Синтез тонкопленочных согласованных нагрузок при помощи расчетно-экспериментального метода оптимизации и мультифизических моделей
- 1 к.т.н., заместитель директора, НПП «НИКА-СВЧ» (г. Саратов)
- 2 Засл. деятель науки РФ, д.т.н., профессор, директор ООО НПП «НИКА-СВЧ» (г. Саратов)
- 3 вед. инженер, НПП «НИКА-СВЧ» (г. Саратов)
Аннотация
Постановка проблемы. При проектировании тонкопленочных коаксиальных согласованных нагрузок, рассчитанных на высокий уровень мощности, необходимо учитывать нагрев внутренних элементов нагрузки, так как возникающие термомеханические напряжения способны привести к разрыву резистивных слоев и, как следствие, к выходу нагрузки из строя. Это накладывает дополнительные условия на задачу синтеза таких согласованных нагрузок. Прямое решение задачи оптимизации при помощи точной трехмерной математической модели, связывающей тепловую и электродинамическую задачи, требует значительных вычислительных ресурсов и временных затрат.
Цель. Разработать метод, позволяющий синтезировать нагрузки с требуемыми электродинамическими параметрами, а также учитывать эффекты теплопереноса в коаксиальных разъемах и диэлектрических подложках.
Результаты. Для решения поставленной задачи разработан расчетно-экспериментальный метод оптимизации. Рассмотрено применение данного метода к мультифизической задаче оптимизации параметров коаксиальной тонкопленочной согласованной нагрузки. Для первоначальной грубой оценки использована упрощенная математическая модель, основанная на формализме матрицы рассеяния. Этап эксперимента заменяется трехмерным конечно-элементным математическим моделированием с высоким порядком точности. В результате получено значительное ускорение процесса совместной оптимизации КСВН и температурных характеристик нагрузки. В качестве материала подложки рассмотрены нитрид алюминия и карбид кремния.
Показано, что при использовании карбида кремния максимальная температура СВЧ-платы ниже на 10 °С.
Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы разработчиками элементной базы СВЧ-техники. Изложенный метод позволяет не только синтезировать нагрузки с требуемыми электродинамическими параметрами, но также учитывать эффекты теплопереноса в коаксиальных разъемах и диэлектрических подложках. Такие тепловые эффекты могут играть решающую роль при проектировании СВЧ-устройств, работающих на высоком уровне мощности, и приводить к выходу данных устройств из строя в процессе эксплуатации.
Для цитирования
Попова Н.Ф., Мещанов В.П., Туркин Я.В . Синтез тонкопленочных согласованных нагрузок при помощи расчетно-экспериментального метода оптимизации и мультифизических моделей // Радиотехника. 2020. Т. 84. № 7(14). С. 34−40. DOI: 10.18127/j00338486-202007(14)-05.
Список источников
- Ponchak G. E., Jordan L.J., Horst S., Papapolymerou J. RF and DC power handling characterization of thin film resistors embedded on LCP // Electronic Components and Technology Conference. 2008. ECTC 2008. 58th. // IEEE. 2008. С. 713−717. DOI: 10.1109/ECTC.2008.4550051.
- Корж И.А., Зима В.Н., Евдокимов М.А. Мощные пленочные резисторы на подложках из AlN и Al2O3 для ВЧ-аттенюаторов большой мощности // Труды Междунар. научно-технич. конф. «Радиотехника электроника и связь (РЭиС–2011)». Омск: Изд. Омский научно-исследовательский институт приборостроения. 2011. 478 с.
- Григорьев А. Д. Методы вычислительной электродинамики. М.: ФИЗМАТЛИТ. 2013. 432 с.
- Tretyakov S. Analytical Modeling in Applied Electromagnetics. London: Artech House. 2003. 269 p.
- Bejan A. Heat Transfer Handbook. New York: John Wiley & Sons. 2003. 1470 p.
- Мещанов В.П., Чумаевская Г.Г. Экспериментально-расчетный метод синтеза радиотехнических устройств // Радиотехника и электроника. 1985. Т. 30. № 6. С. 544−549.
- Богданов А.М., Мещанов В.П., Попова Н.Ф. Оптимизация сверхширокополосных сверхвысокочастотных нагрузок с помощью расчетно-экспериментального метода // Радиотехника и электроника. 1999. Т. 44. № 2. С. 166−172.
- Nguyen C. Analysis Methods for RF, Microwave, and Millimeter − Wave Planar Transmission Line Structures. New York: John Wiley & Sons. 2000. 260 p.