4 Полосковые линии передачи
Особенности применения и изготовления
В последние годы в радиоэлектронной аппаратуре широкое применение нашли печатные схемы. Их использование позволило существенно упростить конструкции элементов и узлов, снизить их массу и уменьшить габариты, усовершенствовать и удешевить процесс изготовления. Технологические методы, разработанные для создания обычных печатных схем, оказались приемлемыми и в диапазоне сверхвысоких частот благодаря появлению полосковых (ленточных) линий передачи (ПЛ). Последние были созданы в 50-х годах как аналог коаксиальной линии, состоящей из узкой тонкой металлической полоски и одной или двух экранирующих металлических плоскостей, пространство между которыми полностью или частично заполнено диэлектриком. Полосковая линия с одной экранирующей плоскостью получила название несимметричной (НПЛ), а с двумя — симметричной (СПЛ).
Основной особенностью ПЛ является необходимость учета зависимости волнового сопротивления от геометрических размеров проводников, толщины и диэлектрической проницаемости диэлектрика, в то время как в технике обычных печатных плат эти зависимости не учитываются.
Полосковая линия, выполненная из металлизированной диэлектрической подложки печатным способом, называется печатной полосковой линией (ППЛ).
Основное применение ПЛ нашли в устройствах СВЧ аппаратуры, долгое время сдерживающих разрешение проблемы комплексной миниатюризации. Появление материалов с малыми потерями (tgδ<10-3) и высокой относительной диэлектрической проницаемостью (εΓ>δ), а также прогресс технологии привели в 60-х годах к быстрому освоению микрополосковых линий передачи (МПЛ), изготовляемых в виде НПЛ методами пленочной технологии (сокращение НПЛ в дальнейшем будет соответствовать МПЛ).
Кроме простых пассивных элементов на ПЛ (мостов, ответвителей, фильтров, делителей, сумматоров и т. д.) известны ферритовые циркуляторы, диодные переключатели, фазовращатели, детекторы, ограничители и другие, т. е. почти все элементы, которые используются в волноводных и коаксиальных СВЧ устройствах. Однако прямая замена коаксиальных или волноводных элементов полосковыми эквивалентами оказалась невозможной. При создании адекватной конструкции полоскового устройства приходится учитывать специфические требования к электрическим параметрам, габаритам, массе, температуре, механическим характеристикам, серийной пригодности и ряду других эксплуатационных условий.
Создание полоскового устройства предусматривает следующие основные этапы:
выбор диэлектрика и типа ПЛ;
определение технологического процесса изготовления ПЛ; конструктивное оформление узла;
расчет рисунка (топологии) полоскового устройства.
Определяющим фактором при выборе материалов полосковых линий являются область применения конкретных устройств СВЧ аппаратуры на базе ПЛ, предъявляемые требования к механическим, климатическим и электрическим параметрам и их стабильности в течение продолжительного отрезка времени при определенных внешних воздействиях. В табл. 4.1 приведены основные характеристики диэлектрических материалов, наиболее употребляемых в ПЦЛ.
Таблица 4.1
Материал для полосковых линий передачи
В ППЛ применяются органические диэлектрики (например, полиэтилен, фторопласт, полистирол), имеющие низкое значение относительной диэлектрической проницаемости (εr=2-2,5), и композиционные пластики (типов ПТ, СТ, СА, ПЭТ, ПЛТ и другие), имеющие регулируемое значение диэлектрической проницаемости (εr=2,5-16) за счет введения в основной материал органического происхождения минеральных наполнителей (рутила, алунда и других) с высокой собственной проницаемостью.
По способу нанесения проводящих полосок и экранов полосковые линии делятся на фольгированные (например, стеклотекстолит, фторопласт-4, стеклофторопласт ФАФ-4) и нефольгированные (например, САМ, ПТ, СТ).
Фольгированный диэлектрик состоит из диэлектрического листа, покрытого, как правило, медной фольгой с одной или двух сторон. Медная фольга, используемая для плакирования диэлектрика, изготовляется гальваническим способом и должна иметь чистоту не менее 99,5%. Толщина (обычно) равна 35 или 50 мкм. Для обеспечения высокого качества ППЛ на поверхности фольги не допускается повышенной шероховатости, вздутий, морщин, проколов, глубоких царапин, раковин, следов смолы и клея. Эти факторы в значительной степени влияют на основные характеристики ПЛ.
Диэлектрик также должен удовлетворять ряду требований. Он должен быть однородным по параметрам и толщине, не иметь большого коробления. После удаления медной фольги на материале не должно быть раковин, отверстий, пор и посторонних включений.
Изготовление ПЛ на фольгированном диэлектрике производится методом химического травления фольги на всех участках платы, не занятых рисунком схемы. Иногда после травления полоски покрывают электролитическим серебром. При металлизации диэлектрика методом напрессовки медной электролитической фольги наружная поверхность проводников имеет шероховатость (V9, V10). Поверхность же, обращенная к диэлектрику, в целях создания необходимой адгезии к диэлектрику обработана с шероховатостью (V4, V5). Это приводит к различию условий прохождения энергии с двух сторон печатного проводника.
При использовании нефольгированных материалов токопроводящий слой наносят электрическим путем, предварительно подвергая поверхности, подлежащие металлизации, специальной механической обработке в целях создания определенной шероховатости (V5—V8), которая необходима для адгезии токопроводящего слоя к диэлектрику. При таком способе одновременно металлизируются торцы плат, отверстия, щели, переходы. Однако полоска при этом получается менее однородной по толщине и обладает меньшей прочностью сцепления токопроводящего слоя с основанием платы.
При выборе органических и композиционных диэлектриков следует учитывать некоторые дополнительные особенности материалов. Так, фторопласт-4 обладает хладотекучестью под нагрузкой и недостаточной твердостью, а материалы САМ, полистирол, ПТ — хрупкостью и малой теплостойкостью. Но вместе с тем САМ имеет более равномерную величину диэлектрической проницаемости по всей площади платы. Для ненаполненных органических диэлектриков нестабильность относительной диэлектрической проницаемости находится (для разных материалов) в пределах 0,2— 3%, для наполненных — до 2—5%. Коэффициент линейного расширения для данных материалов имеет предел (3-25)-10-5 °С-5.
В тех случаях, когда потери и допуски на параметры не имеют существенного значения, можно использовать стеклотекстолит, обладающий хорошими конструктивными свойствами.
В 50-х годах МПЛ не получили широкого распространения вследствие повышенного уровня излучения из линии, обусловленного низкими значениями относительной диэлектрической проницаемости подложки. В настоящее время имеется много разновидностей подложек для МПЛ (табл. 4.2), изготовляемых из неорганических материалов на основе монокристаллических (сапфир, кварц, феррит, кремний, арсенид галлия), поликристаллических (керамика, феррит) и аморфных (стекло, ситаллы) структур.
Сапфир и кварц хорошо обрабатываются до шероховатости V 14, обладают малыми диэлектрическими потерями и высокой стабильностью диэлектрической проницаемости. Поэтому они используются в высокостабильных и высокодобротных устройствах, а также когда требуется точный рисунок схемы. На сапфир можно локально осаждать пленки полупроводников материалов (кремния, арсенида галлия и других) с целью создания активных компонентов.
Из керамических материалов (поликор, А-995, ГМ, сапфирит, 22ХС, 22Х, брокерит и другие), имеющих высокое содержание окиси алюминия (93—100%), наилучшим по параметрам является поликристаллический корунд с содержанием 99,8% АlO3 (поликор).
Таблица 4.2
Материал для подложек МПЛ
Он имеет малые диэлектрические потери, слабо выраженную температурную зависимость параметров и позволяет получать высокую чистоту обработки (V13, V14). Бериллиевая керамика (окись бериллия ВеО) обладает в 10 раз большей теплопроводностью, чем поликор.
Ферритовые материалы характеризуются меньшей по сравнению с керамикой механической прочностью, но они незаменимы при изготовлении невзаимных устройств на ПЛ.
Стекло и изделия из стекла (ситаллы) имеют малые диэлектрические потери, высокую стабильность параметров и допускают обработку с шероховатостью до V 14. Ситаллы по механическим свойствам превосходят высокоуглеродистые стали.
Изготовление НПЛ осуществляется методами толстопленочной и тонкопленочной технологии. При толстопленочной технологии для образования рисунка схемы на подложку из керамики наносится специальная паста на основе золота и серебра, а затем производится отжиг в печи. Точность изготовления рисунка составляет ± 20 мкм. Большую точность геометрических размеров обеспечивает тонкопленочная технология, при которой сначала на подложку методом вакуумного испарения наносят тонкий адгезионный подслой проводящего материала (например, хрома), а затем таким же образом или электрохимическим путем проводящий слой меди или золота. Данная технология обеспечивает изготовление полупроводниковых приборов и пассивных элементов.
Теоретических ограничений ни со стороны низких, ни со стороны высоких частот на применение полосковых линий нет. На низких частотах вплоть до постоянного тока нет и практических ограничений, но в этом диапазоне ПЛ не всегда имеют преимущества перед проводными линиями. В области сверхвысоких частот имеются определенные ограничения на соотношения геометрических размеров в линии и резко возрастают требования к материалам и точности изготовления ПЛ.
По мере совершенствования материалов и технологии изготовления ПЛ область их применения имеет тенденцию к продвижению в область высоких частот. Наибольшее использование в настоящее время они нашли в устройствах метрового, дециметрового и сантиметрового диапазонов волн.
