RU2210144C2

RU2210144C2 - High-stability microstrip structure

Info

Publication number: RU2210144C2
Application number: RU2001109155A
Authority: RU
Inventors: В.Э. Иванов; Е.А. Ненашева; С.И. Кудинов; И.В. Малыгин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью предприятие "Ортикс-Екатеринбург"
Priority date: 2001-04-05
Filing date: 2001-04-05
Publication date: 2003-08-10

Abstract

FIELD: electronic engineering; microwave devices, miscellaneous high-stability filters, resonators, matching and isolating devices, etc. SUBSTANCE: proposed high-stability microstrip structure has common carrying board that mounts special-purpose modules built around lengths of microstrip line; each microstrip line module is disposed on separate insulating base, and location of modules and other components on common carrying board depends on particular circuit arrangement and application of particular structure; common carrying board is made of single-sided foiled glass-reinforced fiber laminate; metal-plated side functions as electromagnetic shield and is connected to power supply neutral; other side of board mounts special-purpose microstrip line modules; insulating base of each module is made of high-stability ceramic whose dielectric constant is minimum 70-80 units, for instance from grade TBNS-R-80 material; bottom part of insulating base of each microstrip line module is enclosed in electromagnetic shield that may be made, for instance, from channel iron; it is also connected to power supply neutral. EFFECT: reduced size and mass, enhanced precision under destabilizing factors such as temperature fluctuations and electromagnetic noise. 1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к электронной технике, в частности к устройствам СВЧ, и может быть использовано при конструировании высокостабильных фильтров различного назначения, резонаторов, согласующих и развязывающих устройств и т. д. Предпочтительнее использовать в аэрологии, авиации и космонавтике, где требуются низкие габаритно-массовые характеристики (ГМХ) при высоких точностных и эксплуатационных. Также может быть использовано в устройствах мобильной связи, например, сотовых телефонах, переносных радиостанциях. The invention relates to electronic equipment, in particular to microwave devices, and can be used in the construction of highly stable filters for various purposes, resonators, matching and decoupling devices, etc. It is preferable to use in aerology, aviation and astronautics, where low overall mass characteristics are required (GMH) at high precision and operational. It can also be used in mobile communication devices, for example, cell phones, portable radio stations.

Известны фильтры на объемных диэлектрических резонаторах, которые представляют собой полосковый проводник, ограниченный со всех сторон прямоугольным экраном. Его структуру можно рассматривать как волновод, частично заполненный диэлектриком. Диэлектрические резонаторы могут иметь различную форму: прямоугольную, цилиндрическую, дисковую, однако наибольшее распространение получили цилиндрические, благодаря высокой технологичности, см. "Микроэлектронные устройства СВЧ" под ред. Г.И. Васильева, М., Высшая школа, 1998, стр.52-53, 98-99. Known filters on volumetric dielectric resonators, which are a strip conductor, bounded on all sides by a rectangular screen. Its structure can be considered as a waveguide partially filled with a dielectric. Dielectric resonators can have various shapes: rectangular, cylindrical, disk, but cylindrical due to their high technology are most widely used, see "Microelectronic Microwave Devices", ed. G.I. Vasilyeva, M., Higher School, 1998, pp. 52-53, 98-99.

Недостатком данных резонаторов при всех их положительных качествах (высокая добротность и технологичность) являются: высокие уровни помех и паразитных связей, высокие ГМХ, низкая температурная стабильность, а также ограниченная область применения, т.е. в основном только для СВЧ-фильтров. The disadvantage of these resonators with all their positive qualities (high quality factor and manufacturability) are: high levels of interference and spurious connections, high GMC, low temperature stability, and also a limited scope, i.e. mainly for microwave filters only.

Известны керамические резонаторы коаксиального типа, применяемые в системах стабилизации частоты генераторов, работающих в диапазоне частот 300-4500 МГц, т. е. в мобильных радиотелефонах, переносных радиостанциях, системах дистанционного управления и пр. Эти резонаторы выпускаются двух типов: дисковый и прямоугольный, см. Каталог 2000, "Высокочастотные керамические материалы и микроволновые элементы", Россия, С-Петербург, 2000, стр.18-19. Ceramic coaxial type resonators are known for use in frequency stabilization systems of generators operating in the frequency range 300-4500 MHz, i.e., in mobile radiotelephones, portable radios, remote control systems, etc. These resonators are available in two types: disk and rectangular, cm Catalog 2000, "High-frequency ceramic materials and microwave elements", Russia, St. Petersburg, 2000, pp. 18-19.

Недостатком данных резонаторов являются следующие: большие габариты при генерировании малых частот (<300 МГц), невозможность подстройки собственно резонатора в готовой сборке, плохая совместимость с МПЛ, высокий уровень помех, все параметры гарантируются для диапазона температур плюс 25-55^oС, а вне выхода этого диапазона параметры резко ухудшаются.The disadvantage of these resonators is the following: large dimensions when generating low frequencies (<300 MHz), the inability to adjust the resonator itself in the finished assembly, poor compatibility with the MPL, high noise level, all parameters are guaranteed for the temperature range plus 25-55 ^o C, and outside the output of this range, the parameters deteriorate sharply.

Известны устройства (схемы) на микрополосковых линиях (МПЛ). Основу таких схем составляют отрезки МПЛ в виде тонких слоев металла, нанесенных на листы диэлектрика (подложки) с диэлектрической проницаемостью порядка 10 ед. На МПЛ создаются различные типы устройств СВЧ: различные фильтры, ответвители, делители, сумматоры и т.д., в основном для пассивных устройств СВЧ, см. "Справочник по элементам полосковой техники", под ред. А.Л. Фельдштейна, М., Связь, 1979 - прототип. Known devices (circuits) on microstrip lines (MPL). The basis of such schemes is MPL segments in the form of thin layers of metal deposited on dielectric sheets (substrates) with a dielectric constant of about 10 units. Various types of microwave devices are created on the MPL: various filters, taps, dividers, combiners, etc., mainly for passive microwave devices, see "Guide to Elements of Strip Technology," ed. A.L. Feldstein, M., Communication, 1979 - prototype.

Общими недостатками прототипа (на традиционных МПЛ), выполненного по классическому конструктиву с общей несущей подложкой, являются следующие: наличие паразитных полос пропускания, вызванных разностью фазовых скоростей четного и нечетного типов колебаний, наличие паразитного излучения с разомкнутых концов резонаторов, что приводит к положительной обратной связи между отдельными отрезками МПЛ, что значительно ухудшает качество работы. The common disadvantages of the prototype (on traditional MPL), made according to the classical design with a common carrier substrate, are as follows: the presence of spurious passband caused by the difference in phase velocities of the even and odd modes of vibration, the presence of spurious radiation from the open ends of the resonators, which leads to positive feedback between individual segments of the MPL, which significantly impairs the quality of work.

Технической задачей изобретения являются снижение ГМХ, резкое повышение точностных характеристик в условиях воздействия дестабилизирующих факторов, например, больших колебаниях температур, снижение почти до нулевой величины электромагнитных помех. An object of the invention is the reduction of GMC, a sharp increase in accuracy characteristics under the influence of destabilizing factors, for example, large temperature fluctuations, a decrease to almost zero magnitude of electromagnetic interference.

Указанная цель достигается следующим образом: предлагается высокостабильный микрополосковый конструктив, содержащий общую несущую плату, расположенные на ней специализированные модули, выполненные на отрезках МПЛ, причем каждый модуль МПЛ расположен на отдельном диэлектрическом основании, а расположение модулей и других ЭРЭ на общей несущей плате (топология) определяется конкретным схемным решением и назначением данного конструктива, общая несущая плата выполнена из одностороннего фольгированного стеклотекстолита, причем металлизированная сторона выполняет роль электромагнитного экрана и соединена с нулем вольт-конструктива, а на другой стороне платы размещаются специализированные модули МПЛ; диэлектрическое основание каждого модуля МПЛ выполнено из высокостабильной керамики с диэлектрической проницаемостью не менее 70-8 ед., например, из материала ТБНС-Р-80; нижняя часть диэлектрического основания каждого модуля МПЛ заключена в электромагнитный экран, выполненный, например, в виде швеллера, и соединена также с нулем вольт-конструктива. This goal is achieved as follows: a highly stable microstrip construct is proposed, containing a common carrier board, specialized modules located on it, made on the MPL segments, with each MPL module located on a separate dielectric base, and the location of the modules and other EREs on a common carrier board (topology) is determined by the specific circuit solution and the purpose of this construct, the common carrier board is made of one-sided foil fiberglass, metal th e party acts as an electromagnetic shield and connected to zero volts, constructive, and on the other side of the board are placed MPL specialized modules; the dielectric base of each MPL module is made of highly stable ceramics with a dielectric constant of at least 70-8 units, for example, from TBNS-R-80 material; the lower part of the dielectric base of each MPL module is enclosed in an electromagnetic shield, made, for example, in the form of a channel, and is also connected to the zero volt construct.

На чертежах изображены условные виды конструктивов. На фиг.1 - полосно-пропускающий фильтр с параллельно-связанными резонаторами, на фиг.2 - резонаторы для СВЧ-приемника (передатчика), на фиг.3 - общий вид модуля МПЛ и части конструктива, на фиг.4 - поперечный разрез конструктива, на которых изображено: 1 - несущая плата, 2 и 3 - прямоугольный МПЛ, 4 и 5 - диэлектрические основания, 6 - проходной навесной конденсатор, 7 - печатный проводник, 8, 9 и 10 - подковообразные МПЛ, 11, 12 и 13 - диэлектрические основания. The drawings depict conventional types of constructs. Figure 1 - bandpass filter with parallel-coupled resonators, figure 2 - resonators for a microwave receiver (transmitter), figure 3 - General view of the MPL module and part of the construct, figure 4 - cross section of the construct on which are shown: 1 - a carrier board, 2 and 3 - a rectangular MPL, 4 and 5 - dielectric bases, 6 - a pass-through mounted capacitor, 7 - a printed conductor, 8, 9 and 10 - horseshoe-shaped MPLs, 11, 12 and 13 - dielectric bases.

Каждая МПЛ 2 и 3 выполнена в виде прямоугольника из токопроводящего материала, например серебра или оловенированной меди, осаждена на диэлектрическое основание (подложку) 4 и 5, соответственно, которое имеет высокую температурную стабильность и диэлектрическую проницаемость не менее 60 ед. Указанное диэлектрическое основание имеет размеры по площади несколько больше площади МПЛ (для уменьшения так называемого "краевого эффекта"), а по высоте (толщине) - 1-2 мм. Снизу это основание имеет электромагнитный экран (например, из меди) в виде швеллера, нанесенный также методом осаждения. Each MPL 2 and 3 is made in the form of a rectangle of conductive material, for example silver or tin-plated copper, deposited on a dielectric base (substrate) 4 and 5, respectively, which has high temperature stability and a dielectric constant of at least 60 units. The specified dielectric base has dimensions slightly larger than the MPL area (to reduce the so-called "edge effect"), and 1-2 mm in height (thickness). From the bottom, this base has an electromagnetic screen (for example, made of copper) in the form of a channel, also deposited by the deposition method.

Связь экрана модуля с экраном (фольгированной стороной) несущей платы конструктивно осуществляется путем сквозного выреза в несущей плате по размеру модуля, который вставляется в этот вырез заподлицо с фольгированной поверхностью и запаивается экран модуля с фольгированной стороной вместе стыков. The connection of the screen of the module with the screen (foil side) of the carrier board is structurally carried out by cutting through the hole in the carrier board to the size of the module, which is inserted flush with the foil surface into this slot and the screen of the module with the foil side of the joints is sealed together.

Входной СВЧ сигнал U_вх подается на МПЛ 2 через проходной конденсатор 6, закрепленный на несущей плате 1 навесным монтажом. Каждая МПЛ 2 и 3 вместе со своим диэлектрическим основанием образует фильтр. Выход МПЛ 3 через печатный проводник 7 (соединение посредством навесного монтажа) является выходом данного конструктива (см. фиг.1).U microwave input signal _Rin is supplied to the MUX 2 through the coupling capacitor 6, fixed to the base plate 1 half assembly. Each MPL 2 and 3 together with its dielectric base forms a filter. The output of the MPL 3 through the printed conductor 7 (connection by means of wall mounting) is the output of this construct (see figure 1).

Конструктив на фиг.2 аналогичен описанному выше, только на нем показано три резонатора, МПЛ которых выполнены в виде подковы для уменьшения размеров и потерь СВЧ энергии, а по электрическим показателям, также по способу изготовления и крепления ничем не отличается от конструктива, изображенного на фиг.1. The construct in figure 2 is similar to that described above, only it shows three resonators, the MPL of which is made in the form of a horseshoe to reduce the size and loss of microwave energy, and in electrical indicators, as well as in the method of manufacture and mounting, is no different from the construct shown in fig. .1.

Предлагаемый конструктив предназначен для выполнения следующих задач:
создание микроминиатюрных полосно-пропускающих и полосно-заграждающих фильтров,
создание резонаторов для задающих каскадов гетеродинов и передатчиков,
создание удобных конструктивов для сочетания с конструкциями приемопередающих устройств, выполненных по МПЛ технологии,
создание миниатюрных радиоэлементов, например, индуктивности, емкости и т.д.The proposed construct is designed to perform the following tasks:
creation of microminiature bandpass and bandpass filters,
creation of resonators for master cascades of local oscillators and transmitters,
creation of convenient constructs for combination with the designs of transceiver devices made according to MPL technology
creation of miniature radio elements, for example, inductance, capacitance, etc.

Предлагаемый конструктив позволяет: резко уменьшить ГМХ, ослабить паразитные связи между МПЛ - резонаторами через общую подложку, так как связь между резонаторами в данном конструктиве осуществляется только через пространство, получить более узкополосную АЧХ, не достижимую для фильтров на общей подложке, а именно 5-6% от центральной частоты фильтра, в несколько раз снизить габариты фильтров по сравнению с фильтрами на объемных резонаторах (которые, в основном, применяются сейчас) за счет разницы в собственных физических размерах (для одной частоты), резкого уменьшения габаритов экрана, в сущности фильтры на предлагаемом конструктиве не требуют объемного экрана, так как основная часть энергии колебаний концентрируется между МПЛ резонатором и заземляющей поверхностью подложки, упростить настройку, так как найти нужную точку (точки) отвода от МПЛ для заданной характеристики и припаяться к ней после ее нахождения очень легко, значительно снизить финансовые затраты. The proposed construct allows you to: sharply reduce the GMC, weaken the parasitic bonds between the MPL resonators through a common substrate, since the connection between the resonators in this construct is only through space, to obtain a narrower frequency response that is not achievable for filters on a common substrate, namely 5-6 % of the center frequency of the filter, several times reduce the dimensions of the filters compared to filters on volumetric resonators (which are mainly used now) due to the difference in their physical dimensions (for one frequency), a sharp decrease in screen dimensions, in fact, the filters on the proposed construct do not require a three-dimensional screen, since the bulk of the vibration energy is concentrated between the MPL resonator and the grounding surface of the substrate, to simplify the setup, since it is possible to find the desired point (s) of tap from the MPL for a given characteristics and solder to it after its finding is very easy, significantly reduce financial costs.

Таким образом, данный конструктив полностью отвечает основному критерию: "стоимость-эффективность". Thus, this construct fully meets the main criterion: "cost-effectiveness".

Claims

Highly stable microstrip design containing a common carrier board made of one-sided foil material, for example fiberglass, the metallized side acts as an electromagnetic screen and is connected to zero volt-supply, and on the other side of the board there are specialized modules on segments of a microstrip line (MPL), characterized the fact that the dielectric base of each MPL module is made of highly stable ceramic with a dielectric constant of at least 70-80 units, and izhnyaya dielectric base portion of each MUX module is enclosed in a further electromagnetic screen, and also connected to the zero-volt supply.