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

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.

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.

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:

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

где ε — относительная диэлектрическая проницаемость материала подложки; ε₀— абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м; D_c— 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:

где D_F— коэффициент, зависящий от конструкции.

Можно представить (1) в виде:

где D_K— общий конструктивный коэффициент; D_M— коэффициент, зависящий от материала подложки D_M= λΔ T / ε ; R — сопротивление поглотителя.

Таким образом

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).

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]:

где Q ‘_Н= ( Δ f / f₀) — полосовая добротность нагрузки; Δ f = ( f_в– f_н) — полоса согласования; f₀= √ f_н× f_в— средняя частота полосы согласования; f_н, f_в— 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.

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

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.