הפעלה של שבב מנחת קבוע מדויק לגלי מיקרו עד 40 ג’גה הרץ

הקדמה
שבבי (dice) המנחת במעגל MMIC בסדרת YAT-D של Mini-Circuits (תואמי RoHS), הם מנחתי בליעה בעלי ערך קבוע שמיוצרים בתהליך MMIC, בעל חזרתיות רבה עם נגדי שכבה דקה (thin film), על גבי מצע גאליום ארסן (GaAs). הם כוללים חורי מעבר דרך הפרוסה בציפוי מתכתי מנחושת (Cu) על מנת לממש התנגדות חום (תרמית) נמוכה ופעולה בפס רחב מאוד. שבבי המנחתים YAT קיימים במלאי עם ערכי הנחתה נומינליים של 0dB עד 10dB (בצעדים של 1dB) ו-12dB, 15dB, 20dB ו-30dB. שבבי YAT מוגדרים לפעולה עד 26.5 ג’יגה הרץ עם שטיחות (flatness) הנחתה והפסדי החזרה מצוינים.
עם זאת, הביצועים המוגדרים מאופיינים עם משטח הארקה רציף מתחת לשבב כולו. שינוי פשוט במשטח ההארקה מאפשר למנחת להגיע להפסדי החזרה ושטיחות הנחתה מצוינים, המגיעים עד ל-40 ג’יגה הרץ. במאמר זה נסביר את השיטה הזו, המאפשרת להרחיב את טווח השימוש בשבב מנחת במעגל MMIC מסוג YAT-D עבור יישומים המגיעים עד ל-40 מגה הרץ.

שינוי המאפשר הרחבה של הביצועים ל-40 ג’יגה הרץ
איור 1 מציג את הממדים המכניים ומיקומי רפידות ההדבקה של שבב מנחת YAT-D. טבלה 1 להלן מסכמת את הממדים הקריטיים של השבב וטבלה 2 בהמשך מציגה את זיהוי השבב במשפחת השבבים YAT כולה.

איור 2 מציג את תרשים ההרכבה עם משטח אדמה רציף ומלא מתחת לשבב. בסידור זה,השבב בסדרת YAT-D פועל באופן מעולה עד 26.5 מגה הרץ. עם זאת, בתדירויות גבוהות יותר, ביצועי המנחת יורדים כתוצאה מתופעות פרזיטיות בין השבב ומשטח ההארקה.

השבב ומישור ההארקה יוצרים בהכרח לוחות מוליכים מקבילים, ואלו יוצרים, ללא כוונה מראש, קיבול שאפשר לבטא אותו במשוואת קיבול הלוחות המקבילים (1) הבאה:

כאשר:
ε0 = החדירות של החומר שבין שני הלוחות
A = שטח המשטח החופף בין הלוחות
d = המרחק שבין הלוחות (עובי המעגל המודפס)
ההיגב (reactance) הקיבולי הופך להיות קטן ככל שהתדירות עולה מעל ל-26.5 ג’יגה הרץ והמנחת הופך להיות רגיש יותר לקיבול שבין השבב לבין משטח ההארקה בתדירויות גבוהות יותר. תופעה זו, היא התופעה שבעיקר מגבילה את טווח התדירויות של שבב המנחת. על כן, הקטנת הקיבול בין השבב ומשטח ההארקה הייתה יכולה להרחיב את הביצועים לתדירויות גבוהות יותר.
ממשוואה 1 אנו רואים שערך הקיבול יחסי הפוך למרווח d שבין שני הלוחות – במקרה זה, המרחק שבין החלק העליון של השבב לבין החלק התחתון של מישור ההארקה. לכן, אחת הדרכים להקטין את הקיבול תהיה על ידי הגדלת המרווח הזה. את ההגדלה הזו אפשר להשיג על ידי יצירת תעלה קטנה בעומק של 0.5 מילימטר וברוחב של 0.25 מילימטר במישור ההארקה, שתימצא ישירות מתחת לנתיב האות הטורי. מישור ההארקה שעבר שינוי מוצג באיור 3, והמערכים של השבב במשטח הארקה רציף ושל השבב במשטח הארקה מפוצל, מוצגים באיור 4.

שים לב שרוחב המרווח במשטח ההארקה קטן מאוד והשימוש בחומר אפוקסי מוליך אמור להיות כזה שישמור על שלמות הפיצול, על מנת להגיע לתופעה הרצויה.

אימות הביצועים עד 40 ג’יגה הרץ
על מנת לאמת את הביצועים של שבב YAT-D עם הארקה מפוצלת עד 40 ג’יגה הרץ, נבדקה דגימה של חמש יחידות שבב YAT-D עם משטח הארקה רציף ועם עוד חמש יחידות שבב YAT-D נוספות עם משטח הארקה מפוצל. ערכים של הפסדי המעבר בין הכניסה ליציאה, הפסדי ההחזרה בין הכניסות ליציאות והשטיחות בהפסדי המעבר נמדדו בין מתח ישר לבין 40 ג’יגה הרץ. ביחידות ההארקה המפוצלת נמצא ב-40 ג’יגה הרץ שיפור אופייני של 13db עד 19dB בהפסדי ההחזרה ושטיחות בהפסדי ההעברה של ±0.7db עד ±0.5db. תוצאות הבדיקה מוצגות באיורים 5 עד 8 ובטבלה 4. איורים 4 עד 7 כוללים את הביצועים של מנחת YAT במארז, לצורך ייחוס.

מסקנות
מנחת במעגל MMIC בסדרת YAT-D של Mini-Circuits מספק הנחתה בערך קבוע ומדויק עם שטיחות מצוינת ממתח ישר עד 26.5 מגה הרץ. ליישומים של תדירות גבוהה יותר, יש צורך בשינוי פשוט במשטח ההארקה שמודגם כאן, אשר מאפשר ביצועים מעולים עד 40 ג’יגה הרץ. שינוי זה הופך את סדרת YAT-D לגמישה ביותר עבור טווח עצום של מערכות.