eng
Содержание
Содержание
Введение. Значение коаксиальных радиокомпонентов
в микроэлектронике СВЧ .................................................................................11
Термины и их определение ............................................................................... 13
Глава 1.
Электромагнитные волны в линиях передачи ...............................................16
1.1.
Сверхвысокие частоты ...........................................................................16
1.2.
Радиочастотные линии передачи ...........................................................17
1.3.
Типы волн в коаксиальной линии .........................................................18
Глава 2.
Основные характеристики коаксиальной линии .......................................... 22
2.1.
Экранированность коаксиальной линии ..............................................22
2.2.
Волновое сопротивление .......................................................................23
2.3.
Коэффициент отражения .......................................................................25
2.4.
Коэффициент стоячей волны ................................................................26
2.5.
Типовые режимы в коаксиальной линии ..............................................27
2.6.
Емкость, индуктивность, сопротивление и проводимость линии .......29
2.7.
Активные потери ....................................................................................32
Глава 3.
Миниатюрные коаксиальные СВЧ-вводы .................................................... 34
3.1.
Конструкция ...........................................................................................34
3.2.
Расчет параметров ..................................................................................35
3.3.
Волновое сопротивление и КСВН .........................................................36
3.4.
Высокочастотные потери .......................................................................39
3.5.
Зарубежные и отечественные СВЧ-вводы .............................................40
Глава 4.
Радиочастотные соединители: назначение, основные требования,
классификация ........................................................................................... 43
4.1.
Назначение коаксиальных соединителей .............................................43
4.2.
Основные требования к соединителям .................................................44
4.3.
Классификация зарубежных соединителей ..........................................48
4.3.1.
Предельная частота .....................................................................49
4.3.2.
Особенности конструкции .........................................................49
4.3.3.
Соединение с ответной частью ..................................................52
4.3.4.
Кабель. Способ заделки в соединители .....................................54
4.3.5.
Герметичность .............................................................................56
Глава 5.
Общие вопросы конструирования и изготовления соединителей ........................58
5.1.
Обеспечение надежности контактирования
соединителей розетка и вилка ................................................................58
5.2.
Конструирование изоляторов соединителей .............................................. 63
00
_cont&pref.indd 00_cont&pref.indd 4 13.09.2006 23:03:20
5.3.
Материалы и покрытия ..........................................................................65
5.4.
Способы крепления внутреннего проводника и
изолятора в корпусе соединителя ..........................................................68
Глава 6.
Зарубежные соединители сантиметрового диапазона ....................................70
6.1.
Соединители SMA ..................................................................................70
6.2.
Соединители SMС ..................................................................................78
6.3.
Соединители N .......................................................................................79
6.4.
3,5-мм соединители ................................................................................82
Глава 7.
Миниатюрные, микроминиатюрные и ультраминиатюрные соединители........ 84
7.1.
Назначение соединителей ......................................................................84
7.2.
Миниатюрные соединители ..................................................................85
7.2.1.
Соединители SMB ......................................................................85
7.2.2.
Соединители MCX ......................................................................87
7.3.
Микроминиатюрные соединители ........................................................88
7.3.1.
Соединители MMT .....................................................................88
7.3.2.
Соединители MMS .....................................................................89
7.3.3.
Соединители MМBX ..................................................................90
7.3.4.
Соединители MМСX ..................................................................91
7.4.
Ультраминиатюрные соединители .........................................................92
7.4.1.
Соединители IMP .......................................................................92
7.4.2.
Соединители UMP ......................................................................94
Глава 8.
Соединители миллиметрового диапазона ....................................................95
8.1.
2,9-мм соединители ................................................................................95
8.2.
Особенности конструкции 2,9-мм соединителей .................................98
8.3.
Современное состояние .........................................................................99
8.4.
2,9-мм коаксиально-микрополосковые переходы ..............................100
8.5.
Микроминиатюрные соединители SMP и GPO .................................104
8.6.
Соединители OS-50 ..............................................................................107
Глава 9.
Соединители для диапазона частот 50–110 ГГц ............................................ 108
9.1.
Параметры воздушных коаксиальных линий соединителей ..............108
9.2.
2,4-мм соединители ..............................................................................108
9.3.
1,85-мм соединители ...........................................................................111
9.4.
VP- и GPPO- соединители ...................................................................113
9.5.
1,0-мм соединители ..............................................................................114
9.6.
Некоторые итоги ..................................................................................116
Глава 10.
Отечественные соединители ..................................................................... 117
10.1.
Соответствие отечественных и зарубежных соединителей ................117
10.2.
Отечественные производители радиочастотных соединителей .........118
10.2.1.
Соединители ФГУП ПО «Октябрь» .........................................118
10.2.2.
Соединители ОАО ЦНИИИА ..................................................122
10.2.3.
Соединители ФГУП НИПИ «Кварц» ......................................123
10.2.4.
Соединители НПП «Спецкабель» ............................................125
10.2.5.
Соединители ФГУП «НПП «Исток»........................................127
Глава 11.
Зарубежные и отечественные коаксиальные адаптеры ................................ 130
11.1.
Назначение и область применения адаптеров ....................................130
11.2.
Зарубежные «SMA in-series» адаптеры .................................................132
11.3.
Отечественные адаптеры ......................................................................135
Глава 12.
Низкочастотные вводы и изоляционные стойки ......................................... 141
Глава 13.
Миниатюрные фильтры для подавления помех в цепях питания .................. 145
13.1.
Электромагнитные помехи и методы их подавления .........................145
13.2.
Принцип действия, основные параметры, электрические схемы,
элементы конструкции фильтров нижних частот ...............................146
13.3.
Помехоподавляющие фильтры зарубежных фирм .............................153
13.4.
Отечественные фильтры .......................................................................159
Глава 14.
Миниатюрные фильтры для подавления помех
в цепях управления ................................................................................... 166
14.1.
Назначение и основные требования к фильтрам ................................166
14.2.
Влияние фильтра на параметры импульса ..........................................166
14.3.
Спектральный состав импульса. Условие прохождения
импульса без искажений ......................................................................168
14.4.
Вносимое затухание фильтров .............................................................170
14.5.
Зарубежные фильтры ............................................................................170
14.6.
Отечественные фильтры .......................................................................173
Глава 15.
Сравнение отечественных и зарубежных помехоподавляющих фильтров .... 175
15.1.
Критерии сравнения.............................................................................175
15.2.
Миниатюрность ....................................................................................175
15.3.
Герметичность .......................................................................................177
15.4.
Вносимое затухание в заданном диапазоне частот .............................177
15.5.
Особенности конструкции фильтров.
Допустимая температура нагрева при пайке в корпуса изделий ........178
15.6.
Стоимость фильтров .............................................................................179
15.7.
Альтернатива миниатюрным герметичным зарубежным фильтрам ..180
15.8.
Оценка основных направлений разработок
серийно выпускаемых фильтров ..........................................................180
15.9.
Подводя итоги.......................................................................................181
Глава 16.
Установка радиокомпонентов в изделия с микрополосковыми линиями ....... 182
16.1.
Монтаж радиокомпонентов .................................................................182
16.2.
Область перехода с МПЛ на КМПП или СВЧ-ввод ...........................183
16.3.
Установка КМПП в корпус изделия ....................................................184
16.4.
Установка платы с МПЛ в корпус изделия ..........................................187
16.5.
Соединение центрального проводника КМПП с МПЛ .....................188
16.6.
Результаты экспериментальной проверки ..........................................192
16.7.
Установка фильтров и низкочастотных вводов ...................................194
Глава 17.
Технология установки радиокомпонентов в изделия .................................... 196
17.1.
Технология герметизации .....................................................................196
17.2.
О директиве RoHS ................................................................................199
17.3.
Соединение выводов радиокомпонентов
с элементами электрической схемы ....................................................200
Глава 18.
Как выбрать радиокомпонент .................................................................... 202
18.1.
Отечественный или зарубежный? ........................................................202
18.2.
Выбор соединителя...............................................................................204
18.3.
Выбор фильтра ......................................................................................204
Заключение ............................................................................................. 206
Приложение ............................................................................................. 207
Список литературы ................................................................................... 208
Об авторе ............................................................................................. 215
ВВЕДЕНИЕ
ЗНАЧЕНИЕ КОАКСИАЛЬНЫХ РАДИОКОМПОНЕНТОВ
В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ СВЧ
Технический уровень современной отечественной электронной компонент-
ной базы (ЭКБ) определяет способность государства решать задачи техно-
логической, информационной и экологической безопасности. Между тем
в настоящее время соотношение импортной и отечественной ЭКБ составля-
ет 65:35. Поставлена задача к 2011 году довести это соотношение до 30:70,
т.е. обеспечить существенное развитие отечественной ЭКБ [1].
Значительную часть ЭКБ составляют коаксиальные радиокомпоненты
для микроэлектроники СВЧ. Это обусловлено следующим обстоятельством.
При разработке современных генераторных, усилительных и преобразова-
тельных модулей, радиотехнических блоков и устройств радиоэлектронной
аппаратуры СВЧ (РЭА СВЧ) большое значение имеет техника передачи
сигналов без искажений и потерь с микрополосковой линии (МПЛ) на ра-
диочастотный кабель или на другую МПЛ, подвода напряжений питания и
управляющих сигналов, а также фильтрации межсистемных и внутрисис-
темных помех. В составе РЭА СВЧ доля радиокомпонентов, обеспечиваю-
щих эти функции, в настоящее время весьма велика – до 20%.
Упрощенная классификация коаксиальных радиокомпонентов для ми-
кро электроники СВЧ представлена на рис.1.В.
Важнейшими компонентами РЭА СВЧ являются радиочастотные со-
единители, обеспечивающие эффективный ввод и вывод СВЧ-сигналов.
Тип вывода (коаксиальный, волноводный или полосковый) определяется
КМПП,
выводы
энергии
Адаптеры
Для цепей
питания
Для цепей
управления
Одиночные
Много?
выводные
Кабельные и
приборно?
кабельные
Соединители СВЧ?вводы Фильтры помех НЧ?вводы и стойки
Коаксиальные радиокомпоненты
Рис.1.В. Классификация радиокомпонентов
рабочим диапазоном частот, величинами КСВН и прямых потерь, требо-
ваниями к радиогерметичности, надежности, а также технологичностью
в изготовлении, удобством в эксплуатации и стоимостью. В настоящее вре-
мя в устройствах микроэлектроники СВЧ, где не требуется высокий уро-
вень мощности, наиболее широко применяются коаксиальные соедини-
тели. К ним относятся коаксиально-микрополосковые переходы, выводы
энергии, кабельные и приборно-кабельные соединители и адаптеры, а так-
же СВЧ-вводы.
В связи с необходимостью подавления электромагнитных помех
в большинстве современных устройств микроэлектроники СВЧ применяют
фильтры нижних частот в цепях питания и управляющих сигналов. Кроме
фильтров широко используют герметичные одиночные и многовыводные
вводы напряжений питания и низкочастотных сигналов, а также изоляци-
онные стойки.
Все рассмотренные радиокомпоненты представляют собой участок
коаксиальной линии передачи. Поэтому для понимания особенностей
их конструкции и условий эффективного применения в устройствах СВЧ
необходимо рассмотреть основы теории распространения электромагнит-
ных волн в линиях передачи. В основе этой теории лежат фундаментальные
уравнения Максвелла. Теоретические вопросы распространения электро-
магнитных волн в линиях передачи исследованы в большом числе отечес-
твенных и зарубежных работ [2–10]. Ниже рассмотрены лишь отдельные,
необходимые для понимания работы радиокомпонентов, вопросы теории.
При этом основное внимание уделено физическим представлениям о про-
цессах, происходящих в линии передачи.
ТЕРМИНЫ И ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Радиоэлектронная аппаратура СВЧ (РЭА СВЧ) – широкий класс изде-
лий, в которых использованы преимущественно электромагнитные сигна-
лы для передачи, приема, преобразования и хранения информации.
Блок СВЧ – устройство, состоящее из одного или нескольких модулей
СВЧ, функциональных узлов и линии передачи СВЧ.
Функциональный узел СВЧ – сборочная единица или деталь, выполня-
ющая одну или несколько радиотехнических функций и предназначенная
для работы в составе модуля или блока СВЧ.
Плата интегральной схемы (ИС) – часть подложки гибридной (пленоч-
ной) ИС, на поверхности которой созданы пленочные элементы, межэле-
ментные и межкомпонентные соединения и контактные площадки.
Подложка ИС – основание, предназначенное для нанесения на него
элементов ИС, гибридных и пленочных межэлементных и (или) межком-
понентных соединений, а также контактных площадок в едином техно-
логическом цикле.
Линия передачи – устройство, ограничивающее область распростра-
нения электромагнитных волн и направляющее поток электромагнитной
энергии в заданном направлении.
Однородная линия передачи – линия передачи, поперечное сечение и
электромагнитные свойства заполняющих сред которой неизменны в про-
дольном направлении.
Неоднородная линия передачи – линия передачи, размеры поперечного
сечения которой изменяются в продольном направлении.
Коаксиальное устройство – устройство, основанное на линии передачи
(полосковой, коаксиальной, микрополосковой) и имеющее входы и выхо-
ды, выполненные в виде коаксиальных соединителей (разъемов).
Радиочастотный тракт – совокупность пассивных устройств диапазона
СВЧ, сочлененных между собой.
Радиочастотный соединитель – электротехническое устройство, пред-
назначенное для механического соединения и разъединения радиочастот-
ных линий передачи сигналов и состоящее из двух или более частей (вилки,
розетки), образующих разъемное контактное соединение.
Униполярный соединитель – соединитель, имеющий идентичные кон-
тактные стороны, образующие электрическое соединение за счет контакт-
ного нажатия на не охватываемые друг другом контактные детали.
Переходная часть соединителя (разъем) – часть соединителя, предна-
значенная для сочленения и расчленения с вилочной и розеточной частями
или с частями униполярного соединителя.
Коаксиально-микрополосковая переходная часть соединителя – часть
соединителя, предназначенная для соединения коаксиальной и микропо-
лосковой линий.
Помеха электромагнитная (ЭМП) – нежелательное электрическое и
(или) магнитное воздействие на РЭА, которое может привести к ухудше-
нию качества его функционирования.
Межсистемные ЭМП – помехи, источник которых находится в систе-
ме, не относящейся к рассматриваемой.
Внутрисистемные ЭМП – помехи, источник которых находится внутри
рассматриваемой системы.
Помехозащищенность – способность РЭА противостоять воздействию
внешних и внутренних ЭМП.
Электромагнитная совместимость (ЭМС) – способность РЭА функци-
онировать совместно и одновременно с другими РЭА при возможном воз-
действии ЭМП, не создавая при этом недопустимых помех другим РЭА.
Фильтрация – способ ослабления напряжений и токов помех с помо-
щью устройств, вносящих затухание в заданной полосе частот.
Фильтр – устройство для разделения сигналов и помех или ослабления
помех путем внесения затухания в заданной полосе частот.
Полоса пропускания фильтра – область частот, в которой ослабление
фильтра равно или менее заданного значения.
Полоса задержания фильтра – область частот, в которой ослабление
фильтра равно или более заданного значения.
Частота среза фильтра – частота, на которой вносимое затухание филь-
тра не превышает 3 дБ.
Резонансная частота фильтра – самая низкая частота, при которой пол-
ное сопротивление фильтра минимально и является чисто активным.
Полоса перехода – область частотного диапазона, определяющая гра-
ницы полос пропускания и задержания.
Вносимое затухание фильтра (αдБ) – основной параметр фильтра, рас-
считываемый в децибелах как отношение напряжений помехи на нагрузке
без фильтра (U1) к напряжению (U2) с включенным фильтром:
αдБ
U
U
=20⋅ 1
2
lg .
Термины и их определение
00_cont&pref.indd 14 13.09.2006 23:04:37
15
Номинальные параметры радиокомпонентов – величины параметров,
указываемые в нормативно-технической документации, при которых радио-
компоненты могут работать в заданных условиях в течение срока службы.
Сопротивление изоляции радиокомпонента – электрическое сопротив-
ление изоляции между корпусом и выводом радиокомпонента, измеренное
при определенном напряжении.
ГЛАВА 1
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ
ВОЛНЫ В ЛИНИЯХ
ПЕРЕДАЧИ
1.1. Сверхвысокие частоты
Сверхвысокими частотами в настоящее время принято называть участок
спектра электромагнитных колебаний, частоты которых расположены между
3 и 30 ГГц [2]. Этот диапазон частот соответствует сантиметровому диапазону
длин волн. Частотный диапазон от 30 до 300 ГГц называют крайне высокими
частотами. Он охватывает миллиметровый диапазон длин волн. Следующий,
субмиллиметровый диапазон занимает весь участок спектра между милли-
метровым диапазоном и диапазоном длинных инфракрасных (тепловых)
волн. Диапазоны частот и длин волн приведены в таблице 1.1 [2, 3].
Таблица 1.1. Диапазоны частот и длин волн
Частота,
ГГц
Наимено-
вание поло-
сы частот
Длина волны
в свободном
пространстве
Метрическое под-
разделение волн
Диапазон
волн
3…30
Сверхвысо-
кие (СВЧ)
10…1 (см) сантиметровые
Ультра-
короткие
(УКВ)
30…300
Крайне
высокие
(КВЧ)
10...1 (мм) миллиметровые
Более 300 - менее 1 мм субмиллиметровые
В технической литературе обычно СВЧ- и КВЧ-диапазоны объединяют
под общим названием СВЧ-диапазон. Это допущение будет использовано в
дальнейшем изложении.
За рубежом применяют деление диапазона СВЧ на следующие поддиа-
пазоны (частоты в ГГц): S(2…4), С (4…8), Х (8…12,4), Кu (12,4…18), К (18…26),
Ка (26…40), U(40…60), V(50…75), Е (60…90), W (75…110) [3].
Роль диапазонов СВЧ и КВЧ возрастает в связи с ускоренным развитием
различных областей науки и техники: радиолокации, радиоэлектронных систем
народнохозяйственного и военного назначения, быстродействующих цифро-
вых систем связи и обработки информации, медико-биологических систем и
т.д. Например, системы радиоэлектронного контроля и управления полетами
01chapter1.indd 101chapter1.indd 16 13.09.2006 23:05:38
17
в авиации используют частоты до 100 ГГц. Комплекс средств радиоэлектрон-
ной борьбы и управления современных стратегических бомбардировщиков
(ти па Б-52) обеспечивает панорамный обзор в диапазоне частот от 0,5 до 40 ГГц.
Связь с космическими объектами осуществляют на частотах 10…100 ГГц [2].
Использование СВЧ и КВЧ диапазонов непрерывно расширяется в свя-
зи с интенсивным развитием СВЧ-техники.
1.2. Радиочастотные линии передачи
Радиочастотная линия передачи является необходимым элементом любого
устройства СВЧ. Общими требованиями, предъявляемыми к такой линии,
являются:
• возможность передачи широкого спектра частот,
• низкий уровень прямых потерь СВЧ (малое затухание),
• возможность передачи большой мощности при малых габаритных раз-
мерах линии,
• защищенность от внешних источников помех, отсутствие излучения
собственных помех,
• простота конструкции и монтажа, удобство в эксплуатации, экономич-
ность.
Для передачи электромагнитной энергии между отдельными элемен-
тами внутри радиоэлектронной аппаратуры СВЧ применяют 3 типа линий
передачи: волноводные, полосковые и коаксиальные (рис. 1.1), каждая из ко-
торых имеет свои достоинства и недостатки.
Волноводные линии
Волноводные линии (полые металлические трубы прямоугольного, круглого
или иного сечения, а также диэлектрические волноводы) имеют ряд преиму-
ществ по сравнению с другими типами линий:
• простота и жесткость конструкции. Отсутствие необходимости приме-
нения поддерживающих диэлектрических опор;
• отсутствие потерь на излучение, так как электромагнитное поле заклю-
чено в трубу, толщина стенки которой превышает глубину «скин-слоя»;
• высокий уровень пропускаемой мощности;
а б в г д е
Рис. 1.1. Радиочастотные линии передачи:
а – эллиптический, б – круглый, в – прямоугольный волноводы, г,д – микрополос-
ковые линии, е – коаксиальная линия
1.2 Радиочастотные линии передач
01chapter1.indd 101chapter1.indd 17 13.09.2006 23:05:43
18
• высокая пробивная прочность;
• малые прямые потери СВЧ вследствие отсутствия внутреннего провод-
ника. Потери в волноводах на порядок меньше, чем в воздушной коак-
сиальной линии.
Однако у волноводов имеются и серьезные недостатки: узкополос-
ность и неудобство технического обслуживания. Для полного перекры-
тия по частоте приходится использовать несколько волноводов разных
сечений и применять для каждого из них свой комплект измерительной
аппаратуры.
Полосковые линии
Полосковые (симметричные и несимметричные) линии передачи являются
наиболее миниатюрными и технологичными в изготовлении. Они имеют
достаточно низкий уровень потерь СВЧ, способны пропускать электромаг-
нитные волны в сантиметровом и миллиметровом диапазонах и более широ-
кополосны, чем волноводы. Однако полосковые линии, как и все открытые
системы, подвержены влиянию посторонних электромагнитных полей (низ-
кая помехозащищенность) и сами влияют на работу других устройств СВЧ.
К тому же возникают трудности при встраивании таких линий в радиочас-
тотные тракты.
Коаксиальные линии
Коаксиальные линии передачи (радиочастотные кабели) нашли широкое
применение в устройствах микроэлектроники СВЧ, в которых не требуется
высокий уровень мощности. Такие линии широкополосны и обеспечивают
работу устройств СВЧ в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин
волн. Недостатком коаксиальной линии является высокий уровень прямых
потерь СВЧ, возрастающих с увеличением частоты. Однако при неболь-
шой длине линии этот недостаток не является решающим для ее успешного
применения в устройствах микроэлектроники СВЧ и в радиоизмеритель-
ной аппаратуре. Коаксиальные линии являются экранированными и име-
ют высокую помехозащищенность. Их важным преимуществом является
простота и удобство встраивания в радиочастотные тракты при помощи
соединителей.
Коаксиальные линии передачи и коаксиальные радиокомпоненты и яв-
ляются предметом рассмотрения в настоящей работе.
1.3. Типы волн в коаксиальной линии
Во всякой линии передачи могут распространяться независимо друг от друга
различные типы электромагнитных волн, различающихся структурой элек-
тромагнитного поля и величиной критической длины волны (критической
Глава 1. Электромагнитные волны в линиях передачи
01chapter1.indd 101chapter1.indd 18 13.09.2006 23:05:49
19
частотой) [2-10]. Волна с наибольшей критической длиной (соответственно,
с наименьшей критической частотой) называется низшей волной. В коакси-
альной линии передачи низшей волной является поперечная электромагнит-
ная волна типа Т (старое название ТЕМ-волна) (рис 1.2).
Т-волна является основным типом волн в коаксиальной линии, двух-
проводной линии, а также в свободном пространстве и имеет следующие
особенности:
1. Силовые линии электрического поля располагаются по радиусам, а
линии магнитного поля – по окружностям (рис. 1.2, а). Векторы на-
пряженностей электрического и магнитного полей перпендикулярны
друг другу и находятся в плоскости, перпендикулярно направлению
распространения волны. Продольные составляющие (в направле-
нии распространения поля) отсутствуют (рис. 1.2, б). Напряженности
электрического и магнитного полей изменяются по синусоидальному
закону.
2. Критическая частота равна нулю (конечная критическая длина волны
отсутствует). Это означает, что по коаксиальной линии могут распро-
страняться Т-волны любых частот.
3. Фазовая и групповая скорости равны скорости электромагнитной вол-
ны в данной среде и не зависят от частоты, то есть отсутствует диспер-
сия [4].
Однако при определенных условиях в коаксиальной линии могут воз-
никнуть электромагнитные волны высших типов. Такие волны характеризу-
ются:
1. Наличием не только поперечных, но и продольных составляющих
поля.
2. Существованием конечной критической длины волны.
3. Дисперсией (частотной зави си мостью фазовой и группо вой скоростей
поля).
Такими дисперсными волнами являются электрические (Еni) и магнит-
ные (Hni) волны. Индекс n означает число максимумов по ази муту, а i – чис-
1.3. Типы волн в коаксиальной линии
0
y
z
x
H = Hx
(Hz = 0)
E = Ey
(Ez = 0)
Направление
распространения
d
ε, μ
λ
D
E H
а б
E
2
Рис. 1.2. Структура волны типа Т в поперечном сечении коаксиальной линии (а) и
векторное изображение Т – волны (б)
01chapter1.indd 19 13.09.2006 23:05:58
20
ло максимумов по радиусу. Простейшей электрической волной является
вол на типа Е01 (рис. 1.3, а), простейшей магнитной волной – волна типа H11
(рис. 1.3, б).
У электрических волн вектор напряженности магнитного поля имеет
только поперечную составляющую, а вектор напряженности электрического
поля – как поперечную, так и продольную составляющие (поперечно-маг-
нитные волны) (рис. 1.3, а) [4].
Для магнитных волн вектор напряженности электрического поля име-
ет только поперечную составляющую, а вектор напряженности магнитного
поля – как поперечную, так и продольную составляющие – (рис. 1.3, б) (по-
перечно-электрические волны).
Кроме чисто магнитных и электрических волн в линии могут распро-
страняться волны смешанного типа (ЕН-волны или гибридные волны).
Возможность существования в данной коаксиальной линии волн дис-
персных типов зависит от соотношения между длиной волны в свободном
пространстве и критической длиной для рассматриваемого типа волн.
Все эти волны могут распространяться, только начиная с некоторой
критической частоты. Область волн с длиной волны меньше критической
или область волн с частотой больше критической является областью отсечки,
в которой по линии не могут передаваться дисперсные волны. Критические
длины высших волн связаны с геометрическими размерами поперечного се-
чения коаксиальной линии. Наибольшую длину волны в коаксиальной ли-
нии имеет волна Н11.
В коаксиальной линии передачи дисперсные волны не имеют практи-
ческого применения. На низких частотах они распространяться не могут и
быстро затухают. Появление же высших типов волн в диапазоне СВЧ не-
желательно, так как это нарушает нормальный режим работы коаксиальной
линии. В линии возможно появление паразитных резонансов, что вызывает
ослабление СВЧ-сигнала. Вследствие этого критическая частота волны явля-
ется верхней границей рабочего диапазона частот различных коаксиальных
Глава 1. Электромагнитные волны в линиях передачи
б
H
E
Направление
распространения
H = Hx 2 + Hz
2
(Hy = 0)
0
y
z
x
Hx
Hz
H11
0
а
y
z
x
H
E
Направление
распространения
E = Ex 2 + Ez
2
(Ey = 0)
Ex
E01
Ez
H = Hy
(Hx = Hz =0)
Е = Еy
(Еx = Еz =0)
Рис. 1.3. Электрическое и магнитное поля в поперечном сечении коаксиальной
линии и векторное изображение электрической волны типа Е01 (а) и магнитной
волны типа Н11 (б)
01chapter1.indd 201chapter1.indd 20 13.09.2006 23:06:02
1.3. Типы волн в коаксиальной линии 21
устройств. Предельную рабочую частоту удобно рассчитывать по прибли-
женной формуле [5]:
f
D d пред (ГГц)
,
( )
≅
+
190 8
ε
,
(1.1)
где D и d – размеры линии, мм; ε – относительная диэлектрическая прони-
цаемость изоляции.
Для увеличения предельной рабочей частоты приходится уменьшать
размеры поперечного сечения коаксиальной линии и заполнять ее диэлект-
риком с малой величиной диэлектрической проницаемости. Идеальным ва-
риантом является воздушная коаксиальная линия. В таблице 1.2 приведены
предельные частоты коаксиальных воздушных линий по данным междуна-
родного стандарта IEE STD 287 [11].
Таблица 1.2. Предельные частоты 50-Омных коаксиальных линий
Внутренний диаметр наружного
проводника линии, мм
7,0 3,5 2,92 2,4 1,85 1,0
Верхняя частота применения, ГГц 18 33 40 50 65 110
Теоретическая предельная
частота, ГГц
19,4 38,8 46,5 56,5 73,3 135,7
01chapter1.indd 21 13.09.2006 23:06:10
ЗНАЧЕНИЕ КОАКСИАЛЬНЫХ РАДИОКОМПОНЕНТОВ
В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ СВЧ
Технический уровень современной отечественной электронной компонент-
ной базы (ЭКБ) определяет способность государства решать задачи техно-
логической, информационной и экологической безопасности. Между тем
в настоящее время соотношение импортной и отечественной ЭКБ составля-
ет 65:35. Поставлена задача к 2011 году довести это соотношение до 30:70,
т.е. обеспечить существенное развитие отечественной ЭКБ [1].
Значительную часть ЭКБ составляют коаксиальные радиокомпоненты
для микроэлектроники СВЧ. Это обусловлено следующим обстоятельством.
При разработке современных генераторных, усилительных и преобразова-
тельных модулей, радиотехнических блоков и устройств радиоэлектронной
аппаратуры СВЧ (РЭА СВЧ) большое значение имеет техника передачи
сигналов без искажений и потерь с микрополосковой линии (МПЛ) на ра-
диочастотный кабель или на другую МПЛ, подвода напряжений питания и
управляющих сигналов, а также фильтрации межсистемных и внутрисис-
темных помех. В составе РЭА СВЧ доля радиокомпонентов, обеспечиваю-
щих эти функции, в настоящее время весьма велика – до 20%.
Упрощенная классификация коаксиальных радиокомпонентов для ми-
кро электроники СВЧ представлена на рис.1.В.
Важнейшими компонентами РЭА СВЧ являются радиочастотные со-
единители, обеспечивающие эффективный ввод и вывод СВЧ-сигналов.
Тип вывода (коаксиальный, волноводный или полосковый) определяется
КМПП,
выводы
энергии
Адаптеры
Для цепей
питания
Для цепей
управления
Одиночные
Много?
выводные
Кабельные и
приборно?
кабельные
Соединители СВЧ?вводы Фильтры помех НЧ?вводы и стойки
Коаксиальные радиокомпоненты
Рис.1.В. Классификация радиокомпонентов
рабочим диапазоном частот, величинами КСВН и прямых потерь, требо-
ваниями к радиогерметичности, надежности, а также технологичностью
в изготовлении, удобством в эксплуатации и стоимостью. В настоящее вре-
мя в устройствах микроэлектроники СВЧ, где не требуется высокий уро-
вень мощности, наиболее широко применяются коаксиальные соедини-
тели. К ним относятся коаксиально-микрополосковые переходы, выводы
энергии, кабельные и приборно-кабельные соединители и адаптеры, а так-
же СВЧ-вводы.
В связи с необходимостью подавления электромагнитных помех
в большинстве современных устройств микроэлектроники СВЧ применяют
фильтры нижних частот в цепях питания и управляющих сигналов. Кроме
фильтров широко используют герметичные одиночные и многовыводные
вводы напряжений питания и низкочастотных сигналов, а также изоляци-
онные стойки.
Все рассмотренные радиокомпоненты представляют собой участок
коаксиальной линии передачи. Поэтому для понимания особенностей
их конструкции и условий эффективного применения в устройствах СВЧ
необходимо рассмотреть основы теории распространения электромагнит-
ных волн в линиях передачи. В основе этой теории лежат фундаментальные
уравнения Максвелла. Теоретические вопросы распространения электро-
магнитных волн в линиях передачи исследованы в большом числе отечес-
твенных и зарубежных работ [2–10]. Ниже рассмотрены лишь отдельные,
необходимые для понимания работы радиокомпонентов, вопросы теории.
При этом основное внимание уделено физическим представлениям о про-
цессах, происходящих в линии передачи.
ТЕРМИНЫ И ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Радиоэлектронная аппаратура СВЧ (РЭА СВЧ) – широкий класс изде-
лий, в которых использованы преимущественно электромагнитные сигна-
лы для передачи, приема, преобразования и хранения информации.
Блок СВЧ – устройство, состоящее из одного или нескольких модулей
СВЧ, функциональных узлов и линии передачи СВЧ.
Функциональный узел СВЧ – сборочная единица или деталь, выполня-
ющая одну или несколько радиотехнических функций и предназначенная
для работы в составе модуля или блока СВЧ.
Плата интегральной схемы (ИС) – часть подложки гибридной (пленоч-
ной) ИС, на поверхности которой созданы пленочные элементы, межэле-
ментные и межкомпонентные соединения и контактные площадки.
Подложка ИС – основание, предназначенное для нанесения на него
элементов ИС, гибридных и пленочных межэлементных и (или) межком-
понентных соединений, а также контактных площадок в едином техно-
логическом цикле.
Линия передачи – устройство, ограничивающее область распростра-
нения электромагнитных волн и направляющее поток электромагнитной
энергии в заданном направлении.
Однородная линия передачи – линия передачи, поперечное сечение и
электромагнитные свойства заполняющих сред которой неизменны в про-
дольном направлении.
Неоднородная линия передачи – линия передачи, размеры поперечного
сечения которой изменяются в продольном направлении.
Коаксиальное устройство – устройство, основанное на линии передачи
(полосковой, коаксиальной, микрополосковой) и имеющее входы и выхо-
ды, выполненные в виде коаксиальных соединителей (разъемов).
Радиочастотный тракт – совокупность пассивных устройств диапазона
СВЧ, сочлененных между собой.
Радиочастотный соединитель – электротехническое устройство, пред-
назначенное для механического соединения и разъединения радиочастот-
ных линий передачи сигналов и состоящее из двух или более частей (вилки,
розетки), образующих разъемное контактное соединение.
Униполярный соединитель – соединитель, имеющий идентичные кон-
тактные стороны, образующие электрическое соединение за счет контакт-
ного нажатия на не охватываемые друг другом контактные детали.
Переходная часть соединителя (разъем) – часть соединителя, предна-
значенная для сочленения и расчленения с вилочной и розеточной частями
или с частями униполярного соединителя.
Коаксиально-микрополосковая переходная часть соединителя – часть
соединителя, предназначенная для соединения коаксиальной и микропо-
лосковой линий.
Помеха электромагнитная (ЭМП) – нежелательное электрическое и
(или) магнитное воздействие на РЭА, которое может привести к ухудше-
нию качества его функционирования.
Межсистемные ЭМП – помехи, источник которых находится в систе-
ме, не относящейся к рассматриваемой.
Внутрисистемные ЭМП – помехи, источник которых находится внутри
рассматриваемой системы.
Помехозащищенность – способность РЭА противостоять воздействию
внешних и внутренних ЭМП.
Электромагнитная совместимость (ЭМС) – способность РЭА функци-
онировать совместно и одновременно с другими РЭА при возможном воз-
действии ЭМП, не создавая при этом недопустимых помех другим РЭА.
Фильтрация – способ ослабления напряжений и токов помех с помо-
щью устройств, вносящих затухание в заданной полосе частот.
Фильтр – устройство для разделения сигналов и помех или ослабления
помех путем внесения затухания в заданной полосе частот.
Полоса пропускания фильтра – область частот, в которой ослабление
фильтра равно или менее заданного значения.
Полоса задержания фильтра – область частот, в которой ослабление
фильтра равно или более заданного значения.
Частота среза фильтра – частота, на которой вносимое затухание филь-
тра не превышает 3 дБ.
Резонансная частота фильтра – самая низкая частота, при которой пол-
ное сопротивление фильтра минимально и является чисто активным.
Полоса перехода – область частотного диапазона, определяющая гра-
ницы полос пропускания и задержания.
Вносимое затухание фильтра (αдБ) – основной параметр фильтра, рас-
считываемый в децибелах как отношение напряжений помехи на нагрузке
без фильтра (U1) к напряжению (U2) с включенным фильтром:
αдБ
U
U
=20⋅ 1
2
lg .
Термины и их определение
00_cont&pref.indd 14 13.09.2006 23:04:37
15
Номинальные параметры радиокомпонентов – величины параметров,
указываемые в нормативно-технической документации, при которых радио-
компоненты могут работать в заданных условиях в течение срока службы.
Сопротивление изоляции радиокомпонента – электрическое сопротив-
ление изоляции между корпусом и выводом радиокомпонента, измеренное
при определенном напряжении.
ГЛАВА 1
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ
ВОЛНЫ В ЛИНИЯХ
ПЕРЕДАЧИ
1.1. Сверхвысокие частоты
Сверхвысокими частотами в настоящее время принято называть участок
спектра электромагнитных колебаний, частоты которых расположены между
3 и 30 ГГц [2]. Этот диапазон частот соответствует сантиметровому диапазону
длин волн. Частотный диапазон от 30 до 300 ГГц называют крайне высокими
частотами. Он охватывает миллиметровый диапазон длин волн. Следующий,
субмиллиметровый диапазон занимает весь участок спектра между милли-
метровым диапазоном и диапазоном длинных инфракрасных (тепловых)
волн. Диапазоны частот и длин волн приведены в таблице 1.1 [2, 3].
Таблица 1.1. Диапазоны частот и длин волн
Частота,
ГГц
Наимено-
вание поло-
сы частот
Длина волны
в свободном
пространстве
Метрическое под-
разделение волн
Диапазон
волн
3…30
Сверхвысо-
кие (СВЧ)
10…1 (см) сантиметровые
Ультра-
короткие
(УКВ)
30…300
Крайне
высокие
(КВЧ)
10...1 (мм) миллиметровые
Более 300 - менее 1 мм субмиллиметровые
В технической литературе обычно СВЧ- и КВЧ-диапазоны объединяют
под общим названием СВЧ-диапазон. Это допущение будет использовано в
дальнейшем изложении.
За рубежом применяют деление диапазона СВЧ на следующие поддиа-
пазоны (частоты в ГГц): S(2…4), С (4…8), Х (8…12,4), Кu (12,4…18), К (18…26),
Ка (26…40), U(40…60), V(50…75), Е (60…90), W (75…110) [3].
Роль диапазонов СВЧ и КВЧ возрастает в связи с ускоренным развитием
различных областей науки и техники: радиолокации, радиоэлектронных систем
народнохозяйственного и военного назначения, быстродействующих цифро-
вых систем связи и обработки информации, медико-биологических систем и
т.д. Например, системы радиоэлектронного контроля и управления полетами
01chapter1.indd 101chapter1.indd 16 13.09.2006 23:05:38
17
в авиации используют частоты до 100 ГГц. Комплекс средств радиоэлектрон-
ной борьбы и управления современных стратегических бомбардировщиков
(ти па Б-52) обеспечивает панорамный обзор в диапазоне частот от 0,5 до 40 ГГц.
Связь с космическими объектами осуществляют на частотах 10…100 ГГц [2].
Использование СВЧ и КВЧ диапазонов непрерывно расширяется в свя-
зи с интенсивным развитием СВЧ-техники.
1.2. Радиочастотные линии передачи
Радиочастотная линия передачи является необходимым элементом любого
устройства СВЧ. Общими требованиями, предъявляемыми к такой линии,
являются:
• возможность передачи широкого спектра частот,
• низкий уровень прямых потерь СВЧ (малое затухание),
• возможность передачи большой мощности при малых габаритных раз-
мерах линии,
• защищенность от внешних источников помех, отсутствие излучения
собственных помех,
• простота конструкции и монтажа, удобство в эксплуатации, экономич-
ность.
Для передачи электромагнитной энергии между отдельными элемен-
тами внутри радиоэлектронной аппаратуры СВЧ применяют 3 типа линий
передачи: волноводные, полосковые и коаксиальные (рис. 1.1), каждая из ко-
торых имеет свои достоинства и недостатки.
Волноводные линии
Волноводные линии (полые металлические трубы прямоугольного, круглого
или иного сечения, а также диэлектрические волноводы) имеют ряд преиму-
ществ по сравнению с другими типами линий:
• простота и жесткость конструкции. Отсутствие необходимости приме-
нения поддерживающих диэлектрических опор;
• отсутствие потерь на излучение, так как электромагнитное поле заклю-
чено в трубу, толщина стенки которой превышает глубину «скин-слоя»;
• высокий уровень пропускаемой мощности;
а б в г д е
Рис. 1.1. Радиочастотные линии передачи:
а – эллиптический, б – круглый, в – прямоугольный волноводы, г,д – микрополос-
ковые линии, е – коаксиальная линия
1.2 Радиочастотные линии передач
01chapter1.indd 101chapter1.indd 17 13.09.2006 23:05:43
18
• высокая пробивная прочность;
• малые прямые потери СВЧ вследствие отсутствия внутреннего провод-
ника. Потери в волноводах на порядок меньше, чем в воздушной коак-
сиальной линии.
Однако у волноводов имеются и серьезные недостатки: узкополос-
ность и неудобство технического обслуживания. Для полного перекры-
тия по частоте приходится использовать несколько волноводов разных
сечений и применять для каждого из них свой комплект измерительной
аппаратуры.
Полосковые линии
Полосковые (симметричные и несимметричные) линии передачи являются
наиболее миниатюрными и технологичными в изготовлении. Они имеют
достаточно низкий уровень потерь СВЧ, способны пропускать электромаг-
нитные волны в сантиметровом и миллиметровом диапазонах и более широ-
кополосны, чем волноводы. Однако полосковые линии, как и все открытые
системы, подвержены влиянию посторонних электромагнитных полей (низ-
кая помехозащищенность) и сами влияют на работу других устройств СВЧ.
К тому же возникают трудности при встраивании таких линий в радиочас-
тотные тракты.
Коаксиальные линии
Коаксиальные линии передачи (радиочастотные кабели) нашли широкое
применение в устройствах микроэлектроники СВЧ, в которых не требуется
высокий уровень мощности. Такие линии широкополосны и обеспечивают
работу устройств СВЧ в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин
волн. Недостатком коаксиальной линии является высокий уровень прямых
потерь СВЧ, возрастающих с увеличением частоты. Однако при неболь-
шой длине линии этот недостаток не является решающим для ее успешного
применения в устройствах микроэлектроники СВЧ и в радиоизмеритель-
ной аппаратуре. Коаксиальные линии являются экранированными и име-
ют высокую помехозащищенность. Их важным преимуществом является
простота и удобство встраивания в радиочастотные тракты при помощи
соединителей.
Коаксиальные линии передачи и коаксиальные радиокомпоненты и яв-
ляются предметом рассмотрения в настоящей работе.
1.3. Типы волн в коаксиальной линии
Во всякой линии передачи могут распространяться независимо друг от друга
различные типы электромагнитных волн, различающихся структурой элек-
тромагнитного поля и величиной критической длины волны (критической
Глава 1. Электромагнитные волны в линиях передачи
01chapter1.indd 101chapter1.indd 18 13.09.2006 23:05:49
19
частотой) [2-10]. Волна с наибольшей критической длиной (соответственно,
с наименьшей критической частотой) называется низшей волной. В коакси-
альной линии передачи низшей волной является поперечная электромагнит-
ная волна типа Т (старое название ТЕМ-волна) (рис 1.2).
Т-волна является основным типом волн в коаксиальной линии, двух-
проводной линии, а также в свободном пространстве и имеет следующие
особенности:
1. Силовые линии электрического поля располагаются по радиусам, а
линии магнитного поля – по окружностям (рис. 1.2, а). Векторы на-
пряженностей электрического и магнитного полей перпендикулярны
друг другу и находятся в плоскости, перпендикулярно направлению
распространения волны. Продольные составляющие (в направле-
нии распространения поля) отсутствуют (рис. 1.2, б). Напряженности
электрического и магнитного полей изменяются по синусоидальному
закону.
2. Критическая частота равна нулю (конечная критическая длина волны
отсутствует). Это означает, что по коаксиальной линии могут распро-
страняться Т-волны любых частот.
3. Фазовая и групповая скорости равны скорости электромагнитной вол-
ны в данной среде и не зависят от частоты, то есть отсутствует диспер-
сия [4].
Однако при определенных условиях в коаксиальной линии могут воз-
никнуть электромагнитные волны высших типов. Такие волны характеризу-
ются:
1. Наличием не только поперечных, но и продольных составляющих
поля.
2. Существованием конечной критической длины волны.
3. Дисперсией (частотной зави си мостью фазовой и группо вой скоростей
поля).
Такими дисперсными волнами являются электрические (Еni) и магнит-
ные (Hni) волны. Индекс n означает число максимумов по ази муту, а i – чис-
1.3. Типы волн в коаксиальной линии
0
y
z
x
H = Hx
(Hz = 0)
E = Ey
(Ez = 0)
Направление
распространения
d
ε, μ
λ
D
E H
а б
E
2
Рис. 1.2. Структура волны типа Т в поперечном сечении коаксиальной линии (а) и
векторное изображение Т – волны (б)
01chapter1.indd 19 13.09.2006 23:05:58
20
ло максимумов по радиусу. Простейшей электрической волной является
вол на типа Е01 (рис. 1.3, а), простейшей магнитной волной – волна типа H11
(рис. 1.3, б).
У электрических волн вектор напряженности магнитного поля имеет
только поперечную составляющую, а вектор напряженности электрического
поля – как поперечную, так и продольную составляющие (поперечно-маг-
нитные волны) (рис. 1.3, а) [4].
Для магнитных волн вектор напряженности электрического поля име-
ет только поперечную составляющую, а вектор напряженности магнитного
поля – как поперечную, так и продольную составляющие – (рис. 1.3, б) (по-
перечно-электрические волны).
Кроме чисто магнитных и электрических волн в линии могут распро-
страняться волны смешанного типа (ЕН-волны или гибридные волны).
Возможность существования в данной коаксиальной линии волн дис-
персных типов зависит от соотношения между длиной волны в свободном
пространстве и критической длиной для рассматриваемого типа волн.
Все эти волны могут распространяться, только начиная с некоторой
критической частоты. Область волн с длиной волны меньше критической
или область волн с частотой больше критической является областью отсечки,
в которой по линии не могут передаваться дисперсные волны. Критические
длины высших волн связаны с геометрическими размерами поперечного се-
чения коаксиальной линии. Наибольшую длину волны в коаксиальной ли-
нии имеет волна Н11.
В коаксиальной линии передачи дисперсные волны не имеют практи-
ческого применения. На низких частотах они распространяться не могут и
быстро затухают. Появление же высших типов волн в диапазоне СВЧ не-
желательно, так как это нарушает нормальный режим работы коаксиальной
линии. В линии возможно появление паразитных резонансов, что вызывает
ослабление СВЧ-сигнала. Вследствие этого критическая частота волны явля-
ется верхней границей рабочего диапазона частот различных коаксиальных
Глава 1. Электромагнитные волны в линиях передачи
б
H
E
Направление
распространения
H = Hx 2 + Hz
2
(Hy = 0)
0
y
z
x
Hx
Hz
H11
0
а
y
z
x
H
E
Направление
распространения
E = Ex 2 + Ez
2
(Ey = 0)
Ex
E01
Ez
H = Hy
(Hx = Hz =0)
Е = Еy
(Еx = Еz =0)
Рис. 1.3. Электрическое и магнитное поля в поперечном сечении коаксиальной
линии и векторное изображение электрической волны типа Е01 (а) и магнитной
волны типа Н11 (б)
01chapter1.indd 201chapter1.indd 20 13.09.2006 23:06:02
1.3. Типы волн в коаксиальной линии 21
устройств. Предельную рабочую частоту удобно рассчитывать по прибли-
женной формуле [5]:
f
D d пред (ГГц)
,
( )
≅
+
190 8
ε
,
(1.1)
где D и d – размеры линии, мм; ε – относительная диэлектрическая прони-
цаемость изоляции.
Для увеличения предельной рабочей частоты приходится уменьшать
размеры поперечного сечения коаксиальной линии и заполнять ее диэлект-
риком с малой величиной диэлектрической проницаемости. Идеальным ва-
риантом является воздушная коаксиальная линия. В таблице 1.2 приведены
предельные частоты коаксиальных воздушных линий по данным междуна-
родного стандарта IEE STD 287 [11].
Таблица 1.2. Предельные частоты 50-Омных коаксиальных линий
Внутренний диаметр наружного
проводника линии, мм
7,0 3,5 2,92 2,4 1,85 1,0
Верхняя частота применения, ГГц 18 33 40 50 65 110
Теоретическая предельная
частота, ГГц
19,4 38,8 46,5 56,5 73,3 135,7
01chapter1.indd 21 13.09.2006 23:06:10