eng
Выпуск #4/2024
С. Сковородников, Д. Семенов
РАЗРАБОТКА И МОДЕЛИРОВАНИЕ СВЧ-ФИЛЬТРА С КОНТАКТАМИ ТИПА FLIP-CHIP
РАЗРАБОТКА И МОДЕЛИРОВАНИЕ СВЧ-ФИЛЬТРА С КОНТАКТАМИ ТИПА FLIP-CHIP
Просмотры: 702
DOI: 10.22184/1992-4178.2024.235.4.72.74
В статье представлены результаты моделирования СВЧ полосно-пропускающего фильтра с использованием отечественной САПР «Гамма» и сравнение их с параметрами, измеренными на серийных образцах. Исследована возможность оценки диэлектрической проницаемости материалов, применяемых для изготовления СВЧ-фильтров.
В статье представлены результаты моделирования СВЧ полосно-пропускающего фильтра с использованием отечественной САПР «Гамма» и сравнение их с параметрами, измеренными на серийных образцах. Исследована возможность оценки диэлектрической проницаемости материалов, применяемых для изготовления СВЧ-фильтров.
Теги: bandpass microwave filter electromagnetic compatibility flip-chip gamma cad simulation smd mounting smd-монтаж моделирование полосно-пропускающий свч-фильтр сапр «гамма» электромагнитная совместимость
Разработка и моделирование СВЧ-фильтра с контактами типа flip-chip
С. Сковородников , Д. Семенов
В рамках совместной работы по проектированию и организации серийного производства полосно-пропускающего фильтра Х-диапазона специалистами ООО «СДС Электроникс» была выполнена разработка СВЧ-фильтра с контактами типа flip-chip. В статье представлены результаты моделирования СВЧ полосно-пропускающего фильтра
с использованием отечественной САПР «Гамма» и сравнение их с параметрами, измеренными на серийных образцах. Исследована возможность оценки диэлектрической проницаемости материалов, применяемых для изготовления СВЧ-фильтров.
Введение
Актуальность проведения разработки полосно-пропускающего фильтра Х-диапазона с контактами типа flip-chip определяется рядом факторов.
Во-первых, современные требования к СВЧ-модулям по массо-габаритным характеристикам, плотности компоновки и стоимостным параметрам не позволяют придерживаться сложившегося сегодня подхода к проектированию достаточно больших микросборок. Если полупроводниковые СВЧ-элементы могут быть интегрированы в кристалл, то пассивные высокодобротные компоненты (фильтры, делители, квадратурные мосты, мосты Ланге, ферритовые циркуляторы) и СВЧ-проводники, как правило, выполняются в виде дискретных габаритных компонентов.
Необходимо также принимать во внимание доступность СВЧ-компонентов на российском рынке, их высокую стоимость и длительные сроки разработки и изготовления. Следует также учитывать юридические ограничения применения ведущих САПР (CST, Ansys, HFSS) для моделирования и расчета основных электрических параметров как СВЧ-компонентов, так и СВЧ-модулей.
Преимуществами СВЧ-компонентов с контактами типа flip-chip являются:
В рамках разработки полосно-пропускающего фильтра Х-диапазона специалисты ООО «СДС Электроникс» ставили перед собой следующие задачи:
познакомить разработчиков с методологией применения и моделирования СВЧ-компонентов с контактами типа flip-chip;
обеспечить при необходимости быструю смену рабочих частот выпускаемых фильтров;
оценить влияние применяемых материалов различных производителей на основные электрические параметры фильтров;
«обкатать» отечественную САПР для применения в разработке СВЧ-устройств.
Особенности СВЧ-фильтров с контактами типа flip-chip
Фильтр представляет собой керамическую подложку с нанесенной на неё по планарной технологии топологией параллельных шлейфов (полуволновых резонаторов с боковой связью). На подложку устанавливается контактная группа столбиковых выводов (bump). Подложка помещается в корпус с проводящим покрытием.
В нашем случае для фильтра был использован типовой корпус от серийно изготавливаемого циркулятора (рис. 1). Топология фильтра также была изготовлена по типовому технологическому процессу, благодаря чему обеспечивается унификация разрабатываемых и выпускаемых СВЧ-приборов (рис. 2). За счет того, что топология размещается под корпусом, достигается эффект экранировки и электромагнитной совместимости.
Фильтр является 4-звенным, полоса пропускания составляет 20% относительно центральной частоты (рис. 3), вносимые потери – порядка 1,2 дБ.
Проверка основных электрических параметров проводилась на тестовой плате, являющейся фрагментом печатной платы модуля.
Моделирование и расчет СВЧ-фильтра
в САПР «Гамма»
Современные САПР для моделирования и расчета СВЧ-устройств являются мощным конструкторским инструментом. Вместе с тем, они требуют от разработчика ряда профессиональных навыков (в том числе при реверс-инжиниринге): филигранной точности построения модели, знания технологического процесса изготовления разрабатываемых устройств, учета электротехнических параметров конструкционных материалов, правильной оценки располагаемыми вычислительными мощностями при построении моделей.
СВЧ-приборы с контактами типа flip-chip работают как объемные системы на диэлектрических резонаторах, несмотря на то, что сам функциональный узел (топология на керамической подложке) является планарным. Сложность построения модели таких приборов в САПР связана с тем, что параметры устройства обеспечиваются, в том числе, за счет подводящих линий, прилегающего объема несущей платы около корпуса, группы переходов между несущей платой и керамической подложкой. По сути, это комплексная трехмерная модель, в которую с высокой точностью нужно заложить технологические зазоры и девиации размеров. Необходимо также точно указать фактические значения физических параметров используемых материалов: проводимость, диэлектрическую проницаемость, тангенс угла потерь и др. Для максимального приближения расчетных данных к реальным параметрам опытные разработчики могут использовать уточненные данные параметров физических свойств материалов и частотную коррекцию АЧХ по результатам измерений.
В САПР «Гамма» была полностью воспроизведена модель разработанного фильтра с тестовой платой. Некоторые элементы фильтра и тестовой платы были импортированы из других САПР. Заданы основные параметры физических свойств используемых материалов, необходимых для проведения электромагнитного анализа и расчета S-параметров фильтра. АЧХ полосно-пропускающего фильтра с контактами типа flip-chip, рассчитанная в САПР «Гамма» и измеренная на серийном образце, представлена на рис. 4.
Для оценки экранирования в САПР «Гамма» были построены распределения амплитуд электрических полей в разных плоскостях фильтра (рис. 5). Оценка распределения полей показывает, что их затухание за пределами корпуса фильтра составляет более 60 дБ относительно подводящих микрополосковых волноводов.
Важным вопросом при расчете параметров СВЧ-устройств является то, какие значения параметров физических свойств материалов указывать в моделях. Производители материалов для СВЧ-приборов зачастую указывают в каталогах нормированные значения, получаемые в результате аттестационных измерений, и отдельно значения параметров для расчетов в САПР. Иногда указанная девиация параметра, например, такого как диэлектрическая проницаемость, имеет настолько большое значение, что без верификации параметров конкретной партии материала не представляется возможным изготовление СВЧ-прибора.
Как корректно оценить параметры используемых материалов, особенно с учетом наличия разных поставщиков материалов? Одним из инструментов оценки может стать сопоставление АЧХ фильтра, рассчитанной в САПР и измеренной на серийном образце. По результатам измерения АЧХ фильтров, изготовленных из материалов разных поставщиков, можно изменять значение диэлектрической проницаемости в модели фильтра в САПР до такой величины, при которой совпадут измеренные и расчетные АЧХ. Полученное значение можно качественно зафиксировать для данного материала, материала данной партии, материала от конкретного поставщика. Затем в САПР можно скорректировать топологию фильтра.
В данной работе была проведена оценка керамического материала одного из поставщиков. Изготовленный образец фильтра имел смещение рабочей полосы вверх по частоте порядка 230 МГц (рис. 6). По расчетам в САПР «Гамма» данное смещение соответствовало разнице величины диэлектрической проницаемости между используемым и предоставленным материалом, равной 0,7.
Заключение
В данной работе были получены следующие результаты:
ЛИТЕРАТУРА
Бахарев С.И., Вольман В.И., Либ Ю.Н. Справочник по расчету и конструированию СВЧ
полосковых устройств, 1982.https://www.sevsu.ru/innovation/sapr-gamma/.
С. Сковородников , Д. Семенов
В рамках совместной работы по проектированию и организации серийного производства полосно-пропускающего фильтра Х-диапазона специалистами ООО «СДС Электроникс» была выполнена разработка СВЧ-фильтра с контактами типа flip-chip. В статье представлены результаты моделирования СВЧ полосно-пропускающего фильтра
с использованием отечественной САПР «Гамма» и сравнение их с параметрами, измеренными на серийных образцах. Исследована возможность оценки диэлектрической проницаемости материалов, применяемых для изготовления СВЧ-фильтров.
Введение
Актуальность проведения разработки полосно-пропускающего фильтра Х-диапазона с контактами типа flip-chip определяется рядом факторов.
Во-первых, современные требования к СВЧ-модулям по массо-габаритным характеристикам, плотности компоновки и стоимостным параметрам не позволяют придерживаться сложившегося сегодня подхода к проектированию достаточно больших микросборок. Если полупроводниковые СВЧ-элементы могут быть интегрированы в кристалл, то пассивные высокодобротные компоненты (фильтры, делители, квадратурные мосты, мосты Ланге, ферритовые циркуляторы) и СВЧ-проводники, как правило, выполняются в виде дискретных габаритных компонентов.
Необходимо также принимать во внимание доступность СВЧ-компонентов на российском рынке, их высокую стоимость и длительные сроки разработки и изготовления. Следует также учитывать юридические ограничения применения ведущих САПР (CST, Ansys, HFSS) для моделирования и расчета основных электрических параметров как СВЧ-компонентов, так и СВЧ-модулей.
Преимуществами СВЧ-компонентов с контактами типа flip-chip являются:
- совместимость с технологией SMD-монтажа (отсутствие ручных операций при монтаже, отверточная сборка, клейка, разварка, селективная пайка, необходимость настройки/регулировки основных электрических параметров);
- минимальные габариты СВЧ-компонента и площади, занимаемой им на печатной плате;
- отсутствие «газящих» материалов, что актуально для применения их в герметичных СВЧ-модулях;
- индивидуальная маркировка для организации прослеживаемости партий и исключения контрафакта;
- высокая электромагнитная совместимость;
- унификация и доступность материалов и технологического процесса.
В рамках разработки полосно-пропускающего фильтра Х-диапазона специалисты ООО «СДС Электроникс» ставили перед собой следующие задачи:
познакомить разработчиков с методологией применения и моделирования СВЧ-компонентов с контактами типа flip-chip;
обеспечить при необходимости быструю смену рабочих частот выпускаемых фильтров;
оценить влияние применяемых материалов различных производителей на основные электрические параметры фильтров;
«обкатать» отечественную САПР для применения в разработке СВЧ-устройств.
Особенности СВЧ-фильтров с контактами типа flip-chip
Фильтр представляет собой керамическую подложку с нанесенной на неё по планарной технологии топологией параллельных шлейфов (полуволновых резонаторов с боковой связью). На подложку устанавливается контактная группа столбиковых выводов (bump). Подложка помещается в корпус с проводящим покрытием.
В нашем случае для фильтра был использован типовой корпус от серийно изготавливаемого циркулятора (рис. 1). Топология фильтра также была изготовлена по типовому технологическому процессу, благодаря чему обеспечивается унификация разрабатываемых и выпускаемых СВЧ-приборов (рис. 2). За счет того, что топология размещается под корпусом, достигается эффект экранировки и электромагнитной совместимости.
Фильтр является 4-звенным, полоса пропускания составляет 20% относительно центральной частоты (рис. 3), вносимые потери – порядка 1,2 дБ.
Проверка основных электрических параметров проводилась на тестовой плате, являющейся фрагментом печатной платы модуля.
Моделирование и расчет СВЧ-фильтра
в САПР «Гамма»
Современные САПР для моделирования и расчета СВЧ-устройств являются мощным конструкторским инструментом. Вместе с тем, они требуют от разработчика ряда профессиональных навыков (в том числе при реверс-инжиниринге): филигранной точности построения модели, знания технологического процесса изготовления разрабатываемых устройств, учета электротехнических параметров конструкционных материалов, правильной оценки располагаемыми вычислительными мощностями при построении моделей.
СВЧ-приборы с контактами типа flip-chip работают как объемные системы на диэлектрических резонаторах, несмотря на то, что сам функциональный узел (топология на керамической подложке) является планарным. Сложность построения модели таких приборов в САПР связана с тем, что параметры устройства обеспечиваются, в том числе, за счет подводящих линий, прилегающего объема несущей платы около корпуса, группы переходов между несущей платой и керамической подложкой. По сути, это комплексная трехмерная модель, в которую с высокой точностью нужно заложить технологические зазоры и девиации размеров. Необходимо также точно указать фактические значения физических параметров используемых материалов: проводимость, диэлектрическую проницаемость, тангенс угла потерь и др. Для максимального приближения расчетных данных к реальным параметрам опытные разработчики могут использовать уточненные данные параметров физических свойств материалов и частотную коррекцию АЧХ по результатам измерений.
В САПР «Гамма» была полностью воспроизведена модель разработанного фильтра с тестовой платой. Некоторые элементы фильтра и тестовой платы были импортированы из других САПР. Заданы основные параметры физических свойств используемых материалов, необходимых для проведения электромагнитного анализа и расчета S-параметров фильтра. АЧХ полосно-пропускающего фильтра с контактами типа flip-chip, рассчитанная в САПР «Гамма» и измеренная на серийном образце, представлена на рис. 4.
Для оценки экранирования в САПР «Гамма» были построены распределения амплитуд электрических полей в разных плоскостях фильтра (рис. 5). Оценка распределения полей показывает, что их затухание за пределами корпуса фильтра составляет более 60 дБ относительно подводящих микрополосковых волноводов.
Важным вопросом при расчете параметров СВЧ-устройств является то, какие значения параметров физических свойств материалов указывать в моделях. Производители материалов для СВЧ-приборов зачастую указывают в каталогах нормированные значения, получаемые в результате аттестационных измерений, и отдельно значения параметров для расчетов в САПР. Иногда указанная девиация параметра, например, такого как диэлектрическая проницаемость, имеет настолько большое значение, что без верификации параметров конкретной партии материала не представляется возможным изготовление СВЧ-прибора.
Как корректно оценить параметры используемых материалов, особенно с учетом наличия разных поставщиков материалов? Одним из инструментов оценки может стать сопоставление АЧХ фильтра, рассчитанной в САПР и измеренной на серийном образце. По результатам измерения АЧХ фильтров, изготовленных из материалов разных поставщиков, можно изменять значение диэлектрической проницаемости в модели фильтра в САПР до такой величины, при которой совпадут измеренные и расчетные АЧХ. Полученное значение можно качественно зафиксировать для данного материала, материала данной партии, материала от конкретного поставщика. Затем в САПР можно скорректировать топологию фильтра.
В данной работе была проведена оценка керамического материала одного из поставщиков. Изготовленный образец фильтра имел смещение рабочей полосы вверх по частоте порядка 230 МГц (рис. 6). По расчетам в САПР «Гамма» данное смещение соответствовало разнице величины диэлектрической проницаемости между используемым и предоставленным материалом, равной 0,7.
Заключение
В данной работе были получены следующие результаты:
- хорошее согласование между измеренными параметрами АЧХ фильтра Х-диапазона с контактами типа flip-chip и результатами моделирования в отечественной САПР «Гамма»;
- проведена качественная оценка значения диэлектрической проницаемости применяемых материалов различных поставщиков для изготовления СВЧ-фильтров при помощи отечественной САПР «Гамма»;
- моделирование фильтра Х-диапазона с контактами типа flip-chip в САПР «Гамма» подтвердило его эффективную экранировку и, как следствие, хорошую электромагнитную совместимость;
- подтверждена возможность конвертации моделей из различных САПР в отечественную САПР «Гамма».
ЛИТЕРАТУРА
Бахарев С.И., Вольман В.И., Либ Ю.Н. Справочник по расчету и конструированию СВЧ
полосковых устройств, 1982.https://www.sevsu.ru/innovation/sapr-gamma/.
Отзывы читателей
