Микроэлектронные устройства сверхвысоких-частот (СВЧ) определяют в большой степени техническую и экономическую эффективность систем радиосвязи, радиолокации и радионавигации. Внедрение в технику СВЧ новых приборов и аппаратуры, основанных на применении микроэлектроники и имеющих малые габаритные размеры и массу, повышает надежность в условиях различных дестабилизирующих факторов.

Решениями XXVI съезда КПСС по экономическому и социальному развитию СССР на 1981-1985 годы и на период до 1990 года предусматривается дальнейшее широкое использование искусственных спутников Земли для организации многопрограммного телевидения и радиовещания. Будут и далее широко внедряться в воздушный транспорт страны бортовые и наземные системы навигационного и радиотехнического оборудования. Успешное решение поставленных задач в значительной степени определяется использованием в промышленности и народно.и хозяйстве, в частности в радиотехнических системах, микроэлектрэнных устройств СВЧ.

Внедрение микроэлектроники в технику СВЧ совместно с разработкой технологии изготовления гибридных интегральных схем (РИС) СВЧ повышает точность изготовления при очень малых размерах. В СВЧ диапазоне применяют элементы с распределенными постоянными, которые на более низких частотах используют лишь в качестве линий передач сигналов. Представление элементов с распределенными постоянными в виде соединения конечного числа элементов с сосредоточенными постоянными весьма приближенно. Поэтому в настоящее время техника СВЧ устройств сформировалась в особую область радиоэлектроники со своими специфически.чп .методами анализа, оптимизации и конструирования.

При анализе любого устройства важно выбрать его математическую модель, т. е. формы математического описания э.кментов, входящих в состав устройства. Математическое моделирование имеет особое значение при разработке мпкроэлектронных устройств, поскольку экспериментальная отработка отдельных элементов устройства затруднена, а подстройка и дополнительная регулировка часто невозможны. В орщем случае анализ системы, содержащей элементы с распределенными постоянными, сводится к решению электродинамических уравнений Максвелла. Однако на практике, ввиду сложности граничных условий, эти уравнения можно решить лишь для ограниченного круга элементов с распределенными постоянными. Для расчета используют методы теории цепей, позволяющие при выполнении определенных условий в качестве математической модели элемента с распределенными постоянными применять многополюсник.- Характеристики линейных и . параметрических многополюсников определяют из системы уравнений и, следовательно, соответствующих матриц, связывающих величины напряжений и токов или падающих и отраженных волн на выходах многополюсника.

в технике СВЧ непосредственными объектами измерения являются не проводимости и сопротивления, а комплексные коэффициенты отраоюения и передачи, которые использу/рт как наиболее удобные внешние параметры СВЧ многополюсника. Поэтому методика анализа параметров и характеристик микроэлектронных устройств СВЧ основывается на применении волновых матриц рассеяния [Si или передачи {т\. Хорошо разрабопитный математический аппарат волновых матриц позволяет эффективно использовать ЭВ.М при анализе микроэлектронных устройств СВЧ.

Для расчета многоэлементных устройств СВЧ предлооюены алгоритмы, реализующие циклические или итерационные методы, т. е. по рекуррентным формулам можно вычислять искомые характеристики за определенное число шагов (циклов, итераций). При этом уменьшается объем памяти ЭВМ и можно использовать для расчетов малые ЭВМ и программируемые калькуляторы.

Авторы выражают глубокую благодарность д-ру физ.-мат. наук \В. М. Седых\, канд. техн. наук В. Т. Лису, инж. И. И. Сапрыкину за внимательный просмотр рукописи и ценные замечания и предложения по улучшению книги. .у ,

Отзывы и пожелания просим направлять по адресу: 252601, Киев, 1, Креищтик, 5, издательство *Техн1ка.

Главв 1 РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ГИБРИДНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

f. ПОНЯТИЕ ГИБРИДНОЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ СХЕМЫ СВЧ

Микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов, которое с точки зрения эксплуатации рассматривается как единое целое, называется интегральной микросхемой [26, 76]. Интегральная микросхема отличается от интегральной схемы (ИС) эквивалентной плотностью монтажа (не менее пяти элементов в одном кубическом сантиметре объема), занимаемого микросхемой. ИС бывают двух видов - полупроводниковые и гибридные. В полупроводниковой ИС все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и (или) на поверхности полупроводника. Гибридная (ГИС) - это схема, содержащая, кроме элементов, компоненты и (или) кристаллы [26], часть которых имеет самостоятельное конструктивное оформление. Таким образом, под ГИС СВЧ понимают микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала СВЧ, имеющее нераздельно связанные и (или) электрически соединенные элементы, компоненты и кристаллы, которые (все перечисленные или их часть) имеют самостоятельное конструктивное оформление-ГИС СВЧ, с точки зрения эксплуатации, рассматривается как единое целое. Элементом ГИС СВЧ называют часть схемы. Обычно ГИС состоит из корпуса, в котором размещено диэлектрическое основание. На диэлектрическом основании расположены пассивные (микрополос-ковые отрезки линий, мост, фильтр, перемычки) и активные компоненты (диоды, транзисторы).

Таким образом, ГИС представляет собой соединение большого количества элементов, функционально связанных и взаимодействующих друг с другом. Элементы ГИС выполняют и соединяют между собой с помощью микроэлектронных линий передачи.

2. ОСНОВНЫЕ линии ПЕРЕДАЧ ГИС СВЧ

ГИС СВЧ выполняют на линиях передачи, имеющих малые габаритные размеры и удобных для монтажа активных элементов, технологию изготовления которых можно автоматизировать. К линиям передачи, используемым как элементы радиотехнических конструкций, предъявляются следующие требования: малые диссипативные потери; передача сигналов с малыми искажениями в определенной полосе частот; обеспечение электрогерметичности; малые габаритные размеры и масса, технологичность в изготовлении и хорошая повторяемость параметров в условиях серийного производства. К линиям некоторых устройств предъявляются особые требования, например,

Рис. 1.1. Внешний вид микроэлектронных линий:

д микрополосковая; б - щелеоая; а - копланарная; е - микрополосковая с окиа.чн ; д -> высокодобротиая; е - волновоц. заполнеин.лй диэлектриком; ж - юздушиая симметричная; - открытый микроволиород; и - диэлектрический волновод; к - связанные МПЛ; л - слож- ыые связанные МПЛ; л - меаидровая МПЛ

светочуйствительность подложки для светоуправляемых аттенюаторов. Подложки линий обычно имеют высокую диэлектрическую проницаемость.

Наиболее перспективными для построения гибридно-интегральной миниатюрной широкополосной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) являются микрополосковые, щелевые, копланарные линии передач и их комбинации. На рис. 1.1 показаны основные типы микроэлектронных линий. Токонесущими проводниками этих линий являются полоски металла, нанесенные на подложку, представляющую собой диэлектрик или полупроводник.

Щелевая (ЩЛ) и копланарная (КЛ) линии удобны для подключения активных элементов и образования невзаимных устройств. Используя ЩЛ, можно легко реализовать линии с высокими волновыми сопротивлениями. Для получения низких волновых сопротив-

Таблица 1

примечания: I. Лучшие свойства оцениваются пятеркоЛ. 2. Данные приведены для частоты ниже 10 ГГц.