2. Общие соображения о переходе к ОИС СВЧ.

Одним из наиболее важных требований, предъявляемых к современной радиоэлектронной аппаратуре, является необходимость обеспечения минимально возможных массогабаритных параметров, повышения надежности снижения себестоимости за счет внедрения автоматизированного проектирования и единой техйологии производства РЭА. Существенный прогресс в минимизации габаритов и веса СВЧ модулей РЭА был достигнут при использовании интегральной технологии [1, 2, 15—17]. Подавляющее большинство современных интегральных схем СВЧ выполняется в виде планарных конструкций, что приводит в ряде случаев к неоправданно большим габаритам РЭА [2, 17]. Это же относится, хотя может быть и в меньшей степени, к радиофизической аппаратуре. К настоящему времени накоплен определенный опыт в проектировании и реализации

многослойных или объемных, позволяющих существенно (на 1 - 2 порядка) снизить массогабаритные параметры РЭА [2, 14]. Выше мы уже отмечали, что к настоящему времени предложено, исследовано и реализовано на практике большое число типов регулярных линий передачи в частности, полосковых ЛП (ПЛП), на основе которых строится элементная база ИС СВЧ: резонаторы, фильтры, направленные ответвители, делители (сумматоры) мощности, излучающие элементы и многое другое (гл. 3—6). Каждый из типов ПЛП обладает определенными преимуществами и недостатками, и поэтому для реализации оптимальной конструкции данного базового элемента (БЭ) необходимо подбирать «подходящий» (базовый) для него тип ЛП. Однако уже само по себе многообразие типов полосковых ЛП свидетельствует о том, что ни один из существующих типов ЛП не позволяет полностью решить задачи по созданию пассивных (а тем более активных) элементов и функциональных узлов ИС СВЧ. Исследования последних лет свидетельствуют, что конкурентоспособными и наиболее перспективными являются устройства, в которых используются одновременно несколько типов ЛП [2, 14—16].

Основные классы регулярных ПЛП, находящих широкое применение в ИС и ОИС, представлены на сводном рис. Здесь приведены модификации симметричной (а) и несимметричной (б) полосковых линий передачи, симметричной (в) и несимметричной (г) щелевых и коплаиарной (д) линий передачи, а также диэлектрических (е) и Н-волноводов Перечисленные линии можно разделить на два класса: одиночные и связанные линии передачи.

Очевидно, что СВЧ модуль (функциональный узел) будет оптимальным по набору всех разнородных параметров (электрических, массогабаритных, механических, температурных и т. п.), если каждый из БЭ, входящих в его состав, выполнен на том типе ЛП, которая обеспечивает наилучшие коиструктивно-электрические характеристики всех БЭ.

Реализация такой идеи построения РЭА для планарной конструкции СВЧ не представляется возможной, поскольку в этом случае необходимо было бы включить в состав модуля большое число переходов (практически по порядку величины равное числу БЭ в узле) ЛП разного типа (да и сама планарность при этом утрачивается). У планарного принципа конструирования ИС СВЧ имеется и еще один существенный недостаток. Он связан с необходимостью преодоления серьезных трудностей при размещении активных элементов и задачами их охлаждения, термостатирования, а также с реализацией пересекающихся (без электрического контакта) проводников (в особенности при построении диаграммообразующих матриц) многое другое. Для примера укажем, что в устройствах с боковой связью необходимые размеры зазоров составляют единицы микрометров, а в устройствах с лицевой связью — десятки

микрометров (фильтры, направленные ответвители и др.); в местах пересечения проводников необходимы навесные перемычки (особенно много их, например, в диаграммообразующих матрицах); в фазовращающих устройствах, имеющих механические скрутки проводников, нужно сверлить отверстия в подложке и т. д. Очевидно, что

Рис. В.1. (см. скан) Линии передачи для ОИС СВЧ

эти технологические трудности возникают из-за необходимости иметь в одном устройстве как идеально развязанные по электромагнитному полю, так и сильно связанные проводники и БЭ [16].

На смену планарным конструкциям ИС СВЧ начинают приходить ОИС СВЧ, позволяющие разрешить ряд проблем принципиального характера, которые были либо не под силу планарным ИС, либо могли быть там реализованы при преодолении серьезных конструктивно-технологических сложностей [2].

Переход к ОИС СВЧ в РЭА является логичным для развития радиоэлектроники в целом. На самом деле первые радиостанции были с «естественным» плоскостным монтажом (на сравнительно длинноволновом участке спектра). Далее, по мере укорочения длины волны и необходимости создания мобильных радиоустройств в коротковолновом диапазоне отмечается переход к «элементарному» объемному монтажу. На следующем этапе появляются планарные низкочастотные ИС, которые за относительно короткое время превращаются в объемные низкочастотные ИС известные теперь под названием больших ИС (БИС).

Реализация идеи миниатюризации РЭА в диапазонах дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн привела к созданию ИС СВЧ. И наконец, в самое последнее время можно ожидать перехода к РЭА СВЧ, в которых низкочастотные части будут выполняться на БИС и СБИС (разумеется, там, где это возможно по соображениям, например, допустимого уровня сигнала и др.), а СВЧ узлы — на ОИС.

Логичность и непротиворечивость перехода РЭА СВЧ на ОИС в какой-то мере косвенно подтверждается еще и тем, что хотя конструктивная реализация ОИС СВЧ и требует разработки целого ряда новых ЛП и БЭ, но вместе с тем при создании РЭА на ОИС широко используется также весь арсенал методов «традиционной» техники СВЧ. Прежде всего в ОИС непосредственно или после некоторой модернизации применяется фактически весь набор ПЛП и БЭ планарной конструкции [1, 2, 16—17] и БЭ на основе закрытых волноводов. С ОИС СВЧ хорошо согласуются устройства на участках запредельных закрытых волноводов, весьма способствовавшие в последние годы решению задач миниатюризации СВЧ модулей РЭА [16]. Практически все устройства этого класса могут быть включены в структуру ОИС, увеличивая тем самым возможности дальнейшего улучшения массогабаритных параметров РЭА.

В последнее время все большее распространение получают устройства с использованием высококачественных магнитодиэлектриков [111—115]. Наибольшее распространение получили различные резонансные структуры на диэлектриках [116—121, 389, 390, 398—400].

Появляются сообщения, что в новых конструкциях микрополосковых диэлектрических резонаторов добротность в диапазоне 25 ГГц составляет величину порядка 12 000 [123]. Выборки в слоях диэлектрика дают возможность удобной конструктивной реализации ОИС СВЧ с включением диэлектрических резонаторов и их дифракционно связанных систем, баллансных сопротивлений, электрически управляемых шлейфов и многое другое [393—396].

На ОИС наиболее удобно реализуются структуры с пересекающимися проводниками и осуществляется выход на микрополосковые антенны и антенные решетки [2, 4, 116—120].

Одной из наиболее острых проблем ИС СВЧ является проблема нелинейных и активных БЭ. Гибридиость конструктивных решений современных ИС СВЧ связана с практическим отсутствием возможности реализации СВЧ узлов РЭА с пассивными нелинейными и активными БЭ в едином технологическом цикле. Однако в этом направлении ведется интенсивный поиск, позволяющий ожидать уже в ближайшие годы решения конструктивно-технологических проблем РЭА на базе ОИС СВЧ [121]. А пока принцип ОИС дает возможность конструктивно выносить активные БЭ на некоторую общую панель, представляющую собой крайние слои диэлектрика, что обеспечивает удобство охлаждения, экранировки, развязки БЭ, замены, подстройки и т. д.

Послойная технология ОИС СВЧ дает возможность встраивать в схему нелинейные элементы привычным для ИС способом.

И наконец, ОИС СВЧ допускают удобное согласование с БИС и СБИС, на которых выполняются низкочастотные узлы и блоки РЭА.

Проведенное краткое рассмотрение возможностей принципа ОИС действительно свидетельствует о логичности и непротиворечивости идеи перехода РЭА СВЧ на ОИС, утверждая тем самым, что ОИС являются синтезом достижений современной интегральной технологии в радиоэлектронике, позволяющим приступить к разработке принципов оптимального проектирования и конструирования РЭА.

На проблему перехода в конструировании СВЧ модулей РЭА на ОИС интересно посмотреть и с более общих позиций развития науки. В этом плане представляется поучительным вспомнить о так называемом боровском принципе соответствия. Согласно этому принципу новая физическая теория должна быть наиболее общей (для данного времени, разумеется) и включать в себя «старые», менее общие теории в качестве некоторых частных случаев.

Аналогичная картина наблюдается и при переходе к объемным принципам конструирования: в ОИС СВЧ используются практически все известные ранее типы линий передач, планарные БЭ, широко развитая элементная база волноводных устройств, диэлектрических структур и т. п. При этом, разумеется, имеются и непрерывно создаются целые классы новых, присущих только ОИС передающих линий и БЭ. В этом отношении принцип ОИС может быть назван принципом конструкционного соответствия.

Трехмерность структуры РЭА на ОИС и ее отдельных функциональных узлов (и даже БЭ) стимулирует разработчика на самое широкое использование критериев целесообразности и красоты, приближая тем самым процедуру компоновки РЭА к процессу разумного архитектурного ансамбля (из стандартных БЭ). В этом отношении проектирование ОИС СВЧ является искусством в гораздо большей степени, нежели проектирование планарных ИС (см., например, [122]).

В заключение этого раздела приведем определение ОИС СВЧ, отвечающее, на наш взгляд, современному положению.

ОИС представляет собой СВЧ модуль, выполненный на комбинации разнотипных регулярных и нерегулярных волноведущих линий, пространственно расположенных в слоях диэлектрика и соединенных между собой емкостной, индуктивной, гальванической или электромагнитной связями.