RU2760761C1 - Lange coupler - Google Patents

Abstract

FIELD: radio engineering.SUBSTANCE: invention relates to the field of radio engineering, in particular to the microstrip quadrature Lange coupler. The Lange coupler contains a dielectric substrate, a metal grounding layer formed on the first side of the substrate, a linear layer formed on the second side of the substrate and forming a counter-pin structure of five conductive metal microstrip lines, a dielectric layer deposited on local areas of the second side of the substrate and a linear layer of microstrip lines with the formation of isolated sections in the linear layer at the intersection of the linear layer with a flat layer of conductive jumpers, which are applied to the dielectric layer to connect non-contiguous microstrip lines. In this case, the dielectric layer is made in the form of a polymer photosensitive composition, including components in the following ratio, wt. %: poly(o-hydroxyamide) – 12…15; photosensitive component - 2.4…3; acid catalyst - 2.5…5; amide solvent the rest, and the conductive bridges are made in the form of a multilayer metal coating, Cr-Cu-Cr +galvanic Au, where Cu is the main conductive layer, and Au acts as a finishing coating.EFFECT: increase in the reliability of the Lange coupler.1 cl, 2 dwg

Description

Translated fromRussian

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано при изготовлении микрополоскового квадратурного ответвителя Ланге, который применяется во многих схемах обработки СВЧ сигналов, таких как балансные смесители и усилители, фазовращатели, аттенюаторы, модуляторы, дискриминаторы, фильтры, линии задержки и согласующие цепи.The invention relates to electronic engineering and can be used in the manufacture of a microstrip Lange quadrature coupler, which is used in many microwave signal processing circuits, such as balanced mixers and amplifiers, phase shifters, attenuators, modulators, discriminators, filters, delay lines and matching circuits.

Известен ответвитель Ланге (US 3516024А, Н01P 5/14, US 4636754 А, Н01Р 5/14,), представляющий собой устройство с четырьмя портами, которое обеспечивает деление мощности электромагнитной волны, поступающей на входной первый порт, ровно пополам (3 дБ) между третьим прямым и вторым связанным портами в полосе частот, при этом четвертый порт является изолированным. Устройство содержит пять параллельно расположенных тонкопленочных многослойных металлических микрополосковых линий (МПЛ), образующих встречно-штыревую структуру и сформированных на диэлектрической подложке из оксида алюминия с использованием техники фотошаблонов, причем первый и пятый МПЛ имеют длину, равную одной восьмой длины электромагнитной волны, а остальные МПЛ имеют длину, равную четверти длины электромагнитной волны. Несмежные МПЛ в ответвителе Ланге соединены с использованием воздушных токопроводящих проволочных перемычек, каждая из которых состоит из групп по нескольку навесных проволок, причем токопроводящие перемычки изолированы от МПЛ, расположенных между соединяемыми несмежными МПЛ.Known Lange coupler (US 3516024A,H01P 5/14, US 4636754 A,H01P 5/14,), which is a device with four ports, which provides the division of the power of the electromagnetic wave arriving at the input first port, exactly in half (3 dB) between the third forward and the second linked ports in the frequency band, with the fourth port being isolated. The device contains five parallel-positioned thin-film multilayer metal microstrip lines (MPL), forming an interdigital structure and formed on a dielectric substrate of aluminum oxide using the photomask technique, with the first and fifth MPL having a length equal to one eighth of the electromagnetic wavelength, and the rest of the MPL have a length equal to a quarter of the electromagnetic wavelength. Non-adjacent MPLs in a Lange coupler are connected using air conductive wire jumpers, each of which consists of groups of several hanging wires, and the conductive jumpers are isolated from the MPL located between the connected non-adjacent MPLs.

Недостатками такого ответвителя Ланге является низкая надежность из-за возможных ошибок при выполнении ручных операций сварки проволочных перемычек между МПЛ и провисания проволочных перемычек вплоть до касания МПЛ при эксплуатации, что вызывает короткие замыкания.The disadvantages of such a Lange coupler are low reliability due to possible errors during manual welding of wire jumpers between MPL and sagging of wire jumpers up to touching the MPL during operation, which causes short circuits.

Известен ответвитель Ланге, в котором для электрического соединения между несмежными МПЛ встречно-штыревой структуры вместо проволочных перемычек применяются воздушные полосковые (микромостиковые) перемычки (ЕР 1032072 В1, Н01Р 5/186; Waterman, R.C., Jr., Fabian, W., Pucel, R.A., Tajima, Y., Vorhaus, J.L. GaAs monolithic Lange and Wilkinson couplers. IEEE Transactions on Electron Devices, 1981 Vol. 28; No. 2, p. 212-216).Known Lange coupler, in which for electrical connection between non-adjacent MPL interdigital structure instead of wire jumpers are used air strip (microbridge) jumpers (EP 1032072 B1, Н01Р 5/186; Waterman, RC, Jr., Fabian, W., Pucel, RA, Tajima, Y., Vorhaus, JL GaAs monolithic Lange and Wilkinson couplers. IEEE Transactions on Electron Devices, 1981 Vol. 28; No. 2, pp. 212-216).

Однако недостатком такого ответвителя является низкая надежность воздушных микромостиковых перемычек, которые являются хрупкими и могут обрушаться при эксплуатации изделий, вызывая разрыв соединений или нежелательные короткие замыкания МПЛ.However, the disadvantage of such a coupler is the low reliability of air microbridge jumpers, which are fragile and can collapse during the operation of products, causing rupture of connections or unwanted short circuits of the MPL.

Известен ответвитель Ланге в виде толстопленочной печатной платы (US 6753746 В2, Н01Р 5/187), содержащий диэлектрическую подложку, изготовленную из материала с высокой диэлектрической проницаемостью, металлический заземляющий слой, установленный на первой стороне диэлектрической подложки, линейный слой, установленный на второй стороне диэлектрической подложки в виде встречно-штыревой структуры МПЛ, изолирующий слой, нанесенный на линейный слой, несколько контактных площадок, сформированных в изолирующем слое, тем самым обнажая часть линейного слоя без покрытия изолирующим слоем, и проводящий материал, нанесенный на изолирующий слой для соединения нескольких контактных площадок, тем самым образуя плоский слой перемычки, который соединяется с линейным слоем через круглые контактные площадки.Known Lange coupler in the form of a thick-film printed circuit board (US 6753746 B2,H01P 5/187) containing a dielectric substrate made of a material with a high dielectric constant, a metal ground layer installed on the first side of the dielectric substrate, a linear layer installed on the second side of the dielectric substrates in the form of an interdigital structure MPL, an insulating layer applied to the linear layer, several contact pads formed in the insulating layer, thereby exposing a part of the linear layer without an insulating layer coating, and a conductive material applied to the insulating layer to connect several contact pads thereby forming a flat jumper layer that connects to the line layer through circular pads.

Недостатком такого ответвителя Ланге является низкая надежность, из-за применяемого проводящего материала слоя перемычек на основе эпоксидной смолы с наполнителем металлического порошка, который имеет низкую прочность из-за растрескивания после отверждения, что приводит к обрыву соединений между полосками; кроме того, такой материал имеет высокое объемное электрическое сопротивление (порядка 10^-5 - 10^-6 Ом⋅м), что вызывает нагрев и последующее разрушение перемычек и, как следствие, снижает надежность устройства.The disadvantage of such a Lange coupler is low reliability, due to the used conductive material of the layer of bridges based on epoxy resin filled with metal powder, which has low strength due to cracking after curing, which leads to the breakage of the connections between the strips; in addition, such a material has a high volumetric electrical resistance (of the order of 10^-5 - 10^-6 Ohm⋅m), which causes heating and subsequent destruction of the bridges and, as a consequence, reduces the reliability of the device.

Наиболее близким к заявляемому устройству является ответвитель Ланге (US 5410179А, H01V 29/02), содержащий диэлектрическую подложку, металлический заземляющий слой, сформированный на первой стороне диэлектрической подложки, линейный слой, сформированный на второй стороне подложки и образующий встречно-штыревую структуру из пяти металлических токопроводящих МПЛ, диэлектрический слой из полиимидной пленки, нанесенной на вторую сторону подложки и линейный слой МПЛ с использованием термопластичного адгезионного слоя путем его нагрева до температуры 235°С с последующим охлаждением, контактные окна, сформированные в диэлектрическом слое, и плоский слой токопроводящих перемычек, нанесенных на диэлектрическую пленку для соединения несмежных МПЛ через контактные окна в диэлектрической пленке.Closest to the claimed device is a Lange coupler (US 5410179A, H01V 29/02) containing a dielectric substrate, a metal ground layer formed on the first side of the dielectric substrate, a linear layer formed on the second side of the substrate and forming an interdigital structure of five metal conductive MPL, a dielectric layer of a polyimide film deposited on the second side of the substrate and a linear layer of an MPL using a thermoplastic adhesive layer by heating it to a temperature of 235 ° C followed by cooling, contact windows formed in the dielectric layer, and a flat layer of conductive jumpers applied on a dielectric film for connecting non-adjacent MSL through contact windows in a dielectric film.

Недостатком такого ответвителя Ланге является низкая надежность из-за наличия клеевого соединения диэлектрической пленки, а также из-за окисления металлических токопроводящих МПЛ при высокой температуре (235°С) приклеивания полиимидной пленки, что приводит к повышению электрического сопротивления МПЛ и вызывает их нагрев при эксплуатации. Кроме того, из-за неравномерности толщины диэлектрического слоя, нанесенного на всю поверхность подложки и МПЛ возникает большой разброс электрических характеристик ответвителя Ланге в СВЧ диапазоне.The disadvantage of such a Lange coupler is low reliability due to the presence of an adhesive connection of the dielectric film, as well as due to the oxidation of metal conductive MPLs at a high temperature (235 ° C) of gluing a polyimide film, which leads to an increase in the electrical resistance of the MPL and causes them to heat up during operation. ... In addition, due to the unevenness of the thickness of the dielectric layer applied to the entire surface of the substrate and the MSL, there is a large scatter in the electrical characteristics of the Lange coupler in the microwave range.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности ответвителя Ланге.The technical problem of the present invention is to improve the reliability of the Lange coupler.

Решение указанной технической задачи заключается в том, что предлагаемое устройство, так же как и известное, содержит диэлектрическую подложку, металлический заземляющий слой, сформированный на первой стороне диэлектрической подложки, линейный слой, сформированный на второй стороне подложки и образующий встречно-штыревую структуру из пяти токопроводящих МПЛ, диэлектрический слой, нанесенный на вторую сторону подложки и линейный слой МПЛ, контактные окна, сформированные в диэлектрическом слое, и плоский слой токопроводящих перемычек, нанесенных на диэлектрический слой для соединения несмежных МПЛ через контактные окна в диэлектрическом слое.The solution to this technical problem lies in the fact that the proposed device, as well as the known one, contains a dielectric substrate, a metal ground layer formed on the first side of the dielectric substrate, a linear layer formed on the second side of the substrate and forming an interdigital structure of five conductive MPL, a dielectric layer applied to the second side of the substrate and a linear MPL layer, contact windows formed in the dielectric layer, and a flat layer of conductive jumpers applied to the dielectric layer to connect non-adjacent MPL through contact windows in the dielectric layer.

Но, в отличие от известного, в предлагаемом устройстве диэлектрический слой выполнен в виде полимерной фоточувствительной композиции, включающей компоненты в следующем соотношении, масс. %: поли(о-гидроксиамид) - 12…15; светочувствительный компонент - 2.4…3; кислотный катализатор - 2.5…5; амидный растворитель - остальное; при этом диэлектрический слой наносится на локальные области МПЛ с образованием изолированных участков в линейном слое в местах пересечения линейного слоя со слоем перемычек.But, in contrast to the known, in the proposed device the dielectric layer is made in the form of a polymer photosensitive composition, including components in the following ratio, wt. %: poly (o-hydroxyamide) - 12 ... 15; photosensitive component - 2.4 ... 3; acid catalyst - 2.5 ... 5; amide solvent - the rest; in this case, the dielectric layer is applied to the local areas of the MSL with the formation of isolated sections in the linear layer at the points of intersection of the linear layer with the layer of bridges.

В предлагаемом устройстве токопроводящие перемычки выполнены в виде многослойного металлического покрытия Cr-Cu-Cr+гальваническое Аu, где Сu является основным токопроводящим слоем, а Аu выступает в качестве финишного покрытия.In the proposed device, the conductive jumpers are made in the form of a multilayer metal coating Cr-Cu-Cr + galvanic Au, where Cu is the main conductive layer, and Au acts as a finishing coating.

Внесенные изменения позволяют повысить надежность ответвителя Ланге.The changes introduced improve the reliability of the Lange coupler.

Предлагаемое изобретение поясняется следующим образом.The proposed invention is illustrated as follows.

На Фиг. 1 показан предлагаемый в качестве изобретения направленный ответвитель Ланге, содержащий диэлектрическую подложку 1, на одной стороне которой нанесен металлический заземляющий слой 2, а на другой стороне нанесен токопроводящий линейный слой 3, содержащий пять параллельно расположенных тонкопленочных металлических МПЛ, образующих встречно-штыревую структуру, причем первая и пятая МПЛ имеют длину, равную одной восьмой эффективной длины электромагнитной волны, а остальные МПЛ имеют длину, равную четверти эффективной длины электромагнитной волны. Поверх линейного токопроводящего слоя на локальные области МПЛ нанесен изолирующий слой диэлектрика 4 с низкой диэлектрической проницаемостью с образованием изолированных участков в линейном слое в местах пересечения с токопроводящими металлическими полосковыми перемычками 5, которые сформированы поверх изолирующего слоя с возможностью соединения несмежных МПЛ.FIG. 1 shows a directional Lange coupler proposed as an invention, containing adielectric substrate 1, on one side of which ametal ground layer 2 is applied, and on the other side a conductivelinear layer 3 is applied, containing five parallel thin-film metal MPL, forming an interdigital structure, and the first and fifth MSLs have a length equal to one-eighth of the effective electromagnetic wavelength, and the remaining MSLs have a length equal to a quarter of the effective electromagnetic wavelength. On top of the linear conductive layer, an insulatingdielectric layer 4 with a low dielectric constant is applied to the local areas of the MPL with the formation of isolated sections in the linear layer at the intersection with the conductivemetal strip jumpers 5, which are formed over the insulating layer with the possibility of connecting non-adjacent MPL.

Согласно изобретению, ответвитель Ланге обеспечивает деление мощности электромагнитной волны, поступающей на входной порт I, ровно пополам (3 дБ) между прямым III и связанным II портами в полосе частот, при этом порт IV является изолированным, и мощность на него не поступает.According to the invention, the Lange coupler ensures that the power of the electromagnetic wave arriving at the input port I is divided exactly in half (3 dB) between the direct III and associated II ports in the frequency band, while port IV is isolated and does not receive power.

В ответвителе Ланге в качестве диэлектрической подложки может быть использована полированная керамическая подложка из поликора (Ще7.817.000-07 ТУ 6366-000-07593894-2013) толщиной 0,5 мм.In the Lange coupler, a polished ceramic substrate made of polycor (Shche7.817.000-07 TU 6366-000-07593894-2013) 0.5 mm thick can be used as a dielectric substrate.

Заземляющий металлический слой может быть сформирован в виде многослойного металлического покрытия Cr-Cu-Cr+гальваническое Аu, где Аu используют в качестве финишного покрытия, причем подслой выполнен из Сr марки ЭРХ согласно ТУ 14-5-76-76, а основной токопроводящий слой выполнен из Сu марки М006 согласно ГОСТ 859-2014.The grounding metal layer can be formed in the form of a multilayer metal coating Cr-Cu-Cr + galvanic Au, where Au is used as a topcoat, and the sublayer is made of Cr brand ERH according to TU 14-5-76-76, and the main conductive layer is made from Cu grade M006 according to GOST 859-2014.

Линейный слой МПЛ может быть сформирован в виде многослойного металлического покрытия Cr-Cu-Cr+гальваническое Аu, где Сu является основным токопроводящим слоем, а Аu используют в качестве финишного покрытия и стоп-слоя при формировании проводящего слоя перемычек, причем толщина слоя Сu должна быть не менее 6 мкм, а толщина гальванического Аu - не менее 2 мкм. При этом ширина микрополосковых линий и зазор между ними могут составлять порядка 50 мкм.The linear MPL layer can be formed in the form of a multilayer metal coating Cr-Cu-Cr + galvanic Au, where Cu is the main conductive layer, and Au is used as a finishing coating and a stop layer when forming a conductive layer of jumpers, and the thickness of the Cu layer should be not less than 6 microns, and the thickness of galvanic Аu - not less than 2 microns. In this case, the width of the microstrip lines and the gap between them can be of the order of 50 μm.

Диэлектрический слой толщиной 5-7 мкм должен быть выполнен в виде полимерной фоточувствительной композиции, включающей компоненты в следующем соотношении, масс. %: поли(о-гидроксиамид) - 12…15; светочувствительный компонент - 2.4…3; кислотный катализатор -2.5…5; амидный растворитель - остальное. При этом диэлектрический слой наносится только на локальные области МПЛ с образованием изолированных участков в линейном слое в местах пересечения линейного слоя со слоем перемычек. Данный диэлектрический слой:The dielectric layer with a thickness of 5-7 microns should be made in the form of a polymer photosensitive composition, including components in the following ratio, wt. %: poly (o-hydroxyamide) - 12 ... 15; photosensitive component - 2.4 ... 3; acid catalyst -2.5 ... 5; amide solvent - the rest. In this case, the dielectric layer is applied only to the local areas of the MSL with the formation of isolated sections in the linear layer at the points of intersection of the linear layer with the layer of bridges. This dielectric layer:

- имеет высокую адгезию (15-18 МПа) к другим материалам, что повышает надежность соединения его с подложкой, линейным слоем и слоем перемычек;- has high adhesion (15-18 MPa) to other materials, which increases the reliability of its connection to the substrate, linear layer and a layer of bridges;

- является пластичным и не растрескивается после отверждения, что снижает возможность возникновения межслойных коротких замыканий;- is plastic and does not crack after curing, which reduces the possibility of interlayer short circuits;

- имеет низкую (190-200°С) температуру задубливания (отверждения), что снижает окисление меди в многослойных (Cr-Cu-Cr+гальваническое Аu) МПЛ линейного слоя;- has a low (190-200 ° C) temperature of hardening (curing), which reduces the oxidation of copper in multilayer (Cr-Cu-Cr + galvanic Au) MPL of the linear layer;

- имеет низкую (3,5-4) относительную диэлектрическую проницаемость, что снижает паразитную емкость в местах пересечения линейного слоя и слоя перемычек и, тем самым, улучшает электрические характеристики в СВЧ диапазоне;- has a low (3.5-4) relative dielectric constant, which reduces the parasitic capacitance at the intersection of the linear layer and the layer of jumpers and, thereby, improves the electrical characteristics in the microwave range;

- снижает разброс электрических характеристик в СВЧ диапазоне за счет нанесения диэлектрика только на локальные области МПЛ.- reduces the spread of electrical characteristics in the microwave range due to the deposition of a dielectric only on local areas of the MSL.

Проводящие перемычки могут быть выполнены в виде многослойного металлического покрытия Cr-Cu-Cr+гальваническое Аu, где Сu является основным токопроводящим слоем, а Аu выступает в качестве финишного покрытия.Conductive bridges can be made in the form of a multilayer metal coating Cr-Cu-Cr + galvanic Au, where Cu is the main conductive layer, and Au is the topcoat.

Надежность и электрические характеристики электронных устройств, главным образом, определяются активными электрическими потерями в этих устройствах: чем ниже активные электрические потери, тем меньше разогрев электронного устройства и тем выше его эксплуатационная надежность и лучше электрические характеристики. На Фиг. 2 приведены результаты измерений средних прямых активных электрических потерь между портами I и II, а также между портами I и III изготовленных согласно изобретению ответвителей Ланге, которые показывают, что с учетом коэффициента деления 3 дБ, прямые потери находятся в интервале от 0,23 дБ до 0,45 дБ (в диапазоне частот от 2 ГГц до 4 ГГц), что соответствует активным потерям менее 10% от входной мощности электромагнитной волны и свидетельствует о высокой надежности и высоких электрических характеристиках изготовленных ответвителей Ланге.The reliability and electrical characteristics of electronic devices are mainly determined by active electrical losses in these devices: the lower the active electrical losses, the less heating of the electronic device and the higher its operational reliability and better electrical characteristics. FIG. 2 shows the results of measurements of the average direct active electrical losses between ports I and II, as well as between ports I and III of the Lange couplers manufactured according to the invention, which show that, taking into account the division factor of 3 dB, the direct losses are in the range from 0.23 dB to 0.45 dB (in the frequency range from 2 GHz to 4 GHz), which corresponds to active losses of less than 10% of the input power of the electromagnetic wave and indicates the high reliability and high electrical characteristics of the manufactured Lange couplers.

Claims (2)

Translated fromRussian

1. Ответвитель Ланге, содержащий диэлектрическую подложку, металлический заземляющий слой, сформированный на первой стороне подложки, линейный слой, сформированный на второй стороне подложки и образующий встречно-штыревую структуру из пяти токопроводящих микрополосковых линий, диэлектрический слой, нанесенный на вторую сторону подложки и линейный слой микрополосковых линий (МПЛ), контактные окна, сформированные в диэлектрическом слое, и плоский слой токопроводящих перемычек, нанесенных на диэлектрический слой для соединения несмежных микрополосковых линий через контактные окна в диэлектрическом слое, отличающийся тем, что диэлектрический слой выполнен в виде полимерной фоточувствительной композиции, включающей компоненты в следующем соотношении, масс. %: поли(о-гидроксиамид) - 12…15; светочувствительный компонент - 2.4…3; кислотный катализатор - 2.5…5; амидный растворитель - остальное; при этом диэлектрический слой наносится на локальные области микрополосковых линий с образованием изолированных участков в линейном слое в местах пересечения линейного слоя со слоем перемычек.1. Lange coupler containing a dielectric substrate, a metal ground layer formed on the first side of the substrate, a linear layer formed on the second side of the substrate and forming an interdigitated structure of five conductive microstrip lines, a dielectric layer deposited on the second side of the substrate and a linear layer microstrip lines (MPL), contact windows formed in the dielectric layer, and a flat layer of conductive jumpers applied to the dielectric layer for connecting non-adjacent microstrip lines through contact windows in the dielectric layer, characterized in that the dielectric layer is made in the form of a polymer photosensitive composition, including components in the following ratio, wt. %: poly (o-hydroxyamide) - 12 ... 15; photosensitive component - 2.4 ... 3; acid catalyst - 2.5 ... 5; amide solvent - the rest; in this case, the dielectric layer is applied to the local areas of the microstrip lines with the formation of isolated areas in the linear layer at the intersection of the linear layer with the layer of bridges.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что токопроводящие перемычки выполнены в виде многослойного металлического покрытия Сr-Cu-Cr+гальваническое Аu, где Сu является основным токопроводящим слоем, а Аu выступает в качестве финишного покрытия.2. The device according to claim 1, characterized in that the conductive jumpers are made in the form of a multilayer metal coating Cr-Cu-Cr + galvanic Au, where Cu is the main conductive layer, and Au acts as a finishing coating.

Images