Circuito a microonde PCB

Il circuito a microonde è un circuito che funziona nella banda a microonde e nella banda d'onda millimetrica ed è integrato su un substrato da componenti passivi a microonde, componenti attivi, linee di trasmissione e interconnessioni ed ha una certa funzione.

Il circuito a microonde è diviso in circuito ibrido a microonde e circuito monolitico a microonde. Il circuito ibrido a microonde è un blocco funzionale che utilizza la tecnologia a film sottile o a film spessi per fabbricare il circuito passivo a microonde su un substrato adatto per la trasmissione dei segnali a microonde. Il circuito è progettato e realizzato in base alle esigenze del sistema. Il circuito ibrido a microonde comunemente usato include vari circuiti a microonde a banda larga come mixer microstrip, amplificatori a microonde a basso rumore, amplificatori di potenza, moltiplicatori di frequenza e unità phased array. I circuiti a microonde monolitici sono blocchi funzionali che utilizzano la tecnologia planare per produrre direttamente componenti, linee di trasmissione e linee di interconnessione su un substrato semiconduttore. L'arsenuro di gallio è il materiale di substrato più comunemente usato. Il circuito a microonde è iniziato negli anni '50. Un motivo importante per cui la tecnologia del circuito a microonde consiste in linee coassiali, componenti di guida d'onda e i loro sistemi trasformati a circuito planare è lo sviluppo di dispositivi a stato solido a microonde. Negli anni '60 e '70 sono stati utilizzati substrati di allumina e tecnologia a film spessi; Il circuito integrato monolitico ha iniziato ad essere disponibile negli anni '80.

Il circuito ibrido a microonde utilizza la tecnologia a film spessi o la tecnologia a film sottile per fabbricare vari circuiti funzionali a microonde su un mezzo adatto per la trasmissione dei segnali a microonde e quindi installare componenti attivi discreti nelle posizioni corrispondenti per formare un circuito a microonde. Il mezzo utilizzato nel circuito a microonde comprende porcellana ad alta allumina, zaffiro, quarzo, ceramica di alto valore e mezzo organico. Ci sono due tipi di circuito: circuito di microtrip a parametro distribuito e circuito di parametri grumi. I dispositivi attivi utilizzano dispositivi a microonde confezionati o utilizzano direttamente chip. La caratteristica principale del circuito a microonde è che sono progettati e fabbricati secondo i requisiti della macchina a microonde completa e la divisione delle bande a microonde. La maggior parte dei circuiti integrati utilizzati sono dedicati. Comunemente utilizzati sono mixer microstrip, amplificatori a microonde a basso rumore, amplificatori di potenza integrati a microonde, oscillatori integrati a microonde, moltiplicatori di frequenza integrati, interruttori microstrip, unità phased array integrate e vari circuiti a banda larga.

Il circuito monolitico a microonde è un circuito integrato in cui un circuito funzionale a microonde è fabbricato su un chip fatto di materiale di arsenuro di gallio o di altri materiali semiconduttori mediante un processo a semiconduttore. Il circuito a microonde fatto di materiali siliconici funziona nella banda di frequenza 300-3000 GHz, che può essere considerato come un'estensione del circuito integrato lineare in silicio e non è incluso nel circuito a microonde monolitico.

Il processo di fabbricazione del circuito monolitico a microonde GaAs consiste nell'utilizzare la crescita epitassiale o l'impianto ionico del silicio per formare uno strato attivo su un singolo wafer GaAs semi-isolante; impiantare ossigeno o protoni per generare uno strato di isolamento (o altri ioni adatti a generare uno strato di isolamento); Iniettare berillio o zinco per formare una giunzione PN; creare barriere metalliche-semiconduttori per evaporazione del fascio di elettroni; realizzare dispositivi attivi (quali diodi, transistor ad effetto campo) e nessun componente sorgente (induttori, condensatori, resistenze e accoppiatori di componenti microstrip, filtri, carichi, ecc.) e modelli di circuito. La progettazione del circuito è anche divisa in due forme: parametri raggruppati e parametri distribuiti. I parametri distribuiti sono utilizzati principalmente nel circuito di potenza e nel circuito di onda millimetrica. Il circuito ad onda millimetrica si riferisce al circuito integrato che opera nell'intervallo da 30 a 300 gigahertz.

L'arsenuro di gallio è più adatto del silicio per la fabbricazione del circuito monolitico a microonde (compreso il circuito ad altissima velocità) principalmente perché: 1. La resistività del substrato semi-isolante dell'arsenuro di gallio è alta come 107～109 ohm·cm e la perdita di trasmissione a microonde è piccola; 2. Arsenide La mobilità elettronica del gallio è circa 5 volte superiore a quella del silicio, la frequenza operativa è alta e la velocità è veloce; 3. il transistor a effetto campo metallo-semiconduttore dell'arsenuro di gallio attivo chiave del dispositivo è un dispositivo multifunzionale con buona resistenza alle radiazioni, in modo che il singolo circuito a microonde Chip dell'arsenuro di gallio abbia ampie prospettive di applicazione in radar phased array a stato solido, apparecchiature di contromisure elettroniche, missili tattici, ricezione satellitare televisiva, comunicazioni a microonde, computer ad altissima velocità e elaborazione di informazioni di grande capacità.

Il circuito monolitico a microonde che è stato sviluppato con successo e applicato gradualmente include: amplificatore a basso rumore integrato monolitico a microonde, front-end monolitico ricevitore satellitare TV, amplificatore di potenza monolitico a microonde, oscillatore monolitico controllato a tensione a microonde, ecc La progettazione di questo circuito ruota principalmente intorno alla generazione, amplificazione, controllo, e funzioni di elaborazione delle informazioni dei segnali a microonde. La maggior parte del circuito è progettato secondo i requisiti di diverse macchine complete e le caratteristiche delle bande di frequenza a microonde, e sono molto specifici.

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La creazione di un circuito a microonde

"Circuito a microonde" è da sempre sinonimo di "circuito guida d'onda". Già nei primi anni '30, la gente si rese conto che le guide d'onda sono una struttura di trasmissione molto utile per le frequenze a microonde. I ricercatori hanno scoperto a lungo che una piccola sezione della guida d'onda dopo una corretta modifica può essere utilizzata come radiatore o un pezzo di antigene elettrico. Come cavità risonante e antenna corno. Nello sviluppo del circuito moderno della guida d'onda, fin dall'inizio, sono stati compiuti sforzi per trasmettere efficacemente la potenza delle microonde dalla sorgente a microonde alla linea di trasmissione della guida d'onda e per essere efficacemente recuperato all'estremità ricevente. Ciò prevede modifiche agli originali corrispondenti del trasmettitore e del ricevitore. Richieste elevate. Pertanto, ha portato alla comparsa di componenti come rivelatori di onde mobili, metri di lunghezza d'onda e carichi terminali.

Lo sviluppo e l'applicazione della tecnologia a microonde ha costituito la base del circuito a microonde. Dalla scoperta iniziale del principio discontinuo di riflessione multipla e del principio di risonanza della cavità corrispondente, all'uso di questi principi per abbinare la sorgente di alimentazione a microonde con la guida d'onda e quindi per abbinare la guida d'onda con il ricevitore (come un rivelatore di cristallo), e utilizzare questi dispositivi per fare un certo segnale di frequenza attraverso il circuito.

Una delle caratteristiche di base del circuito a microonde è quella di regolare o sintonizzare le loro caratteristiche in base all'esperienza attraverso le viti e i diaframmi all'interno della guida d'onda (e anche la dimensione compressa). All'inizio, questo era solo un metodo di prova ed errore, e successivamente si è sviluppato nella cosiddetta "ingegneria della guida d'onda". Per molto tempo, è stato anche uno dei metodi più comunemente utilizzati nell'ingegneria a microonde.

Stato attuale del circuito a microonde

Il circuito a microonde è partito dal circuito a microonde tridimensionale utilizzato negli anni '40. È composto da una linea di trasmissione della guida d'onda, un elemento della guida d'onda, una cavità risonante e un tubo a microonde. Negli anni '60, è emersa una nuova generazione di circuiti integrati a microonde con dispositivi a semiconduttore, tecnologia di deposizione di film sottile e tecnologia fotolitografica. Grazie alle sue piccole dimensioni, peso leggero e uso conveniente, è completamente utilizzato in armi, aerospaziali e satelliti.

Due trasmissioni di base sono spesso utilizzate nel circuito a microonde, vale a dire la guida d'onda e la linea coassiale di modo TEM. La guida d'onda è caratterizzata da alta potenza e bassa perdita. Quest'ultima caratteristica ha portato all'emergere di cavità risonanti ad alto Q. La linea coassiale ha caratteristiche intrinseche a banda larga perché non c'è alcun effetto di dispersione. Inoltre, il concetto di impedenza può essere facilmente spiegato anche nella linea coassiale, che semplifica il processo di progettazione del componente. Queste due strutture di trasmissione si sono sviluppate in importanti componenti del circuito a microonde e l'uso dei due insieme può ottenere risultati inaspettati.

La struttura di trasmissione della linea di striscia è utilizzata nel circuito a microonde. Il modulo è lo stesso utilizzato oggi. È composto da due piastre dielettriche con metallo all'esterno e un conduttore a nastro sottile. Con l'avvento dei laminati rivestiti di rame, la stripline si è sviluppata in un processo di precisione le cui prestazioni possono essere calcolate in anticipo. La caratteristica più importante della struttura di trasmissione stripline è che la sua impedenza caratteristica è controllata dalla larghezza del conduttore di striscia centrale. La caratteristica a due bit della struttura del circuito stripline consente di realizzare l'interconnessione di molti componenti senza distruggere lo strato schermante del conduttore esterno, che porta anche grande flessibilità alle posizioni di ingresso e uscita. A causa delle caratteristiche intrinseche di accoppiamento quando due conduttori di striscia sono vicini tra loro, la linea di striscia è molto conveniente da utilizzare in accoppiatori di linea parallela.

Dal 1974, Plessey degli Stati Uniti ha utilizzato i FET GaAs come dispositivi attivi e substrati semi-isolanti GaAs come vettori per sviluppare con successo il primo amplificatore MMIC del mondo. È stato utilizzato in applicazioni militari (tra cui armi intelligenti, radar, comunicazioni e guerra elettronica, ecc.). Sotto l'impulso del MMIC, lo sviluppo del MMIC è molto rapido. È l'avvento della tecnologia GaAs e le caratteristiche dei materiali GaAs che hanno contribuito alla transizione dal circuito a microonde al circuito monolitico a microonde (MMIC). Rispetto al circuito ibrido a microonde HMIC di seconda generazione, MMIC presenta i vantaggi di dimensioni più piccole, durata più lunga, alta affidabilità, basso rumore, basso consumo energetico e frequenza limite di funzionamento superiore. Pertanto, ha ricevuto ampia attenzione.

L'emergere del circuito monolitico a microonde ha reso possibile la realizzazione di vari circuiti a microonde. Pertanto, vari dispositivi MMIC hanno raggiunto uno sviluppo senza precedenti, come amplificatori di potenza MMIC, amplificatori a basso rumore (LNA), mixer, upconverter, oscillatori controllati in tensione (VCO), filtri, ecc., fino al front end MMIC e all'intero sistema di ricetrasmettitore. Il circuito integrato monolitico a microonde ha ampie prospettive di applicazione in radar a matrice phased a stato solido, apparecchiature elettroniche di contromisure, missili tattici, ricezione satellitare televisiva, comunicazioni a microonde, computer ad altissima velocità e elaborazione di informazioni di grande capacità.

Con l'ulteriore miglioramento della tecnologia MMIC e il progresso della tecnologia a circuito integrato multistrato, la struttura tridimensionale a microonde multistrato che utilizza il substrato multistrato per realizzare quasi tutti i dispositivi passivi e le reti di interconnessione chip ha ricevuto sempre più attenzione. E la tecnologia MCM (Multi-Chip Module) costruita sul substrato di interconnessione multistrato renderà le dimensioni del sistema d'onda millimetrica a microonde più piccole.

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La tendenza di sviluppo del circuito a microonde

1. Interconnessione e tecnologia di produzione del circuito a microonde

La tecnologia a microonde e la tecnologia di interconnessione e produzione dei circuiti a microonde che utilizzano frequenze superiori a 1 GHz si sono sviluppate rapidamente e sono ampiamente utilizzate. Nei moderni sistemi informativi e apparecchiature elettroniche militari come radar, apparecchiature di navigazione e comunicazione, il circuito a microonde è l'"aorta" delle informazioni ad alta velocità. Pertanto, il circuito a microonde e la loro interconnessione e tecnologia di produzione è una delle principali tecnologie chiave nello sviluppo e nella produzione di sistemi informativi e apparecchiature elettroniche militari. La tecnologia di interconnessione e produzione del circuito a microonde comprende: materiali e tecnologia di produzione del substrato del circuito a microonde, progettazione e tecnologia di produzione del circuito a microonde, tecnologia di imballaggio e assemblaggio di dispositivi o componenti a microonde, tecnologia di interconnessione e debug di componenti o sistemi a microonde. Coinvolge molte discipline come la microelettronica, la scienza dei materiali, la tecnologia delle applicazioni informatiche, l'ingegneria meccanica elettronica, ecc.; è una scienza e tecnologia multidisciplinare e completa. Ha le caratteristiche di alto contenuto tecnologico, alta difficoltà tecnica, velocità di sviluppo veloce, ampia area di applicazione e grande effetto nei sistemi informativi e nelle apparecchiature elettroniche militari.

Con il rapido progresso della scienza e della tecnologia come la tecnologia microelettronica, la tecnologia dei componenti, la scienza dei materiali, la progettazione e la produzione assistita da computer, ecc., nuove tecnologie e tecnologie per l'interconnessione e la produzione di circuiti a microonde sono costantemente emergenti. Ad esempio, circuito integrato a microonde multistrato e circuito integrato a microonde tridimensionale (3DMMIC), linee di trasmissione a bassa perdita e circuito SMM della membrana di schermatura, moduli a microonde multi-chip, circuito a microonde, tecnologia di interconnessione e produzione dei sistemi micro-elettromeccanici (MEMS), nuova tecnologia PCB a microonde in resina, La nuova tecnologia di rivestimento protettivo del circuito a microonde, così come la tecnologia tridimensionale di simulazione del circuito applicata alla progettazione del circuito a microonde, CAD del circuito a microonde e tecnologia di ottimizzazione basata su metodi intelligenti, ecc.

2. La struttura fotonica del gap di banda del circuito a microonde

Nel 1987, Yablonovitch propose la struttura del gap sub-band (PBG), originariamente applicata nel campo ottico, ed è stata introdotta nella banda a microonde negli ultimi anni, che ha attirato l'attenzione diffusa. Quando le onde elettromagnetiche si propagano in materiali con strutture periodiche, saranno modulate per produrre un gap di banda fotonica. Quando la frequenza operativa delle onde elettromagnetiche cade all'interno dello spazio di banda, non c'è stato di trasmissione. La struttura dello spazio sottobanda è applicata alla banda a microonde, che può impedire che le onde elettromagnetiche in una banda di frequenza specifica si propagano in esso. Allo stesso tempo, la struttura fotonica del gap della banda cambierà anche la costante di propagazione nella banda passante, che è una struttura ad onda lenta. A causa delle caratteristiche di cui sopra della struttura del gap di banda fotonica, è ampiamente usato nel rifiuto della banda, nella soppressione delle armoniche di alto ordine, nel miglioramento dell'efficienza, nell'aumento della larghezza di banda e nella riduzione delle dimensioni. La struttura fotonica del gap di banda può adottare la sostanza del metallo, dielettrica, ferromagnetica o ferroelettrica impiantata nel materiale del substrato, o direttamente formare una disposizione periodica di vari materiali. Ci sono molti tipi di strutture fotoniche a banda a microonde proposte in patria e all'estero e lo sviluppo attuale da strutture tridimensionali a strutture unidimensionali e bidimensionali. Grazie alla facilità di implementazione e integrazione, la ricerca di strutture fotoniche bandgap è stata sviluppata nei campi dell'elettronica e delle comunicazioni. Attualmente, la forma unitaria della struttura fotonica del bandgap, le condizioni periodiche, la combinazione di vari corpi di deformazione periodica della struttura e lo sviluppo dei materiali sono tutti hotspot di ricerca degni di attenzione.

I sub-cristalli sono cristalli artificiali formati dalla disposizione periodica di un mezzo in un altro mezzo. La caratteristica di base dei cristalli fotonici è che hanno un gap di banda fotonica. Le onde elettromagnetiche le cui frequenze cadono nello spazio di banda sono vietate dalla propagazione. Le caratteristiche uniche dei cristalli fotonici sono state utilizzate prima nel campo dell'ottica, per poi espandersi rapidamente ad altri campi, e ora vengono anche ricercate e applicate nella banda di frequenza delle microonde. Allo stato attuale, una varietà di strutture di gap di banda fotonica a microonde sono state proposte in patria e all'estero. La struttura originale del gap di banda fotonica a microonde è composta da disposizione periodica media tridimensionale. Poiché l'elaborazione e l'analisi della struttura tridimensionale sono molto complicate, la ricerca e la produzione di strutture fotoniche di banda a microonde sono concentrate. Sulla struttura piana. L'aspetto della struttura planare del gap della banda fotonica ha cambiato il metodo di progettazione tradizionale, ha fornito un nuovo modo per la progettazione di circuiti ad alte prestazioni e ad alta integrazione e ha portato una rivoluzione nel pensiero progettuale del circuito integrato a microonde. Poiché le strutture planari unidimensionali e bidimensionali del bandgap sono flessibili, facili da implementare e facili da integrare, sono state ampiamente utilizzate nel circuito a microonde e hanno portato uno sviluppo più rapido del circuito integrato a microonde.

3. Interruttori MEMS per circuito a microonde

Secondo l'ultima definizione di MEMS, è un dispositivo miniaturizzato o array di dispositivi che combina componenti elettrici e meccanici e può essere fabbricato in lotti utilizzando la tecnologia IC. Sebbene il tradizionale processo di produzione IC e il processo di produzione MEMS abbiano grandi somiglianze, il primo è una tecnologia planare e il secondo è una tecnologia tridimensionale. Le tecnologie di produzione MEMS attualmente ampiamente utilizzate includono: tecnologia di microlavorazione sfusa, tecnologia di microlavorazione superficiale, tecnologia di microlavorazione legante e tecnologia LIGA (tecnologia di elettroformatura litografica).

L'interruttore è l'elemento chiave della conversione del segnale a microonde. Rispetto ai tradizionali interruttori a diodi p2i2n e agli interruttori FET, gli interruttori RFMEMS attuali hanno caratteristiche superiori a microonde e vantaggi intrinseci come peso leggero, piccole dimensioni e basso consumo energetico. Con lo sviluppo della tecnologia di produzione di MEMS e della teoria del processo, dopo aver superato le carenze degli interruttori MEMS come la breve vita lavorativa e la bassa velocità di commutazione, gli interruttori RFMEMS raggiungeranno sicuramente un maggiore sviluppo nei sistemi a microonde. Attualmente, gli interruttori RFMEMS sono stati utilizzati nel circuito front-end, nelle banche di condensatori digitali e nelle reti di spostamento di fase di alcuni sistemi a microonde.

4. Componentizzazione lumped del circuito a microonde

Un'altra tendenza nel circuito microstrip è quella di utilizzare componenti grumi. In passato, poiché la dimensione degli elementi grumi era paragonabile alle lunghezze d'onda delle microonde, non potevano essere utilizzati per le frequenze delle microonde. Con lo sviluppo della fotolitografia e della tecnologia a film sottile, la dimensione dei componenti grumi (condensatori, induttori, ecc.) è stata notevolmente ridotta, in modo che la banda J possa essere utilizzata tutto il tempo. L'assemblaggio dell'elemento nodulo sul substrato dielettrico con il dispositivo a semiconduttore sotto forma di chip è un metodo nuovissimo per il circuito integrato a microonde. Oltre a ridurre le dimensioni, un altro vantaggio dei componenti grumi è che alcune tecniche molto utili e tecniche di ottimizzazione nei circuiti a bassa frequenza possono ora essere utilizzate direttamente nel campo delle microonde.

5. Planarizzazione bidimensionale del circuito a microonde

Oltre agli elementi nodali e agli elementi unidimensionali della linea di trasmissione, alcune persone hanno anche proposto elementi planari bidimensionali per il circuito a microonde. Tali componenti sono compatibili con linee di strip e linee microstrip, che fornisce un'alternativa molto utile per la progettazione del circuito a microonde.

Attualmente, ci sono tre modi principali per realizzare un circuito planare bidimensionale: una struttura a tre elementi, una struttura aperta e una struttura a cavità. Rispetto al circuito della striscia, ha i vantaggi di grande grado di libertà e bassa resistenza in ingresso. Rispetto al circuito guida d'onda, è più facile analizzare e progettare. Con l'aiuto della potente potenza di calcolo del computer ad alta velocità, può affrontare qualsiasi forma in base ai requisiti. Viene analizzato il circuito planare, che migliora notevolmente l'efficienza del lavoro. Credo che nel prossimo futuro la sua applicazione diventerà sempre più ampia.

6. Una nuova generazione di MIC

Una nuova generazione di MIC può essere un circuito integrato monolitico a microonde su un substrato semiconduttore. Il substrato a semiconduttore utilizzato è silicio ad alta resistività, arsenuro di gallio ad alta resistività e silicio a bassa resistività con uno strato di biossido di silicio. Vi sono due difficoltà tecniche. Il primo è che non esiste un metodo di fabbricazione universale per i vari dispositivi semiconduttori a microonde utilizzati in esso, e il secondo è che i componenti distribuiti passivi (segmenti di linea di trasmissione) richiedono substrati di grande area. Tuttavia, le tendenze recenti indicano che il processo GaAs è la chiave per il circuito integrato monolitico a microonde. Negli amplificatori analogici con banda gigahertz e circuito integrato digitale con velocità gigabit, i transistor ad effetto campo metallo-semiconduttore (MESFET) dell'arsenio di gallio domineranno. Che si tratti di un circuito integrato a microonde ibrido o monolitico, i suoi vantaggi sono fondamentalmente gli stessi di quello di un circuito integrato a bassa frequenza, cioè, il sistema ha alta affidabilità e volume e peso ridotti. Quando è richiesto un gran numero di componenti standardizzati, ciò porterà alla riduzione dei costi. Come il circuito integrato a bassa frequenza, MIC ha un grande potenziale per espandere i mercati esistenti e aprire molti nuovi usi, tra cui un gran numero di progetti civili.

I circuiti a microonde si stanno sviluppando a una velocità senza precedenti. Con la popolarità di vari circuiti integrati, lo sviluppo dei circuiti a microonde è destinato ad avere un futuro luminoso. iPCB Circuit Company è specializzata nella produzione di circuiti a microonde PCB. Se hai domande, consulta iPCB.