Автореферат (Исследование печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками и разработка микрополосковых СВЧ устройств на их основе), страница 3

Относительные диэлектрические проницаемости слоев подложки и диэлектрического экрана линейно уменьшаются с ростом номера слоя. Использование такой конструкции платы позволяет обеспечить согласование ее диэлектрических слоев между собой с линейным возрастанием их волнового сопротивления от плоскости экрана к плоскости импедансных проводников, что позволяет избежать возникновения отраженной волны в поперечном сечении.

Кроме того, в такой плате обеспечивается также согласование импедансных проводников с внешним воздушным пространством за счет использования многослойного диэлектрического экрана с линейно увеличивающимся волновым сопротивлением. 11 Рисунок 2. Модифицированная печатная плата с подвешенной подложкой Рисунок 3. Модифицированная печатная плата с подвешенной подложкой и согласуюи~им диэлектрическим экраном Рисунок 4. Дисперсионные характеристики микрополосковыхлиний Из анализа дисперсионных кривых следует, что с ростом параметра Ы, пропорционального частоте, дисперсия во всех трех рассматриваемых случаях возрастает, причем относительное замедление ~3% стремится к квадратному корню из эффективного значения относительной диэлектрической проницаемости первого слоя.

Однако следует отметить, что на более низких частотах замедление линии с Для анализа дисперсионных свойств модифицированной печатной платы с подвешенной подложкой рассмотрим модель несимметричной микрополосковой линии, выполненную на ее основе, и сравним ее характеристики с характеристиками моделей микрополосковых линий на платах — прототипах. На рисунке 4 показаны полученные с помощью МашСАВ дисперсионные характеристики для квази-Т волны в несимметричной микрополосковой линии с ь~— - 9,8; линии с подвешенной подложкой в~— - 9,8; г2 — — 1,0 и линии на основе модифицированной печатной платы с трехслойной подложкой яу -— 9,8; ь~ -— 5,6; ьэ — — 2,4.

многослойной подложкой ниже замедления линии с подвешенной подложкой и воздушным зазором, и линии с однослойным однородным основанием. Такой эффект роста фазовой скорости волны в линии с многослойной подложкой в сочетании с эффектом согласования диэлектрических слоев представляет интерес при создании новых микрополосковых СВЧ устройств, обеспечивая возможность расширения диапазона частот за счет увеличения границы высокочастотной отсечки. На рисунках 5 и 6 показаны рассчитанные с помощью МайСАП зависимости добротности и ширины полосы пропускания при КСВН = 2 от относительной толщины подложки для четвертьволновых резонаторов, выполненных на основе линии, рассмотренных выше.

зоо гоо 1ОО 0,06 0,12 0,16 сУХ Рисунок 5. Зависимости добротности микрополосковых линий от относительной толщины подложек Л~М ЗО 20 10 0,06 0,12 Рисунок б. Зависимости ширины полосы пропусканил микрополосковьп линий от относительной толщины подложек Из графиков, показанных на рисунке 5, видно, что с ростом толщины диэлектрической подложки добротности всех представленных микрополосковых линий снижаются.

Однако если при малых толщинах подложек разница в добротности весьма существенна, то при приближении к толщине, близкой к четверти длины волны, эта разница не столь велика. Из анализа зависимостей, представленных на рисунке 6, следует, что резонатор на основе модифицированной печатной платы с трехслойной подложкой имеет значительный выигрыш в ширине рабочей полосы частот — почти в 2,5 раза по сравнению с резонатором на основе линии с подвешенной 13 подложкой, и в 9 раз по сравнению с резонатором на несимметричной микрополосковой линии. Использование многослойной диэлектрической подложки с согласованными волновыми сопротивлениями слоев позволило предложить новую конструкцию микрополоскового гребенчатого фильтра низких частот с увеличенной частотой отсечки по сравнению с фильтром той же топологии на однослойной подложке.

На рисунке 7 показана 31з-модель микрополоскового фильтра низких частот, выполненная на трехслойной подложке, где цифрой 1 обозначена импедансная штыревая гребенка, цифрой 2 — изотропный металлический экран, цифрами 3, 4, 5— слои четвертьволновой подложки с линейно возрастающим от плоскости экрана к плоскости импедансной штыревой гребенки волновым сопротивлением. На этом же рисунке даны характеристики комплексного коэффициента передачи 821 фильтра от частоты, рассчитанные с помощью программы А%К Рез18п Епч1гопшеп1 (М1сгоъаче Ой1се) для случая однослойной подложки (кривые 1 - численный расчет и 2- схемотехнический расчет), для случая трехслойной подложки (в~— - 9,8; вг— - 5,6; вз — — 2,4) 1'кРиваЯ 3) и пЯтислойной подложки (ес -— 9,8; ь~=7,2; ьз=5,6; ь4=3,8; ь3=2,4) 1'кривая 4).

Рисунок 7. Модель микрополоскового гребенчатого фильтра низких частот и расчетные зависимости параметра Бз~ в дБ от частоты в1ти Экспериментальные исследования макетов фильтров, изготовленных на многослойных подложках размерами 584х182 мм из материала ФЛАН с указанными выше значениями диэлектрической проницаемости, выполнены на базе скалярного анализатора цепей Р2М-18А НПФ «Микран». Из анализа теоретических и 14 экспериментальных кривых следует, что с увеличением числа слоев подложки частота среза фильтра увеличивается с 8 ГГц для однослойной подложки до 12 ГГц для трехслойной подложки и 13 ГГц — для пятислойной подложки.

При этом рост частоты среза достигается без увеличения коэффициента Яп, значения которого не превышают 0,5 дБ. В целом разница результатов расчета и эксперимента находится в пределах допустимой погрешности и не превышает 3 %. При использовании модифицированной печатной платы для создания микрополосковых антенн и излучателей их импедансные проводники, имеющие в большинстве случаев применения волновое сопротивление десятки Ом, необходимо согласовать с внешним воздушным пространством, имеющим сопротивление 120л=37б,7 (Ом). Для этого в конструкцию платы введен многослойный диэлектрический экран с линейно увеличивающимся от плоскости импедансных проводников волновым сопротивлением (рисунок 3).

Выравнивание скачка волнового сопротивления обеспечивает повышение коэффициента излучения и расширение диаграммы направленности антенн и излучателей 17", 8 ], а кроме того, позволяет осуществить преобразование круговой или эллиптической поляризации в линейную, при габаритных размерах антенны, значительно меньших рабочей длины волны. ЗР-модель такой микрополосковой спиральной антенны, выполненной на трехслойной подложке, показана на рисунке 8, где цифрой 1 обозначена импедансная двухзаходная спираль с логарифмической намоткой, цифрой 2 — изотропный металлический экран, цифрами 3, 4, 5 — слои четвертьволновой подложки с линейно возрастающим от плоскости экрана к плоскости импедансной спирали волновым сопротивлением. -.+90 Рисунок 8.

Модель микрополосковой спиральной антенны с линейной поляризаиией и составляющие ее поля в дальней зоне 15 поляризацией при слабо выраженной обладает правосторонней круговой левосторонней поляризации. Рисунок 9. Диаграммы направленности микрополосковой спиральной антенны на однослойной подложке (слева) и трехслойной подложке (справа) Увеличение числа слоев подложки с линейно возрастающим от плоскости экрана к плоскости импедансной спирали волновым сопротивлением в случае трехслойной платы с ь4 -— 9,8; и†- 5,6; язв - 2,4 (рисунок 9, справа) приводит к «выравниванию» левосторонней круговой поляризации, которая при дальнейшем увеличении числа слоев обеспечивает линейную поляризацию.

На рисунке 10 показаны диаграммы направленности спиральной антенны с линейной поляризацией на десятислойной подложке (е4 — — 16,0; и†- 9,8; ез —— 7,2; в4-— 5,6; и†- 4,2; ьв — — 3,8; ь7 — — 3,2; ев — — 2,8; ьд -— 2,4; а4о=2,33) в плоскостях Х1'и ЛХ 16 Результаты моделирования диаграмм направленности микрополосковой спиральной антенны в плоскости Ж; полученные с помощью программы АЖК Рез18п Епч.гошпеп1 (М~сгоччаче Ошсе), рисунки 9-10, наглядно демонстрируют градации изменения левосторонней круговой поляризации при практически не меняющейся право сторонней поляризации, задаваемой рисунком топологии спиралей.

Так на рисунке 9 слева даны диаграммы направленности прототипа— двухзаходной спиральной антенны с логарифмической намоткой на однослойной подложке с относительной диэлектрической проницаемостью в=9,8. Такая антенна Рисунок 10. Диаграммы направленности микрополосковой спиральной антенны на десятислойной подложке в плоскостях ХУ(слева) и ЛУ (справа) Экспериментальное исследование диаграмм направленности и КСВН макета микрополосковой спиральной антенны проводилось при помощи измерительной установки на основе скалярного анализатора цепей Р2М-18А.

Макет антенны выполнен на трехслойной плате из ФЛАНа с ь~ -— 9,8; ь~— - 5,6; ьз — — 2,4 и габаритными размерами 40х40мм. Резонансная частота антенны 915 МГц, КСВН не хуже 1,5. Данные расчета и эксперимента находятся в пределах допустимой погрешности, не превышающей 2 %. В последние годы рядом отечественных и зарубежных фирм проявлен интерес к исследованиям и разработкам СВЧ устройств на метаматериалах — искусственных периодических структурах с модифицированными значениями диэлектрической и магнитной проницаемости, позволяющих обеспечивать управление законами распространения и дисперсии электромагнитных волн [9 -10 ]. Применение композитной высокоимпедансной поверхности метаматериала позволяет использовать ее для создания новых малогабаритных развязывающих фильтров СВЧ диапазона.

Предлагаемая конструкция развязывающего фильтра содержит экранированную с одной стороны однослойную или многослойную диэлектрическую плату с периодически расположенными рядами сквозных отверстий, в каждом из которых закреплены идентичные металлические элементы в виде распределенных колебательных контуров, связанных емкостными зазорами и имеющих геометрические размеры много меньшие рабочей длины волны (рисунок 11).