ПРЕЦИЗИОННЫЕ КОНТАКТНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК УСТРОЙСТВ НА ПАВ

Введение

Поскольку рабочий частотный диапазон разрабатываемых частотно-избирательных устройств постоянно расширяется, исследования в области СВЧ измерений становятся все более актуальными. В области техники и технологии поверхностных акустических волн (ПАВ) серийно выпускаются фильтры с номинальной частотой до 3,3 ГГц [1, 2]. Известны публикации об экспериментальных разработках в диапазоне частот до 10 ГГц [3].

Основная проблема при измерении параметров ПАВ-устройств  СВЧ-диапазона состоит в том, что собственная емкость преобразователя ПАВ соизмерима с паразитными емкостями корпуса и измерительной оснастки.  Паразитные элементы корпуса обычно имеют фиксированные значения, поэтому они учитываются при моделировании ПАВ-устройства [4]. В то же время для обеспечения корректности измерений необходимо минимизировать влияние измерительной оснастки на  характеристики СВЧ-устройств.

В связи с этим вопросы разработки и внедрения комплексных подходов к моделированию и производству контактных устройств, предназначенных для контроля частотных характеристик СВЧ компонентов, является актуальной задачей.

 

Результаты исследований и обсуждение

В данной работе проведен сравнительный анализ трёх базовых конструкций контактных устройств различного функционального назначения, рис.1, а так же представлены результаты измерения конкретных ПАВ-устройств, проведенных с использованием данных КУ.

 

1_30

Рис. 1. Базовые конструкции контактных устройств

Разработанные и изготовленные нами КУ различаются по типу конструкции, по типам корпусов, в которых выпускаются контролируемые изделия, а так же по допустимым температурным интервалам проводимых испытаний.  Проектирование КУ выполнено в среде AutoCAD 2014. Разработан комплект КД и ТД на изготовление КУ [1]

Все металлические части (корпус, пластина), входящие в комплект КУ, изготовлены на электроэрозионном оборудовании с помощью подготовленных управляющих программ.

Первый тип КУ - это контактное устройство на основе печатной платы, в котором в качестве коннектора используется токопроводящий эластомер. КУ включает в себя металлический корпус, печатную плату с впаянными в нее высокочастотными разъемами и пластину с окном, размер которого выполнен под конкретный корпус измеряемого образца. В нашем случае это металлокерамический корпус типа SMD с габаритными размерами 5,0х5,0х1,1 мм. Все элементы конструкции (корпус, плата и пластина) жестко соединены между собой винтами.

При проектировании печатной платы для СВЧ измерений важно правильно рассчитать микрополосковую линию для конкретного волнового сопротивления. В настоящее время в Интернет-ресурсах представлено множество программ-калькуляторов, позволяющих выполнять данную процедуру, поэтому расчет достаточно прост. Пример расчета габаритных размеров микрополосковой линии для волнового сопротивления Z0= 50 Ом (оптимальная ширина составляет W=1,76мм).

Одним из основных элементов конструкции КУ типа 1 является токопроводящий эластомер. Это особый вид коннектора, который выпускается рядом зарубежных производителей. Различают эластомеры двух типов:

- эластомеры с однородно заполненными тонкими позолоченными «проволочками». Благодаря равномерному заполнению данные проводники не зависят от расположения контактных площадок SMD корпусов и являются полностью универсальными;

- эластомеры с так называемыми «колодцами», заполненные упругими проводящими частицами или упругим комком тонкой проволоки. Такие проводники изготавливаются индивидуально под каждый конкретный корпус, поэтому область их применения ограничена.

На сегодняшний день рынок предлагает эластомеры толщиной 0,15…1,5 мм с шагом «проволочек» 0,03…0,1 мм, обеспечивающие приемлемое качество контроля электрических параметров до частот порядка 10 ГГц в диапазоне температур от минус 450С до +120 0С. К преимуществам данных проводников можно отнести их относительно невысокую цену, универсальность и простоту в обслуживании контактных устройств.

Недостатками таких коннекторов являются малый ресурс, быстрое загрязнение, нестабильность работы при низких температурах, что важно при проведении климатических испытаний, а также самый важный на наш взгляд недостаток - это трудности с регулированием усилия прижатия образца. Вследствие этого происходит нестабильный контакт с контактными площадками SMD корпуса и усиливается влияние переходного сопротивления. Переходное контактное сопротивление тем меньше, чем больше усилие нажатия на образец, так как от этого зависит действительная площадь соприкосновения.

Следует отметить, что свойства контактного соединения со временем изменяются. Только новый контакт при достаточном давлении имеет наименьшее возможное переходное контактное сопротивление. В процессе эксплуатации под действием разнообразных факторов, таких как загрязнение контактирующих поверхностей, образование окисной пленки, переходное сопротивление контакта увеличивается, что требует периодической обработки поверхности коннектора специализированными очистительными спреями. В противном случае, прецизионность контроля частотных характеристик фильтров на ПАВ будет под вопросом.

В конструкции контактного устройства второго типа также используется печатная плата, но в качестве коннекторов применены пружинно штыревые контакты (Pogo Pin). Высокочастотные разъемы, металлический корпус и пластина с окном выполнены и соединены между собой аналогично КУ, тип 1.

Применение коннекторов Pogo Pin является одним из традиционных и наиболее распространенных методов проектирования контактных устройств СВЧ диапазона для SMD корпусов. Такая популярность обусловлена огромным выбором предлагаемой номенклатуры, их относительно невысокая стоимость, ремонтопригодность, большой ресурс (2000–3000 циклов прижима), малый КСВн  (коэффициент стоячей волны по напряжению), легкость монтажа в печатную плату, а так же то, что данный тип коннектора сохраняет свою работоспособность в широком диапазоне температур (от -60°С до +85°С). Кроме того, с помощью коннекторов Pogo Pin решается проблема неравномерности прижатия, которая характерна для токопроводящих эластомеров. Равномерность прижатия в данном случае обеспечивается конструкцией пружинных контактов, это позволяет нивелировать влияние несоответствия по плоскопараллельности различных корпусов. Основным недостатком данного вида коннектора является большая собственная индуктивность и емкость, что оказывает заметное влияние на характеристики ПАВ-фильтра на частотах свыше 2 ГГц. Кроме того, для уменьшения электромагнитной наводки требуется тщательное экранирование коннекторов. Лучше всего, когда подпружиненные контакты полностью погружены в металл.

Отличительной особенностью КУ третьего типа является отсутствие в конструкции печатной платы, за счёт чего уменьшается его себестоимость и время изготовления. Пружинно штыревые контакты смонтированы непосредственно к высокочастотному разъему, что исключает влияние паразитных элементов платы, улучшается экранировка, и, соответственно, повышается достоверность контроля параметров фильтров на ПАВ.

Влияние конструктивного типа контактных устройств на характеристики ПАВ-фильтров.  С целью подтверждения выводов предыдущего раздела проведены сравнительные измерения ПАВ-фильтров с применением КУ различных типов. Все измерения проводились при помощи измерителя комплексных коэффициентов передачи и отражения «Обзор – 804» (диапазон рабочих частот до 8 ГГц). Сравнительные результаты измерений ПАВ-фильтров различного функционального назначения в разработанных контактных устройствах приведены на рис.4, 5.

1_31

Рис. 2,3. Сравнение результатов измерений АЧХ ПАВ-фильтра на основе продольно-связанных резонаторов [5] на номинальную частоту 435 МГц: серая линия - КУ, тип 2; черная линия – КУ, тип 3

1_32

Рис. 4,5. Сравнение результатов измерений АЧХ ПАВ-фильтра импедансного типа [6] на номинальную частоту 664 МГц: серая линия - КУ, тип 2; черная линия – КУ, тип 3

Из представленных характеристик следует, что КУ третьего типа качественно отличается от второго и обеспечивает более высокую точность измерений таких параметров назначения ПАВ-фильтров как гарантированное затухание в полосах заграждения (на 10-17 дБ) и ширина полосы пропускания (разница в ширине полосы пропускания по уровню минус 3,0 дБ составила 3,1 МГц, рис.15). Для фильтра на номинальную частоту 664 МГц полученный разброс параметров не является критичным, но в случаях, когда предъявляются более жесткие требования, эта разница может стать определяющей в контроле качества выпускаемого изделия. Характеристики фильтров, измеренные в КУ третьего типа, соответствуют результатам теоретического моделирования. На данном примере мы показываем всю важность обеспечения достоверности и идентичности измерений, проводимых на этапе контроля параметров, а так же на стадии входного контроля у заказчика.

Описанный концептуальный подход к проектированию КУ является универсальным, и применим к разработке измерительной оснастки любой функциональной сложности (контроль параметров резонаторов, радиочастотных меток, частотно-избирательных микроблоков (ЧИМ), датчиков и т.д.).

 

Заключение

Проведена оценка влияния различных паразитных составляющих на результаты контроля основных технических параметров пьезоэлектрических изделий.

Следует отметить, что полностью исключить влияние паразитных составляющих КУ на АЧХ ПАВ-устройств невозможно. Следовательно, в дальнейшем мы продолжим работу по совершенствованию не только компонентов КУ и различных подходов к их проектированию, но и методик калибровки для оценки погрешности  приспособления, что позволит обеспечить стабильность и идентичность измерений СВЧ компонентов на всех контрольных этапах производства, а так же на входном контроле у заказчика.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

  1. Сайт ООО «БУТИС» http://butis-m.ru/
  2. Багдасарян А., Синицына Т., Машинин О., Иванов П., Егоров Р. Устройства частотной селекции в современных системах связи, радиолокации и телекоммуникации // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2013. № 8. С. 128-136/
  3. Odagawa H., Tsuji T., Yamanouhi K. 10 GHz range low loss wide band unidirectional SAW filters using sub-0.1 μm width narrow-gap electrodes // Proc. IEEE Ultrason. Symp. 1996.
  4. Синицына Т.В.,  Багдасарян А.С., Николаев В.И., Гарифулина А.Т., Груздев А.С., Дорофеева С.С. Минимизация искажений характеристик ПАВ-устройств, обусловленных наличием паразитных элементов конструкции //  Теория и техника радиосвязи. № 1. С.112-116.
  5. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Егоров Р.В.  ПАВ-фильтры на основе продольно-связанных структур  //  Электронная промышленность. 2004. № 1. С.14-19.
  6. Багдасарян А., Багдасарян С., Карапетьян Г., Машинин О., Синицына Т. Импедансные ПАВ-фильтры для телекоммуникационных систем. Российский приоритет // Электроника: наука, технология, бизнес.    № 7 (139).  С.48-65