РАЗРАБОТКА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ ДЕТЕКТОРА СИГНАЛА СВЕРХВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ

DEVELOPMENT OF THE SUPER HIGH FREQUENCY SIGNAL DETECTOR CIRCUIT BOARD

Danil Perminov

Master’s Degree student, Baltic State Technical University "Voenmeh" D.F. Ustinov,

Russia, Saint-Petersburg

АННОТАЦИЯ

В статье приводится описание расчёта и проектирования печатной платы СВЧ детектора мощности. Основные конструктивные, технологические и эксплуатационные характеристики: исследуемые параметры сигнала – динамический диапазон входных мощностей, диапазон рабочих частот, выходное напряжение. Разработанный детектор имеет меньшую стоимость по сравнению с аналогами.

ABSTRACT

The article describes the calculation and design of the PCB microwave power detector. The main design, technological and operational characteristics are the studied signal parameters – the dynamic range of input power, operating frequency range, output voltage. The developed detector has a lower cost compared to its analogues.

Ключевые слова: амплитудный детектор, сверхвысокие частоты, печатная плата, детектор среднеквадратического значения мощности, AD8318.

Keywords: amplitude detector, super high frequencies, printed circuit board, root mean square detector, AD8318.

ВВЕДЕНИЕ

Амплитудным детектором называется устройство, напряжение на выходе которого пропорционально огибающей радиосигнала на входе. Детектирование мощности СВЧ сигнала является одной из основных задач при проектировании измерительных устройств СВЧ.

Целью научно-исследовательской работы является проектирование печатной платы СВЧ детектора амплитудно-модулированного сигнала. Проектируемый детектор должен обеспечивать входной динамический диапазон 55 дБ в диапазоне частот 5–7 ГГц. Следует учесть параметры, влияющие на волновое сопротивление СВЧ тракта. Детектор подключается к коаксиальному кабелю с сопротивлением 50 Ом, поэтому детектор должен быть согласован на 50 Ом. По сравнению с результатами, полученными в статье [1], где описано создание СВЧ детектора по технологии КМОП, технический уровень данной работы ниже, так как используется готовая элементная база.

1 Расчётная часть

Так как часть печатной платы имеет СВЧ линию необходимо правильно расчитать параметры линии, для согласования с волновым сопротивлением 50 Ом. В качестве диэлектрика выбран FR-4, его относительная диэлектрическая проницаемость на частоте 1 ГГц ε = 3,66 и тангенс угла диэлектрических потерь tgδ = 0,0037. С помощью программного обеспечения TXLINE была рассчитана ширина линии СВЧ тракта, обеспечивающая волновое сопротивление линии 50 Ом. Ширина линии 0,41 мм. Тип линии – копланарная заземлённая. В качестве ИС детектора была выбрана микросхема AD8318 в корпусе 16 ld LFCSP с шириной ножки 0,3 мм, поэтому обеспечить ширину линии 0,41 мм невозможно, так как она будет больше ножки микросхемы. Ширина диэлектрика не может быть изменена, так как этот размер является стандартным и минимальным для данного материала диэлектрика. Ширина зазора остаётся неизменной, так как меньший зазор относится к более высокому классу точности и влечёт дополнительные затраты на производство. При ширине линии 0,3 мм волновое сопротивление составляет 57,4 Ом. Расчитаем КСВ для волнового сопротивления линии 57,4 Ом:

                             (1)

где Z_н – сопротивление копланарной линии, Ом;

Z_ист – сопротивление коаксиального кабеля, Ом.

Тогда КСВ может быть расчитан как:

                                 (2)

где Г – коэффициент отражения.

КСВ не превышает значения 1,2, следовательно, параметры линии: ширина проводника равна 0,3 мм, зазор 0,13 мм, высота подложки 0,3 мм, толщина фольги 18 мкм.

2 Топология печатной платы

Печатная плата выполнена по третьему классу точности. Топология ДПП делится на два слоя: верхний и нижний. На верхнем слое располагаются все компоненты и связи между ними, остальное пространство верхнего слоя заполнено земляным полигоном. Топология верхнего слоя изображена на рисунке 1. Основной частью СВЧ тракта является ИС детектора AD8318, конденсаторы в цепи питания этой микросхемы расположены максимально близко к выводам для уменьшения паразитной индуктивности. Проводник от SMA разъёма к микросхеме AD8318 выполнен с скругленными углами, что позволяет сохранить его ширину постоянной и избежать скачков волнового сопротивления.

Рисунок 1. Топология верхнего слоя печатной платы

Нижний слой практически полностью представляет из себя земляной полигон, за исключением одной дорожки, соединяющей переходные отверстия. Топология нижнего слоя изображена на рисунке 2.

Рисунок 2. Топология нижнего слоя печатной платы

Предусмотрены термобарьеры, необходимые для того, чтобы при пайке компонентов на печатную плату нагревались только вывод разъема, стакан металлизации и контактные площадки, а не все полигоны во всех слоях.

3 Структура слоёв

В соответствии с расчётом толщина диэлектрика составляет 0,3 мм, для придания конструкции печатной платы жёсткости добавлен слой диэлектрика FR-4 1,5 мм. Структура слоёв изображена на рисунке 3.

Рисунок 3. Структура слоёв печатной платы

Очередность слоёв:

1) шелкография;

2) паяльная маска;

3) верхний слой (топология);

4) диэлектрик (препрег, FR-4 0,3 мм);

5) нижний слой (топология);

6) диэлектрик (основа, FR-4 1,5 мм).

4 3D модель печатной платы

На рисунке 4 изображена 3D модель печатной платы СВЧ детектора.

Рисунок 4. 3D модель печатной платы

Коаксиальный кабель 50 Ом присоединяется к SMA разъёму XS1, в который подаётся СВЧ сигнал. Выходное напряжение, пропорциональное входной мощности СВЧ сигнала, снимается с штыревого разъёма XP1. Напряжение питания +27 В от бортовой сети подаётся на штыревой разъём XP2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения научно-исследовательской работы была спроектирована печатная плата СВЧ детектора мощности сигналов с АМ. В качестве материала подложки выбран стеклотекстолит FR-4. ДПП на верхнем слое содержит СВЧ тракт, который был экранирован от внешних источников помех и от перекрёстных помех между компонентами платы. Разработанный детектор рассчитан на работу в диапазоне 5–7 ГГц, с мощностью входного СВЧ сигнала от минус 50 до 5 дБм. СВЧ линия согласована на волновое сопротивление 50 Ом с КСВ равным 1,15.

Спроектированный детектор не имеет аналогов на рынке в России, но если сравнивать с отладочной платой LMH2121EVAL компании Texas instruments, которая имеет аналогичные характеристики, то экономическая выгода составляет 4500 рублей.

Список литературы:

1. C. Lee, W. Choi, R. Han, H. Shichijo, and K. K. O (2012) “Broadband root-mean square detector in CMOS for on-chip measurements of millimeter-wave voltages”. IEEE Electron Device Letters, June 2012, vol. 33, no. 6. Сс. 752–754.