Современная электроника №8/2019

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ 14 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2019 метичных коаксиальных соедините- лей миллиметрового диапазона во многом зависят от точности изго- товления металлостеклянного СВЧ- ввода. С ростом предельной частоты СВЧ-вводы становились всё миниа- тюрнее, технология их изготовления усложнялась и достигла своего апогея в виде соединителя 1,0 мм с предель- ной частотой 110 ГГц. Этот соедини- тель предназначен для применения в автомобильном радаре, беспровод- ной локальной сети, высокоскорост- ных оптических и электрических пре- образователях и в сверхширокопо- лосной измерительной аппаратуре. Оригинальный дизайн этого соеди- нителя был разработанЮлиусом Бот- кой и Полом Уотсоном из компании Hewlett-Packard в конце 1980-х годов. Конструкция герметичных СВЧ-вводов японской компании Waka для состав- ных соединителей мм-диапазона пока- зана на рисунке 4. Для изготовления металлических деталей СВЧ-вводов традиционно используется железо-никель-кобаль- товый сплав ковар (сплав ASTM F-15), коэффициент теплового расширения (КТР) которого близок к КТР стандарт- ных боросиликатных стёкол. Диа- метр центрального проводника СВЧ- ввода соединителя 1,0 мм равен все- го 150 мкм с допуском ±5 мкм, что только в 2,5–3,0 раза больше диаме- тра человеческого волоса. Внутрен- ний диаметр наружного проводника ввода равен 1,0 мм с допуском ±5 мкм. Кроме того, для надёжного соедине- ния СВЧ-ввода с фланцевым соедини- телем необходимо обеспечить распо- ложение центрального и наружного проводников ввода с соосностью не хуже 5 мкм. Для упрощения введения центрального проводника диаметром 150 мкм в цангу соединителя сопря- гаемый конец проводника выполня- ют конической формы. Обеспечить конусность методами механической обработки, включая шлифование, не удалось. Для решения этой задачи при- меняется анодное травление [5]. Необходимо также учесть, что с ростом частоты f уменьшается глуби- на скин-слоя ( δ ) [3]: δ =50300 × ( ρ /μ r ) × f , где μ r - магнитная проницаемость, ρ – проводимость. Так как глубина скин-слоя на часто- те 110 ГГц для сплава железо-никель- кобальт, покрытого золотом, не превы- шает 0,3 мкм, поверхности проводни- ков коаксиальной линии СВЧ-ввода должны быть микроскопически гладки- ми: высота неровностей должна состав- лять менее 1 мкм. Значительно повышаются и требова- ния к точности изготовления стеклян- ного изолятора. Размеры стеклянного заполнения коаксиальной линии СВЧ- ввода зависят от размеров проводни- ков линии и размеров применяемой стеклянной таблетки. Высоту таблетки с внутренним диаметром d 1 и наруж- ным диаметром D 1 рассчитывают по формуле: V 1 = V 2 , где V 1 – объём стеклян- ной таблетки до пайки СВЧ-ввода, а V 2 – объём стекла, заполняющего внутрен- нее пространство СВЧ-ввода. Эту фор- мулу можно записать в виде: ( D 1 2 – d 1 2 ) × h 1 =( D 2 2 – d 2 ) × h 2 , где D 1 , d 1 , h 1 – наружный, внутренний диаметры и высота таблетки до пайки СВЧ-ввода, D 2 – наружный диаметр изо- лятора в спаянном СВЧ-вводе, d – диа- метр центрального проводника. h 2 – высота изолятора в спаянном СВЧ- вводе: h 2 = ( D 1 2 – d 1 2 ) × h 1 /( D 2 2 - d 2 ). При столь малых размерах СВЧ-ввода точность размеров стеклянной таблет- ки не должна превышать ±10 мкм. Такую точность, по-видимому, чрезвы- чайно сложно обеспечить при изготов- лении стеклянной таблетки из порош- ка стекла по «керамической техноло- гии». К тому же спечённая таблетка после пайки СВЧ-ввода имеет трудно контролируемую газовую пористость. В результате этого неконтролируемым образом изменяется диэлектрическая проницаемость стекла. Это приво- дит к невоспроизводимости волново- го сопротивления и КСВН СВЧ-ввода. Сложно обеспечить высокую точность размеров стеклянных таблеток, изго- тавливаемых и из стеклянных капилля- ров. В этом случае необходимо вводить в технологию изготовления операции шлифовки капилляра по наружно- му диаметру и тонкой шлифовки по торцам таблетки. На параметры СВЧ- ввода может влиять точность внутрен- него диаметра исходного стеклянного капилляра, но её влияние меньше, чем влияние наружного диаметра и высо- ты таблетки. Проблемой для обеспечения мини- мального КСВН являются конусообраз- ные наплывы стекла (выплески стекла) в месте выхода центрального проводни- ка СВЧ-ввода из изолятора. Выплески приводят к тому, что цанговый контакт СВЧ-разъёма упирается в его торцевую поверхность, создавая обрыв наружного проводника коаксиальной линии («зем- ли» по СВЧ). Если же соединитель попы- таться стянуть плотнее, то ламели его цанги раскрываются на выступающем наплыве стекла, нарушая их плотный контакт с центральным проводником СВЧ-ввода. В результате этого образу- ется дополнительная неоднородность, приводящая к рассогласованиюКСВН, в основном, в области высоких частот (более 30 ГГц). Поэтому неслучайно компания Thunderline-Z в качестве под- тверждения высокого уровня своей тех- нологии приводит отсутствие менисков в выпускаемых СВЧ-вводах. Стандартная технология изготовле- ния металлостеклянных спаев включа- ет в себя предварительное окисление металлических деталей, закрепление всех компонентов спая в графитовой оснастке, а затем пайку в высокотем- пературной печи. Требования к точно- сти изготовления графитовой оснаст- ки для высокотемпературной (более +900°С) пайки СВЧ-вводов значитель- но повышаются. Поскольку централь- ный проводник должен быть почти иде- Рис. 3. СВЧ-вводы компании Southwest Microwave c размерами проводников: а) 0,23/1,7 мм; б) 0,3/1,93 мм; в) 0,38/2,4 мм Рис. 4. СВЧ-вводы компании Waka: а) 01S0745-00 для соединителей 2,92 мм; б) 01S0743-00 для соединителей 1,85 мм; в) 01S0742-00 для соединителей 1,0 мм б б в в а а 3,18 2,78 2,8 1.0 0.8 1,4 1,38 0,74 0,6 ∅ 0,3 ∅ 0,2 ∅ 0,15 ∅ 1,4 ∅ 1,93 ∅ 1,7