Распределенные плёночные элементы и элементы с сосредоточенными параметрами
Реферат
Распределенные
плёночные элементы и элементы с сосредоточенными параметрами
Содержание
Введение
. Пленочные резисторы
. Конденсаторы
. Индуктивности
. Подстроенные элементы
Литература
Введение
Пассивные пленочные элементы схем (R,
C, L),
особенно в микроволновом (СВЧ - сверхвысокочастотном) диапазоне частот,
позволяют реализовать значительное количество устройств в гибридном или
интегральном исполнении, что решает проблемы надежности, цены и габаритов. При
этом размеры элементов могут быть как распределенными, так и
полусосредоточенными и даже сосредоточенными.
Принято считать элементы сосредоточенными, когда
их линейные размеры не превышают 0,03l (lв
-
длина волны в линии, определяемая значением длины волны в свободном пространстве
l0
= с/f и эффективной
диэлектрической проницаемостью подложки eэф как lв
= l0(eэф)-0,5).
При таких размерах элементов можно пренебречь эффектами, обусловленными
волновым характером электромагнитного поля, в частности сдвигом по фазе между
входом и выходом элемента. Современные технологические приемы (фотолитография,
ИС-технологии) позволяют реализовать сосредоточенные пассивные элементы,
работающие вплоть до мм диапазона частот, которые с успехом применяются в
генераторах большой мощности и малошумящих усилителях. Эти элементы выполняются
обычно на кварце, что с одной стороны существенно улучшает параметры устройства
по сравнению с распределёнными элементами, но значительно повышает их
стоимость.
Полусосредоточенными считаются элементы,
образованные отрезками ПЛ длиной менее четверти длины волны и имеющие в
относительно небольшом диапазоне частот свойства сосредоточенных емкостей или
индуктивностей.
Рассмотрим подобные элементы и их реализации в
современ-ных микроволновых устройствах и системах.
. Пленочные резисторы
В полосковых схемах резисторы используются в
качестве схемных СВЧ элементов, оконечных нагрузок и входят в состав
низкочастотных цепей управления и питания. Применяются резисторы двух типов: с
сосредоточенными параметрами (много меньше длины волны в линии) и
распределенными. Предпочтительная форма резистора с сосредоточенными
параметрами - прямоугольная. Резистор, включенный в
полосковую линию, представляет собой отрезок ПЛ, выполненный из материала с
высоким поверхностным сопротивлением. Входное сопротивление резистора
ZBX
»
R/(1 + jwCR/3),
где R
= RSl/v
-
номинальное сопротивление резистора (RS
-
поверхностное сопротивление резистивного участка); С -
емкость резистора. При выводе предполагалось, что R
<< wL;
L -
индуктивность. Емкость С можно оценить по формуле для плоского конденсатора.
Эквивалентная схема пленочного резистора на СВЧ, учитывающая структуру тонкой
резистивной пленки, в которой отдельные гранулы резистивного материала
разделены воздушными промежутками, окисными пленками или диэлектрическим
материалом, приведена на рис. 9,1, а. В СВЧ резисторе существует распределенная
шунтирующая емкость Ср, на высоких частотах возникает последовательная
индуктивность. В общем случае наличие паразитной емкости приводит к уменьшению
сопротивления R1 на высоких
частотах по сравнению с R
на постоянном токе (рис. 1, б).
а б
Рис. 1
Сосредоточенные пленочные резисторы
(тонкопленочные) проектируют в виде полосок различной конфигурации.
Электрический контакт с проводниками микросхемы обеспечивают перекрытием
соответствующих участков резистивной и проводящей пленок (рис. 2).
Рис. 2
При проектировании тонкопленочных
резисторов для обеспечения необходимого контакта между резистивным слоем и
проводником размеры l1 и b1 не должны быть менее 200 мкм.
Исходными данными для расчета
являются: номинальное значение резистора R, значение расчетной величины
мощности рассеяния P.
Выбирают сопротивление квадрата
резистивной пленки Rÿ,
максимально допустимую удельную мощность рассеяния тонкопленочного резистора P
и определяют геометрические размеры резистора l, b.
Обозначение размерности
сопротивления квадрата пленки RŠ
условное, отнесенное к произвольному квадрату поверхности однородной пленки= r/d,
где r -
удельное сопротивление пленки, Ом×мм; d -
толщина пленки, мм.
Площадь резистора определяют по
формуле
S = P/P,
формат которой численно равен
отношению его длины к ширине
n = R/R.
При этом геометрические размеры
резистора будут
l = 10 (Sn)1/2 , b = 10(S/n)1/2,
где l, b - длина и ширина резистора,
мм; s - площадь, см2.
При проектировании сложных схем с
большим количеством резисторов, имеющих различные номинальные значения R,
допустимо использование более сложных топологических решений резисторов. В этом
случае для их расчета следует пользоваться стандартом ОСТ 450.020.224-82.
Варианты включения резисторов между
ПЛ различных размеров и конфигурации (например, в направленных делителях)
представлены на рис. 2, б, в, г.
Рассмотрим более подробно, наиболее применяемые
топологии резисторов.
Резистор, заземленный через отверстие -
cогласованная
широкополосная нагрузка - устройство СВЧ, предназначенное для
согласования нерабочих выходов СВЧ-схем. Она представляет собой резистор с
сопротивлением, равным волновому сопротивлению тракта СВЧ, подключенный одним
плечом к ПЛ, другим плечом к короткозамкнутому основанию. Топология и варианты
конструкций нагрузки показаны на рис. 3, а, б.
а б в
Рис. 3
Основной электрической характеристикой нагрузки
является частотная характеристика KстU, а основные требования к согласованной
нагрузке: размеры предельно малы по сравнению с длиной рабочей волны; в месте
включения не должно быть существенных нерегулярностей; короткозамыкающий
отрезок должен быть минимальной длины. Диаметр отверстия, через которое
заземляют резистор нагрузки, должен быть достаточным для обеспечения надежной
металлизации отверстия (обычно d = 1 - 2 мм).
Согласованная нагрузка с размерами резистора
0,5х0,5 мм (Ra = 50 Ом/‰) и контактной площадкой
0,5х0,5 мм в ПЛ с Z0 = 50 Ом на подложке из ситалла толщиной h = 0,5 мм,
обеспечивает KстU < 1,15 до 10 ГГц. В микросхемах, работающих в полосе
частот Df/f0
£
10 %, малое KстU обеспечивает узкополосная согласованная нагрузка, роль
короткозамыкателя которой выполняет разомкнутый на конце шлейф (рис. 3, б). Для
обеспечения KстU £ 1,1 -
1,5 в полосе частот с перекрытием K = f2/f1, волновое сопротивление шлейфа Zш
должно быть
Zш »
0,1 Z0 tgp/2k,
где f1 и f2 - граничные частоты
рабочей полосы.
Геометрическую длину шлейфа lш определяют по
формуле
ш = 0,25l0/(eэф.ш)0,5,
причем длина шлейфа lш должна быть равна или
больше ширины шлейфа vш.
Резистор такого назначения можно
реализовать и при замыкании на землю через проводящую плоскость на верхней
поверхности платы (КстU резистора улучшается при заземлении
через металлизированный торец платы), рис. 3, в. Величина сопротивления таких
резисторов определяется как 
.
Простейший резистор, заземленный с
помощью четвертьволнвого разомкнутого шлейфа и в виде линии передачи с большим
затуханием имеют вид рис. 4 и его величина определяются как:
Рис. 4
,
f1, f2 -
граничные частоты полосы, при этом коэффициент отражения равен 
Резисторы в форме сектора, трапеции,
полуокружности, сопряженный по окружности с полоской и заземленной поверхностью
имеют вид рис. 5 и описываются соответственно формулами:
а б в г
Рис. 5
а. 
б. 
в. 
г. 
где 
При проектировании резисторов важную
роль играет выбор такого перекрытия N, при котором наблюдается стабилизация
переходного контактного сопротивления.
Рекомендуется для сопротивлений 25 - 50 Ом N = 0,7 - 0,5 мм; 50 - 200 Ом N = 0,5 - 0,4 мм; 200 - 500 Ом N = 0,4 - 0,2 мм (см. рис. 6). Для
резисторов, у которых b < v, элемент стыковки с полоской, расширенный по
сравнению с его рабочей частью, должен выступать из-под проводниковой пленки на
расстояние в 1,5 - 2 раза
превышающее ошибку на совмещение слоев при изготовлении платы.
Рис. 6
Резисторы с мощностью рассеяния до
0,5 Вт обычно выполняют в виде малогабаритных пленочных конструкций, а при
более высокой мощности рассеяния используют конструкции, имеющие большую
площадь. В нагрузочных резисторах на ситалле допустимо рассеивать до 3 Вт/см2,
на поликоре - до 20
Вт/см2 при рабочих температурах 60 - 70 0С.
. Конденсаторы
Различают параллельные и
последовательные конденсаторы.
Параллельная ёмкость может
выполняться в виде отрезка ПЛ с волновым сопротивлением Z1 меньшим Z0 (рис. 7)
при этом номинал её определяется как C [пФ] » Z1l(eэф)0,5/c, Z1 [Ом], l [м], c = =3×108 м/с, где
величина l должна
удовлетворять неравенству l < lв/8; с -
скорость света [м/с] (либо по формуле плоского конденсатора, при выполнении
указанного ранее неравенства С [пФ] = =0,885ser/d, где s - площадь
металлической площадки, а d - толщина слоя диэлектрика в
см, er -
относительная диэлектрическая проницаемость).
Рис. 7
Кроме того, параллельная ёмкость может быть
выполнена на краю платы либо через отверстия в ПЛ с включением сосредоточенного
элемента, либо в виде распределенной емкости. Такую емкость, как и любую
реактивную проводимость можно создать в виде шлейфов, разорванных либо
закороченных на землю на конце (рис. 8). При этом величина емкости (либо
индуктивности) находится в сильной зависимости от частоты сигнала и
определяется для входной реактивной проводимости параллельных шлейфов:
- для короткозамкнутого -
Yвх.кз = - j1/Zшctg2plш/lв;
- для разомкнутого - Yвх.хх =
1/Zш tg2plш/lв,
где Yш, Z ш - волновая
проводимость и сопротивление шлейфа; lш - геометрическая
длина шлейфа; lв - длина рабочей
волны в ПЛ.
Рис. 8
В полосковых схемах на органических диэлектриках
получила распространение емкость, образуемая при наложении части полоски на ее
продолжение через слой пленочного диэлектрика (пленка из фторопласта,
полиамидная и т.п.). В интегральных ИС СВЧ подобные емкости выполняются
методами толстопленочной технологии. На рис. 9 приведены типичные топологии
пленочных конденсаторов с элементами подстройки для получения более близких к
номиналу значений. Отклонения от номинала в среднем 10 -
15 %.
а б
в
Рис. 9
пленочный элемент резистор
конденсатор
При составлении топологии отдельных слоев
следует учитывать, что нижняя обкладка должна выступать за край верхней не
менее чем на 200 мкм, а диэлектрик должен выступать за границы площадки
перекрытия обкладок не менее чем на 200 мкм. Расчет емкости С по формуле
плоского конденсатора (C
[пФ] = =0,885lver/h,
v, l,
h [см]) вносит
погрешность не более 5 %, обусловленную пренебрежением краевыми эффектами, если
l < l.
Плоский конденсатор прямоугольного (как и
круглого сечения) на материале подложки, рис. 10 иногда называемый
сосредоточенным конденсатором на подложке, применяется вплоть до сантиметрового
диапазона. Расчет подобных элементов (а), если их линейные размеры v
и l меньше l,
основан на представлении плоского конденсатора в виде отрезка ПЛ шириной v
и длиной l (б - для круглого
сечения).
а б
Рис. 10
а. C [Ф] = C0 + Cк1 + Cк1, C0 = e0ervl/h,
Cк1 = (0,5e0l) [120pZв(v, h, 1)/Z2в(v, h, er) - erv/h],
Cк2 = (0,5e0v) [120pZв(l, h, 1)/Z2в(l, h, er) - erl/h], l, v, h [м].
б. C [Ф] = C0 + Cкр,
C0 = eэфe0pr20/h, Cкр = 2eэфe0r0[ln(pr0/2h) + 1,7726],
r0, h [м].
Емкость конденсатора с учетом
краевого эффекта дает погрешность результатов, получаемых по данным формулам,
при 2h/v £ 1 около 1
%; при 2h/v £ 2 » 2 % и 2h/v £4 » 20 %.
На рис. 11 представлена зависимость
емкости прямоугольного конденсатора от отношения v/l при различных значениях параметра l/h, er и толщины
подложки. Например, емкость при er = 2,5 равна среднему
арифметическому ее значений при er = 2,3 и 2,7. Наличие двух значений er позволяет
оценить влияние разброса er на емкость.
Рис. 11
На рис. 12 представлены зависимость eэф от отношения r0/h при
различных значениях er и
зависимость емкости конденсатора круглого сечения от тех же параметров при v = 2r0.
Рис. 12
Преимущества сосредоточенных
конденсаторов на подложке: простота изготовления; возможность получения с
достаточной точностью требуемой емкости, так как при обычно используемых
толщинах подложек емкость на единицу площади невелика (для подложек с eг = 10 около 0,1 пФ/мм2);
высокое пробивное напряжение; возможность реализовать высокую добротность, так
как нет ограничений на материал обкладок и их толщину в пределах используемой
технологии; возможность точной подстройки простыми технологическими способами.
Недостатки: относительно большая площадь элементов; невозможность достижения
больших номиналов; усложнение конструкции при последовательном включении
конденсаторов в линию из-за необходимости использовать отверстия и т.п.
Несмотря на универсальность,
многослойная пленочная конструкция конденсатора обладает недостатками; трудно
создать высокочастотные конденсаторы с высокой удельной емкостью (получены
удельные емкости до 30 - 50 пФ/мм2);
появляются дефекты (проколы) при изготовлении диэлектрических слоев; из-за
малой толщины диэлектрического слоя не удается достичь высокого пробивного
напряжения. Для создания конденсаторов небольшой емкости нередко используют
конструкции без дополнительных диэлектрических слоев. К таким конденсаторам
относятся торцевой зазор в полоске, гребенчатый зазор.
Последовательную емкость выполняют в виде
планарной (гребенчатый) штыревой структуры, изображенной на рис. 13, которая
имеет величину, определяемую как
C [пФ/ед.
длины]
= (er + 1) e0b[2A1(N
- 1) + A2],= 0,614(h/s)0,25(t/h)0,439,= 0,775t/(2N - 1)(t + s) + 0,408,
N - число секций, h
- толщина подложки.
Рис. 13
Либо в виде зазоров и параллельно расположенных
ПЛ, при этом погонная емкость (Сп, пФ/см) между двумя такими обкладками (рис.
14, а) для подложек с er
= 10 определяют по графику рис. 14, б. Для подложек с er
= 7 -
8 следует значение, полученное из графика, умножить на 0,7.
Добротность конденсатора рассчитывается по
формуле
/QC
= 1/QS + 1/Qd,
где Qs
= 3v/2wCl2RS
-
добротность проводящих пластин; Qd=
1/tgd -
добротность диэлектрической пленки.
Погрешность расчета емкости по приведенным
формулам - до 5 %, а добротность может быть оценена и как QС
= 1/wCR,
где R= (4/3)bRS/Nt,
Rs -
поверхностное сопротивление проводника, в котором сформирована емкость. На
частоте 2 ГГц достигнута добротность конденсатора (С = 2,9 пФ), равная 677.
Достоинство конструкции - в ее простоте, несмотря на высокие
требования к качеству изготовления штырей и зазоров, недостатки -
сложность подстройки и малый номинал.
а б
Рис. 14
Навесные конденсаторы постоянной емкости. В
полосковых схемах в зависимости от типа конструкции используются: конденсаторы
постоянной и переменной емкостей, предназначенные для относительно
низкочастотных цепей, если они сохраняют свойства сосредоточенных элементов в
СВЧ диапазоне; конденсаторы, разработанные специально для СВЧ диапазона.
Номиналы конденсаторов соответствуют стандартным, но существуют более высокие
классы точности: 0 (±2 %), 00 (±1 %), 05 (±0,5 %), 02 (±0,2 %), 01 (±0,1 %). По
отклонению ТКЕ конденсаторы разделяются на две подгруппы: I
-
керамические, стеклокерамические и стеклянные на номинальное рабочее напряжение
до 1600 В, изолированные емкостью до 47 пФ, незащищенные и неизолированные
емкостью до 20 пФ; II
-
керамические, стеклокерамические и стеклянные на номинальное рабочее напряжение
до 1600 В, изолированные емкостью больше 47 пФ, незащищенные и неизолированные
емкостью больше 20 пФ, керамические, стеклокерамические и стеклянные на
номинальное рабочее напряжение выше 1600 В.
Конденсаторы типа К10-9, К10-17, К10-42, К10-43
и т.п. представляют собой миниатюрные керамические параллелепипеды (рис. 15, б,
слева (а) изображены бескорпусные резисторы), торцы которых металлизированы и
облужены. Конденсаторы с помощью пайки крепятся к контактным площадкам схем.
Габаритные размеры этих конденсаторов соответственно: К10-9 2x2x1,2;
2x4x1,2;
4x4x1,2;
2,5x5,5x1,2
мм; К10-17: 1,5x1,4x1,2;
2x1,9x1,2;
4x3x1,2;
5,5x4,6x2,0
мм; К10-42: 1,5x1,4x1,2
мм; К10-43: 4x2,9x2,4,
5,5x3,2x2,7;
8x6,8x2,4;
12x10,6x2,4
мм, а номиналы: К10-9 номиналы 2,2 - 47 000 пФ (допуск
на емкость ±5 и ±10 %, ТКЕ + 33×10-6 (ПЗЗ), -
47×10-6
(М47)), рабочее напряжение - до 25 В; К10-17 номиналы 22 -
330 000 пФ (допуск на емкость ±5 и ±10 %, по ТКЕ относятся к группам МЗЗ, М47,
М75), рабочее напряжение - до 25 В; К10-42 номиналы 1 -
22 пФ (допуск от ±0,25 пФ до ±0,5 пФ для емкости 4,7 -
10 пФ и ±5; ±10; ±20 % для емкостей больше 10 пФ, по ТКЕ (-
47 ± 30)×10-6
группа М47); рабочее напряжение 50 В, tgd
< 15×10-4.
а б
Рис. 15
Конденсаторы К10-43 имеют номиналы 21,5 пФ -
0,0442 мкФ с допуском ±1, ±2, ±5 %; ТКЕ (0 ± 30)×10-6
(группа МПО); рабочее напряжение 25 В tgd
£
15×10-4.
Конденсаторы К10-42 имеют наименьшие габаритные размеры и разработаны
специально для применения в ГИС СВЧ на частотах до 2 ГГц.
В полосковых схемах можно использовать как
малогабаритные переменные конденсаторы, не предназначенные для СВЧ техники, до
0,5 ГГц, так и конструкции, специально разработанные для СВЧ диапазона.
Конденсаторы типа КТ4-25 (рис. 8.14, а) имеют габаритные размеры 8,5x4,5
(для номинального напряжения 250 В), 5х3,5 (100 В); 5х5x3,5 (100 В);
8,5х8,5х4,5 мм (250 В) и т.д. Они обеспечивают диапазоны изменения емкостей 1 -
5; 2 -
10; 5 -
25; 6 -
30 (100 В); 0,4 - 4; 2 - 20; 1 -
8; 5 -
40 пФ (250 В); ТКЕ (0 + 30)×10-6 (группа МП0), -
(75 ± 30)×10-6 (группа (М75) и -
(750 ± 100)×10-6 (группа М750); tgd
£
2×10-4.
Конденсаторы выдерживают до 100 перестроек, масса -
не более 0,6 г. На частотах до 100 - 300 МГц можно
применять малогабаритные пластинчатые конденсаторы с воздушным диэлектриком
типа КПВ-1, обеспечивающие диапазоны изменения емкости 2 -
12 пФ. Однако из-за относительно больших для СВЧ цепей размеров и массы (15 -
20 г) эти типы конденсаторов используются редко.
Для диапазона СВЧ предназначены конденсаторы
КТ4-22, имеющие размеры 8,5х8,5х4,5 мм и перестраиваемые от 0,21 до 2; от 1 до
5; от 2 до 10; от 3 до 15 и от 4 до 20 пФ. Номинальное напряжение конденсаторов
250 В; tgd
£
20×10-4;
ТКЕ -
(75 ± 75)×10-6; масса -
не более 0,7 г.
Конденсаторы типа КТ4-27 выдерживают до 50
циклов перестройки, разработаны, в частности, для ИС СВЧ и работают при
номинальных напряжениях 25 и 50 В. Габаритные размеры 2,8х2,6х1,2 (25 В) и
5х4,7х1,8 мм. (50 В), диапазоны перестройки 0,4 - 2, 1 -
5 (25 В), 1 - 5, 2 - 10, 3 -
15, 4 -
20 пФ (50 В); ТКЕ - (75 ± 125)×10-6;
tgd £
20×10-4.
Масса 0,07 г (25 В) и 0,2 г (50 В).
В диапазоне до 5 ГГц находит применение
миниатюрный плоский конденсатор, обеспечивающий при габаритных размерах 5х1х0,5
мм перестройку 0,1 - 2,5 пФ. На частоте 1,4 ГГц потери
0,04 дБ.
. Индуктивности
Индуктивность при номиналах единицы нГн - это
отрезки полосковых линий. Плоские, спиральные элементы применяются в качестве
дросселей и индуктивностей с номиналом от единиц нГн до сотен мкГн.
Такие элементы находят применение в полосковых
схемах на органических и неорганических диэлектриках и являются по существу
отрезком линии передачи, что упрощает технологию изготовления. Погрешности при
реализации такие же, как при изготовлении проводников. Недостатки: большие
габаритные размеры и отсутствие возможности простой подстройки.
С помощью прямоугольного проводника можно
реализовать индуктивности малых номиналов (до единиц нГн). Рассмотрение
прямоугольного отрезка, как короткозамкнутого отрезка линии передачи позволяет
вывести как выражение для полного сопротивления такого элемента:
Z = Rl
+ jwLl,
где R
-
погонное активное сопротивление; L
-
погонная индуктивность; l
- длина рассматриваемого отрезка линии, так и добротности индуктивности
QL = wL/R.
При этом сопротивление прямоугольной полоски
можно определить как
R = nRSl/2(v
+ t),
где Rs
-
поверхностное сопротивление, Ом; n -
поправочный коэффициент, учитывающий неравномерное распределение тока в
полоске. Отрезок проводника (рис. 16) в качестве индуктивности употребляется
редко, но следует помнить, что отрезок линии передачи со свойствами
последовательной индуктивности имеет индуктивность L металлической полоски
шириной v
и длиной l (без учета влияния металлического основания подложки) определяемую
формулой
Рис. 16
где L - величина
индуктивности; l, v, t
-
длина, ширина и толщина полоски, мм.
Геометрические размеры индуктивностей величины L
в структуре в виде полоски или “меандра” (рис. 17, а и б) можно определить из
графика (рис. 17, а) (без учета металлического основания и подложки).
а б
Рис. 17
Величину индуктивности L полосковой линии
шириной v,
высотой t и длиной l (рис.
18) с учетом влияния металлического основания подложки определяют по формуле
L = 0,46l×lg(8t/v)
+ (v/4t)
»
0,2l ln(8t/v) + (v/4t).
В случае, если параметры ПЛ заданы в виде
волновых сопротивлений (рис. 19), индуктивность следует определять как:
L [Гн] »
Z1l(eэф)0,5/с,
Z0 << Z1,
c = 3 1011 мм/с, l,
мм, l < l/8,
Z0,Ом.
Рис. 18 Рис. 19 Рис.
20
Для цилиндрического проводника, применяемого
крайне редко (рис. 20) ввиду низкой технологичности индуктивность равна
L [нГн] = 0,2l[ln(l/d)
+ 0,386], d, мм, l,
мм.
Круглая одиночная петля (рис. 21) обладает
индуктивностью:
Рис. 21 Рис. 22 Рис. 23
L [нГн] = 0,2l[ln(2l/(v + t)) - 2,451],
v,
t и l - ширина,
толщина витка и его периметр, мм.
Квадратная петля и равносторонний
треугольник (рис. 22, 23) имеют индуктивности, соответственно:
L [нГн]
= 0,2l[ln(2l/v + t) -
2,853],[нГн]
= 0,2l[ln(2l/v + t) -
3,197],
где l, v, t
-
сторона квадрата или треугольника, ширина и толщина витка, мм.
Значение индуктивности, выполненной в форме
круглой спирали (рис. 24), определяют по формуле
L = 5 (D
+ d)2 N2
/(15D
-
7d),
если заданы D, d - внешний и
внутренний диаметры (стороны) спирали, мм; N - число
витков.
Рис. 24
Либо при задании R1, R2 - внутреннего
и внешнего радиусов, мм, N - числа
витков, и величины а = 0,5(R1 + R2), c = R2 - R1
L [нГн]
= 0,4pN2a[(ln8a/c
- 0,5) + (c/a)2(ln8a/c + 3,583)/24] - 2,853],[нГн]
= 10N2(R1 + R2)2/(15R2 -
7R1),[нГн]
= 39,3(0,8a2N2)/(6a + 10c).
Индуктивность плоской квадратной
спирали (рис. 25) определяется по одной из формул
L [нГн]
= 2,41aN5/3ln(8a/c),[нГн]
= 8,5S0,5N5/3 (R1 = 0),[нГн]
= 0,27D8/3r-5/3(1
+ q/)-5/3,
где а = 0,5(R1 + R2), c = R2 - R1, S - площадь,
см2, r - ширина
витка, мм, q - ширина
зазора, мм, D - сторона
квадрата, мм.
Рис. 25
Если параметры плоской спирали
заданы через внешний диаметр, то расчет ее индуктивности можно провести по
формуле
L = 6 (D
+ d)2 N2
/(15D
-
7d).
Внешний диаметр (сторону) спирали определяют по
формуле
D = d
+ (2N
- 1)s
+ 2v,
где s
- шаг спирали и v -
ширина спиральной полоски, мм.
Число витков спирали определяют по формуле
N = [(D
+ s) -
(d + 2v)]/2s.
Добротность пленочных катушек индуктивности
определяют (в общем случае как QL
= wL/R,
где сопротивление прямоугольной полоски R
= 0,5nRsl/(v+t),
Rs - поверхностное
сопротивление, n - поправочный
коэффициент (рис. 26, а), учитывающий неравномерное распределение тока в
полоске) по формулам:
- для индуктивности в форме круглой
спирали
Q = 2×103
v(D
+ d) f1/2/(15D
- 7d);
- для индуктивности в форме
квадратной спирали (f - частота, ГГц).
Q = 1,6×103
v(D
+ d) f1/2/(15D
- 7d).
Погрешность расчета индуктивностей в виде
спиралей составит ±10 %. Расчет производят методом
последовательных приближений до получения расчетной величины индуктивности,
совпадающей с заданной с требуемой точностью.
Плоские спиральные индуктивности круглой или
прямоу-гольной (квадратной) формы применяются в качестве контурных
индуктивностей или дросселей, позволяя реализовать значения индуктивности от
единиц нГн до сотен мкГн. Добротность круглой спиральной индуктивности
Добротность квадратной спиральной
индуктивности
где L - индуктивность, нГн; d1 = 2R1; d2 = 2R2; f - частота, ГГц; n' - поправочный коэффициент,
учитывающий эффект «близости» витков плоской катушки, рис. 26, б.
а б
Рис. 26
Наилучшее значение QL получают
при d1/d2 = 0,2.
Экспериментально установлено, что выбор одинаковой ширины витков и зазоров
между ними (v = s) позволяет
получить оптимальную добротность. На рис. 26, б представлена зависимость n' для круглых проводников от
соотношения их диаметра и межвиткового расстояния с. Кривая 1 соответствует
синфазным токам в соседних витках, кривая 2 -
противофазным. Эффект близости изменяет распределение тока в проводниках и
приводит к возрастанию сопротивления (до 30 -
35 % при малом s). При использовании данных этого
рисунка для прямоугольных проводников полагают, что c/d = =(s + v)/v.
Используя комбинации L
и C можно получить
резонаторы или контура параллельного или последовательного типа. Добротность
подобных контуров лежит в пределах 10 - 90.
Индуктивные элементы. Несмотря на относительную
простоту изготовления пленочных индуктивностей, навесные индуктивные элементы
также находят широкое применение в качестве дросселей питания и элементов
гибридных схем СВЧ. Навесные бескорпусные печатные катушки индуктивности
используют в ГИС на частотах до 200 МГц: номиналы 26 -
230 мкГн; размеры 6х6 мм при толщине 0,25 мм; добротность -
в пределах 20 - 30; рабочий ток - до 250 мА.
В качестве дросселей до 100 мкГн могут быть
использованы индуктивности на торроидальных сердечниках диаметром 2 мм. Разработаны
чип-индуктивности, имеющие номиналы 15 - 1000 мкГн при
добротности 70 - 80, используемые на частотах до 300
-
400 МГц. Конструкции, предназначенные для высокочастотных трансформаторов,
применяются также и для создания высокочас-тотных индуктивностей в диапазоне
сотен МГц: номинал - от единиц до 1000 мкГн. В метровом
и дециметровом диапазоне используются высокочастотные дроссели типа ДМ.
Паразитные параметры этих дросселей можно компенсировать в узкой полосе частот
с помощью коротких индуктивных отрезков. Дроссели (ГИ 0.477.005ТУ) выпускаются
трех типоразмеров на 64 номинала. Габаритные размеры типоразмеров: I:
L = 70 мм; l
= 11,5 мм; D = 3,8 мм; II:
L = 72 мм; l
= 13,5 мм; D = 4,4 мм; III:
L = 80 мм; l
= 21,5 мм; D = 5,1 мм. По
значению рабочего тока различаются семь типов дросселей: на 0,1; 0,2; 0,4; 0,6;
1,2; 2,4; 3 А. В зависимости от типоразмера и рабочего тока устанавливается
диапазон номиналов дросселей. Например, дроссели ДМ-0,1 имеют номиналы -
40 -
125 мкГн (типоразмер I),
140 -
200 мкГн (типоразмер II),
200 -
500 мкГн (типоразмер III).
Точность выполнения номиналов составляет ±5 %, добротность 80 -
100. Дроссели типа ДМ работают при температуре -60 -
155 ОС при относительной влажности 98 % (40 ОС), выдерживают вибрации в
диапазоне 5 - 2500 Гц (ускорение 20 g).
На параметры ПЛ дроссели оказывают минимальное влияние при включении их над
платой перпендикулярно оси полоски в области малой концентрации
электромагнитного поля. Однако технологически подобное включение трудно
осуществить с достаточной надежностью в тех случаях, когда вывод дросселя
необходимо паять непосредственно к ПЛ. Существует ряд конструкций дросселей,
однако их конструкции могут быть использованы лишь в сантиметровом диапазоне.
. Подстроенные элементы
Необходимость в подстроечных элементах вызвана
разбросом характеристик схем из-за технологических, производственных и других
причин, неидентичности характеристик навесных компонентов и т.д. Подстраивать
можно большинство топологических элементов полосковых схем.
На рис. 27 изображены конструктивные элементы,
позволяющие в ПЛ осуществить: изменение длины прямого и ступенчатого
проводников напайкой или разрывом перемычек (рис. 27, а, б); изменение длины
проводника, замкнутого на землю, напайкой или разрывом перемычек (рис. 27, в);
изменение ZВ полосковой линии
(рис. 27, г). Между подстроечными полосковыми элементами наиболее типичны
зазоры 0,3 мм, что вполне доступно для изготовления печатных плат и микросхем
СВЧ.
а б в
Рис. 27, г
На рис. 28, а изображена наиболее
часто употребляемая конфигурация верхней обкладки конденсатора. Данная форма
обкладок и методы присоединения (и отсоединения) подстроечных секций могут
употребляться в любом типе пленочных конденса-торов. Настройка штыревых
(планарных) конденсаторов выполняется разрывом или напайкой перемычек в
отдельных штырях, что позволяет так же, как в пленочных, получать высокую
точность настройки схем.
а б
Рис. 28
Подстройка индуктивных элементов
осуществляется в небольших пределах с помощью изменения числа витков (рис. 28,
б). При этом ограничения на размер зазора те же, что и для полосковых
проводников.
а б
Рис. 29
Литература
1.
Jesse, Russell
Burrows-Wheeler
transform / Jesse
Russell. - М.: Книга по
Требованию, 2013. - 112 c.
.
Баскаков, А. И. Локационные методы исследования объектов и сред / А.И.
Баскаков, Т.С. Жутяева, Ю.И. Лукашенко. - М.: Academia, 2011. - 384 c.
.
Гарматюк, С. С. Задачник по устройствам генерирования радиосигналов. Учебное
пособие / С.С. Гарматюк. - М.: ДМК Пресс, 2015. - 672 c.
.
Драгунов, В. П. Основы наноэлектроники / В.П. Драгунов, И.Г. Неизвестный, В.А.
Гридчин. - М.: Высшая школа, 2006. - 496 c.
.
Дьелесан, Э. Упругие волны в твердых телах. Применение для обработки сигналов /
Э. Дьелесан, Д. Руайе. - М.: Главная редакция физико-математической литературы
издательства "Наука", 1982. - 424 c.
.
Егупов, Н.Д. Методы классической и современной теории автоматического
управления. В 5 томах. Том 3. Синтез регуляторов систем автоматического
управления / Н.Д. Егупов, К.А. Пупков. - М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. -
616 c.
.
Карташкин, А. С. Компьютерные информационные технологии в бортовой РЛС / А.С.
Карташкин. - М.: РадиоСофт, 2011. - 216 c.
.
Королев, М. А. Технология, конструкции и методы моделирования кремниевых
интегральных микросхем. В 2 частях. Часть 1. Технологические процессы
изготовления кремниевых интегральных схем и их моделирование / М.А. Королев,
Т.Ю. Крупкина, М.А. Ревелева. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2007. - 400 c.
.
Логвинов, В. В. Схемотехника телекоммуникационных устройств, радиоприемные
устройства систем мобильной и стационарной радиосвязи, теория электрических
цепей / В.В. Логвинов, В.В. Фриск. - М.: Солон-Пресс, 2011. - 656 c.
.
Лопатин, В. Ф. Теория передачи сигналов железнодорожной автоматики,
телемеханики и связи / В.Ф. Лопатин, А.Д. Моченов. - М.: ИнФолио, 2010. - 368
c.
.
Нефедов, В. И. Основы радиоэлектроники и связи / В.И. Нефедов, А.С. Сигов. -
М.: Высшая школа, 2009. - 736 c.
.
Радиотехнические устройства и элементы радиосистем / В.А. Каплун и др. - М.:
Высшая школа, 2005. - 296 c.
.
Ткаченко, Ф. А. Электронные приборы и устройства / Ф.А. Ткаченко. - М.: Новое
знание, Инфра-М, 2011. - 688 c.
.
Ушаков, П. А. Цепи и сигналы электросвязи / П.А. Ушаков. - М.: Академия, 2010.
- 352 c.
.
Фокин, В. Г. Оптические системы передачи и транспортные сети / В.Г. Фокин. -
М.: Эко-Трендз, 2008. - 288 c.
.
Хорн, Б. К. П. Хорн Зрение роботов / Б. К. П. Хорн Хорн. - М.: Мир, 1989. - 488
c.
.
Ютт, В. Е. Электронные системы управления ДВС и методы их диагностирования /
В.Е. Ютт, Г.Е. Рузавин. - М.: Горячая линия - Телеком, 2007. - 104 c.