из отрезков металлических полосок прямоугольного сечения – так называемые полосковые одновитковые катушки индуктивности (рис. 19) – или полосок, изогнутых в виде меандра или в виде спирали рис. 20.

Полосковые одновитковые катушки индуктивности (рис. 19,б) имеют индуктивности от 0,5 до 4 нГн.

Рисунок 19 - Полосковые катушки индуктивности

Большие индуктивности (до 100 нГн) обеспечивают плоские спиральные катушки, причем квадратные спиральные катушки (рис. 20,в) позволяют получить большую индуктивность по сравнению с круглыми (рис. 20,б) на заданной площади печатной платы катушек. Индуктивность катушек в форме меандра (рис. 20,а) достигает 100 нГн.

Рисунок 20 - Катушки индуктивности: (а) – меандр; (б), (в) – спиральные

Однако в этих катушках наблюдаются паразитные резонансы на частотах существенно более высоких, чем рабочая, благодаря линейным участкам s и b катушки, которые на высоких частотах ведут себя уже как отрезки линий с распределенными параметрами.

Добротность полосковых одновитковых и спиральных катушек на частотах свыше 1 ГГц составляет 50…100. Спиральные катушки индуктивности по сравнению с одновитковыми имеют большую добротность, но и большую межвитковую емкость. Добротность катушек при фиксированном значении индуктивности возрастает пропорционально f до частот 5…6 ГГц, затем с ростом частоты снижается.

Индуктивность и добротность катушки зависит от ее геометрических размеров, а также от наличия металлизации с нижней стороны диэлектрической подложки, в том числе и тогда, когда металлизированная сторона диэлектрической подложки удалена от плоскости расположения катушки достаточно далеко. Для исключения влияния металлизации на индуктивность катушки расстояние до металлизированной поверхности под катушкой при подложке с ε @10 более чем в 20 раз должно превышать ширину проводника катушки W. В тех практических случаях, когда по технологическим причинам это требование не выполняется, расчет индуктивности катушек необходимо вести с учетом наличия металлизированной поверхности. Металлизация в той же плоскости, где

находится катушка индуктивности, мало влияет на ее индуктивность, и практически достаточно выполнить расстояние от катушки до соседнего металлизированного слоя равным пятикратной ширине проводника катушки.

Определение геометрических размеров плоских спиральных катушек по заданной индуктивности L производится методом последовательных приближений, при котором по конструктивным и технологическим соображениям задают некоторые геометрические размеры катушки и по формулам для L и D определяют недостающие размеры. По технологическим соображениям выбирают ширину проводника W и, используя формулы для D, находят шаг катушки s.

НЕОДНОРОДНОСТИ

К основным типам неоднородностей, встречающихся в микроэлектронных устройствах СВЧ, относятся изгибы, скачкообразное изменение волнового сопротивления линий, разомкнутые и замкнутые концы линий, Т-образное соединение, пересечение линий, зазор в линии.

Такие неоднородности, как зазор в линии, вводятся специально для достижения определенных функций устройства. Другие неоднородности называют паразитными, т.к. они не вводятся намеренно, и их пытаются снизить или скомпенсировать. Паразитные неоднородности вызывают отражения основной волны, являются источниками высших типов волн и паразитного излучения. Их влияние на электрические характеристики микросхем СВЧ усиливается с повышением рабочей частоты, когда геометрические размеры неоднородностей становятся соизмеримыми с длиной волны в линии передачи. Присущая всем неоднородностям резкая вариация формы полосковой линии приводит к искажению электрического и магнитного полей в ее объеме, что может быть учтено в эквивалентной схеме неоднородности соответственно дополнительной емкостью и индуктивностью. Если в неоднородности протекает ток, то этот факт отражается включением неоднородности с индуктивным элементом. А если концентрируется электрическое поле - то включается емкость. Когда размеры неоднородностей очень малы по сравнению с длиной волны в линии передачи, их эквивалентные схемы состоят только из одного реактивного сопротивления, расположенного в точке неоднородности.

Рисунок 21 - Неоднородности, которые описываются как отдельные блоки в СВЧ структуре

Рисунок 22 - Неоднородности и их эквивалентные схемы

РЕЗОНАТОРЫ

В интегральных схемах СВЧ-фильтров, генераторов, усилителей используются печатные и объемные резонаторы (таблица 1).

Таблица 1

Печатные резонаторы чаще всего выполняются в виде отрезков полосковой линии передачи длиной λ_в/4, λ_в/2, λ_в, разомкнутых (рис. 2 табл. 1) или короткозамкнутых (рис. 1 табл. 1) на конце. Короткозамкнутый резонатор обладает более высокой добротностью и значительно меньшим концевым излучением по сравнению с разомкнутым резонатором. Так, 50-омный разомкнутый на конце микрополосковый резонатор на подложке из поликора толщиной 1 мм в 10-сантиметровом диапазоне волн имеет добротность 185, а аналогичный короткозамкнутый резонатор – добротность 480. Наиболее серьезным недостатком короткозамкнутых резонаторов является необходимость замыкания проводника на основание с помощью специальных короткозамыкателей, что значительно усложняет технологический процесс их изготовления.

В конструкциях фильтров часто используют резонаторы из последовательно (рис. 3 табл. 1) или параллельно (рис. 4 табл. 1) соединенных между собой индуктивных или емкостных элементов, которые к линии передачи подключают параллельно.

В конструкциях печатных резонаторов, выполненных в виде кольца или прямоугольника (квадрата) (рис.5, 6 табл.1) длиной n λ_в, краевой эффект устраняется. Если толщина диэлектрической подложки мала (h£0,2 см; h/R£0,1), то в кольцевом резонаторе (рис. 5 табл. 1) возможно существование колебаний типа квази-Е (Е_m10), при которых практически отсутствует зависимость полей от координаты z, перпендикулярной плоскости подложки. Чем шире кольцо, тем более высокие типы колебаний могут возбудиться и поддерживаться в данных структурах. При ширине кольца больше λ_в/2 в резонаторе возникают высшие типы колебаний Е_mn0 (n>1). При увеличении ширины W кольцевой резонатор в пределе (W/R®1) преобразуется в дисковый (рис. 7 табл. 1). Чем больше радиус диска, тем более высокие типы колебаний возбуждаются и поддерживаются в резонаторе. При малой толщине подложки распределение вектора электрического поля вдоль оси z близко к равномерному; при этом имеют место колебания квази Е_mn0.

Связь резонаторов с полосковой линией может быть реализована, например, за счет регулярных полосковых линий (рис. 5 табл.1), диаметрально подключенных к кольцевому резонатору через зазоры связи. Зазор S выбирается таким, чтобы, с одной стороны, не искажалось поле резонатора, а с другой – обеспечивалась необходимая величина связи.

При проведении расчетов следует иметь в виду, что при определенных условиях структуры (рис. 5-7 табл.1) могут превратиться из резонаторов в излучатели.

ФИЛЬТРЫ

Электрическим фильтром называется пассивная линейная цепь с резко выраженной частотной избирательностью. Фильтры широко применяются в радиотехнических системах для частотной селекции нужного сигнала на фоне других сигналов или помех.

В диапазоне СВЧ фильтр представляет собой линию передачи, включающую неоднородности, согласованные в определенной полосе частот и резко рассогласованные вне этой полосы. В этом смысле работа фильтра похожа на работу широкополосного согласующего устройства (иногда фильтр используется для широкополосного согласования.) Для уменьшения потерь в полосе пропускания фильтр должен выполняться из реактивных элементов. Главным параметром фильтра является его частотная характеристика (рис.23).

Рисунок 23 – Типы фильтров

Главным назначением фильтров является подавление одних частотных составляющих сигнала и пропускание других. Частотная характеристика фильтра есть кривая зависимости затухания в нем от частоты. Фильтры различают: ФНЧ – фильтр нижних частот; ФВЧ – фильтр верхних частот; ППФ – полоснопропускающий фильтр; ПЗФ – полоснозаграждающий фильтр. При построении гибридных и интегральных схем СВЧ обычно используют несимметричные полосковые линии. Фильтры из отрезков несимметричной полосковой линии очень технологичны и почти не нуждаются в настройке при использовании достаточно точной методики расчета конструкции.

По типу частотной характеристики фильтры подразделяют: с максимально плоской характеристикой и с Чебышевской характеристикой.

При выборе рабочей характеристики в качестве исходной следует принять во внимание, что Чебышевская характеристика удобнее, т.к. дает некоторый выигрыш в количестве необходимых реактивных элементов, обеспечивающих требуемую характеристику затухания, однако фильтры с максимально плоской характеристикой вносят меньшие фазовые искажения.

ФИЛЬТРЫ НИЖНИХ ЧАСТОТ

Наиболее распространенным типом фильтров нижних частот на полосковых линиях является фильтр, выполненный из набора чередующихся участков линии с высоким и низким сопротивлением, что достигается изменением ширины внутреннего проводника полосковой линии. При этом высокоомный участок линии служит последовательной индуктивностью, а низкоомный – параллельной емкостью.

Фильтр нижних частот из отрезков микрополосковой линии показан на рис. 24

Секции фильтра нижних частот имеют одинаковую фазовую длину, но разные волновые сопротивления. Типовая частотная характеристика вносимого затухания приводится на рис. 26. Фильтры подобного типа используются в диапазоне частот от 1 до 10 ГГц.

Рисунок 24 - Фильтр нижних частот

Рисунок 25 - Эквивалентная схема нормированного фильтра-прототипа нижних частот

Рисунок 26 - Чебышевская характеристика

Фильтры нижних частот обеспечивают прохождение сигнала до некоторой граничной частоты f₁, но полоса запирания имеет конечный верхний предел, обусловленный паразитными полосами пропускания. Тем не менее полоса пропускания ФНЧ довольно. Это позволяет использовать фильтры нижних частот в сочетании с полосно-пропускающими фильтрами, чтобы исключить дополнительные полосы пропускания полосового фильтра на гармониках относительно высоких частот.

ФИЛЬТРЫ ПОЛОСОВЫЕ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ

СВЯЗЬЮ МЕЖДУ РЕЗОНАТОРАМИ

Для обеспечения требуемой крутизны рабочей характеристики необходимо применять многозвенные фильтры, содержащие каскадновключенные СВЧ резонаторы. В зависимости от способа включения резонаторов фильтры делятся на фильтры с непосредственными связями и фильтры с четвертьволновыми связями, т.е. фильтры, у которых резонаторы соединены через отрезки линии длиной λ/4.

При практическом выполнении поплосно-пропускающих фильтров иногда их удобно делать из одинаковых элементов (либо из последовательных сопротивлений, либо из параллельных проводимостей). Это осуществляется при помощи идеальных инверторов сопротивления или проводимости.

Инверторы обеспечивают фазовый сдвиг . В связи с этим последовательная индуктивность с инвертором на каждой стороне будет выглядеть как параллельная емкость, если смотреть от внешних зажимов инвертора. Соответственно параллельная емкость с инверторами на обеих сторонах окажется последовательной индуктивностью.

Структура фильтра на полуволновых разомкнутых на конце резонаторах с четвертьволновыми электромагнитными связями изображена на рис. 27

Типовые частотные характеристики вносимого затухания фильтров с максимально-плоской и чебышевской характеристиками представлены на рис.28,а-б.

Рисунок 27 - Фильтр на полуволновых разомкнутых резонаторах с четвертьволновыми

электромагнитными связями

Рисунок 28 - Типовые характеристики фильтров: (а) – максимально плоская

характеристика, (б) – Чебышевская характеристика