СВЧ - схема PCB

Микроволновая схема pcb - это специальная плата, предназначенная для передачи высокочастотных сигналов, частотный диапазон которой обычно находится между 300 МГц и 300 ГГц. Он широко используется в области связи, радиолокации, радио и других областях, с хорошими высокочастотными характеристиками, небольшим размером, высокой надежностью.

Микроволновая схема - это схема, работающая в микроволновом и миллиметровом диапазонах и интегрированная в базовую плату микроволновыми пассивными элементами, активными элементами, линиями передачи и межсоединениями с определенной функцией.

Микроволновые схемы делятся на гибридные микроволновые и монолитные микроволновые. Гибридная микроволновая схема представляет собой функциональный блок, который использует тонкопленочную или толстопленочную технологию для создания пассивных микроволновых схем на базовой плате, подходящей для передачи микроволновых сигналов. Эта схема спроектирована и изготовлена в соответствии с потребностями системы. Часто используемые гибридные микроволновые схемы включают в себя широкий спектр широкополосных микроволновых схем, таких как микроволновые смесители, микроволновые малошумные усилители, усилители мощности, множители частоты и ячейки с фазированной решеткой. Моноличные микроволновые схемы представляют собой функциональные блоки, использующие плоскую технологию для непосредственного изготовления компонентов, линий передачи и соединений на полупроводниковой базе. Арсенид галлия является наиболее часто используемым материалом для фундамента. Микроволновые схемы начались в 1950 - х годах. Одной из важных причин преобразования технологии микроволновых схем из коаксиальных, волноводных элементов и их систем в плоские схемы является разработка микроволновых твердотельных устройств. В 1960 - х и 1970 - х годах применялись алюминиевые подложки и толстопленочные технологии; Монолитные интегральные схемы начали появляться в 1980 - х годах.

Гибридные микроволновые схемы используют толстопленочную или тонкопленочную технологию для создания различных микроволновых функциональных схем на средах, подходящих для передачи микроволновых сигналов, а затем устанавливают отдельные активные элементы в соответствующих местах для формирования микроволновых схем. Среды, используемые в микроволновых схемах, включают высокоалюминиевый фарфор, сапфир, кварц, высокоценную керамику и органические среды. Существуют два типа схем: микрополосные схемы с распределенными параметрами и схемы с набором общих параметров. Активные устройства используют упакованные микроволновые устройства или используют чипы напрямую. Основной особенностью микроволновых схем является проектирование и производство в соответствии с требованиями всей машины и разделением микроволнового диапазона. Большинство используемых интегральных схем являются специализированными. Обычно используются микроволновые смесители, микроволновые малошумные усилители, микроволновые усилители успеха, микроволновые интегральные генераторы, интегральные множители частоты, микроволновые переключатели, интегрированные ячейки с фазированной решеткой и различные широкополосные схемы.

Моноличные микроволновые схемы представляют собой интегральные схемы, в которых микроволновые функциональные схемы изготавливаются с помощью полупроводниковых процессов на чипах, изготовленных из арсенида галлия или других полупроводниковых материалов. Микроволновые схемы, изготовленные из кремниевых материалов, работают в диапазоне 300 - 3000 ГГц и могут рассматриваться как расширение линейных кремниевых интегральных схем, не включенных в монолитные микроволновые схемы.

Процесс изготовления монолитных микроволновых схем GaAs заключается в формировании активного слоя на полуизолированных монокристаллах GaAs с использованием эпитаксиального роста кремния или ионной инъекции; Инъекция кислорода или протона для создания изолирующего слоя (или других ионов, подходящих для его образования); Введите бериллий или цинк для формирования PN - узла; Изготовление металлических полупроводниковых барьеров путем испарения электронных лучей; Изготовление активных устройств (например, диодов, полевых транзисторов) и пассивных компонентов (индукторов, конденсаторов, резисторов и ответвлений микроволновых компонентов, фильтров, нагрузок и т.д.) и схем. Конструкция схемы также делится на две формы: параметры концентрации и параметры распределения. Параметры распределения в основном используются в схемах мощности и миллиметровых волнах. Микроволновые схемы представляют собой интегральные схемы работающие в диапазоне от 30 до 300 ГГц.

Арсенид галлия более подходит для изготовления монолитных микроволновых схем (включая сверхскоростные схемы), чем кремний, главным образом потому, что: 1. Сопротивление полуизолированной подложки арсенида галлия достигает 107 ½ 109 ohm · cm, потеря микроволновой передачи невелика; 2. скорость переноса электронов арсенида галлия примерно в пять раз выше, чем у кремния, с высокой рабочей частотой и высокой скоростью; 3. Полевые транзисторы с металлическими полупроводниками на основе арсенида галлия, являющиеся ключевыми активными устройствами, представляют собой многофункциональный прибор с хорошей радиационной стойкостью, и поэтому одночиповые микроволновые схемы на основе арсенида галлия имеют широкие перспективы применения в таких областях, как твердотельные РЛС с фазированной решеткой, оборудование электронной борьбы, тактические ракеты, прием телевизионных спутников, микроволновая связь, сверхскоростные компьютеры и обработка информации большой емкости.

К числу успешно разработанных и постепенно применяемых монолитных микроволновых схем относятся: монолитный микроволновый интегральный малошумный усилитель, передний край монолитного телевизионного спутникового приемника, монолитный микроволновый усилитель мощности, монолитный микроволновый генератор управления давлением и т.д. Большинство схем разработаны в соответствии с требованиями различных машин и характеристиками микроволнового диапазона и очень специфичны.

СВЧ - схема PCB

Материалы и конструкция микроволновых плат

Выбор материала и конструкция микроволновых плат являются ключевыми факторами обеспечения стабильной производительности устройства при работе на высоких частотах. Выбор подходящего материала и структуры может значительно повысить эффективность и надежность передачи сигнала.

1. Характеристики материала

Микроволновые платы обычно используют материалы с конкретными характеристиками, включая диэлектрическую константу (Dk) и тангенс угла потерь (Df). Диэлектрическая константа указывает на способность материала хранить электрическую энергию, в то время как угол потерь тангенсально указывает на потерю энергии, преобразованную в тепло во время передачи сигнала. В целом, более низкий тангенс угла потерь помогает свести к минимуму потери сигнала и повысить эффективность материалов в высокочастотных приложениях.

2. Выбор радиочастотных материалов

При выборе материалов для микроволновых плат следует учитывать такие факторы, как влажность окружающей среды, тепловая стабильность и химическая устойчивость, чтобы обеспечить надежную производительность в различных условиях эксплуатации. Часто используемые материалы для микроволновых плат включают FR - 4, PTFE (тетрафторэтилен) и керамические материалы, из которых PTFE широко используется в микроволновых приложениях, требующих высокой производительности из - за его превосходных высокочастотных характеристик.

3. Конструкция конструкции

Структуры, обычно используемые при проектировании микроволновых схем, включают микрополосные и полосовые линии. Микроволновая линия состоит из проводящей полосы, расположенной на диэлектрической базе, с плоскостью заземления внизу, подходящей для передачи высокочастотных сигналов. Лента состоит из проводящей полосы, зажатой между двумя плоскостями заземления, чтобы обеспечить лучшую защиту для приложений, требующих более высокой целостности сигнала.

4. Сопоставление сопротивлений

Сопоставление сопротивлений является важным фактором в микроволновой конструкции PCB для обеспечения целостности сигнала. Хорошее согласование сопротивлений может уменьшить отражение сигнала и оптимизировать эффективность передачи мощности. Конструкция должна учитывать использование подходящей компоновки линии передачи, материалов и часто требует анализа и настройки с помощью технологии электромагнитного моделирования для улучшения качества сигнала.

5. Теплотехнический дизайн

Когда микроволновая плата работает, некоторые мощные элементы производят много тепла, поэтому разумная конструкция охлаждения имеет решающее значение. Это включает в себя оптимизацию компоновки мощных элементов для улучшения теплового контакта, использование отверстий для теплового потока для повышения температурной однородности и выбор материала с хорошей теплопроводностью для содействия охлаждению.

Создание микроволновых цепей

« Микроволновая цепь» всегда была синонимом « волноводной цепи». Еще в начале 1930 - х годов люди поняли, что волноводы являются очень полезной микроволновой структурой передачи частот. Исследователи давно обнаружили, что небольшая часть должным образом модифицированного волновода может использоваться в качестве излучателя или реактивного протона. Как резонаторы и антенны. В разработке современных волноводных схем с самого начала прилагались усилия для эффективной передачи микроволновой мощности от источника микроволн к линии передачи волновода и эффективной рекуперации на приемном конце. Это предполагает внесение изменений в соответствующие оригинальные передатчики и приемники. Высокие требования. Таким образом, это привело к появлению таких компонентов, как детекторы бегущей волны, волномеры и терминальные нагрузки.

Разработка и применение микроволновой технологии заложили основу микроволновых схем. От первоначального открытия принципа прерывистого многократного отражения и соответствующих принципов резонации полости до использования этих принципов для согласования микроволнового источника питания с волноводом, а затем волновода с приемником (например, кристаллическим детектором) и использования этих устройств для генерации сигнала определенной частоты через цепь.

Одной из основных характеристик микроволновых схем является эмпирическая настройка или настройка их характеристик с помощью винтов и мембран (даже сжатых размеров) в волноводе. Сначала это был просто метод проб и ошибок, а затем перерос в так называемую « волноводную инженерию». Долгое время это был один из наиболее часто используемых методов микроволновой инженерии.

Состояние микроволновой цепи

Микроволновые схемы начались с трехмерных микроволновых схем, используемых в 1940 - х годах. Он состоит из волноводных линий передачи, волноводных элементов, резонаторов и микроволновых труб. В 1960 - х годах появилось новое поколение микроволновых интегральных схем для полупроводниковых приборов, технологий осаждения тонких пленок и фотолитографии. Из - за своего небольшого размера, легкого веса и удобства использования, он в полной мере используется в вооружениях, аэрокосмической промышленности и спутниках.

В микроволновых схемах обычно используются два основных способа передачи: волновод и коаксиальный режим TEM. Волнистые волноводы характеризуются высокой мощностью и низкими потерями. Последняя особенность привела к появлению резонатора высокого Q. Коаксиальные линии имеют присущие им широкополосные характеристики, поскольку не существует эффекта дисперсии. Кроме того, понятие сопротивления можно легко интерпретировать в коаксиальной линии, что упрощает процесс проектирования компонентов. Эти две структуры передачи превратились в важные элементы микроволновых схем, и их сочетание может принести неожиданные результаты.

Микроволновые схемы имеют структуру передачи по полосе пропускания. Форма аналогична используемой сегодня. Он состоит из двух внешних диэлектрических пластин с металлом и тонкого полосчатого проводника. С появлением медных пластин ленточная линия превратилась в точный процесс, который может заранее рассчитать ее производительность. Наиболее важной особенностью структуры передачи полосы является то, что ее характеристическое сопротивление контролируется шириной центрального полосового проводника. Двухзначные характеристики структуры полосовой схемы позволяют осуществлять соединение многих компонентов без разрушения внешнего экрана проводника, что также обеспечивает большую гибкость в положении ввода и вывода. Из - за свойств связи, присущих двум полосчатым проводникам при приближении, полосовые линии очень удобны для использования в параллельных линейных ответвителях.

С 1974 года американская компания Plessey использует GaAs FET в качестве активного устройства, а полуизоляционная матрица GaAs в качестве носителя успешно разработала первый в мире усилитель MMIC. Он уже используется в военных целях (включая интеллектуальное оружие, радары, связь и электронную войну и т.д.). Благодаря MMIC, MMIC развивается очень быстро. Именно появление технологии GaAs и свойства материала GaAs способствовали переходу от микроволновых схем к монолитным микроволновым схемам (MMIC). По сравнению со вторым поколением микроволновой гибридной схемы HMIC, MMIC имеет преимущества небольшого размера, длительного срока службы, высокой надежности, низкого шума, низкого энергопотребления и высокой предельной рабочей частоты. Поэтому он получил широкий интерес.

Появление монолитных микроволновых схем позволило реализовать различные микроволновые схемы. Таким образом, различные устройства MMIC достигли беспрецедентного развития, такие как усилители мощности MMIC, малошумные усилители (LNA), смесители, верхние преобразователи частоты, генераторы управления давлением (VCO), фильтры и т. Д. До передней части MMIC и всей системы приемопередатчиков. Однополосные микроволновые интегральные схемы имеют широкие перспективы применения в таких областях, как твердотельная РЛС с фазированной решеткой, оборудование электронной борьбы, тактические ракеты, прием телевизионных спутников, микроволновая связь, сверхвысокоскоростные компьютеры и обработка информации большой емкости.

С дальнейшим совершенствованием технологии MMIC и развитием технологии многослойных интегральных схем все больше внимания уделяется трехмерным многоуровневым микроволновым структурам, использующим многослойные базовые платы для достижения почти всех пассивных устройств и чипов. Технология MCM (многочиповый модуль), построенная на многослойной базе межсоединений, сделает микроволновую миллиметровую систему меньше.

СВЧ - схема PCB

Тенденции развития микроволновых цепей

Технология межсоединения и изготовления микроволновых схем

Микроволновая технология и технология соединения и производства микроволновых схем, использующих частоты выше 1 ГГц, быстро развиваются и широко используются. В современных информационных системах и военной электронике, таких как радиолокационная, навигационная и коммуникационная аппаратура, микроволновые схемы являются « аортами» высокоскоростной информации. Поэтому микроволновые схемы, а также технологии их соединения и производства являются важной и ключевой технологией в разработке и производстве информационных систем и военной электроники. Технологии межсоединения и производства микроволновых схем включают: материалы и технологии изготовления микроволновых схем, технологии проектирования и производства микроволновых схем, технологии упаковки и сборки микроволновых устройств или компонентов, технологии соединения и отладки микроволновых компонентов или систем. Он охватывает различные дисциплины, такие как микроэлектроника, материаловедение, прикладные компьютерные технологии, электронное машиностроение и т. Д. Это многодисциплинарная, комплексная наука и техника. Он характеризуется высоким техническим содержанием, высокой технической сложностью, быстрым развитием, широким спектром областей применения и замечательными результатами в информационных системах и военной электронике.

С быстрым развитием науки и техники, таких как микроэлектроника, технология компонентов, материаловедение, автоматизированное проектирование и производство, появляются новые технологии для соединения и производства микроволновых схем. Например, многоуровневые микроволновые интегральные схемы и трехмерные микроволновые интегральные схемы (3DMMIC), микрополосные (SMM) схемы с линиями передачи с низким уровнем потерь и экранированными мембранами, многочиповые микроволновые модули, микроволновые схемы, микромеханические и электрические системы (MEMS) для соединения и производства, новая технология микроволновых PCB из смолы, новая технология защитного покрытия микроволновых схем, а также технология моделирования трехмерных схем, используемая при проектировании микроволновых схем, технология CAD и оптимизации микроволновых схем на основе интеллектуальных методов.

2. Фотонная щелевая структура микроволновых схем

В 1987 году Yablonovitch представил структуру подполосного зазора (PBG), которая первоначально применялась в оптическом поле и в последние годы была введена в микроволновый диапазон, что привлекло большое внимание. Когда электромагнитные волны распространяются в материалах с периодической структурой, они модулируются для создания фотонных полос. Когда рабочая частота электромагнитных волн падает в полосу, нет состояния передачи. Подполосная структура зазора применяется в микроволновом диапазоне и полностью предотвращает распространение электромагнитных волн в определенном диапазоне частот. В то же время структура фотонного зазора также изменяет константу распространения в полосе пропускания, которая является медленной волновой структурой. Из - за вышеуказанных характеристик структуры фотонного зазора он широко используется для полосового сопротивления, подавления высоких гармоник, повышения эффективности, увеличения полосы пропускания и уменьшения размера. Фотонная щелевая структура может использовать металл, диэлектрик, ферромагнитный или ферроэлектрический материал, имплантированный в материал фундамента, или непосредственно формировать периодическое расположение различных материалов. В Китае и за рубежом были предложены различные микроволновые фотонные полосовые структуры, которые в настоящее время развиваются от трехмерной структуры до миротворческой двумерной структуры. Из - за простоты реализации и интеграции исследования структуры фотонных полос были разработаны в области электроники и связи. В настоящее время единичная форма, циклические условия, комбинация различных циклических структурных деформаций и развитие материалов являются горячими точками исследований, заслуживающими внимания.

Субкристаллы представляют собой искусственные кристаллы, образованные периодическим расположением одной среды в другой. Основной особенностью фотонных кристаллов является то, что они имеют фотонные полосы. Распространение электромагнитных волн, частота которых падает в полосу, запрещено. Уникальные свойства фотонных кристаллов были сначала применены в оптической области, а затем быстро распространились на другие области, и теперь они также изучаются и применяются в микроволновом диапазоне. В настоящее время в стране и за рубежом были предложены различные микроволновые фотонные полосовые структуры. Первоначальная микроволновая фотонная полосовая структура состоит из трехмерной периодической конфигурации среды. Поскольку обработка и анализ трехмерных структур очень сложны, исследования и производство микроволновых фотонных щелевых структур очень сконцентрированы. В плоской структуре. Появление плоской фотонной щелевой структуры изменило традиционный метод проектирования и предоставило новый способ проектирования высокопроизводительных и высокоинтегральных схем, что привело к революции в идее проектирования микроволновых интегральных схем. Благодаря гибким, легко реализуемым и легко интегрируемым характеристикам двухмерных плоских зазорных структур, которые являются миротворческими, они широко используются в микроволновых схемах и привели к быстрому развитию микроволновых интегральных схем.

3. Переключатели MEMS для микроволновых цепей

Согласно последнему определению MEMS, это миниатюрный массив оборудования или оборудования, который сочетает в себе электрические и механические компоненты и может быть серийно изготовлен с использованием технологии IC. Хотя традиционные производственные процессы IC и MEMS имеют большое сходство, первые являются плоскими, а вторые - трехмерными. В настоящее время широко используются технологии производства MEMS, в том числе: микрообработка тела, микрообработка поверхности, микрообработка связи и технология LIGA (фотолитография).

Переключатель является ключевым элементом преобразования микроволнового сигнала. По сравнению с традиционными диодными переключателями p2i2n и FET, современные переключатели RFMEMS обладают превосходными микроволновыми характеристиками и неотъемлемыми преимуществами легкого веса, небольшого размера и низкого энергопотребления. С развитием технологии производства MEMS и технологической теории, после преодоления недостатков короткого срока службы переключателя MEMS и низкой скорости переключателя, переключатели RFMEMS, несомненно, достигнут большего развития в микроволновой системе. В настоящее время переключатели RFEMS используются в передних схемах некоторых микроволновых систем, цифровых конденсаторах и фазосдвигающих сетях.

4. Централизация микроволновых цепей

Другой тенденцией в микросхемах является использование общих элементов. В прошлом они не могли использоваться в микроволновых частотах, поскольку размеры агрегатных элементов были сопоставимы с длинами микроволновых волн. С развитием фотолитографии и тонкопленочных технологий размеры агрегатных элементов (конденсаторов, индукторов и т. Д.) значительно уменьшаются, что позволяет использовать J - диапазон всегда. Сборка комплектующих элементов и полупроводниковых устройств в виде чипов на диэлектрической базе является совершенно новым методом микроволновых интегральных схем. Помимо уменьшения размера, еще одним преимуществом комплектующих компонентов является то, что некоторые очень полезные технологии и оптимизации в низкочастотных схемах теперь доступны непосредственно в микроволновом поле.

5. Двумерная плоскость микроволновых схем

В дополнение к набору элементов и элементов одномерной линии передачи некоторые люди также предложили двумерные плоские элементы для микроволновых схем. Эти компоненты совместимы с полосовыми и микроволновыми линиями и предлагают очень полезную альтернативу проектированию микроволновых схем.

В настоящее время существует три основных способа реализации двумерной плоской схемы: трехкомпонентная структура, открытая структура и структура полости. По сравнению с полосчатой схемой он имеет преимущества большой свободы и низкого входного сопротивления. Его легче анализировать и проектировать, чем волноводные схемы. Благодаря мощной вычислительной мощности высокоскоростного компьютера он может обрабатывать любую форму по запросу. Были проанализированы плоские схемы, что значительно повысило эффективность работы. Предполагается, что в ближайшем будущем его применение будет расширяться.

Новое поколение MIC

Новое поколение MIC может быть монолитной микроволновой интегральной схемой на полупроводниковой базе. Используемые полупроводниковые подложки представляют собой кремний с высоким сопротивлением, арсенид галлия с высоким сопротивлением и кремний с низким сопротивлением со слоем диоксида кремния. Есть две технические проблемы. Во - первых, различные микроволновые полупроводниковые устройства, используемые в них, не имеют общего метода изготовления, а во - вторых, пассивные распределенные элементы (линии передачи) требуют большой площади фундамента. Однако последние тенденции показывают, что процесс GaAs является ключом к микроволновым монолитным интегральным схемам. В аналоговых усилителях с пропускной способностью ГГц и цифровых интегральных схемах с гигабитной скоростью доминируют полевые транзисторы с металлическими полупроводниками на основе арсенида галлия (MESFET). Будь то гибридные или монолитные микроволновые интегральные схемы, их преимущества в основном такие же, как и у низкочастотных интегральных схем, то есть система имеет высокую надежность, объем и легкий вес. В тех случаях, когда требуется большое количество стандартизированных компонентов, это в конечном итоге приведет к снижению затрат. Как и низкочастотные интегральные схемы, MIC обладает огромным потенциалом для расширения существующих рынков и открытия многих новых применений, включая большое количество гражданских проектов.

Микроволновые схемы развиваются с беспрецедентной скоростью. С распространением различных интегральных схем развитие микроволновых схем, несомненно, будет иметь светлое будущее. Компания iPCB специализируется на производстве микроволновых схем PCB. Если у вас есть вопросы, проконсультируйтесь с iPCB.