Диссертация (Исследование печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками и разработка микрополосковых СВЧ устройств на их основе), страница 10

По мере увеличениячастоты,  эфф растет и на очень высоких частотах приближается котносительной диэлектрической проницаемости подложки r, чтоявляется следствием концентрации энергии электрического поля надмикрополосковой дорожкой.Рисунок 2.7 - Зависимости эффективной диэлектрической проницаемостиот нормированной частоты73Более сложной является оценка дисперсии в связанныхмикрополосковыхлиниях,междукоторымисуществуетэлектромагнитное взаимодействие.

Такие линии находят применениев гибридных и объемных интегральных схемах СВЧ, при разработкемикрополосковых фильтров, направленных ответвителей и т.д.(рисунок 2.8) [12-15, 68]. В этом случае, на основании характеристиксвязанных линий рассчитывают емкостную связь между соседнимипроводниками, которая в одних случаях может являться паразитной, ав других – успешно применяться, например, для создания встречноштыревых конденсаторов.Две связанные линии передачи можно охарактеризоватьволновыми сопротивлениями Zв.сф., Zв.пф. и фазовыми скоростями Vф.сф.,Vф.пф. для синфазного и противофазного типов возбуждений.Величины Zв.сф., Vф.сф. определяются при условии, что оба полосканаходятсяпододнимитемжепотенциаломотносительнозаземляющей плоскости, а величины Zв.пф.,Vф.пф.

– когда проводникивозбуждаютсясравнымипоабсолютнойвеличине,нопротивоположными по знаку напряжениями. В зависимости от видавозбуждения постоянные распространения волн и соответствующиеим потери будут различными. Так при противофазном возбуждениинапряженность электрического поля вблизи зазора, разделяющегополоски, сильно возрастает, что в несколько раз увеличивает ростпотерь по сравнению с синфазным возбуждением.Рисунок 2.8 - Конструкции связанных микрополосковых линий74Рисунок 2.9 - Искажение формы цифрового сигнала из-за эффектадисперсииЧастотную зависимость указанных параметров, обусловленнуюналичиемпродольнойсоставляющейэлектрического и магнитноговекторовполей, можнонапряженностивычислить, знаяизменение эффективной диэлектрической проницаемости для обоихтипов возбуждения [68, 69]: сф _ f   r  пф _ f   r  r   эф _ сф1  Gсф ( fGсф=0,6+0,009Zв.сф/2;f р _ сф) r   эф _ пф1  Gпфгде;22f(f р _ пф,)Gпф=0,6+0,009Zв.пф/2;fр_сф.=Zв.сф./(40Н);fр_пф=Zв.пф/(0Н).Рассмотримдалеевозможностьпередачиспомощьюмикрополосковой линии цифровых сигналов [70].

На рисунке 2.975показанарассчитаннаяспомощьюпереходнаяMathCADхарактеристика широкой (0,95 мм) и высоко поднятой (0,5 мм)печатнойдорожкидлиной15 см.Диэлектрическаяподложкавыполнена из алюмоксидной керамики с r=9,8 и тангенсом угладиэлектрических потерь 0,01. Время нарастания сигнала 35 пс.Из анализа рисунка 2.9 следует, что влияние многомодовойдисперсии проявляется в виде искажения формы переходнойхарактеристики по уровню основного сигнала.

Степень проявлениядисперсии растет пропорционально квадрату высотыподъемадорожки. Так увеличивая высоту подъема дорожки до 1,5 мм,получаем значительно большие искажения формы цифрового сигналапри тех же параметрах микрополосковой линии.Отметим также, что попытка улучшения согласования неоказываетзначительногоискажений,посколькувлиянияонинаколебательныйхарактервызваныособенностямифазовойхарактеристики микрополосковой линии в многомодовом режиме.Таким образом, проведен анализ физических особенностейвозникновенияпаразитныхтиповколебанийиволнвмикрополосковой линии на керамической подложке и показано, чтоминимальная дисперсия, допустимая дляцифровогосигнала,достигаетсянеискаженной передачипривысотеподъемамикрополосковой дорожки, не превышающей 0,5 мм.762.5 Выводы по главе 21.

Проведен анализ физических ограничений и потерь вметаллическихпроводникахидиэлектрическихматериалахмногослойных подложек печатных плат и СВЧ устройств на ихоснове. Показано, что при выборе материала проводников необходимооценивать потери на излучение, тепло и скин-эффект, а при выборедиэлектриков учитывать величину тангенса угла диэлектрическихпотерьматериалаоснованияплаты,которыйдолженбытьминимальным (не более 0,001).2.

Проанализирована модель печатной платы с многослойнойдиэлектрической подложкой, представляемой в виде волноведущейсистемы, моды которой различаются поперечной структурой полей,обладающих своими фазовыми и групповыми скоростями. В рамкахтакой модели рассмотрены колебательные искажения, возникающиепри распространении квазимонохроматического сигнала. Показананеобходимость учета частотной дисперсии, которая на частотах СВЧдиапазонаначинаетдиэлектрическойматериала,проявлятьсяпроницаемостиоказываявлияниенарядус(пространственнойнацелостностьдисперсиейдисперсией)передачиинформативного сигнала.3. Проведен анализ физических особенностей возникновенияпаразитных типов колебаний и волн в одиночных и связанныхмикрополосковых линиях на керамических подложках для случаев ихсинфазного и противофазного возбуждения.

Показано, что влияниемногомодовой дисперсии проявляется в виде искажения формыпереходной характеристики по уровню основного сигнала, не зависит77отсогласованиямикрополосковойлинии,аопределяетсяособенностями ее фазовой характеристики.4. Проанализированамикрополосковойпрограммныхлиниисредствхарактеристикивозможность передачицифровыхMathCADмоделисигналов.выполненширокойс помощьюСрасчет(0,95 мм)помощьюпереходнойивысокоподнятой (0,5 мм) печатной дорожки длиной 15 см. Диэлектрическаяподложка выполнена из алюмоксидной керамики с r=9,8 и тангенсомугла диэлектрических потерь 0,01. Время нарастания сигнала 35 пс. Врезультате расчета показано, что степень проявления колебательныхискажений за счет проявления дисперсии растет пропорциональноквадрату высоты подъема дорожки, а минимальная дисперсия,допустимаядлянеискаженнойпередачицифровогосигнала,достигается при высоте подъема микрополосковой дорожки, непревышающей 0,5 мм.78ГЛАВА 3Исследование особенностей паразитного излучения измногослойных диэлектрических подложек печатных плати СВЧ устройств на их основе3.1 Анализ паразитного излучения кромок многослойныхдиэлектрических подложек печатных плат СВЧдиапазонаСовременный этап развития микрополосковой техники связан снеобходимостью оценки и учета величины суммарных потерь,возникающих при заданной топологии структуры и конструкции СВЧустройства [26, 62, 70, 71].

При этом важно учесть не толькодиэлектрическиепотериипотери,вызванныеповерхностнымэффектом, но и потери на излучение. Особую роль в этом случаеиграют потери на паразитное излучение кромок многослойныхдиэлектрических подложек печатных плат [71, 72]. Использованиетаких печатных плат позволяет обеспечить заданное распределениеэлектромагнитного поля и, как следствие, улучшить выходныепараметрыпроектируемогометаллическихиСВЧдиэлектрическихустройства.элементовплатСочетаниеусложняетфизические процессы в таких структурах, приводит к явлениямдифракции, взаимной трансформации типов волн, их излучению ипереизлучению.Оценка паразитного излучения выполнена ниже на основеаналитического моделирования с помощью программных средствMathCAD и использованием соотношений для моделей однослойнойпечатной платы, полученных в работе [73].79В качестве первой модели рассмотрим излучение открытогоконцаоднослойногоплоскопараллельноговолновода,которыйимитирует обрыв микрополосковой структуры.

Основной интерес вэтом случае представляют колебания типа Е01 при условии, что d/λ«1.Для упрощения математических выкладок рассмотрим двумернуюзадачу, при условии, что. Используя аппарат тензорныхфункций Грина, получим выражения для источников - поверхностныхплотностей электрического JЭ и магнитного JМ токов, связанных сэлектромагнитными полями Е и Н в виде:Е(r) =  Г 11 (r , r ')J Э (r ')dS   Г 12 (r , r ')J M (r ')dS ,SSH(r) =  Г 21 (r , r ')J Э (r )dS   Г 22 (r , r ')J M (r )dS ,SSгде r – точка наблюдения, r’ -точка источника.С учетом условия d«λ, действие открытого конца волноводаможнозаменитьизлучениеммагнитногоJM тока1ay ,dгдеa y - единичный вектор. Выражения для компонент электромагнитногополя, возбуждаемого током JM, получены в работе [73].Поле поверхностной волны в слое диэлектрикаH yS   1 tgr1  kA12 r1 ExS  EzS  jd  x  0 :cos[r1 ( x d  1)]  j1zecos r11 ' (r1 kd )21 1 tgr1 cos[r1 ( x d  1)]  j ze  ' kA12 r1cos r11sin[r1 ( x d  1)]  j z 1 tgr11e2  ' kA1 kd 1 ' (r1 kd )2cos r11Поле поверхностной волны за пределами слояH yS  0 x : 1 tgr11et x / d e j z2 kA1 r1 1 ' (r1 kd )21180ExS  EzS  jгде 1 tgr1 t x / d  j ze e kA12 r111 1 tgr1 t1 t x / d  j ze e kA12 r1 kd11, k  2  , 1  1 '  . 1  k 1 ' (r1 kd )2В приведенных выражениях для компонент поля r1 и t1 - первыекорнигдесистемы1 ' -rtgr11  1 ' t1 ,уравнений:относительнаядиэлектрическаяr12  t12  k 2 (1 ' 1)d 2 ,проницаемостьслоядиэлектрика; А1 – норма собственной функцииA12 d 1  (t1 r1 ) 2 1  (t1 ' r1 ) 2 .2t11 'Пространственная часть поля во второй области определяетсясоставляющими:1H 4ry j z*  tg1d  j x j x  eeГ1Г()d2 ( )e  1   2 0 1d *1 tg1d j xe  Г 2 ( )e j x  1  Г ( )  e j z dE 4 0 1drxEzr где*1 tg1d j xe  Г 2 ( )e j x  1  Г ( ) e j z d24 0 1d1 1  k12  k 2   2,  k2   2,   k ,k1  k 1 ' , Г 2 ( ) jtg1d  1 ' .jtg1d  1 ' Для тонкого диэлектрического слоя можно найти приближенноерешениеt1 приведеннойвышесистемыуравненийr1  kd 1 ' 1 ,1 ' 1(kd )2 , и, пользуясь этим решением, определить постоянную1 'распространения и норму:2(1 ' 1)11   ' 1 kd .  1  1  1kd  ,2kA'k2  1 '1112Анализ разделения поля на пространственные и поверхностныеволны при использовании разложения тензоров Грина по системе81собственных волн LE, LM показывает, что в неограниченнойдиэлектрической подложке поверхностная волна переносит частьмощности первичного источника.