Линий передачи

Полосковые и микрополосковые линии передачи широко применяются на дециметровых и сантиметровых волнах в основном для образования сложных разветвленных трактов, объединяющих в единое устройство СВЧ многие элементы. Полосковые линии образуются из параллельных металлических проводников и диэлектрических пластин. Различают симметричные и несимметричные полосковые линии передачи. Симметричные линии имеют в поперечном сечении две перпендикулярные плоскости симметрии несимметричные линии - одну. На рисунке 1.4 показаны некоторые разновидности полосковых линий и соответствующие структур электрического поля в поперечном сечении. Широкие металлические пластины полосковых линий являются экранами и могут сматриваться как бесконечные плоскости с нулевым потенциалом.

Существует три разновидности полосковых линий: жесткие воздушные полосковые линии; линии на основе фольгированных диэлектрических пластин (армированные стеклом фторопласты, полимеры и др.); линии на основе диэлектрических пластин из керамики или кристаллических материалов с высоким значением диэлектрической проницаемости (поликор, ситалл, кварц, сапфир, кремний, арсенид галлия и др.).

Рис.1.4. Конструкции полосковых линий: а- симметричная по-лосковая; б- несимметричная полосковая; в- симметричная щелевая; г- копланарная с Т-волной;

Жесткие воздушные полосковые линии применяют при повышенных мощностях и выполняют чаще всего симметричными (рисунок 1.4. б). Для обеспечения жесткости проводники этих линий имеют значительную толщину. Крепление внутренних проводников осуществляется с помощью металлических (четвертьволновых) или диэлектрических изоляторов( рис.1.5).

Рис.1.5. Симметричная полосковая линия на воздушной основе.

Полосковые линии второго типа изготовляют методами фотолитографии из заготовок в виде диэлектрических пластин ( =2 - 7; =10^-4 – 10^-3; толщина пластин 1,0 - 4 мм, рис.1.6), покрытых с двух сторон металлической фольгой. Толщина фольги в несколько раз превышает глубину проникновения поля и составляет 15 - 100 мкм.

Рис.1.6. Симметричная полосковая линия передачи на диэлектрической подложке: а) - геометрия линии; б) – структура поля.

Основной волной в симметричной полосковой линии передачи является квази – Т волна, структура поля которой показана на рис. 1.6 б. (сплошные лини Е-поле)

В несимметричных полосковых линиях (НПЛ) один слой фольги является экраном, а второй слой используют для образования рисунка полосковой платы (рис.1.4 б). В симметричных полосковых линиях рисунок полосковой платы накрывают ответной полосковой платой, с внутренней поверхности которой фольга полностью удалена (рис.1.6). Внешние экраны симметричных полосковых линий надежно соединяют между собой.

Симметричные полосковые линии при > 7 называют микрополосковой (МПЛ) линией. Основной волной в несимметричной полосковой линии передачи является квази – Т волна, структура поля которой показана на рис.1.8.

Рис. 1.7. Геометрия несимметричной полосковой линии.

Рис.1.8. Структура поля в НПЛ (сплошные лини Е-поле, штриховые линии Н-поле).

Полосковые линии передачи на подложках с высокой диэлектрической проницаемостью ( =10 - 15; = (1 - 5) × 10^-4; толщина пластин 0,5 – 1,0 мм) отличаются уменьшенными примерно в раз размерами конструкций по сравнению с воздушными линиями, и поэтому их часто называют микрополосковыми. Основания микрополосковых линий имеют стандартные размеры, их изготовляют по высокому классуточности и полируют.

Важными достоинствами полосковых линий являются широкополосность, малые габариты и масса, возможность применения печатного монтажа и легко осуществляемая автоматизация процесса производства. Все это послужило причиной широкого использования полосковых линий при микроминиатюризации СВЧ-устройств в производстве интегральных СВЧ-схем.

Основными характеристиками полосковых линий являются волновое сопротивление z_в, коэффициент затухания , эффективная диэлектрическая проницаемость ε_эф и предельная критическая частота. Введение ε_эф вместо, ранее используемого связано с тем, что полосковые линии в большинстве случаев имеют неоднородную диэлектрическую среду.

Волновое сопротивление полосковых линий для конструкций со значительным преобладанием Т-волны можно определить по формуле

где С- погонная емкость.

Коэффициент затухания полосковой линии определяется как сумма, состоящая из: коэффициента обусловленного тепловыми потерями в проводниках и зависящего от типа линии, ее геометрических размеров, формы поперечного сечения и материала проводников; коэффициента , определяемого тепловыми потерями в диэлектрике

(где - проводимость среды)?

и коэффициента затухания , определяемого излучением. которым в дальнейшем мы пренебрежем.

Эффективная диэлектрическая проницаемость теоретически определяется лишь для линий с Т-волной. Экспериментально ε_эф находится с помощью длины волны в исследуемой линии и вычисляется по формуле для μ = 1.

Откуда длину волны в МПЛ можно вычислить по формуле

.

Микрополосковая линия наиболее проста в изготовлении печатным способом; поэтому МПЛ наиболее подробно изучена и наиболее часто используется на практике.

Характеристики линии рассчитываются, как правило, в предположении распространения квази Т-волны.

В реальных МПЛ дисперсия почти не проявляется на частотах до 3 ГГц, при этом основные характеристики линии определяются в квазистатическом приближении.

Верхний предел рабочего диапазона МПЛ определяется условием интенсивного возбуждения паразитных поверхностных волн. Частота интенсивного возбуждения таких волн, являющаяся верхней предельной частотой использования МПЛ, находится из соотношения

(1.2)

где f_кр – в ГГц, h – толщина подложки в мм.

Эффективную диэлектрическую проницаемость ε_эф можно рассчитать по формуле [2]:

, (1.3)

Волновое сопротивление вычисляется по формулам [2]:

- при

(1.4)

- при > 1

, (1.5)

где

.

Теоретический коэффициент затухания складывается из потерь в диэлектрике и металле , его можно рассчитать по формулам [2]:

, (1.6)

где потери в диэлектрике

(дБ/м) (1.7)

где f – частота, ГГц.

Потери в металле определяются по формулам [2]:

Для 0.16< ≤2

h=0.0114rSl₁. (дБ) (1.8)

При >2

(1.9)

здесь t – толщина полоска, обычно принимается t = 0.01 мм,

- приведенная ширина полоска, приводится в [2] и в формулах программы приложения 2.