Высокочастотные резистивные компоненты на алмазной подложке Diamond Rf компании Smiths Interconnect

Использование алмазной подложки приводит к уменьшению физического размера компонента при сохранении высокой заданной рассеиваемой мощности. Компоненты, выполненные по этой технологии, также характеризуются более низкими паразитными эффектами. Электрические и физические свойства алмазной подложки оказывают влияние не только на электрические параметры выполненных на них резисторов, но и на конструкцию таких конечных устройств, как делитель/сумматор мощности Уилкинсона, дуплексер на сдвоенных циркуляторах, а также при их использовании в цепях обратной связи для высокочастотных усилителей мощности.

Влияние материала подложки на характеристики резистивных элементов

Обеспечение эффективного отвода тепла в резистивных радиочастотных и микроволновых компонентах всегда было проблемой для инженеров‑разработчиков. Тонкопленочный резистор, для которого необходимо рассеять большое количество тепла, требует подложки с высокой теплопроводностью, что является основным условием его эффективной передачи в теплоотводящий радиатор. В течение нескольких десятилетий для производства подложек для высокочастотных резисторов большой мощности применялись оксид бериллия (BeO) и нитрид алюминия (AlN). Эти керамические материалы имеют относительно высокую теплопроводность, однако с ростом требований к миниатюризации возможности этих материалов уже исчерпались и выполненные на их основе резистивные элементы уже не отвечают современным требованиям. Из-за этого конструкторы сталкиваются с проблемой поиска альтернативных способов рассеивания тепла с небольшой площади поверхности. Таким образом, возникает необходимость в новых методах формирования несущих подложек компонентов. Именно с этой целью и была создана и успешно применена технология химического парофазного осаждения синтетических алмазов второго типа, в результате которой был получен материал с теплопроводностью, в восемь раз превышающей аналогичный показатель нитрид-алюминиевых подложек.

Искусственный алмаз, полученный с помощью технологии парофазного осаждения, — тот же кристаллический материал, состоящий лишь из углерода. Благодаря способу производства и свойствам этого материала из него можно формировать подложку с образованием на ней необходимых электрических схем. Например, резисторы могут быть получены путем напыления на осажденную алмазную подложку нитрида тантала (TaN). Алмаз известен высокой механической прочностью, но ключевой особенностью в данном случае является высокая теплопроводность, которая позволяет применять технологию CVD для создания подложек высокочастотных резистивных компонентов. В таблице 1 приведены сравнительные характеристики подложек на основе существующих технологий. Хорошие высокочастотные свойства и тепловые характеристики делают подложки на основе алмаза удачным выбором для создания тонкопленочных резистивных компонентов (рис. 1), предназначенных для применения в ответственных и высоконадежных приложениях, как космическая аппаратура и оборудование структуры беспроводной связи.

Рис. 1. Резистивные компоненты EMC Technology

Показатель емкости на ватт мощности и его роль

Высокая теплопроводность алмаза позволяет в восемь раз снизить площадь подложки для рассеивания такого же количества тепла по сравнению с подложкой из нитрида алюминия. Физический размер мощного высокочастотного резистора напрямую связан с теплопроводностью подложки — соответственно, подложка с хорошей теплопроводностью позволяет уменьшить и площадь компонента. Для разработчиков СВЧ-устройств большие габаритные размеры компонентов несут две проблемы: увеличение площади печатной платы и ограничение верхней рабочей частоты паразитной емкостью (в том числе из-за собственной емкости резистивного элемента). Повышение собственной емкости резистора вызвано увеличением площади виртуального конденсатора, образуемого параллельными обкладками резистивной пленки и плоскостью заземления. Для оценки этой величины используется критерий емкости на ватт рассеиваемой мощности. Для двух резисторов одинаковой мощности более низкий показатель емкости на ватт приведет к увеличению рабочего частотного диапазона. Этот показатель является одним из ключевых при выборе типа резистора для построения систем с широкополосными частотными характеристиками.

Наглядно проиллюстрировать важность низкого значения емкости на ватт можно, рассмотрев использование для оконечной нагрузки для рассеивания мощности 120 Вт трех одинаковых номиналов чип-резисторов 50 Ом с разными материалами подложки:

• CT1310D (CVD алмаз 50 Ом);
• 82-3031 (BeO 50 Ом);
• 82-7176 (AlN 50 Ом).

Характеристики тонкопленочных резисторов приведены в таблице 2.

Для высокочастотных цепей более низкий показатель емкости на ватт дает существенные преимущества, главное из которых заключается в том, что благодаря этому поддерживается более высокая рабочая частота. На рис. 2 продемонстрирована зависимость КСВН трех рассматриваемых чип-резисторов. Для большей наглядности на рисунке отмечены частоты, на которых значение КСВН принимает пороговое значение 1,25. Из графика видно, что для чип-резистора на алмазной подложке пороговое значение КСВН достигается на частоте 12,24 ГГц.

Рис. 2. КСВН чип-резисторов

Области применения резистивных компонентов семейства Diamond Rf компании EMC Technology

Благодаря преимуществам резистивных компонентов, выполненных на алмазной подложке, они позволяют решать некоторые проблемы проектирования в таких приложениях, как сумматоры/делители Уилкинсона, схемы антенной развязки, цепи обратной связи в ВЧ-усилителях мощности.

На рис. 3 показан однокаскадный сумматор/делитель Уилкинсона. Особенность такой схемы заключается в необходимости наличия резистора для развязки между портами. На этом резисторе может рассеиваться большая мощность. При заданной номинальной мощности резистор на алмазной подложке может быть значительно меньше по габаритам, чем резисторы на традиционных подложках. По данным с рис. 4 видно, что резистор на BeO-подложке имеет худшие значения характеристик S₂₁ и S₁₁, это связано с более высокой собственной емкостью. Для компенсации реактивной составляющей от использования резистора с BeO-подложкой потребуется компенсирующая настройка, приводящая к уменьшению полосы пропускания сумматора и усложнению воспроизводимости в условиях серийного производства.

Рис. 3. Сумматор/делитель Уилкинсона

Рис. 4. Параметры чип-резисторов:
а) S₂₁;
б) S₁₁

Другим применением высокочастотных резистивных компонентов является схема дуплексера на сдвоенных циркуляторах. Большинство схем приемопередатчиков требует наличия такого дуплексера для переключения между принимающим и передающим режимами. Часто дуплексер объединен со схемой развязки, которая призвана изолировать чувствительный вход приемника от перекрестных помех, вызванных мощными передающими сигналами. Для обеспечения такой развязки на уровне до 50 дБ применяют схему дуплексера на сдвоенных циркуляторах, представленную на рис. 5. При таком включении вся мощность, изолирующаяся от передатчика, должна поглощаться 50-Ом оконечной нагрузкой. Оконечная нагрузка должна быть способна принять и рассеять максимальную мощность передатчика за вычетом потерь в циркуляторе. В большинстве мощных передатчиков пиковые уровни могут быть достаточно высокими. Использование резистора на алмазной подложке в качестве оконечной нагрузки обеспечивает более компактный размер, а следовательно, и меньшую паразитную емкость, что дает возможность уменьшить габариты дуплексера и улучшить согласование схемы, сократив тем самым риск выхода из строя приемопередатчика. В некоторых случаях оконечная нагрузка также может быть заменена 20- или 30-дБ аттенюатором. При этом аттенюатор должен выдерживать работу с наихудшей отраженной мощностью. Применение подложки из CVD-алмаза дает уменьшение размера аттенюатора до 14 раз.

Рис. 5. Дуплексер

Схема еще одного применения резистивных компонентов приведена на рис. 6. Беспроводные приложения имеют тенденцию занимать несколько частотных диапазонов, соответственно, их усилители мощности должны так же эффективно работать на широкой полосе частот. Для обеспечения такой полосы требуется организация устойчивой петли отрицательной обратной связи (ООС). ООС обеспечивает линейность коэффициента усиления на основном участке полосы пропускания. Конструкция таких усилителей для повышения мощности рассеивания требует разделения сопротивления ООС на двух резисторах. Применение резисторов на алмазной подложке позволяет весьма значительно уменьшить габаритные размеры таких усилителей благодаря большей эффективности рассеивания мощности.

Рис. 6. Усилитель мощности на FET-транзисторе с петлей ООС

Заключение

Требования современного оборудования инфраструктуры беспроводных систем связи оказывают влияние даже на самые простые из пассивных компонентов — резисторы. Такие компоненты должны рассеивать бóльшую мощность при меньших габаритах и охватывать работу на более высоких частотах. Семейство Diamond Rf является проверенным решением в части серийно выпускаемых резистивных компонентов для высокочастотных применений. Это высокоэффективное решение для современных беспроводных систем связи, в которых требуются компоненты, способные работать на больших мощностях в широком диапазоне частот.