Полосковый свч-микроблок

 

Область использования изобретения: изобретение относится к области техники СВЧ. Сущность изобретения заключается в том, что для упрощения конструкции, уменьшения трудоемкости и улучшения прочности механического соединения диэлектрической пластины с корпусом (в частности, ликвидации механических напряжений из-за разницы ТКЛР в месте соединения диэлектрической пластины с корпусом), в улучшении электрического соединения токопроводящего СВЧ-экрана с корпусом и устранения паразитных емкостей и паразитных направляющих систем между экраном и корпусом устройства, увеличения используемой площади для размещения элементов СВЧ-схемы, уменьшения трудоемкости установки перпендикулярных разъемов полосковый СВЧ-микроблок содержит чашечный диэлектрический корпус 1 с отверстиями для коаксиальных разъемов в его стенках, крышку 2, установленную на корпусе 1, элементы СВЧ схемы 5, плоские проводники полосковых элементов СВЧ - схемы 5, внутренние проводники коаксиальных разъемов, расположенные в отверстиях стенок корпуса 1 и электрически соединенные с плоскими проводниками соответствующих полосковых элементов СВЧ-схемы, внешние проводники 4 коаксиальных разъемов, закрепленные на стенках корпуса 1 соосно своими отверстиями с отверстиями для коаксиальных разъемов и токопроводящий СВЧ-экран 7 полосковых элементов СВЧ-схемы 5, электрически соединенный с внешними проводниками 4 коаксиальных разъемов, причем плоские проводники полосковых элементов СВЧ-схемы 5 нанесены на внутреннюю поверхность стенок и дна чашечного диэлектрического корпуса 1, а токопроводящий СВЧ-экран 7 полосковых элементов СВЧ-схемы 5 выполнен в виде слоя металлизации, нанесенного на внешнюю поверхность корпуса 1 с образованием вокруг отверстий для коаксиальных разъемов участков 6 его внешней поверхности, свободных от металлизации, причем внутренние проводники 3 коаксиальных разъемов жестко соединены со стенками указанных выше отверстий диэлектрического корпуса 1. 2 ил.

Изобретение относится к радиотехнике, а более конкретно к технике сверхвысоких частот (СВЧ), и может быть использовано в широкополосных полосковых СВЧ-устройствах, преимущественно в широкополосных полосковых СВЧ-делителях и сумматорах мощности, в широкополосных СВЧ-фильтрах развязки высоко- и низкочастотных колебаний.

Известен герметичный СВЧ-микроблок, содержащий чашечный герметичный металлический корпус, герметичную крышку, соединенные диэлектрической втулкой, внутренние и внешние проводники коаксиальных разъемов, расположенную на дне корпуса диэлектрическую пластину, с несмежной с корпусом стороны которой расположены элементы СВЧ-схемы, а со смежной с дном корпуса стороны токопроводящий СВЧ-экран, гальванически соединенный пайкой с внешними проводниками коаксиальных разъемов и с дном корпуса [1] Известен полосковый СВЧ-микроблок, содержащий чашечный металлический или металлизированный со всех сторон диэлектрический корпус, крышку, соединенные диэлектрической втулкой внутренние и внешние проводники коаксиальных разъемов, диэлектрическую пластину, с несмежной с корпусом стороны которой расположены элементы СВЧ-схемы, а со смежной с дном корпуса стороны токопроводящий СВЧ-экран, образующий воздушный зазор с дном корпуса и гальванически соединенный с внешними проводниками коаксиальных разъемов и с дном корпуса. При этом коаксиальные разъемы могут быть как соосные (т.е. ось разъема параллельна плоскости контактной площадки), так и перпендикулярные (т.е. ось разъема перпендикулярна плоскости контактной площадки) [2] Известен взятый в качестве прототипа полосковый СВЧ-микроблок, содержащий чашечный металлический или металлизированный со всех сторон диэлектрический корпус с отверстиями для коаксиальных разъемов в его стенках, крышку, установленную на корпусе, элементы СВЧ-схемы, плоские проводники полосковых элементов СВЧ-схемы, внутренние проводники коаксиальных разъемов, расположенные в отверстиях стенок корпуса и электрически соединенные с плоскими проводниками соответствующих полосковых элементов СВЧ-схемы, внешние проводники коаксиальных разъемов, закрепленные на стенках корпуса соосно своими отверстиями с отверстиями для коаксиальных разъемов и токопроводящий СВЧ-экран полосковых элементов СВЧ-схемы, электрически соединенный с внешними проводниками коаксиальных разъемов. Причем внутренние и внешние проводники коаксиальных разъемов соединены диэлектрической втулкой; на дне корпуса расположена диэлектрическая пластина, с несмежной с корпусом стороны которой расположены элементы СВЧ-схемы, а со смежной с дном корпуса стороны - токопроводящий СВЧ-экран, электрически соединенный как с внешними проводниками коаксиальных разъемов, так и с дном корпуса. При этом коаксиальные разъемы могут быть как соосные (т.е. ось разъема параллельна плоскости контактной площадки), так и перпендикулярные (т. е. ось разъема перпендикулярна плоскости контактной площадки) [3] Недостатками указанного микроблока являются: во-первых, сложная конструкция устройства, в состав которой входят специально изготавливаемые диэлектрическая пластина, наносимый на одну из сторон пластины токопроводящий СВЧ-экран, а также диэлектрические втулки для разъемов; во-вторых, трудоемкость и непрочность механического соединения диэлектрической пластины с корпусом, т.к. в частности, при несовпадении материалов корпуса и пластины из-за разности температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) образуются механические напряжения по плоскости соединения, постепенно разрушающие это соединение [4] в-третьих, плохое электрическое соединение токопроводящего СВЧ-экрана с корпусом, т. к. трудно или невозможно обеспечить соединение экрана с дном корпуса по всей плоскости дна корпуса из-за неровностей на соприкасающихся плоскостях дна и экрана (в связи с высокими рабочими частотами устройства зазоры являются паразитными емкостями, устанавливающими существенно ухудшающие работу СВЧ-микроблока паразитные связи; так паразитная емкость всего в 1 пФ на частоте 5 ГГц образует паразитную связь с эквивалентным импедансом 31,8 Ом, что сопоставимо с импедансом полосковой линии из диапазона технологически реализуемых значений импедансов: 10-160 Ом), а также линейно протяженные зазоры являются паразитными направляющими системами (например, волноводами), устанавливающими существенно ухудшающие работу СВЧ-микроблока паразитные связи; в-четвертых, малая используемая площадь для размещения элементов СВЧ-схемы; в-пятых, трудоемкость установки перпендикулярных разъемов, т.к. при их монтаже необходимо сверлить не только корпус, но и диэлектрическую пластину с контактной площадкой, а также принимать специальные меры по недопущению механического и температурного (перегревного) повреждения близлежащих элементов СВЧ-схемы при установке и пайке разъема, а кроме того, реализовывать гальванический контакт внешних проводников разъемов с СВЧ-экраном.

Решаемой технической задачей изобретения является во-первых, упрощение конструкции устройства; во-вторых, уменьшение трудоемкости и улучшение прочности механического соединения диэлектрической пластины с корпусом (в частности, ликвидация механических напряжений из-за разницы ТКЛР в месте соединения диэлектрической пластины с корпусом); в-третьих, улучшение гальванического соединения токопроводящего СВЧ-экрана с корпусом и устранение паразитных емкостей и паразитных направляющих систем между экраном и корпусом устройства; в-четвертых, увеличение используемой площади для размещения элементов СВЧ-схемы; в-пятых, уменьшение трудоемкости установки перпендикулярных разъемов.

Решаемая техническая задача достигнута за счет того, что в известном полосковом СВЧ-микроблоке, содержащем чашечный диэлектрический корпус с отверстиями для коаксиальных разъемов в его стенках, крышку, установленную на корпусе, элементы СВЧ-схемы, плоские проводники полосковых элементов СВЧ-схемы, внутренние проводники коаксиальных разъемов, расположенные в отверстиях стенок корпуса и электрически соединенные с плоскими проводниками соответствующих полосковых элементов СВЧ-схемы, внешние проводники коаксиальных разъемов, закрепленные на стенках корпуса соосно своими отверстиями с отверстиями для коаксиальных разъемов и токопроводящий СВЧ-экран полосковых элементов СВЧ-схемы, электрически соединенный с внешними проводниками коаксиальных разъемов, плоские проводники полосковых элементов СВЧ-схемы нанесены на внутреннюю поверхность стенок и дна чашечного диэлектрического корпуса, а токопроводящий СВЧ-экран полосковых элементов СВЧ-схемы выполнен в виде слоя металлизации, нанесенного на внешнюю поверхность корпуса с образованием вокруг отверстий для коаксиальных разъемов участков его внешней поверхности, свободных от металлизации, причем внутренние проводники коаксиальных разъемов жестко соединены со стенками указанных выше отверстий диэлектрического корпуса.

На фиг. 1 изображена конструкция предложенного полоскового СВЧ-микроблока; на фиг. 2 дана зависимость отношения диаметра отверстия в корпусе для внутреннего проводника коаксиального разъема к толщине стенки корпуса от относительной диэлектрической проницаемости материала корпуса (для случаев 50-омных и 75-омных разъемов; при равенстве толщин дна и стенок корпуса).

Полосковый СВЧ-микроблок (фиг. 1) содержит чашечный диэлектрический корпус 1 (например, из диэлектрика полистирола с относительной диэлектрической проницаемостью, равной пяти, и с толщиной дна и стенок, например, 2 мм) с отверстиями для коаксиальных разъемов в его стенках, крышку 2 (например, из диэлектрика полистирола, металлизированную со всех сторон), установленную на корпусе, элементы СВЧ-схемы, плоские проводники полосковых элементов СВЧ-схемы, внутренние проводники 3 (например, из допускающего пайку металла) коаксиальных разъемов, расположенные в отверстиях стенок корпуса и электрически соединенные с плоскими проводниками соответствующих полосковых элементов СВЧ-схемы, внешние проводники 4 (например, из допускающего пайку металла) коаксиальных разъемов, закрепленные на стенках корпуса соосно своими отверстиями с отверстиями для коаксиальных разъемов и токопроводящий СВЧ-экран полосковых элементов СВЧ-схемы, электрически соединенный с внешними проводниками коаксиальных разъемов, причем плоские проводники полосковых элементов СВЧ-схемы 5 нанесены на внутреннюю поверхность стенок и дна чашечного диэлектрического корпуса 1, а токопроводящий СВЧ-экран полосковых элементов СВЧ-схемы выполнен в виде слоя металлизации, нанесенного на внешнюю поверхность корпуса с образованием вокруг отверстий для коаксиальных разъемов участков 6 корпуса с внешней поверхностью, свободной от металлизации, причем внутренние проводники 3 коаксиальных разъемов жестко соединены со стенками указанных выше отверстий диэлектрического корпуса.

При сборке предложенного устройства в корпус 1 (с предварительно нанесенными элементами СВЧ-схемы и проделанными отверстиями для разъемов) в отверстия в центре участков 6 вставили на клею внутренние проводники 3 разъемов; затем припаяли легкоплавким припоем (например, сплав Розе) внутренние проводники 3 к контактным площадкам полосковой СВЧ-схемы; затем, отдельно, на внешние проводники 4 надели ответные части разъемов (не показаны); затем, используя ответные части разъемов для центровки относительно внутренних проводников 3, установили внешние проводники 4 на внешнюю поверхность корпуса (например, на электропроводящем клее и винтах); после затвердевания электропроводящего клея ответные части сняли и получили готовые разъемы; затем установили крышку 2.

Так как диэлектрик корпуса (например, полистирол) тот же, что применяется в обычной технологии изготовления полосковых СВЧ-устройств, то технологический процесс нанесения элементов СВЧ-схемы и металлизации не подвергся существенным изменениям (например, технология вакуумного напыления с использованием фоторезиста для обеспечения избирательности металлизации). Навесные компоненты установили, например, пайкой легкоплавким припоем (например, сплав Розе). Отверстия в корпусе изготовили, например, сверлением.

При работе предложенного устройства энергию электромагнитных колебаний подают и снимают, подключая внешние устройства к разъемам (для которых участки 6 корпуса выполняют роль электроизолирующих втулок). При распространении энергии электромагнитных колебаний по элементам СВЧ-схемы 5 (например, по полосковым линиям полосковой топологии) сам корпус 1 выполняет функции диэлектрической пластины, а слой металлизации на наружной поверхности корпуса выполняет функции токопроводящего СВЧ-экрана для элементов СВЧ-схемы. Если схема микроблока содержит активные (например, полупроводниковые) элементы, то питание подается по СВЧ-тракту, используя СВЧ разъемы, с частотным разделением элементами схемы внутри микроблока.

По сравнению с прототипом в предложенном устройстве упрощена конструкции микроблока за счет того, что, во-первых, не нужно специально изготавливать диэлектрическую пластину-подложку, т.к. сам корпус выполняет ее функции; во-вторых, не нужно специально изготавливать СВЧ-экран, т.к. в предложенном устройстве слой металлизации на наружной поверхности корпуса выполняет функции токопроводящего СВЧ-экрана; в-третьих, не нужно специально изготавливать диэлектрические втулки коаксиальных разъемов, т.к. неметаллизированные участки корпуса выполняют роль втулок.

По сравнению с прототипом в предложенном устройстве уменьшена трудоемкость и улучшена прочность механического соединения диэлектрической пластины с корпусом, а также ликвидированы механические напряжения из-за разницы ТКЛР в месте соединения диэлектрической пластины с корпусом, т.к. диэлектрическая пластина и корпус в предложенном устройстве составляют единое целое.

По сравнению с прототипом в предложенном устройстве улучшено электрическое соединение токопроводящего СВЧ-экрана с корпусом и устранены паразитные емкости и паразитные направляющие системы между экраном и корпусом, т.к. СВЧ-экран и слой наружной металлизации корпуса в предложенном устройстве составляют единое целое.

По сравнению с прототипом в предложенном устройстве увеличена используемая площадь для размещения элементов СВЧ-схемы за счет использования площади не только дна корпуса, как в прототипе, но и боковых стенок корпуса. Таким образом, в предложенном устройстве площадь СВЧ-топологии может превышать площадь дна корпуса на величину, равную суммарной площади боковых стенок корпуса. В частности, удобно использовать площадь боковых стенок для размещения контактных площадок для перпендикулярных разъемов. Кроме того, толщина стенок и дна корпуса может быть различной, что позволило выполнить элементы СВЧ-схемы с высокими требованиями по разрешающей способности (например, щелевые зазоры, тонкие проводники) более крупными из-за расположения их на более толстом диэлектрическом основании (поскольку ширины зазоров и толщины проводников пропорциональны толщине диэлектрического основания), а элементы СВЧ-схемы с невысокими требованиями по разрешающей способности (например, проводники с контактными площадками) с целью уменьшения габаритов устройства реализованы менее крупными в силу выполнения их на менее толстом диэлектрическом основании.

По сравнению с прототипом в предложенном устройстве уменьшена трудоемкость установки перпендикулярных разъемов. Во-первых, при их установке необходимо сверлить не два элемента (пластина и корпус), как в прототипе, а только один элемент корпус (т.к. пластина и корпус в предложенном устройстве составляют единое целое). Во-вторых, пространственное отдаление контактных площадок (например, перенесение их на боковые стенки корпуса; см. средние разъемы на фиг. 1) от наиболее критичных элементов схемы (например, от расположенных на дне корпуса навесных полупроводниковых СВЧ-элементов) позволило в предложенном устройстве не принимать специальные меры (необходимые в прототипе) по недопущению механического и температурного (перегревного) повреждения наиболее критичных элементов схемы при установке и пайке разъема. А так как отдаление разъемов пространственное (перпендикулярно дну; см. средние разъемы на фиг. 1), а не в плоскости дна, то габариты устройства в целом при этом не увеличились. В-третьих, в предложенном устройстве необходимо обеспечивать гальванический контакт внешних проводников разъемов только с наружным слоем металлизации корпуса, который одновременно является и СВЧ-экраном, тогда как в прототипе надо дополнительно соединять внешний проводник разъема с СВЧ-экраном. Данное положение относится и к соосным разъемам. В конечном итоге, электрические характеристики микроблока в целом улучшились, т. к. уменьшение трудоемкости установки перпендикулярных разъемов до уровня соосных сделало целесообразным широкое применение перпендикулярных разъемов, которые имеют лучшее электромагнитное согласование (в частности, КСВН) по сравнению с соосными.

Выбрать диаметр отверстия в корпусе для внутреннего проводника разъема можно, например, по графику на фиг. 2, где дана зависимость отношения (d/h) диаметра отверстия в корпусе (d) для внутреннего проводника коаксиального разъема к толщине стенки корпуса (h) от относительной диэлектрической проницаемости () материала корпуса (для случаев 50-омных и 75-омных разъемов; при равенстве толщин дна и стенок корпуса).

Дополнительным достоинством предложенного устройства является многовариантность компенсации нежелательной последовательной индуктивности внутреннего проводника разъема параллельной емкостью не только путем выбора диаметра внутреннего проводника (например, по графику на фиг. 2), но и выбором внешнего диаметра неметаллизированных участков корпуса, что увеличило диапазон конструктивных вариантов разъемов, а также улучшило электромагнитное согласование входа разъема (при одновременной компенсации обоими способами).

К дополнительным достоинствам предложенного устройства относится более высокая совместимость и сопрягаемость пары "разъем ответная часть", т.к. ответные части разъемов использовались для центровки разъемов при сборке микроблока, в отличие от раздельной сборки разъемов и их ответных частей в прототипе и аналогах.

Также к дополнительным достоинствам предложенного устройства относится одинаковость конструкции внутренних и внешних проводников разъемов как для перпендикулярных (например, средние разъемы на фиг. 1), так для соосных (например, боковые разъемы на фиг. 1) разъемов. Это существенно расширило функциональные возможности микроблока (можно менять вид разъемов для лучшего согласования с конкретной СВЧ-схемой, не меняя при этом их конструкцию).

Также к дополнительным достоинствам предложенного устройства относится уменьшение веса за счет объединения различных функций в одном элементе конструкции (диэлектрическая пластина и корпус; диэлектрические втулки разъемов и корпус).

Изготовленные опытные образцы предложенного полоскового СВЧ-микроблока показали, что они по эксплуатационным параметрам не уступают известным нам аналогам и прототипу.

Формула изобретения

Плоский СВЧ-микроблок, содержащий чашечный диэлектрический корпус с отверстиями для коаксиальных разъемов в его стенках, крышку, установленную на корпусе, элементы СВЧ-схемы, плоские проводники полосковых элементов СВЧ-схемы, внутренние проводники коаксиальных разъемов, расположенные в отверстиях стенок корпуса и электрически соединенные с плоскими проводниками соответствующих полосковых элементов СВЧ-схемы, внешние проводники коаксиальных разъемов, закрепленные на стенках корпуса соосно своими отверстиями с отверстиями для коаксиальных разъемов, и токопроводящий СВЧ-экран полосковых элементов СВЧ-схемы, электрически соединенный с внешними проводниками коаксиальных разъемов, отличающийся тем, что плоские проводники полосковых элементов СВЧ-схемы нанесены на внутреннюю поверхность стенок и дна чашечного диэлектрического корпуса, а токопроводящий СВЧ-экран полосковых элементов СВЧ-схемы выполнен в виде слоя металлизации, нанесенного на внешнюю поверхность корпуса с образованием вокруг отверстий для коаксиальных разъемов участков его внешней поверхности, свободных от металлизации, причем внутренние проводники коаксиальных разъемов жестко соединены со стенками указанных выше отверстий диэлектрического корпуса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2