1.4 Анализ и синтез гибридной интегральной схемы свч

В настоящее время большинство микроэлектронных устройств СВЧ выполняется в виде интегральных схем СВЧ. Применение гибридных интегральных схем (ГИС) позволяет уменьшить потребляемую мощность, массу и стоимость СВЧ-устройств, улучшить их характеристики и повысить надежность. Основу ГИС СВЧ представляет ее пассивная часть, на которую устанавливаются активные элементы.

Гибридная ИС включает: пассивные навесные компоненты - элементы СВЧ с сосредоточенными параметрами R, L, С; линии передачи и колебательные системы; элементы с распределенными параметрами; уз­лы-мосты, направленные ответвители, фильтры, ферритовые устройст­ва; активные компоненты - диоды и транзисторы, в основном в бескорпусном исполнении.

Микроэлектронные устройства СВЧ могут быть выполнены на уровне элементов, узлов и блоков. Соединение отдельных ГИС может быть безразъемным (в этом случае края подложек пристыковывают вплотную друг к другу, а линии передачи соединяют пайкой с помощью ленточных перемычек) или разъемным, с помощью коаксиальных микроразъемов. В виде ГИС разработаны параметрические и транзисторные усилители, переключатели, смесители, генераторы, фазовращатели,транзисторно-варакторные умножительные цепочки и т.п.

Рис. 1.16. Поперечное сечение МПЛ: 1 - нижний адгезионный слой,

2 - основной проводящий слой, 3 - верхний защитный слой,

4-диэлектрическая плата, 5- металлизация.

Для построения пассивной части интегральных схем наиболее широко пока еще используются МПЛ. По этому способствует компактность и прочность структуры, не слишком жесткие допуски, легкость объединения с активными устройствами и приборами. Они в основном выполняются на керамических подложках методами фотолитографии.

Наибольшее распространение имеет МПЛ, представляющая собой тонкий проводник, нанесенный на одну из сторон диэлектрической подложки, другая сторона которой полностью металлизирована (рисунок 1.16).

Нижний слой предназначен для обеспечения хорошей адгезии (сцепления) основного проводящего слоя с поверхностью подложки. Его толщина (0,01 0,05) мкм. Толщина защитного покрытия 1 2 мкм. Суммар­ная толщина МПЛ в зависимости от вида схемы и рабочего диапазона частот (4 15) мкм.

Материалы, используемые для изготовления МПЛ, представлены в таблицах 1.1 и 1.2.

Таблица 1.1

Марка материала	Плотность г/см3	Температурный коэффициент линейного расширения	Коэффициент теплопроводности при температуре 200 Вт/м	Относительная диэлектрическая проницаемость на f=1010ГГц при температуре 20	tgδ на частоте f=10ГГц*10-4
Поликор	3,96	80 5,0	25-37,7	9,4-9,8	1,0
ВК94-1	3,75	60 5,0	13,1	9,7	6,5
СТ 38-1	2,9	38 2,0	1,31	7,15-7,4	4,0
СТ 32 -1	3,17	32 1,5	1,045	9,7-10,00	5,0
Сапфир	----	----	25,1	9,9	1,0

Подложки микрополосковых плат

Таблица 1.2

Металл	Серебро	Медь	Золото	Хром	Тантал
σ (Ом*м)-1	6,17*107	5,8*107	4,1*107	0,7*107	0,64*107
δе , мкм*ГГц1/2	2,03	2,09	2,49	5,75	6,26

Проводники микрополосковых плат

Микрополосковые линии характеризуются несколькими важными параметрами, но особого внимания при проектировании заслуживают характеристическое (волновое) сопротивление (z0) и эффективная диэлектрическая проницаемость ( ).

В предположении распространения квази-Т волны в качестве основной рабочей в анализе и синтезе МПЛ широко применяется метод конформных отображений, использующий математический аппарат эллиптических функций Якоби и интегральную формулу Кристофера - Швар­ца.

Для расчета волнового сопротивления z0 чаще всего используют инженерные формулы Хаммерстада:

для , (1.27)

для , (1.28)

В формуле (1.27)

, (1.29)

а в формуле (1.29)

. (1.30)

При синтезе МПЛ по заданным значениям z0, h и диэлектрической проницаемости материала подложки требуется найти ширину полоски. Наиболее удобными для инженерных расчетов являются следующие формулы [5]: для широкого проводника, у которого прогнозируемое

Отношение :

, (1.31)

где ;

для узкого проводника

, (1.32)

где .

При определении рабочего диапазона частот интегральной схемы СВЧ или нахождении геометрических размеров необходимо иметь вви­ду, что длина волны в МПЛ находится из следующего выражения:

, (1.33)

где -длина волны в свободном пространстве.

Теоретическую оценку потерь в МПЛ можно произвести с помощью следующих формул:

, (1.34)

где , дБ/ед.длины, (1.34)

, (1.35)

σ-удельная проводимость (Ом*м)-1, /м.

, дБ/ед.длины. (1.36)

Представленный теоретический материал позволяет в полной мере провести анализ и синтез СВЧ-коммутаторов, исполненных в виде гибридной интегральной схемы.