Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2009 №1

Отечественные ВЧ- и СВЧ-резисторы, поглотители и терминаторы. Состояние и перспективы производства

Иванов Борис  
Уткин Валерий  
Кулага Игорь  
Двоешерстов Михаил  
Симаков Сергей  
Санкин Юрий  

Развитие СВЧ-электроники в последнее десятилетие приобрело колоссальный размах. Это, в первую очередь, появление радиотелекомуникационных средств связи и навигации гражданского применения, например хорошо всем известные системы GSM, GPRS, GPS, ГЛОНАСС и другие. Системы цифровой обработки и передачи информации также уже работают на сверхвысоких частотах, современные процессоры — в СВЧ-диапазоне. Быстрыми темпами идет развитие радиолокации всех видов базирования. Автомобильная промышленность внедряет системы активной безопасности на базе СВЧ&радиолокации. Параллельно развивается измерительная техника СВЧ. Все перечисленные направления являются сферой применения ВЧ- и СВЧ-резисторов, терминаторов (согласующие нагрузки) и поглотителей (аттенюаторы). В статье рассмотрены виды выпускаемых ВЧ и СВЧ пассивных электронных компонентов в России, а также освещены проблемы и перспективы развития их производства.

Российский рынок ВЧ- и СВЧ-резисторов, поглотителей и терминаторов

В настоящее время в России основными поставщиками ВЧ- и СВЧ-резисторов, терминаторов и поглотителей являются ОАО «КБ "ИКАР"» и ОАО «НПО "ЭРКОН"».

В зависимости от видов радиоэлектронных устройств ВЧ- и СВЧ-резисторы выполняют функцию оконечных и балластных нагрузок, используются в сумматорах и аттенюаторах. Их конструкция, как правило, непосредственно связана с типом линии передачи. Для коаксиальных линий предназначены цилиндрические резисторы, для полосковых — полосковые (планарные).

Для коаксиальных линий разработан ряд резисторов широкого диапазона частот и мощностей. В таблице 1 приведены основные параметры резисторов для коаксиальных линий.

Таблица 1. Основные параметры резисторов для коаксиальных линий
Тип
резистора
Мощность рассеяния, Вт Номинальное
сопротивление, Ом
Диапазон
рабочих частот, ГГц
КСВН,
не более
С2-10 (а, б) 0,5; 1,0; 2,0 50, 75, 100, 270 0–1,0
С6-2 0,125; 0,25; 0,5 10, 20, 30, 40, 50, 75 0–7,0
С6-3 1,0 50 0–18,0 1,5*
С6-7 0,25; 0,5 25, 36, 50 0–18,0 1,25*
С6-6-II* 0,5; 1,0; 2,0; 5,0 50, 75 0–20,0 2,5*
Р1-6* 0,25 50 0–40,0 2,0*
Р1-69 (МОУ) 5; 10; 25; 50; 100; 200 10–150 0–3,0
ПРТ1* 160; 250; 500 50 0–1,0
(6,0–18,0)
1,3 (1,4)*
Р1-53 500, 1000 160 0,0015–0,06
СОВ 1000; 1500; 3000; 7500; 8000 24–150 50–250
ПВС 3000; 8000 50, 75 0,0005–1,0
УВ 5000; (20 000; 50 000) 47–300 0,005–1,0
(0,005–0,25)
ППВН 250 000 22–120 0–0,002
ПРЖ 10 000; 50 000;
(150 000; 300 000)
50 0–0,75
(0–0,25)
1,2*
* Значения КСВН в конкретном диапазоне частот уточняются в ТУ и при поставке

Условно эти изделия можно разделить на три группы:

  1. маломощные резисторы (С2-10 (а, б), С6-2, С6-3, С6-7, С6-6-II, Р1-6);
  2. СВЧ-резисторы средней и большой мощности:
    1. с естественным воздушным охлаждением (Р1-69, ПРТ1, Р1-53);
    2. с принудительным воздушным охлаждением (СОВ, ПВС);
  3. мощные водоохлаждаемые резисторы и поглотители (УВ, ППВН, ПРЖ).

Увеличение мощности и рабочих частот трактов, а также уменьшение размеров пассивных ВЧ/СВЧ компонентов налагают свои ограничения на конструкцию и технологию их изготовления. Как правило, в современных СВЧ-цепях используются чип-резисторы и терминаторы, выполненные по толстоили тонкопленочной технологии.

Первые полосковые СВЧ-резисторы С6-4, С6-9 и Р1-8 были разработаны в 1970-х годах. Конструкция резистора представляла собой плоскую прямоугольную керамическую подложку с нанесенными на одну сторону резистивным слоем и контактными площадками. Резистивный слой наносился по тонкопленочной технологии. В качестве материалов резистивного слоя использовалась разработанная в то же время серия резистивных сплавов на основе силицидов хрома (РС3710, 5402 и т. п.). Данные материалы обеспечивают приемлемые значения стабильности резистора под электрической нагрузкой и ТКС в пределах +150 ppm/град. Контактные площадки были либо только со стороны резистивного слоя (Р1-1, Р1-47), либо с заходом на торцы резистора (С6-9), либо с заходом на торцы и обратную сторону подложки (Р1-8). Появление мощных полосковых СВЧ-транзисторов дало толчок к проектированию мощных СВЧ-усилителей, построенных по этому принципу. Одновременно появились полосковые СВЧ-резисторы на соответствующие мощности. Это серия резисторов С6-6-I, Р1-2, Р1-3, Р1-5, Р1-9, Р1-17. Основные параметры полосковых СВЧ-резисторов приведены в таблице 2.

Таблица 2. Основные параметры полосковых СВЧ-резисторов
Тип
резистора
Мощность
рассеяния, Вт
Номинальное
сопротивление, Ом
Диапазон
рабочих частот, ГГц
КСВН,
не более
С6-9 0,125 10–1000 0–18,0
Р1-1 3 50, 100 0–4,0
Р1-8 0,125; 0,25 5,11–6,81×105 0–2,0
Р1-47 0,5 50, 100 0–4,0
С6-6-I 0,5; 1,0; 5; 10 50, 75 0–7,0 * 1,35*
Р1-2 5 50, 100 0–4,0 1,3
Р1-3 10, 25, (50) 5,11–311 0–1,5 (0–0,2)* 1,5*
Р1-5 0,5; 3 5,11–311 0–3,0* 1,5*
Р1-9 40; (50) 50, 75, 100 0–4,0 (0–2,0) 1,25
Р1-17 100; 150; 250; 400 12,5; 25; 50; 75; 100; 150 0–2,0* 1,25*
* Значения КСВН в конкретном диапазоне частот уточняются в ТУ и при поставке

Полосковые резисторы устанавливаются либо на плоский теплоотвод с помощью пайки (С6-6-I, Р1-17-1), либо на промежуточный элемент крепления — винт (Р1-3, Р1-5) или фланец (Р1-2, Р1-9, Р1-17).

Отдельную группу резистивных СВЧ-поглотителей представляют планарные аттенюаторы и делители мощности. Данный вид изделий может быть использован в качестве навесных элементов гибридных интегральных схем или в качестве поглощающего элемента коаксиального СВЧ-аттенюатора. Основные характеристики приведены в таблице 3.

Таблица 3. Основные характеристики
резистивных СВЧ-поглотителей
Тип Номинальная
мощность,
Вт
Величина
ослабления,
Дб
Диапазон
рабочих
частот, ГГц
КСВН,
не более
ПР1-1 0,5 0,5–32 0–1,2
1,2–18,0
1,15*
1,5*
ПР1-11 0,25   0–2
2–10
1,2*
1,8*
ПР1-И3 1,0 1–50 0–18,0
18,0–26,0
1,6*
2,0*
С6-8 1,0 1–60 0–18,0 1,6*
П2-4 1,0 1–80 0–12,4 1,6*
* Значения КСВН в конкретном диапазоне частот
уточняются в ТУ и при поставке

Направления и особенности проектирования пассивных ВЧ- и СВЧ-компонентов

Проектирование ВЧ/СВЧ пассивных компонентов с высокими частотно-мощностными характеристиками связано с выбором материалов, технологии нанесения пленочных проводящих и резистивных слоев, схемноконструктивными вопросами обеспечения равномерности тепловыделения, оптимизации геометрии резистивной пленки и контактов, расчетом топологии цепей коррекции паразитных параметров.

В настоящее время достигнуты большие успехи в области высокотеплопроводящих материалов (окмал, теплонит, нитрид бора с коэффициентами теплопроводности λ порядка 400–600 Вт/(м⋅К). Технологически освоен процесс нанесения на керамические подложки алмазных пленок с λ≈ 1000 Вт/(м⋅К), позволяющий в пять–восемь раз повысить удельную импульсную рассеиваемую резистором мощность. Другой способ — увеличение массы резистивного слоя за счет перехода к толстопленочной технологии, но толстые пленки отличаются большей структурной неоднородностью. Третий способ — улучшение теплоотвода со стороны резистивной пленки.

Мощные резисторы охлаждаются за счет отвода тепла через подложку на теплоотвод [1]. Доля мощности, отводимой непосредственно от тепловыделяющей пленки за счет конвекции и излучения, может составлять менее 1%. Мощность, отдаваемую резистором на теплоотвод через подложку, можно определить по формуле:

P = D × λ × Δ T,
где λ — коэффициент теплопроводности материала подложки при рабочей температуре подложки, Вт/м⋅град; Δ T — допустимая разность температур резистивной пленки и теплоотвода с фланцем, град; D — конструктивный коэффициент изделия по отношению к мощности, зависящий от размеров и формы изделия.

Емкость между резистивным слоем и нижней металлизированной поверхностью резистора (терминатора) приблизительно будет

C = ε × ε0× Dc,
где ε — относительная диэлектрическая проницаемость материала подложки; ε0— абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м; Dc— конструктивный коэффициент для емкости, зависящий от площади резистивного слоя, толщины подложки, конструкции резистора, м.

Введем показатель K — коэффициент частотно-мощностного поглощения резисторов, терминаторов или поглотителей (иначе коэффициент качества поглощения с точки зрения достижения частотно-мощностных характеристик), K = F × P.

Связь между мощностью, частотой и номинальным сопротивлением терминатора определяется соотношением:

K = [ DF/( λ0× Dc)]×[( λ × Δ T )/ ε ]/ R, (1)
где DF— коэффициент, зависящий от конструкции.

Можно представить (1) в виде:

DK= DF/( ε0× Dc),
где DK— общий конструктивный коэффициент; DM— коэффициент, зависящий от материала подложки DM= λΔ T / ε ; R — сопротивление поглотителя.

Таким образом

K = DK× DM/ R. (2)

Следовательно, для поглощающих мощность изделий подобного класса качество поглощения ( P × F ) = (качество конструкции × × качество материала)/ R.

Из (2) следует несколько выводов:

  • Качество материала подложки с точки зрения достижимых характеристик резистора зависит от соотношения коэффициентов теплопроводности и диэлектрической проницаемости ее материала. (Например, нитрид алюминия имеет показатель λ / ε в 7 раз более высокий по сравнению с поликором).
  • Максимально допустимая разность температур пленки и теплоотвода (или максимальная температура пленки при фиксированной температуре теплоотвода, определяющая термостойкость пленки) пропорционально влияет на К резистора. Допустимая температура зависит от материала резистивной пленки и технологии изготовления резистора. Более высокая температура приводит к температурной нестабильности и более быстрому старению пленки, однако облегчает реализацию теплоотвода.
  • Номинальное сопротивление резистора R связано с его показателем K обратной зависимостью. Например, от резистора с сопротивлением 100 Ом следует ожидать вдвое меньшей мощности или диапазона рабочих частот, чем от резистора 50 Ом. Зависимость нарушается при низких значениях номинала ( R << 50 Ом), когда основное влияние на частотный диапазон будет оказывать индуктивность.

Условно можно разделить поглощающие изделия на несколько групп в зависимости от способов и уровня их согласования с подводящим волновым трактом.

Группа 1. Изделия с широкой (по сравнению с шириной согласованного полоска) пленкой, не согласованные по волновому сопротивлению с подводящим полосковым трактом

Эти изделия могут монтироваться в торец линии, методом перевернутого кристалла и др. Уровень рассогласования и КСВН зависит от конструкции собственно терминатора и способа монтажа. Наиболее распространенная конструкция. Достижимая величина для подложек на нитриде алюминия примерно K ≤ 70 Вт⋅ГГц (рис. 1а).

Рис. 1. Поглощающие изделия: а) группы 1;  б) группы 2; в) группы 3; г) группы 4; д) группы 5
Рис. 1. Поглощающие изделия: а) группы 1;
б) группы 2; в) группы 3; г) группы 4; д) группы 5
Группа 2. Изделия на подложке оптимальных размеров при согласовании выводом

Размеры подложки выбираются из условия частичного согласования с волновым трактом. Частично «подсогласуются» за счет полоскового вывода и подбора зазоров между подложкой и терминатором. Ширина резистивной пленки на выбранной подложке должна быть примерно такой, чтобы полосок указанной ширины имел волновое сопротивление 30–40 Ом [6]. Достижимая величина примерно K ≤ 140 Вт⋅ГГц (рис. 1б).

Группа 3. Изделия однозвенные, согласованные выделенными элементами

Фундаментальная оценка сверху для качества согласования любой комплексной нагрузки была получена Фано [2] на основании работ Боде [3]:

| Г |max≥ exp(– π / Q 'Н),
где Q 'Н= ( Δ f / f0) — полосовая добротность нагрузки; Δ f = ( fвfн) — полоса согласования; f0= √ fн× fв— средняя частота полосы согласования; fн, fв— нижняя и верхняя частоты полосы согласования. На практике такая оценка малопригодна, поскольку она не дает ответа на вопрос о качестве согласования при конечном (в нашем случае — небольшом) числе элементов цепи. Дополнительные согласующие элементы (обычно в виде прямого или изогнутого тонкого полоска) используются в ряде серийно выпускаемых конструкций терминаторов. Практически достижимая величина для нитрида алюминия K ≤ 250–450 Вт⋅ГГц (рис. 1в).

Группа 4. Изделия двух- и многозвенные с элементами согласования

Содержат несколько звеньев с резистивными пленками и индуктивно-емкостными элементами. Ограничения Фано – Юлы для многозвенных цепей смягчаются, поскольку относятся к каждому звену отдельно, полосовая добротность которого становится меньше добротности однозвенной конструкции. Практически достижимая величина для двухзвенной конструкции на подложке из нитрида алюминия K ≤ 500–600 Вт⋅ГГц (рис. 1г).

Группа 5. Поглощающие изделия с объемной подложкой или неоднородной пленкой, согласованные с волновым процессом

Теоретически не имеют ограничений на рассеиваемую мощность и диапазон частот. Требуют иcпользования нескольких пленок (минимум двух), или непрямоугольной формы подложки (сужающейся), или расширяющейся по определенному закону формы пленки, или использования пленок с неодинаковым по поверхности сопротивлением. Разнообразие конструкций велико. Величина K определяется конструкцией и ограничивается ее габаритами и погрешностью реализации конструктивных параметров. Ее можно оценить как K ∼ 2000–5000 Вт⋅ГГц и более для не слишком сложных конструкций (рис. 1д).

Цепи согласования позволяют расширить частотный диапазон резисторов в 2–3 раза и больше. Повышение порядка согласующей цепи требует чрезвычайно точной реализации номиналов согласующих элементов.

Ограничения согласующих цепей:

  • допустимые погрешности реализации, которых требуют согласующие цепи, — 2–5% при однозвенной цепи, 0,5–1% при двухзвенной и сотые доли процента при многозвенной;
  • разброс диэлектрической проницаемости материала подложки может достигать для разных партий нескольких процентов;
  • требуемый допуск воспроизведения геометрических размеров согласующих элементов составляет 0,5–5 мкм и менее;
  • разброс сопротивления резистивной пленки (до 10–15% от номинала) регулируется путем подгонки, которая изменяет геометрические размеры резистивного слоя, согласующие же элементы в цепочках высокого порядка рассчитаны на номинальные размеры резистивного слоя с высокой точностью; подгонка приводит к частичному рассогласованию конструкции;
  • согласующие элементы занимают заметную часть подложки (при минимальной ширине полосков 0,1–0,2 мм — до половины подложки), что снижает удельную рассеиваемую мощность.

Толщина подложки:

  • оптимальная толщина подложки зависит от рассеиваемой мощности и диапазона частот;
  • для мощностей 200–500 Вт при использовании нитрида алюминия она составляет 1,5–2 мм (при выполнении согласования), для мощностей в десятки ватт — 0,5–1 мм.

Неудачная толщина подложки требует повышенных издержек на реализацию согласующих цепей или использования меньшей части подложки для нанесения резистивной пленки, что снижает коэффициент К (снижение достигает 15–25% от возможного уровня К при данном типе конструкций).

Многозвенная конструкция включает несколько резистивных пленок на одной подложке, связанных через согласующие элементы. Такая конструкция лучше однозвенной.

Использование нескольких резистивных слоев позволяет:

  • уменьшить номиналы согласующих элементов;
  • упростить конструктивную реализацию согласующих элементов (например, толщина индуктивностей может составлять 200 мкм вместо 5 мкм);
  • расширить (при двух резистивных пленках с одним значением сопротивления) частотный диапазон примерно в 2 раза по сравнению с согласованными элементами с одной пленкой и в 6–8 раз по сравнению с несогласованными элементами;
  • повысить удельную мощность рассеивания за счет лучшего использования поверхности подложки, даже при пленках с одинаковым номиналом поверхностного сопротивления. Удельная мощность может быть повышена еще на 20% при реализации резистивных пленок с разными номиналами сопротивлений.

При уменьшении всех конструктивных размеров резистора или терминатора (как и любых полосковых изделий) в два раза, ровно в два раза возрастает его максимальная рабочая частота и так же уменьшается допустимая рассеиваемая мощность (конвекция и излучение малы и не учитываются). При этом толщина подложки и размеры всех согласующих элементов должны быть уменьшены тоже в два раза. Поверхностное сопротивление пленки остается прежним.

Пропорциональное изменение размеров в N раз может быть успешно применено в ограниченном диапазоне коэффициента пропорциональности, например, резистор на подложке толщиной 1,5 мм с максимальной рабочей частотой 1 ГГц может быть пересчитан для подложки 1 мм с максимальной частотой 1,5 ГГц и для подложки 0,5 мм — с частотой 3 ГГц.

При увеличении размеров резистора относительно прототипа происходит возрастание объема изделия в N3раз (в то время как мощность растет только в N раз) и увеличение толщины подложки. Требования к точности изготовления резистора снижаются.

При уменьшении размеров резистора относительно прототипа происходит уменьшение толщины подложки до слишком малых величин, уменьшение размеров согласующих элементов, контактов и выводов в N раз с соответствующим сокращением допусков на их изготовление. Толщина пленки при этом не меняется для сохранения поверхностного сопротивления, что слегка нарушает пропорциональность конструкции. При изменении толщины подложки и ширины выводов в широких пределах может быть нарушено согласование с подводящим волновым трактом.

Рис. 2. Частотно-мощностные параметры терминаторов
Рис. 2. Частотно-мощностные параметры терминаторов

На рис. 2 приведены частотно-мощностные параметры спроектированных и проверенных путем трехмерного электродинамического моделирования терминаторов. Видно, что достаточно хорошо выполняется соотношение:

P × F = const.

Константа зависит от числа звеньев (однозвенная или двухзвенная схема), в некоторой степени от толщины подложки, минимально допустимой ширины проводника и других конструктивных факторов.

Увеличение показателя К до величин, более высоких, чем полученная величина 500–600 Вт⋅ГГц, при использовании подложек нитрида алюминия с коэффициентом теплопроводности около 150 Вт/м⋅град сопряжено со следующими проблемами:

  • конструкции резисторов требуют реализации входящих в них элементов с погрешностью не более 1–5 мкм (в первую очередь, это зазоры, выполняющие функцию емкости, согласующие индуктивности и др.);
  • требуется высокоэффективный теплоотвод, который не должен приводить к заметному увеличению теплового сопротивления резистора при эквивалентной толщине медного фланца 0,75–1 мм (возможно, теплоотвод с жидкостным охлаждением для резисторов мощностью более сотен ватт).

Учитывая современные тенденции развития СВЧ-радиоэлектроники, можно выделить основные направления развития СВЧ-резисторостроения.

  1. Резкое расширение номенклатуры СВЧ-резисторов. Сейчас мы предлагаем не более 5–10% от номенклатурного ряда мирового рынка. Это касается в первую очередь полосковых СВЧ-резисторов и аттенюаторов.
  2. Микроминиатюризация СВЧ-резисторов за счет применения сверхвысокотеплопроводных материалов. Проведенные исследования показали, что, например, резистор мощностью 150 Вт, изготовленный на алмазной подложке, в 2 раза меньше по размерам и работает на частоте 6 ГГц против 2 ГГц резистора на нитриде алюминия.
  3. Создание интегрированных СВЧ-структур. Это R, L, C наборы и функциональные схемы, сформированные на одном чипе. Одним из массовых применений являются схемы развязки СВЧ-шин передачи цифровой информации. Построение таких устройств на дискретных чип-резисторах, конденсаторах и индуктивностях уже практически невозможно.
  4. Детальное и точное исследование СВЧ-характеристик уже выпускаемых и вновь разрабатываемых резисторов, поглотителей и терминаторов.

Литература

  1. Садков В. Д., Моругин С. Л., Славинский О. К., Перепонов А. Д. Математическая модель ЧИПрезистора в микрополосковом тракте. Конструирование и исследование радиоэлементов и узлов на основе машинного проектирования. М.: Радиотехнический институт АН СССР, 1987.
  2. Боде Г. Теория цепей и проектирование усилителей с обратной связью. М.: ГИИЛ, 1948.
  3. Фано Р. Теоретические ограничения полосы согласования произвольных импедансов / Пер. с англ.; под ред. Г. И. Слободенюка. М.: Советское радио, 1965.
  4. Кудрявцев А. М., Никулин С. М. Интеллектуальные информационно-измерительные системы ВЧ- и СВЧ-диапазона. Н. Новгород: НГТУ, 2006.
  5. Ульриксон Б. Преобразование данных из частотной области во временную // ТИИЭР. 1986. Т. 74. № 1.
  6. Беднов А. В., Кудрявцев А. М., Никулин С. М. Цифровая обработка результатов СВЧ-измерений методом «спектрального окна» // Датчики и системы. 2004. № 6.
  7. Вайткус Р. Л. Широкополосный метод вынесения с использованием короткозамкнутой цепи, разомкнутой цепи и промежуточной линии // ТИИЭР. 1986. Т. 74. № 1.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке