Исследование печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками и разработка микрополосковых СВЧ устройств на их основе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат наук Закирова, Эльмира Алексеевна

• Закирова, Эльмира Алексеевна
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Закирова, Эльмира Алексеевна

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И КОНСТРУКЦИЙ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ СВЧ ДИАПАЗОНА

1.1 История изобретения и тенденции развития печатных плат

1.2 Краткий обзор современных публикаций по печатным платам и микрополоековым СВЧ устройствам на их основе

1.3 Физические и конструктивно-технологические особенности многослойных печатных плат

1.3.1 Печатные платы на фторопластовом основании

1.3.2 Печатные платы на керамическом основании

1.3.3 Гибкие печатные платы на основе жидкокристаллических полимеров

1.4 Микрополосковые СВЧ устройства на печатных платах с многослойными диэлектрическими подложками

1.5 Анализ методов расчета, проектирования и моделирования микрополосковых СВЧ устройств на печатных платах с многослойными диэлектрическими подложками

1.6 Выводы по главе 1

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ОГРАНИЧЕНИЙ И ПОТЕРЬ В МОДЕЛЯХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ С МНОГОСЛОЙНЫМИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ

ПОДЛОЖКАМИ И СВЧ УСТРОЙСТВАХ НА ИХ ОСНОВЕ

2.1 Анализ физических ограничений и потерь в металлических проводниках

^ 2.2 Анализ физических ограничений и потерь в диэлектрических материалах

ш

У

2.3 Дисперсия диэлектрической проницаемости и необходимость

ее учета

2.4 Анализ паразитных колебаний и волн в микрополосковых линиях с учетом многомодовой дисперсии

2.5 Выводы по главе 2

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ПАРАЗИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ИЗ МНОГОСЛОЙНЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОДЛОЖЕК ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ И СВЧ УСТРОЙСТВ НА ИХ ОСНОВЕ

3.1 Анализ паразитного излучения кромок многослойных диэлектрических подложек печатных плат СВЧ диапазона

3.2 Энергетические характеристики паразитного излучения кромок

3.3 Выводы по главе 3

ГЛАВА 4. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ МИКРОПОЛОСКОВЫХ СВЧ

УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ МНОГОСЛОЙНЫХ ПОДЛОЖЕК ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ

AWR DESIGN ENVIRONMENT (MICROWAVE OFFICE)

4.1 Краткий обзор программных средств для решения электродинамических задач

4.2 Метод моментов и его практическая реализация в программе AWR Design Environment (Microwave Office)

4.2.1 Обобщенная формулировка электродинамической задачи

4.2.2 Описание моделируемой электродинамической структуры

4.2.3 Формулировка и алгоритм метода моментов

4.2.4 Формирование и численное решение матрицы моментов

4.3 Пример моделирования межслойного перехода на основе копланарной линии

4.4 Выводы по главе 4

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МИКРОПОЛОСКОВЫХ СВЧ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ С МНОГОСЛОЙНЫМИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПОДЛОЖКАМИ

5.1 Разработка модифицированной печатной платы с подвешенной подложкой

5.2 Исследование микрополоскового фильтра на штыревой гребенке с многослойной подложкой

5.3 Исследование микрополосковой спиральной антенны с линейной поляризацией

5.4 Исследование развязывающего фильтра на многослойном метаматериале

5.5 Выводы по главе 5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками и разработка микрополосковых СВЧ устройств на их основе»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

В современных радиотехнических комплексах, системах автоматики и управления широко используются микрополосковые СВЧ устройства различного функционального назначения. Их разработка диктует необходимость создания высокоэффективных миниатюрных узлов и модулей, обладающих высокой надежностью, быстродействием, стабильностью электрофизических параметров и характеристик, отвечающих уровням необходимой электромагнитной совместимости и обладающих низкой стоимостью. Такие тенденции требуют использования новейших конструкторско-технологических решений на всех этапах проектирования СВЧ устройств, в том числе и современных печатных плат.

Традиционные печатные платы для производства изделий радиоэлектроники с помощью технологии поверхностного монтажа, выполненные на основе гетинакса или стеклотекстолита, имеют весьма ограниченную возможность применения в СВЧ диапазоне, что объясняется физическими ограничениями, увеличивающимися с ростом частоты. Такие печатные платы могут быть использованы только на частотах до единиц ГГц. При дальнейшем росте частоты увеличение потерь приводит к искажению информационного сигнала. Все это требует нового подхода к проектированию и технологии печатных плат, использующихся в диапазоне СВЧ [1,2].

Состояние вопроса

Одной из важных тенденций развития современных микрополосковых СВЧ устройств является расширение количества их функций при меньших массогабаритных показателях и стабильных электрических параметрах и характеристиках. Главным направлением этой тенденции является переход от традиционной двумерной

компоновки элементов и конструкции печатной платы — к трехмерной. Применение многослойной технологии позволяет повысить функциональную плотность СВЧ устройств в сочетании с низкой стоимостью, высокой надежностью и хорошей воспроизводимостью [3].

На современном этапе проектирование микрополосковых устройств СВЧ осуществляется на базе фторопластовых или, более перспективных, керамических подложек, представляющих собой многослойные структуры, выполненные с использованием технологий высокотемпературного НТСС (High Temperature Co-fired Ceramics) или низкотемпературного LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics) обжига. Разработана также модифицированная LTCC- технология на металле LTCC-M, при которой специально составленная многослойная керамическая плата помещается на металлический носитель или каркас, предотвращающий усадку структуры по плоскости подложки в процессе обжига [4].

Некоторую альтернативу многослойным керамическим подложкам составляют гибкие печатные платы на основе жидкокристаллических полимеров, позволяющие увеличить плотность компоновки электронной аппаратуры и создавать пространственные трехмерные структуры без увеличения интеграции компонентов микросхем. Такая технология 3D — структур получила название «объемная системная миниатюризация и технология соединений» (Volumetric System Miniaturizationand Interconnection Technology-VSMI) [5].

В настоящее время исследованиями, разработками и изготовлением печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками и микрополосковых СВЧ устройств на их основе занимается большое количество зарубежных компаний и фирм, среди которых следует выделить DuPont, Kyocera, NEC, Hitachi, Fujitsu,

Matsushita, IBM, NGK, Toshiba, Murata и др. Из наиболее интересных отечественных производителей необходимо отметить группу российских предприятий PSElectro ООО «Электроконнект», ЗАО Предприятие «ОСТЕК», ПТК «Печатные платы» ФГУП «Рязанский приборостроительный завод», а также исследования и разработки микрополосковых СВЧ устройств, проводимые в ОАО «ОРКК» -«НИИ КП», СПбГЭТУ «ЛЭТИ», ФГУП «Ростовский-на-Дону НИИ радиосвязи» (РНИИРС) и др.

Цель диссертации

Исследование физических и конструктивно-технологических особенностей печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками для создания на их основе многофункциональных элементов, узлов и модулей, обеспечивающих миниатюризацию и улучшенные электрические параметры и характеристики микрополосковых СВЧ устройств.

Для достижения указанной цели необходимо решение следующих задач:

• анализ известных физических особенностей, конструкций и технологий изготовления печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками, их преимуществ, недостатков и тенденций дальнейшего развития;

• исследование физических ограничений и потерь в металлических проводниках и диэлектрических материалах многослойных печатных плат и СВЧ устройств на их основе;

• исследование физических особенностей возникновения паразитных типов колебаний и волн в одиночных и связанных микрополосковых линиях на керамических подложках для случаев их синфазного и противофазного возбуждения, включая анализ влияния многомодовой дисперсии на передачу цифрового сигнала;

• исследование паразитного излучения кромок многослойных диэлектрических подложек печатных плат СВЧ диапазона;

• анализ численных методов и программных средств для компьютерного моделирования микрополосковых СВЧ устройств на основе печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками;

• экспериментальное исследование макетов разработанных микрополосковых СВЧ устройств и сравнение полученных характеристик с результатами аналитических расчетов и компьютерного моделирования.

Методы исследования

Исследования проведены с помощью математических аппаратов электродинамики и теории электромагнитного поля; теории электрических цепей и сигналов; численных методов и компьютерного моделирования; изготовленных экспериментальных макетов СВЧ устройств.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректностью используемых и опубликованных математических выводов и моделей; согласованностью ряда полученных результатов с опубликованными в отечественной и зарубежной печати результатами компьютерного моделирования, экспериментальных исследований и внедрением разработанных элементов и устройств в производство.

Научная новизна, основные научные положения и результаты

На защиту выносятся перечисленные ниже новые научные положения и результаты, полученные в работе:

1. Модифицированная печатная плата с подвешенной подложкой и согласующим многослойным диэлектрическим экраном обеспечивает равномерное изменение волнового сопротивления в поперечном сечении, позволяет достичь уменьшения коэффициента

замедления и расширения диапазона частот разрабатываемых микрополосковых СВЧ устройств за счет увеличения границы высокочастотной отсечки.

2. Микрополосковый фильтр низких частот на штыревой гребенке с многослойной подложкой обеспечивает увеличение частоты среза не менее чем в 1,5 раза по сравнению с прототипом той же топологии, выполненным на однослойной плате, без увеличения коэффициента отражения.

3. Микрополосковая спиральная антенна, выполненная на многослойной подложке, обеспечивает линейную поляризацию в полосе частот до полутора октав, при КСВН не хуже 2,0, габаритных размерах антенны, значительно меньших рабочей длины волны и требуемой диаграмме направленности.

4. Развязывающий фильтр на однослойном метаматериале позволяет достичь более чем двукратного роста затухания колебаний (121,2 - 115,1 дБ) по сравнению с затуханием, обеспечиваемым импедансной металлической поверхностью (55,4 — 34,8 дБ), при ширине полосы пропускания 130 МГц.

5. Развязывающий фильтр на многослойном метаматериале с кольцевыми разомкнутыми резонаторами обеспечивает более чем двукратное расширение полосы пропускания (до 270 МГц), по сравнению с фильтром на однослойной структуре, при среднем снижении затухания на 28,6 дБ.

Апробация работы

Основные теоретические и практические результаты диссертации докладывались и обсуждались на 8 Международных и Всероссийских научно-технических конференциях: LXVII Научной сессии, посвященной Дню радио, Москва, 2012; Научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ НИУ ВШЭ, Москва, 2012, 2013; Международных научно-практических конференциях "International Scientific - Practical

Conference "INNOVATIVE INFORMATION TECHNOLOGIES", Prague, 2012, 2013; 6 и 7 Отраслевых научных конференциях «Технологии информационного общества», Москва, 2012, 2013; V Всероссийских научных Зворыкинских чтениях, Муром, 2013.

Практическая ценность и внедрение результатов

Основные результаты диссертации получены при выполнении гранта научно-учебной группы «Электродинамика замедляющих систем» № 13-05-0017, 2013 и инициативных работ, выполненных в МИЭМ НИУ ВШЭ при участии автора за период 2011-2013 г.

Научные и практические результаты работы используются в ОАО «Научно - исследовательский институт космического приборостроения», Институте пути, строительства и сооружений Московского государственного университета путей сообщения; а также в научной и учебной деятельности кафедры «Радиоэлектроники и телекоммуникаций» МИЭМ НИУ ВШЭ. Использование результатов подтверждено соответствующими актами и заключениями.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 14 работ, включая 4 статьи в российских журналах (по списку ВАК РФ), 1 статья в сборнике научных трудов, 6 статей в трудах российских и международных конференций, 3 патента РФ на изобретения и полезные модели.

Структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложения. Общий объем диссертации составляет 178 страниц, включая 75 рисунков, библиографический список из 109 отечественных и зарубежных источников на 12 страницах, приложения с актами использования результатов на 8 страницах.

Во введении к диссертации обоснована ее актуальность, рассмотрено состояние вопроса, сформулированы цели, задачи и

методы исследований, научная новизна, основные положения, выносимые на защиту, вопросы практической ценности, внедрения результатов, апробации и публикаций. Приводится краткое содержание каждой из глав.

В первой главе проведен обзор современного состояния и тенденций развития современных многослойных печатных плат и микрополосковых СВЧ устройств на их основе. Проанализированы физические и конструктивно-технологические особенности печатных плат на многослойных фторопластовых и керамических основаниях, рассмотрены преимущества и недостатки гибких печатных плат на основе жидкокристаллических полимеров, показаны тенденции их дальнейшего развития. Сделан вывод об актуальности поставленной научной задачи.

На основании выполненного обзора показано, что перспективным является разработка комбинированных и гибридных СВЧ устройств на базе печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками. Благодаря выбору электрофизических свойств диэлектрических слоев плат, резонансным явлениям в них и эффекту замедления электромагнитных волн, появляется возможность создания микрополосковых устройств СВЧ с габаритными размерами значительно меньшими рабочих длин волн, обладающих улучшенными электрическими характеристиками и низкой стоимостью.

Проанализированы существующие методы расчета, проектирования и компьютерного моделирования, которые могут быть использованы для определения основных характеристик и параметров микрополосковых СВЧ устройств на печатных платах с многослойными диэлектрическими подложками. Подчеркнута эффективность использования приближенно-аналитических моделей и методов, позволяющих обеспечить необходимую точность расчета

5, 12

)'

при снижении требований к быстродействию и оперативной памяти компьютера.

Во второй главе проведен анализ физических ограничений и потерь в металлических проводниках и диэлектрических материалах многослойных подложек печатных плат и СВЧ устройств на их основе. Показано, что при выборе материала проводников необходимо оценивать потери на излучение, тепло и скин-эффект, а при выборе диэлектриков - учитывать, что при скорости передачи информации 1 Гбит/с и более тангенс угла диэлектрических потерь материала основания платы должен быть минимальным (не более 0,001). Кроме того, необходимо учитывать и частотную дисперсию, которая на частотах СВЧ диапазона начинает проявляться наряду с дисперсией диэлектрической проницаемости (пространственной дисперсией) материала, оказывая влияние на целостность передачи информативного сигнала.

Проанализирована модель печатной платы с многослойной диэлектрической подложкой, представляемой в виде волноведущей системы, моды которой различаются поперечной структурой полей, обладающих своими фазовыми и групповыми скоростями. В рамках такой модели рассмотрены колебательные искажения, возникающие при распространении квазимонохроматического сигнала.

Проведен анализ физических особенностей возникновения паразитных типов колебаний и волн в одиночных и связанных микрополосковых линиях на керамических подложках для случаев их синфазного и противофазного возбуждения.

В третьей главе с помощью программных средств МаЛСАЕ) проведен анализ паразитного излучения кромок многослойных диэлектрических подложек печатных плат СВЧ диапазона на основе двух моделей - первой в виде открытого конца плоскопараллельного волновода, имитирующего кромку микрополосковой бесконечной

I

1

13

структуры, и второй - содержащей кромку структуры и ограниченный участок диэлектрической подложки.

По результатам аналитического моделирования подтвержден вывод о необходимости частотного ограничения, которое накладывается на выбор толщин многослойных плат для СВЧ устройств - суммарная толщина многослойной подложки платы не должна превышать четверти рабочей длины волны.

В четвертой главе выполнен краткий обзор современных программных средств для моделирования электродинамических структур. Показано, что для компьютерного анализа микрополосковых устройств СВЧ наиболее эффективно использование программного пакета AWR Design Environment (Microwave Office), относящегося к 2.5-D моделирующим программам и реализованного на основе метода моментов. Отмечено, что метод моментов, в отличие от методов конечных разностей и конечных элементов, на которых базируются 3-D программы, требует гораздо меньше машинного времени, что существенно ускоряет процессы расчета и моделирования.

Проанализированы возможности и особенности алгоритма численного моделирования с помощью AWR Design Environment (Microwave Office) микрополосковых СВЧ устройств, выполненных на основе односторонних и двусторонних печатных плат. Рассмотрен пример компьютерного моделирования межслойного перехода на основе копланарной линии в диапазоне частот 1-18 ГГц. Отмечено, что в результате применения программных средств AWR Design Environment (Microwave Office) могут быть уточнены аналитические расчеты для проектируемых микрополосковых СВЧ устройств на печатных платах с многослойными диэлектрическими подложками.

В пятой главе предложены, теоретически обоснованы, численно и экспериментально исследованы новые микрополосковые

устройства СВЧ на основе печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками.

Представлены теоретические и экспериментальные результаты исследования:

- модифицированной печатной платы с подвешенной подложкой и согласующим многослойным диэлектрическим экраном;

- микрополоскового фильтра низких частот на штыревой гребенке с многослойной подложкой;

- микрополосковой спиральной антенны, выполненной на многослойной подложке, обеспечивающей линейную поляризацию;

- развязывающего фильтра на однослойном метаматериале, обеспечивающего более чем двукратное затухание по сравнению с затуханием импедансной металлической поверхности;

- развязывающего фильтра на многослойном метаматериале с кольцевыми разомкнутыми резонаторами, обеспечивающего расширение полосы пропускания более чем в два раза по сравнению с фильтром на однослойном метаматериале.

В результате компьютерного моделирования и экспериментальных исследований подтверждена возможность реализации с помощью разработанных микрополосковых структур требуемых значений 8 — параметров и заданных диаграмм направленности, обеспечивающих возможность их миниатюризации и многофункционального использования.

В заключении сформулированы основные результаты работы и сделаны выводы по диссертации в целом.

ГЛАВА 1

Современное состояние и тенденции развития методов проектирования и конструкций печатных плат СВЧ

диапазона

Современная радиоэлектроника идет по пути освоения все более коротких длин волн. В настоящее время активно развиваются исследования в миллиметровом диапазоне (десятки - сотни ГГц), а также разработки в области терагерцовых технологий. Требования рыночной экономики, предъявляемые к современным СВЧ приборам и устройствам, диктуют необходимость создания высокоэффективных миниатюрных узлов и модулей, обладающих высокой надежностью, быстродействием, стабильностью электрофизических параметров и характеристик, отвечающих уровням необходимой электромагнитной совместимости и обладающих низкой стоимостью. Такие тенденции требуют использования новейших конструкторско-технологических решений на всех этапах проектирования СВЧ устройств, в том числе и современных печатных плат.

Традиционные печатные платы для производства изделий радиоэлектроники с помощью технологии поверхностного монтажа, выполненные на основе гетинакса или стеклотекстолита, имеют весьма ограниченную возможность применения в СВЧ диапазоне, что объясняется физическими ограничениями, увеличивающимися с ростом частоты. Такие печатные платы могут быть использованы только на частотах до единиц ГГц. При дальнейшем росте частоты увеличение потерь приводит к искажению информационного сигнала. Все это требует нового подхода к проектированию и технологии печатных плат, использующихся в диапазоне СВЧ.

Одной из важных тенденций развития современных микрополосковых СВЧ устройств является расширение количества их

функций при меньших массогабаритных показателях и стабильных электрических параметрах и характеристиках. Главным направлением этой тенденции является переход от традиционной двухмерной компоновки элементов и конструкции печатной платы — к трехмерной. Применение многослойной технологии позволяет повысить функциональную плотность СВЧ устройств в сочетании с низкой стоимостью, высокой надежностью и хорошей воспроизводимостью.

В последние годы решение указанных проблем достигается разработкой микрополосковых СВЧ устройств на основе многослойных печатных плат, выполненных на базе керамических слоев, изготовленных по технологии низкотемпературного обжига. В зарубежной литературе эта технология получила название LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic). Несмотря на достаточно широкое распространение узлов и модулей, выполненных с применением такой технологии, какие-либо стандарты или методики проектирования являются интеллектуальной собственностью разработчиков устройств и почти не публикуются в открытой печати.

Отметим далее основные физические ограничения, включая потери, возникающие при разработке микрополосковых СВЧ устройств, которые будут более подробно проанализированы в последующих главах и разделах диссертации.

Наиболее важными из них являются потери на излучение, которые составляют до 80 % от общего уровня потерь. Снижение таких потерь достигается использованием линий передачи с заданной электрической длиной и тщательным экранированием устройства, что позволяет обеспечить целостность приема и передачи информативного сигнала.

Другими видами потерь являются потери в металлических и диэлектрических элементах СВЧ устройства. В микрополосковых линиях импедансные проводники должны быть выполнены из металлов с малым удельным электрическим сопротивлением, обеспечивающих минимальные потери на скин-эффект. Диэлектрические материалы следует выбирать с минимальным значением тангенса угла диэлектрических потерь, а также минимальной пространственной дисперсией, обеспечивающей стабильность относительной диэлектрической проницаемости и линейных размеров от влияния внешних факторов.

Еще одним видом потерь является влияние на целостность информативного сигнала реактивных составляющих емкостей, индуктивностей и сопротивлений самой схемы, которые должны быть минимальными при разработке топологии СВЧ устройства, а также ее монтаже.

Таким образом, исследование многослойных печатных плат для СВЧ устройств является актуальной и важной задачей, требующей учета многочисленных физических факторов и современных аналитических и численных методов разработки и проектирования.

1.1 История изобретения и тенденции развития

печатных плат

Историки радиоэлектроники утверждают, что первая заявка на печатную плату была подана немецким инженером Альбертом Паркером Хансоном в патентное ведомство Германии в 1902 г. [6, 7]. В своем патенте он предложил формировать рисунок проводников печатной платы путем вырезания или штамповки медной фольги и последующим приклеиванием их к диэлектрической основе -

пропарафиненной бумаге. Следует подчеркнуть, что уже тогда приклеивание проводников предлагалось осуществлять с обеих сторон диэлектрической основы, а также использовать сквозные отверстия для соединений элементов схемы.

Внес свою лепту в изобретения печатных плат и Томас Алва Эдисон. Он предложил обеспечивать формирование топологического рисунка платы с помощью адгезивного материала на основе графитового или бронзового порошка. Другая предложенная им технология заключалась в нанесении токопроводящего рисунка раствором азотнокислого серебра, которое затем восстанавливалось.

В 20-30-е годы прошлого века патентными ведомствами Европы и Америки было выдано множество патентов на различные конструкции и способы изготовления печатных плат, которые преимущественно были аддитивными.

Однако свой современный вид печатная плата приобрела благодаря технологиям полиграфической промышленности, которые были успешно применены австрийским инженером Паулем Эйслером в 30-е годы еще до начала Второй мировой войны. Printing plate -печатная форма или матрица - дословный перевод с английского языка уже известного в то время полиграфического термина. Эйслер предложил использовать для массового производства печатных плат субтрактивные технологии полиграфии, в которых топологический рисунок формируется путем удаления ненужных фрагментов. Им же отработана технология гальванического осаждения медной фольги и ее последующего травления хлорным железом.

Разработанные Эйслером технологии производства печатных плат практически сразу нашли применение и оказались востребованными во время Второй мировой войны, после окончания

которой печатные платы стали использовать и для радиоэлектронной аппаратуры бытового назначения.

Современное понятие печатной платы дается в Политехническом словаре [1] - это пластинка из электроизоляционного материала (гетинакса, стеклотекстолита, керамики и др.), на поверхности которой каким-либо образом (например, фотохимическим) нанесены тонкие электропроводящие полоски (печатные проводники) с контактными площадками для подсоединения навесных электро- и радиоэлементов (в том числе модулей и интегральных схем).

Существует и более краткая и точная формулировка — под печатной платой понимается конструкция электрических соединений на изоляционном основании [8].

Бурное развитие вычислительной и компьютерной техники в конце прошлого века привело к необходимости значительного увеличения плотности монтажа, а, следовательно, к перспективному использованию многослойных печатных плат вместо двусторонних конструкций, являющихся в то время наиболее массовыми (рисунок 1.1). Первые многослойные платы (рисунок 1.2) были получены путем склейки двух двусторонних.

Рисунок 1.1 - Фрагменты конструкции односторонней (а) и двухсторонней (б) печатных плат: 1-монтажное отверстие, 2 - контактная площадка, 3 - проводник, 4 - диэлектрическая подложка, 5 - переходное металлизированное отверстие

..........."V \

7/ЛК \

Рисунок 1.2 - Фрагмент конструкции многослойной печатной платы: 1- сквозное металлизированное отверстие, 2 - глухой микропереход, 3 - скрытый микропереход, 4 - слои, 5 - скрытые межслойные отверстия,

6 - контактная площадка

Однако кроме повышения плотности монтажа возникла и еще не менее важная причина — необходимость повышения быстродействия компьютерных систем, что связано с ростом тактовых частот процессоров и микросхем оперативной памяти. Компьютеры перешагнули в СВЧ диапазон, что также заставляет по-новому взглянуть на используемые в них печатные платы. Время переключения логических элементов становится соизмеримым со временем распространения сигналов в линиях передачи. Для снижения временных задержек в межплатных соединениях требуется уменьшение их геометрической длины, что может быть реализовано только в многослойных конструкциях печатных плат и также подтверждает актуальность темы исследований.

1.2 Краткий обзор современных публикаций по печатным платам и микрополосковым СВЧ устройствам

на их основе

В настоящее время опубликовано довольно большое число отечественных и зарубежных книг, а также научных статей по методам проектирования, конструкциям и технологиям проектирования различных видов печатных плат. Однако в большинстве этих публикаций физические ограничения, связанные с особенностями работы печатных плат в СВЧ диапазоне, практически не затрагиваются и не анализируются.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Закирова, Эльмира Алексеевна, 2014 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Политехнический словарь. Редкол.: Ишлинский А.Ю. и др. М.: Советская энциклопедия, 1989.

2. Кечиев JI.H. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры. М.: ООО «Группа «ИДТ», 2007.

3. Khandpur R.S. Printed Circuit Boards. Design, Fabrication, Assembly and Testing. McGrow-Hill Сотр., Inc., 2006.

4. Imanaka Y. Multilayered Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC) Technology. Springer Science, Inc., 2005.

5. Технологии в производстве электроники. Часть III. Гибкие печатные платы / Под общ. ред. Медведева A.M. и Мылова Г.В. М.: ООО «Группа «ИДТ», 2008.

6. Из истории технологий печатных плат (по материалам статьи Ken Gilleo. The History of the Printed Circuit Board. -www.pcbook.com/pcb-history.asp // Электроника НТБ. - № 5. -2004.-с. 38-39.

7. Уразаев В.Г. Печатные платы - линии развития // Технологии в электронной промышленности. - № 3. - 2006. - с. 24-28.

8. Медведев A.M. Печатные платы. Конструкции и материалы. М.: Техносфера, 2005.

9. Медведев A.M. Технология производства печатных плат. М.: Техносфера, 2005.

10. Пирогова Е.В. Проектирование и технология печатных плат. М.: Форум - Инфра-М, 2005.

11. Уразаев В.Г. Влагозащита печатных узлов. М.: Техносфера, 2006.

12. Нефедов Е.И., Фиалковский А.Т. Полосковые линии передачи: Электродинамические основы автоматизированного проектирования интегральных схем СВЧ. М.: Наука, 1980.

13. Гвоздев В. И., Нефедов Е. И. Объемные интегральные схемы СВЧ. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985.

14. Гупта/С, Гардж Р., ЧадхаР. Машинное проектирование СВЧ -устройств: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1987.

15. Gupta К.С., Garg R., Bahl I., and Bhartia P. Microstriplines and Slotlines. 2nd ed. Norwood, MA: Artech House, 1996.

16. Разевиг В.Д., Потапов Ю.В., Курушин А.А.Проектирование СВЧ устройств с помощью Microwave Office. М.: СОЛОН-Пресс, 2003.

17. Материалы сайта компании PSElectro ООО «Электроконнект» www.pselectro.ru (обращение от 15.03.2014 г.)

18. Материалы сайта ФГУП «Рязанский приборный завод» ПТК «Печатные платы»

http://www.grpz.ru/production/Proizvodstvo/Plati/ (обращение от 09.04.2014 г.)

19. Материалы сайта фирмы DuPonthttp://duponttools.force.com (обращение от 22.03.2014 г.)

20. Косолапов А. Материалы фирм Taconic и Neltec для СВЧ-устройств // Компоненты и технологии. - № 7. — 2005.- с. 230232.

21. Coonrod J., Aguayo A. Thin Printed Circuit Board Laminates in High-frequency Applications // Circuit Tree. - №8. - 2009. - c. 22 -24.

22. Материалы сайта фирмы Rogers Corporation www.rogerscorp.com (обращение от 13.04.2014 г.)

23. Смирнов A.M. Метод проектирования многослойных керамических модулей для быстродействующих устройств телекоммуникаций. Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук. Москва, МИЭМ (ТУ), 2012.

24. Материалы сайта фирмы Arlon www.arlon.com (обращение от 25.03.2014 г.)

25. Материалы сайта фирмы Altera Corporation www.altera.com (обращение от 25.03.2014 г.)

26. Елизаров A.A., Закирова Э.А. Инновационные технологии проектирования многослойных печатных плат диапазона СВЧ // Материалы международной научно-практической конференции «Инновационные информационные технологии». - Прага, 2012. -с.408-411.

27. Sturdivant R. Millimeter-wave Performance of Alumina High Temperature Cofired Ceramics 1С Packages, 2006 IMAPS Conference, San Diego, CA. - p. 1-4.

28. Бражник B.A., Хохлов M.B., Чернышов A.A. Проблемы выбора монтажных подложек для многокристальных модулей // Электронная промышленность. - № 2. - 2006. - С. 10-17.

29. Максимов А. Многослойные металлокерамические корпуса: преимущества и особенности // Электроника НТБ. - № 3. - 2011. -с. 56-59.

30. Кондратюк P. LTCC - низкотемпературная совместно обжигаемая керамика // Наноиндустрия. - № 2. - 2011. - С.26-30.

31. Чигиринский С. Особенности и преимущества производства многослойных структур на основе керамики (LTCC, НТСС, MLCC) // Компоненты и технологии. - № 11. - 2009. - с. 130-131.

32. Материалы сайта предприятий группы OSTEC www.ostec-smt.ru (обращение от 29.03.2014 г.)

33. Потапов Ю. Особенности технологии проектирования и производства LTCC-модулей // Технологии в электронной промышленности. - №3. -2008. - с. 59-64.

34. Zhang W. High performance piezoelectric materials and devices for multilayer low temperature co-fired ceramic based microfluidic systems. Doctoral dissertations. University of Kentucky, 2011.

35. Pudas M., Viollet S., Ruffier F., Kruusing A., Amic S., Leppavuori S. and Franceschini N. A Miniature Bio-Inspired Optic Flow Sensor Based on Low Temperature Co-Fired Ceramics (LTCC) Technology // Sensor. Actuat. APhys. - 133.- 2006.- p.88-95.

36. Симин A.B., Холодняк Д.В., Вендик И.Б. Многослойные интегральные схемы сверхвысоких частот на основе керамики с низкой температурой обжига // Компоненты и технологии. - №5. -2005.-с. 190-196.

37. Симин А.В., Холодняк Д.В., Вендик И.Б. Многослойные интегральные схемы сверхвысоких частот на основе керамики с низкой температурой обжига. 4.2. Средства проектирования и реализация пассивных устройств // Компоненты и технологии. -№6. -2005. -с. 210-216.

38. Симин А.В., Холодняк Д.В., Вендик И.Б. Многослойные интегральные схемы сверхвысоких частот на основе керамики с низкой температурой обжига. Ч.З. Активные устройства, антенны и многофунциональные СВЧ модули // Компоненты и технологии. - №7. - 2005. - с. 208-213.

39. Albertsen A. LTCC Technology for Sensor and RF-Applications // Bodo's Power Systems. - №12. - 2007. - p. 38-39.

40. Калякина Т.М. Перспективная технология изготовления многослойных ВЧ плат // Зарубежная радиоэлектроника. - № 4. -2000.-с.54-61.

41. Таральчук П.А., Колмаков Я.А., Симин А.В., Холодняк Д.В. Многослойные интегральные схемы миниатюрных СВЧ-устройств для систем телекоммуникации и связи // Известия вузов России. Радиоэлектроника. - Вып.1. - 2005. - с. 65-70.

42. Fjelstad J. Flexible Circuit Technology. 4th Edition. Publishing Inc., USA. 2006.

43. Акулин А. Варианты применения и конструкции гибко-жестких плат // Технологии в электронной промышленности. -№6.-2007.-с. 18-20.

44. Медведев А., Мылов Г., Набатов Ю., Люлина В. Гибкие платы. Преимущества и применение // Компоненты и технологии. - № 9. - 2007. - с.202-208.

45. Design and Development of Radio Frequency Identification (RFID) and RFID-Enabled Sensors on Flexible Low Cost Substrates / Li Yang, Amin Rida, and Manos M.Tentzeris. Morgan & Claypool Publishers, 2009.

46. Чигиринский С. Печатная электроника. Развитие и внедрение в производство // Электроника НТБ. - № 2. - 2011. - с. 132-134.

47. Шурыгина В. Печатная электроника будущего - реальность или фантастика ? // Электроника НТБ. - № 3. - 2011. - с. 46-50.

48. Massiot М. Evolution of LTCC technology for industrial applications. Материалы сайта

http://amsacta.cib.unibo.it/423/l/JGMl_Massiot.pdf (обращение от 15.04.2014 г.)

49. IMST homepage - Examples & Solutions. Материалы сайта http://www.ltcc.de/en/examples.php (обращение от 15.04.2014 г.)

50. Bahl I. Lumped Elements for RF and microwave circuits. Norwood, M. A. Artech House, 2003.

51. Егоров Г., Капкин С., Стельмахович Д., Трофименков В., Хрипко В. Многослойные керамические микросхемы. Низкотемпературная совместно обжигаемая керамика. Часть 1 // Электроника НТБ. - № 3. - 2006. - с. 60-65.

52. Егоров Г., Капкин С., Стельмахович Л., Трофименков В., Хрипко В. Многослойные керамические микросхемы на основе LTCC технологии. Часть 2 // Электроника НТБ. - № 5. - 2006. -с. 42-45.

53. Егоров Г., Капкин С., Стельмахович Л., Трофименков В., Хрипко В. Многослойные керамические микросхемы на основе LTCC технологии. Часть 3 // Электроника НТБ. - № 7. - 2006. -с. 44-49.

54. Григорьев А.Д. Методы вычислительной электродинамики. М.: Физматлит, 2013.

55. Елизаров A.A., Пчельников Ю.Н. Радиоволновые элементы технологических приборов и устройств с использованием электродинамических замедляющих систем. М.: Радио и связь, 2002.

56. Дмитриев Е.Е. Основы моделирования в Microwave Office 2009. М., 2010.

57. Материалы сайта компании AWR http://www.appwave.com/products (обращение от 10.03.2014 г.)

58. Курушин A.A. IE3D идет к разработчикам // EDA Express. - № 15.-2007.-c.27.

59. Материалы сайта компании Mentor Graphics http://www.mentor.com/pcb/hyperlynx/3d-em/ (обращение от 13.04.2014 г.)

60. Материалы сайта компании Sonnet Software www.sonnetsoftware.com (обращение от 15.03.2014 г.)

61. Федулова А.А., Явич Э.Р., Котов Е.П. Многослойные печатные платы // под ред. Е.П.Котова. М.: Советское радио, 1973.

62. Елизаров А.А., Закирова Э.А. О необходимости учета дисперсии при оценке ЭМС многослойных печатных плат микроволнового диапазона // Электромагнитная совместимость и проектирование электронных средств. Сборник научных трудов под ред. Л.Н.Кечиева. М.: МИЭМ, 2012. - с.36-39.

63. Imanaka Y. Material Technology of LTCC for High Frequency Application // Material Integration. - Vol. 15. - No. 12. - 2002. - p. 44-48.

64. Проектирование полосковых устройств СВЧ. Учебное пособие. Ульяновский гос. техн. университет, 2001.

65. Imanaka Y., Notis M.R. Metallization of High Thermal Conductivity Materials // MRS Bull. - June 2001. - p. 471-476.

66. Гольдштейн Л.Д., Зернов H.B. Электромагнитные поля и волны. М.: Советское радио, 1971.

67. Григорьев А.Д. Электродинамика и техника СВЧ. М.: Высшая школа, 1990.

68. Данилин В.Н., Кушниренко А.И., Петров Г.В. Аналоговые полупроводниковые интегральные схемы СВЧ. М.: Радио и связь, 1985.

69. Yamashita Е., Atsuki К., Ueda Т. An approximate dispersion formula of microstrip lines for computeraided design of microwave integrated circuits // IEEE Trans. MTT. - V.MTT-27.- № 12. - 1979. -p.1036-1038.

70. Елизаров A.A., Закирова Э.А. Анализ паразитных колебаний и волн в микрополосковых линиях с учетом многомодовой дисперсии // Технологии ЭМС. - № 3(42). - 2012. - с.69-72.

71. Елизаров A.A., Закирова Э.А. Исследование излучения радиочастотных элементов на микрополосковых спиральных замедляющих системах // T-Comm. Телекоммуникации и транспорт. - № 10. - 2012. - с.51-53.

72. Закирова Э.А. Аналитическое моделирование излучения кромок однослойных и многослойных печатных плат в программе MathCAD // Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ НИУ ВШЭ. Тезисы докладов / Науч. ред.: Тихонов А.Н., Азаров В.Н., Карасев М.В., Кулагин В.П., Леохин Ю.Л., Львов Б.Г., Аристова У.В., ТитковаН.С.. М.: МИЭМ НИУ ВШЭ, 2013. С. 186-187.

73. Электродинамический расчет характеристик полосковых антенн / Панченко Б.А., Князев С.Т. и др. М.: Радио и связь, 2002.

74. Елизаров A.A., Закирова Э.А. Моделирование излучения кромок многослойных печатных плат СВЧ диапазона // Т-Comm. Телекоммуникации и транспорт. - № 9. - 2013.

75. Елизаров A.A., Закирова Э.А. Анализ паразитного излучения кромок многослойных печатных плат СВЧ диапазона // Технологии ЭМС. - №3(45). - 2013- с.16-23.

76. Гринев А.Ю. Основы радиооптики. Учебное пособие. М.: САЙНС-ПРЕСС, 2003.

77. Никольский В.В., Никольская Т.И. Декомпозиционный подход к задачам электродинамики М.: Наука, 1983.

78. Банков С.Е., Курушин A.A. Электродинаика и техника СВЧ для пользователей САПР. М., 2008.

79. Гончаренко И.В. Компьютерное моделирование антенн. Все о программе MMANA. М.: ИП РадиоСофт, журнал «Радио», 2002.

80. Аверина Л.И., Бобрешов A.M. Проектирование СВЧ -устройств с помощью Microwave Office. Учебное пособие. Изд.-во Воронежского гос. университета, 2004.

81. Елизаров A.A., ЗакироваЭ.А. Исследование многослойной печатной платы с подвешенной подложкой для микрополосковых СВЧ устройств // Труды LXVII Научной сессии, посвященной Дню радио. - Москва, 2012. - с.366-369.

82. Елизаров A.A., Закирова Э.А.Исследование микрополосковых частотно-селективных СВЧ устройств на многослойных печатных платах // Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России. V Всероссийские научные Зворыкинские чтения: сб. тез. докл. Всероссийской межвузовской научной конференции. Муром, 1 февр. 2013 г. Муром: Издательско-полиграфический центр МИ ВлГУ, 2013. № 11. С. 314-315.

83. Панченко Б.А., Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны. М.: Радио и связь, 1986.

84. Козарь A.B. Интерференционные явления в слоистых структурах и их применение в задачах приема сигналов и диагностики неоднородных сред. Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. Москва, МГУ им. М.В.Ломоносова, физический факультет, 2004.

85. Nakano H. et al. A spiral antenna sandwiched by dielectric layers // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - Vol.52. - Issue 6. -June 2004. p. 1417-1422.

86. Patent US № 20040189529 Al. Broadband or multiband antenna // B.Jecko et al., 2004.

87. Patent US № 5,926,136 A. Antenna apparatus // M.Ohtsuka et al., 1999.

88. Patent PCT № WO 95/33287. Antenna and method for forming same // W.-Y.Howng, Q.Balzano, 1995.

89. Patent US № 20100109966 Al. Multilayer antenna for implantable medical devices and method for forming the same // D. N. Mateychuk et al., 2010.

90. Патент РФ на изобретение № 2 484 559. Печатная плата с подвешенной подложкой // А.А.Елизаров, Э.А. Закирова. Опубл. вБИ№16, 2013.

91. Маттей Д.Л., ЯнгЛ., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. М.: Связь, 1971. - Т. 1., с.420-439.

92. Патент РФ на полезную модель № 46 389. Микрополосковый фильтр низких частот на штыревой гребенке // Елизаров А.А., Лебедева Т.А. Опубл. в БИ №18, 2005.

93. Патент РФ на полезную модель № 124 445. Микрополосковый фильтр на штыревой гребенке с многослойной подложкой // Елизаров А.А., Закирова Э.А.. Опубл. в БИ № 2, 2013.

94. Пчельников Ю.Н., Елизаров А.А., Лебедева Т.А., Титов А.П.Исследование микрополосковых фильтров низких частот на отрезках штыревых замедляющих систем // Труды LX Научной сессии, посвященной Дню радио. - Москва, 17-19 мая 2005.- Т.2. -с.175-177.

95. Елизаров А.А., Закирова Э.А., Филимонова А.С. Инновационные технические решения в разработке микрополосковых антенн и СВЧ устройств на многослойных печатных платах// В кн.: Труды международной научно-практической конференции "International Scientific — Practical Conference "INNOVATIVE INFORMATION TECHNOLOGIES", Prague, 2013, April 22-26 / Отв. ред.: И. А. Иванов; под общ. ред.: С. У. Увайсов; науч. ред.: С. У. Увайсов. . Т. 2. М.: МИЭМ НИУ ВШЭ, 2013. С. 218-225.

96. Анализатор цепей скалярный Р2М-18А. Руководство по эксплуатации. Часть I Общие сведения. ЗАО НПФ «Микран». Томск. 2013.-47 с.

97. Анализатор цепей скалярный Р2М-18А. Руководство по эксплуатации. Часть II Программное обеспечение. ЗАО НПФ «Микран». Томск. 2013.-101 с.

98. Анализатор цепей скалярный Р2М-18А. Руководство по эксплуатации. Часть III Работа с Р2М. ЗАО НПФ «Микран». Томск. 2013.-74 с.

99. Чебышев В.В. Электродинамика излучающих и направляющих полосковых структур в слоистых средах. М.: ИД «Медиа Паблишер», 2011.

100. Елизаров А.А., Лебедева Т.А., Титов А.П. Радиальные замедляющие системы и их применение в технике СВЧ. Учебное пособие. М.: МГИЭМ (ТУ), 2004.

101. Патент РФ на изобретение № 2 142 182. Магнитная антенна // Пчельников Ю.Н., Аннненков В.В., Елизаров А.А., Дымшиц P.M.. Опубл. в БИ № 33, 1999.

102. Патент РФ на полезную модель № 133 655. Микрополосковая спиральная антенна с двусторонней круговой поляризацией // Елизаров А.А., Закирова Э.А.. Опубл. в БИ № 29, 2013.

103. Чебышев В.В. Микрополосковые антенны в многослойных средах. М.: Радиотехника, 2007.

104. Пчельников Ю.Н., Елизаров А.А., Лебедева Т.А., Титов А.П. Компьютерное моделирование радио- и микроволновых излучателей на радиальных замедляющих системах// LVIII Научная сессия, посвященная Дню радио. Москва, 2003. - Т. 2. -с.7-9.

105. Елизаров А.А., Титов А.П. Исследование многосекционного радиоволнового излучателя на связанных радиальных спиралях// Труды III Межвузовской научной школы молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине». Москва, МГУ, 2002. - с. 93-98.

106. Вендик И.Б., Вендик О.Г. Метаматериалы и их применение в технике сверхвысоких частот (обзор)// Журнал технической физики. - 2013. -Т.83.- вып. 1. - с.3-28.

107. Metamaterials Handbook: Vol. I. Phenomena and Theory of Metamaterials, 926 p. Vol. II. Applications of Metamaterials,724 p. / Ed. by F. Capolino CRC Press, Taylor & FrancisGroup, 2009.

108. Caloz Ch., Itoh T. Electromagnetic metamaterials: transmission line theory and microwave applications (the engineering approach). A John Wiley & Sons, Inc., 2006, 352 p.

109. Sievenpiper D., Zhang L., Broas R., Alexopolous N.G.,Yablonovitch E. // IEEE Trans. MTT. 1999.-Vol. 47.- № 11. -p. 2059-2074.