eng
Выпуск #5/2010
Ю.Еремеев, И.Малышев, С.Симаков.
Мощные СВЧ-резисторы: оценка предельных частотно-мощностных характеристик
Мощные СВЧ-резисторы: оценка предельных частотно-мощностных характеристик
Просмотры: 5835
В последние два десятилетия резко возрос выпуск гражданской аппаратуры, работающей в диапазонах высоких и сверхвысоких частот (ВЧ и СВЧ) – мобильных телефонов, спутниковых навигаторов, современной компьютерной техники и т.п. Для таклй аппаратуры потребовались электронные СВЧ-компоненты нового поколения с более жесткими требованиями к массогабаритным параметрам. Это, вкупе с переходом производства электронной аппаратуры на технологию поверхностного монтажа, привело к созданию нового типа пассивных электронных компонентов в так называемом чип-исполнении. Одновременно изменились и требования к резистивным компонентам, в частности – к мощным СВЧ-резисторам. Основные из них – повышение удельной рассеиваемой мощности при сохранении требований к временной стабильности параметров и диапазону рабочих частот. Как этого достичь?
Современные резистивные компоненты
Чип-резисторы в традиционном исполнении (рис.1а) характеризуются небольшой мощностью рассеяния (до единиц ватт) и предназначены для поверхностного монтажа. Небольшая мощность рассеяния обусловлена плохим отводом тепла как при конвективном охлаждении, так и при отводе тепла через торцевые контакты в печатные проводники платы. Основной паразитный параметр таких компонентов, ограничивающий их диапазон рабочих частот, – последовательная индуктивность.
Резисторы и оконечные нагрузки с металлизированной нижней поверхностью (рис.1б,в) могут устанавливаться на теплоотвод. Они не предназначены для поверхностного монтажа, а устанавливаются, как правило, с торца печатной платы на общее с ней теплоотводящее основание (корпус) и подключаются ленточными проводниками. В качестве подложки используется высокотеплопроводная керамика, как правило, на основе оксида бериллия или нитрида алюминия. Тепло отводится через всю нижнюю поверхность резистора, в результате мощность рассеяния может составлять 800–1000 Вт для компонентов с габаритами 25×25 мм.
Диапазон рабочих частот таких резисторов ограничивает в основном параллельная емкость между резистивным элементом с контактными площадками и корпусом. Для компенсации паразитной емкости в конструкцию резисторов интегрируется индуктивный элемент либо, при наладке аппаратуры, для согласования также может использоваться собственная индуктивность ленточных коммутационных проводников.
Выпускаются резисторы и оконечные нагрузки (рис.1г,д), сочетающие основные достоинства описанных выше резисторов – возможность поверхностного монтажа и повышенные значения мощности рассеяния. Их мощность рассеяния ограничена 40–50 Вт при габаритах 9×9 мм, что обусловлено меньшей площадью металлизации нижней поверхности компонента и повышенным тепловым сопротивлением теплоотвода, образованным специальной контактной областью на печатной плате с множеством металлизированных заполненных припоем отверстий (рис.2).
На основе чип-резисторов в вариантах исполнения, показанных на рис.1б,в, изготавливаются выводные резисторы, в том числе смонтированные на фланцевый теплоотвод или теплоотвод с винтом (рис.3). Последний вариант обеспечивает более плотный монтаж, но при высокой мощности рассеяния (100 Вт и более) и повышении требований к уровню импульсной мощности целесообразнее исполнение с фланцем. В этом случае масса металла в два-три раза больше, чем в варианте с винтом, а выделяемая мощность рассеивается по поверхности большей площади.
Еще один тип востребованных резистивных компонентов – СВЧ-аттенюаторы на мощности рассеяния до 150 Вт с диапазоном ослабления 1–30 дБ и диапазоном рабочих частот до единиц гигагерц (рис.4). Они выпускаются для поверхностного монтажа (мощность рассеяния – десятки ватт) и в исполнении для монтажа на теплоотвод – фланцевые и бесфланцевые (мощность рассеяния – сотни ватт).
Российской промышленностью освоены только маломощные чип-резисторы (рис.1а), а также сравнительно небольшая номенклатура выводных резисторов (рис.3). Не выпускаются резисторы повышенной мощности для поверхностного монтажа (рис.1 г, д) и мощные чип-аттенюаторы, хотя это одни из наиболее востребованных исполнений резистивных компонентов.
Повышение удельной рассеиваемой мощности при сохранении диапазона рабочих частот (частотно-мощностных характеристик) резистивных компонентов достигается выбором материалов, технологии нанесения пленочных проводящих и резистивных слоев, оптимизацией их геометрии, равномерным тепловыделением по поверхности, расчетом топологии цепей коррекции частотных характеристик. Так, среднюю мощность рассеяния можно повысить, применяя диэлектрические подложки с высокой теплопроводностью. Широко используются подложки из керамики на основе оксида бериллия с коэффициентом теплопроводности λТ ≈ 210 Вт/(м·К) и нитрида алюминия (λТ ≈ 180 Вт/(м·К)). Перспективны материалы на основе нитрида бора (λТ ≈ 800 Вт/(м·К)), окмала и теплонита (λТ ≈ 400 Вт/(м·К)) [1].
Увеличение импульсной мощности рассеяния возможно при предварительном нанесении на подложку тонких покрытий с высокими теплоемкостью и теплопроводностью. Например, покрытие подложки из нитрида алюминия алмазной пленкой (λТ ≈ 1000 Вт/(м·К)) толщиной не менее глубины прогрева слоя (50–70 мкм) за время воздействия импульса, увеличивает предельно рассеиваемую импульсную мощность в 5–8 раз, а среднюю – в 1,3–1,4 раза [2]. Определенное повышение импульсной рассеиваемой мощности достигается в резистивных компонентах, изготовленных по толстопленочной технологии за счет распределения тепла в большем объеме резистивной пленки. Но у толстопленочной технологии есть ощутимые недостатки – худшая стабильность параметров наносимых пленок и меньшая точность формирования топологии.
Один из способов повышения частотно-мощностных характеристик – каскадное включение нескольких резистивных элементов, разделяемых отрезками однородных линий передачи. Задача оптимизации такой конструкции формулируется как задача чебышевской аппроксимации с множеством варьируемых параметров. Использование нагрузок с числом каскадов от двух до четырех позволяет увеличить диапазон частот в 2–4 раза при росте требований к допускам на размеры элементов. По сути, происходит переход к квазираспределенной структуре резистивного компонента. Дальнейшее улучшение характеристик возможно при переходе к структурам с распределенными параметрами [3].
Из анализа отечественных и зарубежных источников видны основные направления работ по созданию СВЧ-резисторов и оконечных нагрузок с высокими частотно-мощностными характеристиками:
* использование элементов коррекции, например в виде включаемого последовательно с резистивным элементом пленочного индуктивного элемента для компенсации входной емкости резистора или оконечной нагрузки (для исполнений, представленных на рис.1б,в). Это направление интенсивно развивается и позволяет расширить диапазон рабочих частот в зависимости от конструкции компонента в 1,3–3 раза;
* построение резистивного компонента в виде последовательности частичных резисторов с компенсацией паразитной емкости каждого из них пленочным индуктивным элементом. Это направление связано с переходом к квазираспределенным структурам и обеспечивает существенно большее расширение диапазона рабочих частот;
* использование длинных линий с повышенными погонными потерями, приводящих к постепенному поглощению СВЧ-мощности по длине линии. Это направление, связанное с переходом к распределенным структурам, теоретически позволяет создавать элементы без ограничений по частотно-мощностным характеристикам.
Оценка частотно-мощностных характеристик
Для оценки предельных частотно-мощностных характеристик вводится критерий – коэффициент качества резисторов (оконечных нагрузок), определяемый произведением максимальной мощности рассеяния P и граничной рабочей частоты FГР. Для резистивных компонентов одного и того же класса (например, для оконечной нагрузки с корректирующим индуктивным элементом) коэффициент качества постоянен: K = P×FГР = const. Таким образом, для одного класса резистивных компонентов можно, например, увеличить мощность рассеяния при одновременном сужении диапазона рабочих частот. Для одновременного увеличения как мощности рассеяния, так и диапазона рабочих частот необходимы уже рассмотренные специальные технические решения.
Рассеиваемая резистором мощность зависит от его конструкции, параметров материалов подложки и теплоотвода. Качественная оценка мощности рассеяния при допущении, что на границе подложки и теплоотвода поддерживается постоянная температура, равная температуре теплоотвода (это допущение, как показали расчеты по трехмерным тепловым моделям, выполняется с погрешностью 20–30%, что для практических расчетов слишком грубо, но для качественных оценок вполне приемлемо), дает:
P = D·λT·∆T, [Вт],
где D – конструктивный коэффициент, зависящий от размеров и формы компонента, м; λT – коэффициент теплопроводности материала подложки при рабочей температуре резистора, Вт/(м·К); ∆T – допустимая разность температур резистивной пленки и теплоотвода, K.
Для мощных резисторов основной паразитный параметр – емкость между резистивным элементом с контактными площадками и корпусом. Поэтому, положив, что граничная рабочая частота резистора определяется частотой среза RC цепи FRC = 1/RC, получается:
где ε – относительная диэлектрическая проницаемость материала подложки; ε0 – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума; Dc – конструктивный коэффициент для паразитной электрической емкости C = ε·ε0·Dc, зависящий от площади резистивного слоя, толщины подложки, конструкции резистора; R – сопротивление резистора.
Качество материала подложки с точки зрения достижимых характеристик резистора зависит от соотношения ∆Т / ε. Повышение допустимой разности температур пленки и теплоотвода ∆T (зависит от материала резистивной пленки и технологии) пропорционально улучшает качество резистора. Номинальное сопротивление резистора связано с его показателем качества обратной зависимостью. Она нарушается при низких номиналах (R << 50 Ом), когда основное влияние будет оказывать паразитная индуктивность.
Таким образом, для повышения частотно-мощностных параметров необходимо применять подложки из материалов с наибольшей величиной отношения ∆Т / ε, использовать керамические, резистивные, проводниковые и защитные материалы, обеспечивающие работоспособность компонентов при больших значениях разности температур ∆T. Кроме того, широкие возможности по повышению величины К предоставляют различные конструктивные решения (введение элементов коррекции, применение резистивных пленок с изменяющимся по определенному закону топологическому рисунку или поверхностному сопротивлению резистивного элемента и т. д.).
Условно резисторы по предельно достижимым частотно-мощностным параметрам можно разделить на пять классов в зависимости от способов и уровня их согласования с трактом (рис.5).
Класс 1 – изделия с широкой пленкой (по сравнению с шириной согласованного проводника полосковой линии), не согласованные по волновому сопротивлению с трактом. Наиболее распространенная конструкция, монтируемая в подготовленное отверстие или торец линии. Для подложек из нитрида алюминия достижимая величина К ≤ 70 Вт·ГГц.
Класс 2 – изделия на подложке, частично согласованные с трактом. Ширина резистивной пленки на подложке выбирается такой, чтобы волновое сопротивление полосковой линии, образованной пленкой, составляло 30–40 Ом. Рассматривая резистор как длинную линию с потерями, для нормированного входного сопротивления получается
Zвх / R = 1 + (2/3) (R / ρ0)2 / y2 + j [1 – (R / ρ0)2 / 3] / y,
где y = R / (βolρ0); βo = 2π/λ; λ и ρ0 – длина волны в линии передачи и ее волновое сопротивление при отсутствии потерь, соответственно; R – омическое сопротивление нагрузки (обычно 50 Ом); l – длина резистивного элемента. Отклонение Zвх от R минимально при ρ0 = R/√3 ≈ 35 Ом. При этом мнимый член исчезает и величина Zвх/R приобретает квадратичную зависимость от частоты. Достижимая величина К ≤ 140 Вт·ГГц.
Класс 3 – однозвенные изделия, согласованные дополнительными элементами. Фундаментальная оценка сверху для качества согласования любой комплексной нагрузки получена в работе Боде [4]. Она малопригодна на практике, поскольку не позволяет оценить качество согласования при конечном числе согласующих элементов. При использовании подложки из нитрида алюминия практически достижимые величины К ≤ 250...450 Вт·ГГц.
Класс 4 – изделия из нескольких резистивных элементов на одной подложке, связанных через согласующие элементы. Практически достижимые для подложек из нитрида алюминия величины К ≤ 500...600 Вт·ГГц.
Класс 5 – изделия, согласованные с волновым процессом, в которых постепенно увеличиваются погонные потери. Это происходит за счет плавного изменения по определенному закону ширины резистивной пленки и ее поверхностного сопротивления, а также путем шунтирования основной резистивной пленки другой, с изменяющимся по длине поверхностным сопротивлением и замыкающейся по торцам подложки на корпус. Такие изделия теоретически не имеют ограничений на рассеиваемую мощность и диапазон частот. Величина К определяется конструкцией и ограничивается ее габаритами и погрешностями практической реализации конструктивных параметров. Ее можно оценить как К ≤ 2...5 кВт·ГГц и более для не слишком сложных конструкций.
Сегодня широко применяются компоненты классов 1–3. Проектирование и производство резистивных компонентов классов 4 и 5 – это технически и технологически более сложная задача, и их использование ограничивается специальными применениями.
Авторы выражают благодарность за помощь
при подготовке статьи И.Г. Белкову,
д.т.н. С.Л.Моругину и к.т.н. В.Д.Садкову
Литература
1. Крючатов В.И., Карамов Ф.А. Конструктивно-технологические вопросы проектирования тонкопленочных резистивных нагрузок ГИС СВЧ-диапазона при воздействии импульсной мощности. Электронное приборостроение. – Научно-технический сборник: Казань, 2002, с.108–116.
2. Ральченко В.Г., Савельев А.В. Двухслойные теплоотводящие диэлектрические подложки алмаз – нитрид алюминия. – Микроэлектроника, 2006, т. 35, № 4, с.243–250.
3. Гипсман А.И., Красноперкин В.М., Самохин Г.С., Силин Р.А. Современные методы и результаты квазистатического анализа полосковых нагрузочных устройств. – М.: ЦНИИ "Электроника", 2004.
4. Боде Г. Теория цепей и проектирование усилителей с обратной связью. – М.: Государственное издательство иностранной литературы, 1948.
Чип-резисторы в традиционном исполнении (рис.1а) характеризуются небольшой мощностью рассеяния (до единиц ватт) и предназначены для поверхностного монтажа. Небольшая мощность рассеяния обусловлена плохим отводом тепла как при конвективном охлаждении, так и при отводе тепла через торцевые контакты в печатные проводники платы. Основной паразитный параметр таких компонентов, ограничивающий их диапазон рабочих частот, – последовательная индуктивность.
Рис.1. Варианты исполнения чип-резистивных компонентов: в традиционном исполнении для поверхностного монтажа (а); резисторы (б) и оконечные нагрузки (в) с металлизированной нижней поверхностью; резисторы (г) и оконечные нагрузки (д) с частично металлизиро
Резисторы и оконечные нагрузки с металлизированной нижней поверхностью (рис.1б,в) могут устанавливаться на теплоотвод. Они не предназначены для поверхностного монтажа, а устанавливаются, как правило, с торца печатной платы на общее с ней теплоотводящее основание (корпус) и подключаются ленточными проводниками. В качестве подложки используется высокотеплопроводная керамика, как правило, на основе оксида бериллия или нитрида алюминия. Тепло отводится через всю нижнюю поверхность резистора, в результате мощность рассеяния может составлять 800–1000 Вт для компонентов с габаритами 25×25 мм.
Диапазон рабочих частот таких резисторов ограничивает в основном параллельная емкость между резистивным элементом с контактными площадками и корпусом. Для компенсации паразитной емкости в конструкцию резисторов интегрируется индуктивный элемент либо, при наладке аппаратуры, для согласования также может использоваться собственная индуктивность ленточных коммутационных проводников.
Выпускаются резисторы и оконечные нагрузки (рис.1г,д), сочетающие основные достоинства описанных выше резисторов – возможность поверхностного монтажа и повышенные значения мощности рассеяния. Их мощность рассеяния ограничена 40–50 Вт при габаритах 9×9 мм, что обусловлено меньшей площадью металлизации нижней поверхности компонента и повышенным тепловым сопротивлением теплоотвода, образованным специальной контактной областью на печатной плате с множеством металлизированных заполненных припоем отверстий (рис.2).
Рис.2. Установка мощных чип-резистивных компонентов для поверхностного монтажа на печатную плату
На основе чип-резисторов в вариантах исполнения, показанных на рис.1б,в, изготавливаются выводные резисторы, в том числе смонтированные на фланцевый теплоотвод или теплоотвод с винтом (рис.3). Последний вариант обеспечивает более плотный монтаж, но при высокой мощности рассеяния (100 Вт и более) и повышении требований к уровню импульсной мощности целесообразнее исполнение с фланцем. В этом случае масса металла в два-три раза больше, чем в варианте с винтом, а выделяемая мощность рассеивается по поверхности большей площади.
Еще один тип востребованных резистивных компонентов – СВЧ-аттенюаторы на мощности рассеяния до 150 Вт с диапазоном ослабления 1–30 дБ и диапазоном рабочих частот до единиц гигагерц (рис.4). Они выпускаются для поверхностного монтажа (мощность рассеяния – десятки ватт) и в исполнении для монтажа на теплоотвод – фланцевые и бесфланцевые (мощность рассеяния – сотни ватт).
Рис.3. Варианты исполнения выводных мощных резистивных СВЧ-компонентов: а) выводные бесфланцефые; б) выводные фланцевые; в) выводные на теплоотводе с винтом
Российской промышленностью освоены только маломощные чип-резисторы (рис.1а), а также сравнительно небольшая номенклатура выводных резисторов (рис.3). Не выпускаются резисторы повышенной мощности для поверхностного монтажа (рис.1 г, д) и мощные чип-аттенюаторы, хотя это одни из наиболее востребованных исполнений резистивных компонентов.
Повышение удельной рассеиваемой мощности при сохранении диапазона рабочих частот (частотно-мощностных характеристик) резистивных компонентов достигается выбором материалов, технологии нанесения пленочных проводящих и резистивных слоев, оптимизацией их геометрии, равномерным тепловыделением по поверхности, расчетом топологии цепей коррекции частотных характеристик. Так, среднюю мощность рассеяния можно повысить, применяя диэлектрические подложки с высокой теплопроводностью. Широко используются подложки из керамики на основе оксида бериллия с коэффициентом теплопроводности λТ ≈ 210 Вт/(м·К) и нитрида алюминия (λТ ≈ 180 Вт/(м·К)). Перспективны материалы на основе нитрида бора (λТ ≈ 800 Вт/(м·К)), окмала и теплонита (λТ ≈ 400 Вт/(м·К)) [1].
Увеличение импульсной мощности рассеяния возможно при предварительном нанесении на подложку тонких покрытий с высокими теплоемкостью и теплопроводностью. Например, покрытие подложки из нитрида алюминия алмазной пленкой (λТ ≈ 1000 Вт/(м·К)) толщиной не менее глубины прогрева слоя (50–70 мкм) за время воздействия импульса, увеличивает предельно рассеиваемую импульсную мощность в 5–8 раз, а среднюю – в 1,3–1,4 раза [2]. Определенное повышение импульсной рассеиваемой мощности достигается в резистивных компонентах, изготовленных по толстопленочной технологии за счет распределения тепла в большем объеме резистивной пленки. Но у толстопленочной технологии есть ощутимые недостатки – худшая стабильность параметров наносимых пленок и меньшая точность формирования топологии.
Один из способов повышения частотно-мощностных характеристик – каскадное включение нескольких резистивных элементов, разделяемых отрезками однородных линий передачи. Задача оптимизации такой конструкции формулируется как задача чебышевской аппроксимации с множеством варьируемых параметров. Использование нагрузок с числом каскадов от двух до четырех позволяет увеличить диапазон частот в 2–4 раза при росте требований к допускам на размеры элементов. По сути, происходит переход к квазираспределенной структуре резистивного компонента. Дальнейшее улучшение характеристик возможно при переходе к структурам с распределенными параметрами [3].
Из анализа отечественных и зарубежных источников видны основные направления работ по созданию СВЧ-резисторов и оконечных нагрузок с высокими частотно-мощностными характеристиками:
* использование элементов коррекции, например в виде включаемого последовательно с резистивным элементом пленочного индуктивного элемента для компенсации входной емкости резистора или оконечной нагрузки (для исполнений, представленных на рис.1б,в). Это направление интенсивно развивается и позволяет расширить диапазон рабочих частот в зависимости от конструкции компонента в 1,3–3 раза;
* построение резистивного компонента в виде последовательности частичных резисторов с компенсацией паразитной емкости каждого из них пленочным индуктивным элементом. Это направление связано с переходом к квазираспределенным структурам и обеспечивает существенно большее расширение диапазона рабочих частот;
* использование длинных линий с повышенными погонными потерями, приводящих к постепенному поглощению СВЧ-мощности по длине линии. Это направление, связанное с переходом к распределенным структурам, теоретически позволяет создавать элементы без ограничений по частотно-мощностным характеристикам.
Рис.4. Варианты исполнения мощных СВЧ-аттенюаторов: а) для поверхностного монтажа, б) выводные бесфланцевые, в) выводные фланцевые
Оценка частотно-мощностных характеристик
Для оценки предельных частотно-мощностных характеристик вводится критерий – коэффициент качества резисторов (оконечных нагрузок), определяемый произведением максимальной мощности рассеяния P и граничной рабочей частоты FГР. Для резистивных компонентов одного и того же класса (например, для оконечной нагрузки с корректирующим индуктивным элементом) коэффициент качества постоянен: K = P×FГР = const. Таким образом, для одного класса резистивных компонентов можно, например, увеличить мощность рассеяния при одновременном сужении диапазона рабочих частот. Для одновременного увеличения как мощности рассеяния, так и диапазона рабочих частот необходимы уже рассмотренные специальные технические решения.
Рассеиваемая резистором мощность зависит от его конструкции, параметров материалов подложки и теплоотвода. Качественная оценка мощности рассеяния при допущении, что на границе подложки и теплоотвода поддерживается постоянная температура, равная температуре теплоотвода (это допущение, как показали расчеты по трехмерным тепловым моделям, выполняется с погрешностью 20–30%, что для практических расчетов слишком грубо, но для качественных оценок вполне приемлемо), дает:
P = D·λT·∆T, [Вт],
где D – конструктивный коэффициент, зависящий от размеров и формы компонента, м; λT – коэффициент теплопроводности материала подложки при рабочей температуре резистора, Вт/(м·К); ∆T – допустимая разность температур резистивной пленки и теплоотвода, K.
Для мощных резисторов основной паразитный параметр – емкость между резистивным элементом с контактными площадками и корпусом. Поэтому, положив, что граничная рабочая частота резистора определяется частотой среза RC цепи FRC = 1/RC, получается:
где ε – относительная диэлектрическая проницаемость материала подложки; ε0 – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума; Dc – конструктивный коэффициент для паразитной электрической емкости C = ε·ε0·Dc, зависящий от площади резистивного слоя, толщины подложки, конструкции резистора; R – сопротивление резистора.
Качество материала подложки с точки зрения достижимых характеристик резистора зависит от соотношения ∆Т / ε. Повышение допустимой разности температур пленки и теплоотвода ∆T (зависит от материала резистивной пленки и технологии) пропорционально улучшает качество резистора. Номинальное сопротивление резистора связано с его показателем качества обратной зависимостью. Она нарушается при низких номиналах (R << 50 Ом), когда основное влияние будет оказывать паразитная индуктивность.
Таким образом, для повышения частотно-мощностных параметров необходимо применять подложки из материалов с наибольшей величиной отношения ∆Т / ε, использовать керамические, резистивные, проводниковые и защитные материалы, обеспечивающие работоспособность компонентов при больших значениях разности температур ∆T. Кроме того, широкие возможности по повышению величины К предоставляют различные конструктивные решения (введение элементов коррекции, применение резистивных пленок с изменяющимся по определенному закону топологическому рисунку или поверхностному сопротивлению резистивного элемента и т. д.).
Условно резисторы по предельно достижимым частотно-мощностным параметрам можно разделить на пять классов в зависимости от способов и уровня их согласования с трактом (рис.5).
Класс 1 – изделия с широкой пленкой (по сравнению с шириной согласованного проводника полосковой линии), не согласованные по волновому сопротивлению с трактом. Наиболее распространенная конструкция, монтируемая в подготовленное отверстие или торец линии. Для подложек из нитрида алюминия достижимая величина К ≤ 70 Вт·ГГц.
Класс 2 – изделия на подложке, частично согласованные с трактом. Ширина резистивной пленки на подложке выбирается такой, чтобы волновое сопротивление полосковой линии, образованной пленкой, составляло 30–40 Ом. Рассматривая резистор как длинную линию с потерями, для нормированного входного сопротивления получается
Zвх / R = 1 + (2/3) (R / ρ0)2 / y2 + j [1 – (R / ρ0)2 / 3] / y,
где y = R / (βolρ0); βo = 2π/λ; λ и ρ0 – длина волны в линии передачи и ее волновое сопротивление при отсутствии потерь, соответственно; R – омическое сопротивление нагрузки (обычно 50 Ом); l – длина резистивного элемента. Отклонение Zвх от R минимально при ρ0 = R/√3 ≈ 35 Ом. При этом мнимый член исчезает и величина Zвх/R приобретает квадратичную зависимость от частоты. Достижимая величина К ≤ 140 Вт·ГГц.
Класс 3 – однозвенные изделия, согласованные дополнительными элементами. Фундаментальная оценка сверху для качества согласования любой комплексной нагрузки получена в работе Боде [4]. Она малопригодна на практике, поскольку не позволяет оценить качество согласования при конечном числе согласующих элементов. При использовании подложки из нитрида алюминия практически достижимые величины К ≤ 250...450 Вт·ГГц.
Класс 4 – изделия из нескольких резистивных элементов на одной подложке, связанных через согласующие элементы. Практически достижимые для подложек из нитрида алюминия величины К ≤ 500...600 Вт·ГГц.
Класс 5 – изделия, согласованные с волновым процессом, в которых постепенно увеличиваются погонные потери. Это происходит за счет плавного изменения по определенному закону ширины резистивной пленки и ее поверхностного сопротивления, а также путем шунтирования основной резистивной пленки другой, с изменяющимся по длине поверхностным сопротивлением и замыкающейся по торцам подложки на корпус. Такие изделия теоретически не имеют ограничений на рассеиваемую мощность и диапазон частот. Величина К определяется конструкцией и ограничивается ее габаритами и погрешностями практической реализации конструктивных параметров. Ее можно оценить как К ≤ 2...5 кВт·ГГц и более для не слишком сложных конструкций.
Сегодня широко применяются компоненты классов 1–3. Проектирование и производство резистивных компонентов классов 4 и 5 – это технически и технологически более сложная задача, и их использование ограничивается специальными применениями.
Авторы выражают благодарность за помощь
при подготовке статьи И.Г. Белкову,
д.т.н. С.Л.Моругину и к.т.н. В.Д.Садкову
Литература
1. Крючатов В.И., Карамов Ф.А. Конструктивно-технологические вопросы проектирования тонкопленочных резистивных нагрузок ГИС СВЧ-диапазона при воздействии импульсной мощности. Электронное приборостроение. – Научно-технический сборник: Казань, 2002, с.108–116.
2. Ральченко В.Г., Савельев А.В. Двухслойные теплоотводящие диэлектрические подложки алмаз – нитрид алюминия. – Микроэлектроника, 2006, т. 35, № 4, с.243–250.
3. Гипсман А.И., Красноперкин В.М., Самохин Г.С., Силин Р.А. Современные методы и результаты квазистатического анализа полосковых нагрузочных устройств. – М.: ЦНИИ "Электроника", 2004.
4. Боде Г. Теория цепей и проектирование усилителей с обратной связью. – М.: Государственное издательство иностранной литературы, 1948.
Отзывы читателей
