Печатная плата с подвешенной подложкой

Изобретение относится к микрополосковой технике и может быть использовано для создания высокоэффективных СВЧ устройств и антенн. Техническим результатом является обеспечение согласования диэлектрических слоев платы между собой с линейным уменьшением их волнового сопротивления от плоскости экрана к плоскости импедансных проводников, что позволяет избежать возникновения отраженной волны в поперечном сечении, а также обеспечение согласования импедансных проводников с внешним воздушным пространством. Предложена печатная плата, содержащая планарные импедансные проводники, расположенные на многослойной диэлектрической подложке с металлическим экраном, при этом диэлектрическая подложка включает, по меньшей мере, три слоя, толщина каждого из которых равна четверти рабочей длины волны, слои выполнены из материала с различной диэлектрической проницаемостью и размещены с линейным уменьшением волновых сопротивлений слоев от плоскости экрана к плоскости импедансных проводников. Печатная плата может быть снабжена дополнительным многослойным диэлектрическим экраном, размещенным с противоположной стороны планарных импедансных проводников, который включает, по меньшей мере, три слоя, толщина каждого из которых равна четверти рабочей длины волны, слои выполнены из материала с различной диэлектрической проницаемостью и размещены с линейным увеличением волновых сопротивлений слоев от плоскости импедансных проводников. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к микрополосковой технике и может быть использовано для создания высокоэффективных СВЧ устройств и антенн.

Известны односторонние, двусторонние или многослойные печатные платы, выполненные на жестком или гибком основании [Медведев A.M. Печатные платы. Конструкции и материалы. - М.: Техносфера, 2005. - С.22-25]. Многослойная печатная плата содержит чередующиеся слои тонких изоляционных подложек с нанесенными на них проводящими рисунками, физически соединенными в одно многослойное основание. Каждый из внутренних слоев может представлять собой одностороннюю или двустороннюю плату с межслойными переходами. При этом основным направлением развития данных печатных плат является увеличение прецизионности и плотности компоновки высокоинтегрированной элементной базы, а свойствам и параметрам изоляционных подложек должного внимания не уделяется, что не позволяет эффективно использовать такие печатные платы в СВЧ диапазоне.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению являются печатные платы с подвешенными подложками, использующиеся для различных СВЧ устройств и полосковых антенн [Электродинамический расчет характеристик полосковых антенн / Б.А.Панченко, С.Т.Князев и др. - М.: Радио и связь, 2002. - С.75-93]. Такие печатные платы содержат подвешенную подложку, состоящую из диэлектрического основания с высоким значением относительной диэлектрической проницаемости, с одной стороны которой расположены проводящие элементы, и воздушного зазора, отделяющего металлический экран, находящийся с другой стороны. Недостатком таких печатных плат является отсутствие согласования волновых сопротивлений диэлектрического основания подложки и воздушного зазора, приводящее к возникновению отраженной волны в поперечном сечении платы.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание печатной платы с подвешенной подложкой, в поперечном сечении которой не возникает отраженной волны, поскольку диэлектрические слои подложки согласованы между собой, а их волновое сопротивление линейно уменьшается от плоскости экрана к плоскости импедансных проводников. Кроме того, при использовании печатной платы для микрополосковых антенн и излучателей необходимо обеспечить согласование импедансных проводников с внешним воздушным пространством, что обеспечивается за счет многослойного диэлектрического экрана с линейно увеличивающимся от плоскости импедансных проводников волновым сопротивлением.

Поставленная техническая задача решается тем, в печатной плате, содержащей планарные импедансные проводники, расположенные на диэлектрической подложке с металлическим экраном, согласно изобретению, диэлектрическая подложка выполнена многослойной и включает, по меньшей мере, три слоя, толщина каждого из которых равна четверти рабочей длины волны, слои выполнены из материала с различной диэлектрической проницаемостью и размещены с линейным уменьшением волновых сопротивлений слоев от плоскости экрана к плоскости импедансных проводников. Кроме того, печатная плата снабжена дополнительным многослойным диэлектрическим экраном, размещенным с противоположной стороны планарных импедансных проводников, многослойный диэлектрический экран включает, по меньшей мере, три слоя, толщина каждого из которых равна четверти рабочей длины волны, слои выполнены из материала с различной диэлектрической проницаемостью и размещены с линейным увеличением волновых сопротивлений слоев от плоскости импедансных проводников.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении всей совокупности заявляемых существенных признаков, является обеспечение согласования диэлектрических слоев платы между собой с линейным уменьшением их волнового сопротивления от плоскости экрана к плоскости импедансных проводников, что позволяет избежать возникновения отраженной волны в поперечном сечении, а также обеспечение согласования импедансных проводников с внешним воздушным пространством, что достигается за счет многослойного диэлектрического экрана с линейно увеличивающимся волновым сопротивлением.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, где на

на фиг.1 представлено поперечное сечение платы с подвешенной трехслойной подложкой толщиной d,

на фиг.2 представлено поперечное сечение платы с подвешенной трехслойной подложкой толщиной d₁ и трехслойным согласующим диэлектрическим экраном толщиной d₂.

на фиг.3 представлены графики зависимостей модуля коэффициента отражения от числа слоев для трехслойной подложки при ε₁=9,8; ε₂=5,6; ε₃=2,4 и подвешенной подложки с воздушным зазором при ε₁=9,8; ε₂=1,0.

Относительные диэлектрические проницаемости слоев подложки и диэлектрического экрана линейно уменьшаются с ростом номера слоя.

Работа печатной платы с подвешенной подложкой осуществляется следующим образом. Известно, что волновое (характеристическое) сопротивление диэлектрического слоя определяется по формуле $$Z=\sqrt{\frac{\mu }{\epsilon }}$$ , где µ, ε - относительные магнитная и диэлектрическая проницаемости слоя соответственно. Для воздушного зазора эта величина равна 120π≈377 Ом [Григорьев А.Д. Электродинамика и техника СВЧ. - М.: Высшая школа, 1990. - С.26-27]. В большинстве случаев практического применения волновое сопротивление отрезка линии передачи СВЧ должно составлять 50 или 75 Ом. При этом в поперечном сечении платы - прототипа - наблюдается резкий скачок волнового сопротивления, приводящий к сильному отражению волны от границы раздела диэлектрического слоя с воздушным зазором.

В предлагаемом варианте печатной платы (фиг.1) подложка выполнена трехслойной с равномерным уменьшением величины волнового сопротивления от плоскости экрана к плоскости импедансных проводников. При равенстве толщины каждого слоя четверти рабочей длины волны, для СВЧ устройства, выполненного на такой плате, в ее поперечном сечении амплитуда отраженной волны очень мала, что приводит к снижению потерь и повышению эффективности его работы.

При использовании предлагаемой печатной платы для создания микрополосковых антенн и излучателей, их импедансные проводники, имеющие в большинстве случаев применения волновое сопротивление десятки Ом, необходимо согласовать с внешним воздушным пространством, имеющим сопротивление 377 Ом. Для этого в конструкцию платы введен многослойный диэлектрический экран с линейно увеличивающимся от плоскости импедансных проводников волновым сопротивлением (фиг.2). При числе слоев согласующего экрана не менее трех и толщине каждого слоя, равной четверти рабочей длины волны, достигается выравнивание скачка волнового сопротивления, что обеспечивает повышение коэффициента излучения и расширение диаграммы направленности антенн и излучателей.

Возможность достижения поставленной цели подтверждается результатами расчета и анализа зависимостей модуля коэффициента отражения от многослойной диэлектрической среды с линейно и скачкообразно изменяющимся значением относительной диэлектрической проницаемости. Модуль коэффициента отражения |Г| для двух слоев диэлектрика с номерами 1 и 2 может быть рассчитан по формуле

$$\left|Г\right|=\left|\frac{Z_2-Z_1}{Z_2+Z_1}\right|=\left|\frac{\sqrt{{\epsilon }_1}-\sqrt{{\epsilon }_2}}{\sqrt{{\epsilon }_1}+\sqrt{{\epsilon }_2}}\right|$$

и аналогично получен для любого числа слоев. На фиг.2 показаны зависимости |Г| от числа слоев N для трехслойной модели печатной платы с линейным изменением относительной диэлектрической проницаемости (ε₁=9,8; ε₂=5,6; ε₃=2,4) и двухслойной модели платы - прототипа с воздушным зазором, в которой волновое сопротивление меняется скачком (ε₁=9,8; ε₂=1,0). Из полученных графиков видно, что трехслойная модель отличается от прототипа почти вдвое меньшим и практически равномерным по сечению печатной платы модулем коэффициента отражения.

Достоинством предлагаемой печатной платы с подвешенной подложкой и согласующим многослойным диэлектрическим экраном является возможность достижения более равномерного изменения волнового сопротивления в поперечном сечении при меньших потерях и критичности изменения относительной диэлектрической проницаемости подложки по сравнению с прототипом.

1. Печатная плата, содержащая планарные импедансные проводники, расположенные на диэлектрической подложке с металлическим экраном, отличающаяся тем, что диэлектрическая подложка выполнена многослойной и включает, по меньшей мере, три слоя, толщина каждого из которых равна четверти рабочей длины волны, слои выполнены из материала с различной диэлектрической проницаемостью и размещены с линейным уменьшением волновых сопротивлений слоев от плоскости экрана к плоскости импедансных проводников.

2. Печатная плата по п.1, отличающаяся тем, что снабжена дополнительным многослойным диэлектрическим экраном, размещенным с противоположной стороны планарных импедансных проводников, многослойный диэлектрический экран включает, по меньшей мере, три слоя, толщина каждого из которых равна четверти рабочей длины волны, слои выполнены из материала с различной диэлектрической проницаемостью и размещены с линейным увеличением волновых сопротивлений слоев от плоскости импедансных проводников.