Предисловие

Современный этап научно-технической революции характеризуется широким применением идей, методов и устройств радиоэлектроники (РЭ). Большая насыщенность сфер науки и производства радиоэлектронной аппаратурой (РЭА) с неизбежностью приводит к настоятельной необходимости, с одной стороны, повышения емкости канала связи (скорости передачи информации) при выполнении жестких требований по электромагнитной совместимости различных РЭА, а с другой — к принятию мер по снижению габаритов и массы РЭА. В настоящее время все большее количество РЭА СВЧ производится на основе широкого использования интегральных схем (ИС). Традиционное развитие радиоэлектроники идет по пути непрерывного продвижения в область все более коротких волн. При этом зачастую изучение и техническое освоение новых диапазонов происходят практически одновременно. На сегодня РЭА, предназначенная для работы (на уровнях умеренной мощности) в диапазонах коротких сантиметровых, миллиметровых и субмиллиметровых волн, постепенно и с каждым годом все более интенсивно ориентируется на использование средств и методов ИС.

Подавляющее большинство современных ИС СВЧ как у нас, так и за рубежом выполняется в виде планарных одпослойных конструкций, что приводит в ряде случаев к неоправданно большим габаритам РЭА. Поэтому необходим, во-первых, широкий поиск технических решений, позволяющих получить качественно новые характеристики РЭА, в которой используется не только набор «традиционных» базовых элементов (БЭ), но и новых устройств и новых БЭ. Во-вторых, необходим интенсивный поиск новых (или относительно новых — использование известных в новом качестве) физических эффектов, которые бы дали в руки исследователя; а затем и инженера-проектировщика принципиально новые возможности для реализации оптимальной по конструкции и электрическим параметрам РЭА. Рассмотрению этих двух направлений и посвящена предлагаемая книга.

Одним из возможных и эффективных путей построения малогабаритных узлов РЭА СВЧ является применение в них объемных (многослойных) ИС (ОИС). Суть дела состоит в следующем. К настоящему времени в мире предложено, исследовано и практически используется большое число типов регулярных и нерегулярных линий передачи (ЛП): волноводные, коаксиальные, полосковые,

копланарные, щелевые и многие другие. На их основе строятся БЭ разного типа. Обычно в каждом БЭ применяется один тип ЛП. При этом выбор типа базовой ЛП определяется как электродинамическими, так и конструктивно-технологическими соображениями и расчетами. Очевидно, что каждый из типов ЛП обладает комплексом определенных преимуществ и недостатков, а поэтому для построения оптимального по всем параметрам БЭ необходимо подобрать наиболее подходящий ему тип ЛП. Очевидно также, что СВЧ модуль (функциональный узел) будет оптимальным по набору разнородных параметров (электрических, массогабаритных, механических, климатических и т. п.) не только в том случае, когда каждый из составляющих его БЭ выполнен на том типе ЛП, которая обеспечивает его наилучшие конструктивно-электрические параметры, но и когда согласование всех БЭ в СВЧ модуле производится оптимальным образом.

Техническая реализация идеи «каждому БЭ - оптимальный тип ЛП» при общем планарном принципе построения СВЧ модуля РЭА не представляется возможной, так как в этом случае СВЧ модуль содержал бы чрезмерно большое число переходов между БЭ (выполненными на разнородных ЛП), равное по порядку величины числу БЭ модуля. При этом сам принцип планарной технологии оказался бы невыполненным, СВЧ модуль получился бы весьма растянутым и пр. И наконец, планарные конструкции неудобны для размещения в них активных и невзаимных элементов, реализации пересекающихся (без электрического контакта) проводников и многое другое.

На смену планариым конструкциям начинают приходить объемные ИС (ОИС), позволяющие разрешить ряд проблем принципиального плана, которые были либо не под силу пленарным ИС, либо могли быть там реализованы с большими коиструктнвяо-техяологическими сложностями. В конструкциях РЭА, построенных на основе принципа ОИС, обычно во «внутреннем» объеме схемы размещаются пассивные БЭ (электрически связанные между собой и по этажам — в плоскостях и (или) по вертикали) обработки СВЧ сигнала; активные элементы — вблизи боковых стенок. Такой подход к общей компоновке СВЧ модуля существенно упрощает систему охлаждения РЭА, настройку некоторых БЭ, которые пока не удается «вогнать в параметры» на уровне проектирования, замену активных элементов и многое другое. Серьезным преимуществом принципа ОИС является резкое уменьшение габаритов и массы РЭА по сравнению с плаиарными конструкциями. В реализованных устройствах этот выигрыш составляет порядка.

Предлагаемая впиманшо читателя книга является первой в отечественной и мировой литературе попыткой показать логичность, непротиворечивость и закономерность перевода СВЧ модулей РЭА на ОИС. В ней в рамках единого подхода как в расчетно-теоретическом, так и в конструктивно-технологическом планах рассматривается элементная база ОИС СВЧ и общие принципы проектирования (преимущественно пассивных) узлов РЭА. К настоящему времени

теория пленарных ИС (во всяком случае, пассивных) разработана достаточно подробно, выяснены физические принципы работы ЛП и БЭ, их проектирование до определенной степени автоматизировано [1, 2]. При разработке плана книги авторы видели свою задачу в том, чтобы, прежде всего, опираясь на накопленный опыт проектирования ИС СВЧ, отобрать из практически безбрежного океана сведений по ИС СВЧ все «подходящее» для ОИС. Оказалось, что необходимы и новые классы устройств, специфических для ОИС; необходимы их физические и математические модели, удобные для целей автоматизированного проектирования. Такие модели были разработаны и в большинстве своем проверены опытными измерениями на макетах соответствующих БЭ.

Мы не будем здесь обсуждать содержание книги; о нем можно составить представление по достаточно подробному оглавлению. Отметим только, что материал кпиги можно условно разделить на три части.

В первой из них приводятся результаты по широкому классу миниатюрных ЛП. В обзор алгоритмов, формул и результатов включены наиболее «удобные» формы, представляющие двоякий интерес: для выяснения физической картины явлений и для систем автоматизированного проектирования ОИС. Представлены картины полей основных волн полосковых приведены данные по высшим типам волн, а также по основным параметрам ЛП: эффективная диэлектрическая проницаемость, характеристическое сопротивленце (на основном типе), потери и пр. Особое внимание уделено несимметричной щелевой линии (НЩЛ), которая составляет конструктивную основу многих БЭ ОИС. В книге представлено достаточно полное электродинамическое исследование НЩЛ и некоторых ее модификаций.

Вторая часть книги является основной как по объему, так и по смысловому содержанию. В ней сосредоточены сведения по электродинамическим, конструктивным и схемным вопросам. Учитывая общую направленность книги, авторы старались дать максимум сведений, необходимых проектировщикам СВЧ РЭА на ОИС. На основе общего, в основе своей эвристического, подхода — обобщенного метода Олинера [1] — рассматриваются основные классы БЭ ОИС, В целом ряде случаев применяются квазистатические методы, метод эквивалентных схем и т. д. Пока не создан общий метод анализа БЭ ИС и ОИС различного типа на электродинамическом уровне строгости. И поэтому приходится к каждой задаче подбирать адекватный математический аппарат. Достаточно общим подходом является метод частичных областей (применительно, в частности, к областям с некоордииатными границами), развиваемый несколькими группами исследователей у нас и за рубежом.

Интересные возможности для ИС и особенно ОИС СВЧ представляют устройства на акустических (примерно до частот порядка 1 ГГц) и магнитостатических (свыше 1 ГГц) волнах. Учитывая общую тенденцию книги — высокие частоты — и наличие большого

числа монографий по акусто-электрическим волнам: и колебаниям, мы здесь остановимся только на некоторых устройствах на магнито-статических волнах (МСВ). Для анализа применяется единый вариационный подход, равно пригодный как для электромагнитных, так и магиитостатических волн.

Третья часть книги содержит рассмотрение некоторых применений и реализаций ОИС СВЧ.

Книга рассчитана на широкий круг читателей, интересующихся теорией и техникой СВЧ. Прежде всего она адресована научным работникам и инженерам-проектировщикам РЭА новых диапазонов электромагнитных воли. Специалисты по математической теории дифракции и вычислительной электродинамике найдут здесь большое число проблем, которые ждут своего решения. Как любое новое научное направление, ОИС СВЧ привлекут, как надеются авторы, внимание молодых научных работников, аспирантов и студентов радиофизических и радиотехнических специальностей.

ОИС СВЧ представляют качественно новый этап в развитии радиоэлектроники. К настоящему времени имеется ряд практических реализаций СВЧ модулей РЭА на ОИС, убедительно свидетельствующих об их больших возможностях и перспективах.

Уже сейчас результаты первых реализаций СВЧ модулей РЭА на ОИС привлекают пристальное внимание специалистов. Прннцип ОИС СВЧ, методы их анализа и синтеза (параметрического и структурного), проблемы построения электродинамических основ автоматизированного проектирования РЭА на ОИС были предметом рассмотрения на ряде представительных конференций. Авторы благодарны руководству и участникам этих конференции за внимание и ценные конструктивные предложения.

В заключение авторы выражают глубокую признательность О. Ф. Антуфьеву, Н. А. Арманду. Е. В. Армейскому и Ю. В. Гуляеву за поддержку работ по ОИС СВЧ.

В. Гвоздев, Е. Нефёдов