ЛИНИИ ПЕРЕДАЧ В МИКРОСИСТЕМАХ И ИХ КОМПОНЕНТАХ
advertisement
ЛИНИИ ПЕРЕДАЧ В МИКРОСИСТЕМАХ И ИХ КОМПОНЕНТАХ Часть 1 Для многих портативных устройств связи основными компонентами являются ВЧ планарные элементы и ИС. За последние десятилетия произошла технологическая революция в сферах твердотельных устройств и их внедрения в сверх большие интегральные схемы (СБИС). Это изменило облик большинства традиционных устройств связи, построенных на классических вакуумных лампах и транзисторах. Использование микрополосковых линий, полосковых линий и копланарных волноводов для реализации внутренних ВЧ соединений дает возможность объединять твердотельные кремниевые и GaAs компоненты, что позволяет разрабатывать более гибкие, компактные и легкие устройства с отличными рабочими характеристиками. Очень высокая добротность (десятки тысяч) и стабильность, сравнимая с ПАВ резонаторами и фильтрами, являются основными причинами широкого использования твердотельных устройств в блоках настройки частоты в большинстве коммуникационных устройств. Многие маломощные ВЧ трансиверы с хорошими частотными характеристиками также имеют в своем составе такие компоненты, как дискретные индукторы и переменные конденсаторы для их настройки и для согласования с сигналами от внешних устройств. Для применения фильтров на поверхностных и объемных акустических волнах и перестраиваемых колебательных контуров в мобильных телефонах требуется миниатюризация трансиверов, что невозможно без использования микролиний передач. Даже несмотря на то, что современные кремниевые ИС могут работать в гигагерцовом частотном диапазоне, а биполярные, КМОП и биполярные КМОП ВЧ ИС, также изготовленные на кремниевых подложках, могут соперничать с GaAs схемами на частотах в несколько ГГц, недостаток высокодобротных пассивных кремниевых компонентов все же ощущается при разработке ВЧ устройств. К тому же кремниевые подложки обладают большими потерями, что мешает реализации высокодобротных реактивных компонентов. Существует много функциональных узлов, которые нельзя сформировать традиционными методами изготовления ИС, особенно это касается высоко добротных компонентов (Q > 30) для ВЧ устройств связи с высокой избирательностью. В дополнение к этому для планарных схем характерны такие вредные частотно-зависимые свойства, как паразитное излучение, омические потери и большой разброс. Уменьшение паразитных излучений и связей влечет за собой усложнение процесса монтажа, что ведет к увеличению объема, веса и стоимости устройства. Несмотря на перечисленные трудности, низкая стоимость изготовления кремниевых ИС по сравнению с GaAs ИС делает их перспективными для интеграции ВЧ микроустройств с ВЧ схемами. Для построения многих монолитных СВЧ ИС и некоторых микросистем требуется разработка полностью интегрированных схем, объединяющих планарные линии и пассивные элементы. Малые размеры и вес, низкая потребляемая мощность, возможность организации массового производства, надежность и воспроизводимость являются достоинствами 1 интегрированных систем, объединяющих микросистемы и СВЧ ИС. В последние годы предпринимались усилия, направленные на снижение размеров ВЧ пассивных элементов, а также на их исключение из схем. В этой главе рассматриваются некоторые способы миниатюризации пассивных компонентов, таких как линии передач и других устройств, применяемых в ВЧ микросистемах. Линии передач в микросистемах Сообщения о первой линии передач, полосковой линии, появились в 1952 году. Разработка этих линий привела к созданию новой гибридной технологии. В настоящее время в большинстве СВЧ ИС используются микропо-лосковые линии. Применение гибридной технологии для изготовления монолитных систем позволило значительно увеличить их рабочую частоту при уменьшении веса и объема. Планаризация проводников и создание линий передач привела к возможности создания таких ВЧ устройств, как направленные ответвители и планарные антенны в виде СБИС, способных работать в диапазоне очень высоких частот. В ВЧ схемах линии передач обычно применяются для передачи информации от пассивных элементов, таких как фильтры, преобразователи импеданса и линии задержки, а также для организации связи между ними. Структуры с большим количеством проводников, работающие с электромагнитными волнами, также часто относят к линиям передач. Электрические цепи, в которых время прохождения сигнала вдоль соединительной линии сравнимо с его периодом или близко к длительности импульса, также можно анализировать как линии передач, т. е. определять их параметры в соответствии с геометрическими размерами. В таких цепях рассогласование и неоднородности могут привести к многократным переотражениям, которые могут замедлять прохождение сигнала и вводить в схему вредные задержки. На рис. 1 показаны варианты печатных линий передач (микрополосковой, щелевой и копланарной линии), часто применяемых в диапазоне низких частот, а также линий передач в металлических корпусах, используемых для предотвращения излучений, (подвешенной, перевернутой линии и волновода с продольным ребром), работающих в диапазоне очень высоких частот. Копланарная линия — одна из самых распространенных линий передач, в которой доминирующей формой распространения сигнала является поперечная электромагнитная волна (ПЭМВ). Скорость распространения ПЭМВ зависит только от свойств материала: его магнитной и диэлектрической проницаемости, \i и е. В микрополосковой линии, незащищенной от воздействия воздуха, распространение волны проходит через две диэлектрические среды. Если схема состоит из двух видов материала, значит существует две скорости распространения ПЭМВ: через диэлектрическую подложку и через слой воздуха. Одним из граничных условий является непрерывность тангенциальных составляющих на границе раздела, которое не может быть 2 выполнено в случае присутствия в системе двух диэлектриков, поэтому сигнал внутри микрополосковой линии нельзя считать чистой ПЭМВ. К тому же силовые линии электромагнитного поля между полоской и слоем заземления выходят за пределы подложки. Вследствие всего вышесказанного распространение сигнала в микрополосковой линии является не ПЭВМ, а квази-ПЭМВ. Щелевые линии передач предпочтительнее использовать в системах, где требуются высокоимпедансные линии, параллельные цепи, шлейфы и гибридные комбинации микрополосковых схем. Копланарные линии широко применяются в СВЧ ИС. Возможны и другие геометрические формы микрополосковых линий, но приведенные на рис. 1, являются наиболее распространенными. Металлические корпуса часто используются для электрического экранирования, а также для защиты микрополосковых схем от механических воздействий. Присутствие такого металлического заземления может привести к изменению рабочих характеристик схемы, что необходимо учитывать при разработке системы. Широкое распространение микрополосковых и копланарных линий объясняется их простотой и возможностью использования в монолитных СВЧ ИС. Рис. 1. Открытые и корпусные микрополосковые структуры На рис. 2 показаны возможные варианты волн и излучений в планарной структуре. Все виды указанных волн могут быть использованы для передачи сигналов и излучений. Выбор вида волны зависит от расчетных параметров, свойств подложки и от типа корпуса. Направляемые волны предпочтительнее применять в тонких подложках с высокой диэлектрической проницаемостью, толщина которых должна быть сравнима с длиной волны. Возникновение таких 3 волн является нежелательным в антенных структурах. Излучаемые волны являются паразитными в случае линий передач. Вытекающие волны вносят свой вклад в излучение и при соответствующих условиях увеличивают коэффициент направленного действия антенн. Поверхностные волны применяются в толстых подложках с высокой диэлектрической проницаемостью. Рис. 2. Возможные варианты волн и излучений в микрополосковой структуре Потери в линиях передач На рис. 3 показаны основные источники неоднородности в микрополосковой структуре, сильно осложняющие анализ схем. Тем не менее результаты анализа таких структур при помощи интегральных уравнений близки к данным, полученным в процессе измерений. Как видно из рисунка, основными источниками неоднородности являются граничные условия на поверхности раздела воздух-диэлектрик, неполная металлизация подложки, тонкие проводящие слои и конечные размеры подложки. При проектировании планарных устройств важным фактором является эффективность распространения волн, которая связана с наличием диэлектрического слоя между линиями передач. В подложке часто возникают паразитные токи, ухудшающие рабочие характеристики линии. Ослабление сигнала в линии передач происходит, в основном, вследствие потерь в проводниках и диэлектриках, а также из-за излучений. Резистивная природа проводников заставляет сигнал проникать внутрь проводника. В СВЧ диапазоне плотность тока является максимальной на поверхности проводника, а по мере углубления внутрь проводника она уменьшается по экспоненциальному закону. Толщина слоя, в котором происходит изменение плотности тока от максимального значения и практически до нуля, называется глубиной 4 проникновения. В этом слое происходят основные тепловые потери и потери мощности, называемые омическими потерями. Глубина проникновения является функцией частоты f и удельного сопротивления материала ρ: 1/2 1 2 f (1) и обычно измеряется в дБ на см. Потери в проводящем слое микрополосковой линии обратно пропорциональны ширине линии и становятся значимыми, когда толщина подложки становится электрически малой. Омические потери значительно снижаются при увеличении толщины металла до нескольких глубин проникновения. Рис. 3. Основные источники неоднородности в микроволновой структуре Когда возбуждаемое поле стремится распространиться внутри подложки планарной линии передач, появляются диэлектрические потери, возникающие из-за тангенциальных потерь диэлектрического материала, которые обусловлены неспособностью зарядов мгновенно отслеживать изменения электрического поля. Диэлектрические потери измеряются в дБ на длину волны. Планарные линии передач также страдают от паразитного излучения вдоль длины линии или в местах разрыва. Потери на излучение могут быть снижены при проектировании линии, работающих только на основной волне. Но контролировать потери на излучение очень сложно из-за наличия в системе мест разрыва. Диэлектрические потери и потери на излучение могут быть снижены за счет уменьшения толщины диэлектрического слоя микрополосковой линии. Изготовление ВЧ схем в планарной форме дает возможность их интеграции с другими устройствами, но при этом возникает ряд нежелательных эффектов, таких как краевые эффекты, излучение, дисперсия и увеличение омических потерь, которые приводят к серьезным ограничениям при работе на частотах миллиметрового диапазона. Совершенствование технологий изготовления микросистем в последние годы позволило решить многие из 5 перечисленных проблем. Известно, что потери в подложке становятся значительными при увеличении частоты. Поэтому в современных методах для снижения потерь в подложке используется следующий прием: частичное удаление материала подложки вокруг СВЧ компонента, подобно тому, как это делалось при изготовлении высокодобротных индукторов, описанных в главе 4. Для уменьшения влияния подложки на рабочие характеристики линии передач должна быть использована подложка из материала с высоким удельным сопротивлением или встроена мембрана, отделяющая подложку от линии передач. Был предложен эффективный и сравнительно недорогой способ снижения потерь в подложке СВЧ компонентов, заключающийся в размещении ВЧ линий передач в металлизированных полостях, сформированных в кремнии с низким удельным сопротивлением методом анизотропного травления. Современные методы изготовления микросистем подходят для построения линий передач, волноводов, фильтров нижних частот, микроантенн, 3D ВЧ распределенных цепей, конформных устройств и направленных ответвителей. Копланарные линии передач Один из способов уменьшения возбуждения поверхностных волн — расположение поверхности заземления недалеко от активного устройства. Копланарные полосковые линии и волноводы, сформированные на подложках с низким удельным сопротивлением и на тонких мембранах, способны работать с СВЧ сигналами. Однако при этом в микрополосковых системах и устройствах с параллельными пластинами может возникать возбуждение. Альтернативой копланарным волноводам для работы с миллиметровыми и субмиллиметровыми волнами является копланарная линия передач с ограниченным заземлением (ОЗКЛ). Такие линии используются в активных схемах, где центральный проводник и линии заземления находятся на одной и той же плоскости. Такая конструкция позволяет избавиться от сквозных отверстий между рабочей плоскостью и плоскостью заземления, часто расположенной на противоположной стороне подложки. Здесь также можно снизить ширину линии для согласования с шириной подводящих проводов, что необходимо для поддержания постоянного импеданса. ОЗКЛ изготавливаются на высоко-резистивной кремниевой подложке, на которую нанесен тонкий слой SiO2, который удаляется после металлизации. Характеристический импеданс такой линии зависит от ширины центрального проводника, ширины слоя заземления и расстояния между проводниками. На рис. 4 показаны обычный копланарный волновод, широко применяемый во многих монолитных СВЧ ИС, копланарный волновод с плоскостью заземления, расположенной снизу, копланарный волновод с ограниченным заземлением, а также ОЗКЛ, заключенная в корпус. 6 Рис. 4. Схемы: а – копланарного волновода; б – копланарного волновода с нижним слоем заземления; в – копланарного волновода с ограничеснным заземлением; г – того эе волновода в корпусе Проектирование Копланарный волновод состоит из тонкой металлической полоски, нанесенной на поверхность диэлектрической пленки, и двух шин заземления, параллельных этой полоске (рис. 4 а). Ширина шины заземления должна превышать величину 5D, a D необходимо сделать меньше λ/2 для предотвращения появления волн более высокого порядка. Характеристический импеданс линии может быть записан в Zc Z0 K k ' e 4K k (2) где Z0 — импеданс свободного пространства, К(к’) — полный эллиптический интеграл первого порядка, к = S/D, D = 2W + S, к’ = (1 – k2)1/2, W – это расстояние между проводящей линией шириной S и шиной заземления. Не учитывая толщину полоски, выражение для эффективной диэлектрической проницаемости можно записать как e r 1 2 (3) Подложка с конечной толщиной h влияет на эффективную ди7 электрическую проницаемость следующим образом: ' r 1 K k K kt e 1 kt K k K kt' 2 sinh W 4h sinh D 4h (4) (5) kt' 1 kt2 1/2 (6) Микрополосковые и копланарные волноводы используются для соединения различных элементов внутри ВЧ системы. Копланарные микролинии с ограниченным заземлением имеют геометрическую форму, аналогичную традиционным ОЗКЛ, за исключением того, что в них методом травления удален материал из-под линии передач. Ширина линии и глубина бороздок определяется частотой среза в линии. Для микролинии с ограниченным заземлением с глубиной бороздок G, расчетное уравнение может быть записано в виде: 2 Wg W S Fg 0,h /2 (7) 1 Fg e (8) Как видно из последнего уравнения и уравнения (4), Fg зависит от толщины материала. Характеристический импеданс ОЗКЛ, сформированной на диэлектрической подложке, определяется ее диэлектрической проницаемостью, которая для высокорезистивной кремниевой подложки приблизительно равна 6. Диэлектрические потери в копланарном волноводе описываются следующим выражением: d g q r tan (9) e g c f r (10) длина волны внутри диэлектрика, a q – отношение фактической емкости к емкости волновода, в котором в качестве диэлектрика используется воздух. Для проводника толщиной t потери внутри проводника можно записать в виде: c Rs e Ф S Ф D (11) 480 K k K k ' где Rs – удельное сопротивление на поверхности, а Ф x 8 x 1 k ln x 2 t 1 k (12) Было показано экспериментально, что рабочие характеристики компонентов линий передач и копланарных волноводов ухудшаются на высоких частотах, что связано с паразитными излучением и связями, при этом также усиливается нежелательное влияние металлизированных корпусов. Для более эффективного распространения волн необходимо минимизировать выход сигнала за пределы линии передач. Для построения высокочастотных устройств 8 подходит микрополосковая линия передач. 9 Контрольные вопросы 1. Открытые и корпусные микрополосковые структуры. Преимущества и недостатки. 2. Возможные варианты волн и излучений в микрополосковой структуре. 3. Потери в линиях передач. 4. Копланарные линии передач. Преимущества и недостатки. 10
