2.6 Фазовращатели свч диапазона

Для проверки возможности реализации фазовращателей, выполненных на жидкокристаллических полимерах была выбрана схема, основанная на гибридном кольце, обеспечивающем уровень ответвления 3 дБ, в плечи которого включены отражательные ячейки, состоящие из p-i-n диодов. Сдвиг фазы происходит при подаче на диоды положительного напряжения смещения  В. Классический вариант такой схемы представлен рисунке 2.37.

Рисунок 2.37 - Классический вариант схемы фазовращателя

Недостатком гибридного кольца являются его большие габариты, т.к. его общая длина в данном случае равна длине волны λ_ср, соответствующей средней частоте диапазона рабочих частот. Поэтому была проведена оптимизация данной конструкции, как это показано на рисунке 2.38.

Рисунок 2.38 – Оптимизированная схема фазовращателя

Разработанная конструкция такого фазовращателя приведена рисунке 2.39, при этом конденсаторы С₀ реализованы в объеме подложки как показано на рисунке 2.40.

Рисунок 2.39 - Конструкция фазовращателя	Рисунок 2.40 – Конденсаторы, реализованные в объеме подложки

Рассчитанная амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристика фазовращателя приведены на рисунке 2.41 и рисунке 2.42 при открытых и закрытых диодах VD₁ и VD₂ соответственно.

Рисунок 2.41 - Рассчитанная амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристика при открытых VD1 и VD2

Рисунок 2.42 - Рассчитанная амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристика при закрытых VD1 и VD2

При дальнейшей оптимизации конструкции фазовращателя возможен переход к эквивалентной схеме, представленной на рисунке 2.43.

Рисунок 2.43 – Эквивалентная схема фазовращателя

Секции, осуществляющие поворот фазы на 90⁰, необходимо заменить отрезками линий с положительной дисперсией (ЛПД), которые могут быть реализованы в виде ячеек, показанных на рисунке 2.44 а. Секцию, осуществляющую поворот фазы на -90⁰, необходимо заменить отрезком линии с отрицательной дисперсией (ЛОД), который может быть реализован в виде элементарной ячейки, представленной на рисунке 2.44 б.

а	б
Рисунок 2.44 - Отрезки линий с положительной дисперсией (а) и отрицательной дисперсией (б)

Таким образом, обобщая выше сказанное можно отметить, что расчеты, проведенные в настоящем разделе подтверждают возможность реализации фазовращателей, выполненных на жидкокристаллических полимерах.

3 Выбор материалов плат для реализации свч устройств на основе жидкокристаллического полимера lcp

Ранее уже отмечалось, что к материалам, используемым в СВЧ диапазоне для создания устройств на основе полосковых элементах линий передач, предъявляется достаточно жесткие требования к электрическим и эксплуатационным параметрам, технологичности изготовления и т.д. Прежде всего это связано с тем, что подложка является одновременно основным элементом полосковых линий передач и одновременно несущей конструкцией.

Поэтому применяемые диэлектрические материалы должны обладать малыми потерями, постоянным значением диэлектрической проницаемости в широком диапазоне частот и температур, иметь хорошую адгезию с проводящим слоем, быть химически стойкими, механически прочными, однородными по составу, допускать механическую обработку и т.д. Материал проводников полосковых линий должен обладать высокой электропроводностью, малым температурным коэффициентом сопротивления, легко напыляться или электрически осаждаться на подложку.

В настоящее время в качестве материала подложек используются как неорганические (различная керамика, ситалл, кварц и т.д.), так и органические диэлектрики (фольгированный фторопласт, стеклотекстолит, армированный тефлон и др.), а в качестве полосков – металлы с малым удельным электрическим сопротивлением, обеспечивающим минимальные потери, такие как алюминиевые сплавы, медь, серебро и т.д. Основные параметры диэлектрических материалов, получивших наибольшее применение, приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Основные параметры диэлектрических материалов

Материал	±εr	tanδ	ТКР, ppm/0C	Адсорбция, %	Удельное объёмное сопротивление Ом*м	Толщина листа, мм
ФАФ-4Д	2,5±0,1	0,0007	50	0,3	1*1014	1,0±0,1; 1,5±0,1; 2,0±0,1; 2,5±0,15; 3,0±0,15; 4,0±0,27; 5,0±0,3; 10,0±0,3
ФЛАН – 2,8	2,8±0,1	0,0015	55	0,15	1*1013
Брикор АТ – 2,4	2,4±0,05	0,0012	50	0,12	1*1011
Ситалл СТ50-1	8,5±0,5	0,0035	30..100	0,01	1*1017
FR-4	4,5-5,4	0,035	300… 400	0,1	1*1011	0,1 до 3
LTCC Green Tape 951	7,8±0,2	0.0015	5,8	0,055	1*1012	0.114±0,008 0.165±0,012 0.254±0,018
Ламинат RO5880	2,2± 0,02	0,0027	237	0,22	2*1011	0.127±0,001 0.254±0,002 0.508±0,002 0.762±0,002 1.524±0,01 3.048±0,01
Ламинат TLX-9	2,45-2,65	0,0021	140	0,02	1*1010	0.13±0,01 0.25±0,02 0.51±0,04 0.79±0,05 1.58±0,05 3.18±0,08

Как видно из таблицы 3.1, большинство используемых материалов, предназначенных для изготовления полосковых устройств СВЧ диапазона, не в полной мере отвечают совокупности требований, которые предъявляются к перспективным образцам.

Так, стеклотекстолит обладает большой нестабильностью значения диэлектрической проницаемости и тангенсом угла диэлектрических потерь, что неприемлемо для реализации высокодобротных устройств на полосковых линиях передачи. Кроме того, большая неоднородность стеклотекстолита ведет к дополнительному росту потерь, а его низкая температурная стабильность – к изменению линейных размеров и форм в диапазоне рабочих температур. Фторопластовые подложки, выполненные на материалах типа ФАФ и ФЛЛАН, хотя и лишены этого недостатка, но имеют недостаточную адгезию с проводящим слоем.

Из всех органических диэлектриков наиболее подходящими материалами для изготовления полосковых СВЧ устройств на сегодня являются различные ламинаты на основе армированного тефлона. Однако, в зависимости от типа наполнителя такие материалы обладают сравнительно высоким коэффициентом температурного расширения или же тангенсом угла диэлектрических потерь.

Диэлектрики из неорганических материалов, такие как различная керамика, ситалл, кварц и т.д. в значительной мере свободны от недостатков, присущим материалам из органики. Их основным недостатком является низкая механическая прочность и большая сложность создания на их основе полосковых линий и многослойных структур, что как уже отмечалось ранее, не дает возможности реализации перспективных полосковых устройств СВЧ диапазона в полной мере отвечающих совокупности предъявляемых к ним требований.

Появившаяся сравнительно недавно низкотемпературная совместно обжигаемая керамика, в наиболее полной мере отвечает совокупности электрических и эксплуатационных параметров, которые предъявляются к современным устройствам СВЧ диапазона. Однако данная технология является достаточно сложной и изделия, изготавливаемые по такой технологии, оказываются достаточно дорогими при мелкосерийном производстве.

Одним из перспективных материалов, сочетающих в себе все положительные свойства неорганических диэлектриков, и возможность изготовления многослойных структур по хорошо отработанной РСВ технологии являются жидкокристаллические полимеры, представляющие собой высокомолекулярные соединения, молекулы которых имеют заданный вид и помещены в пористые матрицы или различные композитные структуры.

Диэлектрики на основе жидкокристаллических полимеров обладают:

- широким диапазоном рабочих частот (до десятков ГГц);

- высокой стабильностью диэлектрической проницаемости и стойкостью к воздействию различных дестабилизирующих факторов;

- большим удельным сопротивлением;

- малым тангенсом диэлектрических потерь (0,002…0,004);

- влагопоглощением, сопоставимым с герметиками (менее 0,04%);

- низким температурным коэффициентом расширения;

- относительно низкой ценой, сопоставимой со стоимостью ламинатов широкого применения;

- простотой в изготовлении, в том числе, и многослойных конструкций.

Все это делает этот материал перспективным для реализации самой широкой номенклатуры разрабатываемых изделий, предназначенных для работы в СВЧ диапазоне.

В качестве примера на рисунке 3.1 приведены сравнительные характеристики диэлектриков из жидкокристаллического полимера по сравнению с некоторыми материалами.

а

б

Рисунок 3.1 – Зависимости: диэлектрической постоянной от частоты (а) и тангенса угла диэлектрических потерь от частоты (б)

Следует отметить, что в настоящее время материалы на основе жидкокристаллических полимеров являются новыми и представлены на мировом рынке узкой номенклатурой производителей и марок. Наиболее известными из них являются Ultralam 3850, A-950, FF-27, изготавливаемые компаниями Rogers, НСС и Taconic соответственно. Сравнительные характеристики этих диэлектриков приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 – Сравнительные характеристики диэлектриков

Материал	εr	tanδ	ТКР, ppm/0C	Адсорбция, %	Удельное объёмное сопротивление Ом*м	Толщина листа, мм
Ultralam 3850	2,9-3,05	0,0025	150	0,04	1*1016	0.025±0,0025 0.050±0,005 0.100±0,01
Ultralam 3908	2,9-3,05	0,0025	150	0,04	1*1016	0.025±0,003 0.050±0,005
FF-27	2,75-3,50	0,003	112	0,03	1*1016	0.04±0,0025 0.05±0,005 0.08±0,008 0.13±0,013
A-950	2,8-3,15	0,004	170	0,06	1*1016	0.025±0,0025 0.050±0,005 0.100±0,01

Как следует из анализа данной таблицы, оба материала обладают примерно одинаковыми параметрами. Однако Ultralam 3850  обладает большей стабильностью величины диэлектрической проницаемости, меньшим тангенсом диэлектрических потерь.

Поэтому в качестве материала для исследования возможностей формирования элементов СВЧ устройств на основе жидкокристаллических полимеров был выбран Ultralam 3850 компании Rogers, представляющий собой плотно упакованные молекулы в виде жестких стержней с жидкокристаллическим заполнением. При этом для возможности реализации более широкого диапазона волновых сопротивлений отрезков линий передач толщина материала была выбрана равной 0,1 мм.

Данный материал обладает достаточно высокой температурой плавления (315 ⁰С) может выполнять роль ядра при построении многослойных структур СВЧ диапазона на жидкокристаллических полимеров. Для соединения слоев таких структур в качестве препрега был выбран материал Ultralam 3908, также представляющий собой представляющий собой плотно упакованные молекулы в виде жестких стержней с жидкокристаллическим заполнением, но обладающий более низкой температурой плавления (280 ⁰С). Основные параметры данного диэлектрика приведены в таблице 3.2.