Полосковые линии передачи

Лекция 9. Полосковые линии передачи

1. Определение, достоинства и недостатки полосковых ЛП

 Под полосковыми линиями будем понимать системы из двух и более проводящих полос, вдоль которых распространяется электромагнитная волна. Роль одной из этих полос может играть металлический экран.

Достоинства полосковых линий передачи по сравнению с волноводными и коаксиальными линиями [3, 4, 13] заключаются в следующем.

1. Почти все узлы СВЧ устройств могут быть выполнены в плоскостной форме. Для их производства применены те же стандартные методы и техника, которые используются при изготовлении низкочастотных печатных схем. Это позволяет с высокой точностью изготавливать сложные, состоящие из многих деталей устройства и схемы, а также делает их стоимость примерно в 10 и более раз меньше по сравнению с аналогичными устройствами на основе волноводных и коаксиальных линий [3,  4].

2. Размеры и вес устройств на основе полосковых линий значительно меньше по сравнению с устройствами на основе волноводных.

4. Рабочая полоса частот полосковых линий больше, чем у стандартных прямоугольных волноводов. Со стороны низких частот принципиальных ограничений нет, по линии может быть передан даже постоянный ток. Однако размеры резонансных элементов становятся большими, начиная с частоты порядка 100 МГц. Со стороны высоких частот существует некоторая граница, при которой появляются высшие типы волн. Эта граница лежит в области частот, для которой становится порядка поперечных размеров линии (- длина волны в вакууме).

Недостатки:

Рекомендуемые материалы

1. Пробивная мощность полосковых линий в несколько раз меньше, чем у прямоугольного волновода, а потери в несколько раз больше. Пробивная мощность их примерно одинакова с круглыми волноводами, но потери выше.

2. Изучение мощности на различного типа неоднородностях, связанное с тем, что они являются открытыми системами.

3. Трудности конструировании ряда устройств (перестраиваемые устройства, согласованная нагрузка, короткозамыкающий поршень, измерительная линия).

4. Техника измерений в полосковых линиях заметно усложняется. В связи с этим необходимые измерения часто проводят в волноводных и коаксиальных линиях, переходящих затем в полосковую линию.

2. Симметричная полосковая линия: конструкция, рабочая полоса частот, волновое сопротивление, потери, геометрические размеры.

Конструкция симметричной полосковой линии (СПЛ) показана на рис. 3.1. Центральный проводник заключен между двумя диэлектрическими пластинами с металлизированными внешними поверхностями. СПЛ обладает хорошей экранировкой, малыми потерями на излучение, однако они сложны в изготовлении и настройке, требуют соблюдения геометрической симметрии. Центральный проводник СПЛ при собранной линии недоступен для регулировки, что создает определенные неудобства при настройке схем.

Рис. 3.1.  Конструкция симметричной полосковой линии

Рабочая полоса частот СПЛ не имеет ограничения в области низких частот. В некоторых устройствах (например, в детекторных секциях, смесителях, генераторах) она служит для передачи постоянного тока. Практически, поскольку размеры полосковых резонансных элементов на очень низких частотах становятся значительными, рекомендуется применять СПЛ на частотах выше 100 МГц. При достаточно протяженных диэлектрических и заземленных металлических пластинах силовые линии электрического поля не выходят за пределы диэлектрической среды, заполняющей линию (рис. 3.2). При этом в линии распространяется поперечная электромагнитная волна типа ТЕМ. В таких условиях волны с продольными составляющими поля Е или Н не возбуждаются.

Рис. 3.2.  Структура электромагнитного поля в СПЛ

Верхний предел частотного диапазона СПЛ определяется из условия возникновения волн типа Е (Н), для которых частота отсечки равна:

f_пр = 300 / [·(2W+·b/2],     [ГГц],                    (3.1)

где         W, b - выражены в миллиметрах.

Длина волны в СПЛ определяется выражением:

 = /,                                                            (3.2)

где         - длина волны в свободном пространстве,

 - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика.

Если требуемая погрешность не должна превышать 5%, то волновое сопротивление вычисляется по формуле:

Z = 200/[(1+2·W/b)·].                                             (3.4)

Потери в СПЛ имеют две составляющих: потери в проводниках  и потери в диэлектрике . Потери на излучение в СПЛ отсутствуют.

 =  + ,                                                     (3.5)

Потери в проводниках определяются выражением:

  8.7 Rs/(Z·W),   [дБ/ед. длины],                                    (3.6)

где         Rs - удельное сопротивление скин-слоя,  [Ом/м²],

W - ширина полоскового проводника.

Потери в диэлектрике определяются выражением:

27.3··tg/,  [дБ/ед. длины],                   (3.7)

где         ·tg - тангенс угла диэлектрических потерь материала диэлектрика,

 - длина волны.

  Добротность СПЛ равна

Q_СПЛ = Q_C / [(1+Q_C)·tg],                                         (3.8)

где         Q_C  = k / 2·,

k   =  2·/.

Геометрические размеры

Ширина основания СПЛ (А) (ширина диэлектрических и заземленных металлических пластин). Для того, чтобы электрическое поле у кромки основания линии было незначительным по сравнению с однородным электрическим полем в области между основанием и центральным проводником, должно соблюдаться неравенство:

А  W + 2·b.                                                            (3.9)

Высота СПЛ  (b)  для соблюдения условий существования «чистой» волны типа ТЕМ должна быть:

b /2.                                                                   (3.10)

Ширина полоскового проводника (W) должна быть меньше /2, чтобы предотвратить возможность появления высших типов волн. Однако для повышения добротности полосковой линии необходимо, чтобы  W >/2. При этом подавление высших типов волн должно осуществляться дополнительными мерами (например, использованием штырей, замыкающих оба основания СПЛ).

3. Несимметричная полосковая и микрополосковая линии: конструкция, структура электромагнитного поля, рабочая полоса частот, волновое сопротивление, потери, геометрические размеры.

Конструкция несимметричной полосковой линии (НПЛ) показана на рис. 3.4.

Здесь проводящий слой выполнен на диэлектрической подложке с низкой диэлектрической проницаемостью e [от e = 1 (воздушное заполнение) до e =3..4]. Такая линия передачи имеет достаточно большие потери на излучение. Явление излучения иллюстрируется рис. 3.5. Некоторые линии электрического поля, начинающиеся на верхней поверхности полоскового проводника, не замыкаются на основание, а уходят в бесконечность. Наличие этих силовых линий обусловливает потери на излучение и паразитные связи с соседними проводниками или элементами. Поэтому несимметричные полосковые линии практически не применяются в интегральных схемах СВЧ.

Микрополосковая линия (МПЛ). Микрополосковой линией мы называем несимметричную полосковую линию (см. рис 3.4), у которой подложка имеет малую высоту (h £1 мм) и большую диэлектрическую проницаемость (e ³10). В отличие от несимметричной линии с низким значением e в МПЛ электромагнитное поле «стягивается» в области между проводником и заземленным основанием, в связи с чем потери на излучение и паразитные связи оказываются в значительной степени ослабленными. Как правило, МПЛ помещается в корпус.

МПЛ имеет следующие важные достоинства, которые определили ее широкое использование в гибридных и монолитных ИС СВЧ: малые габариты и массу, низкую стоимость при серийном производстве, высокую надежность, простоту конструкции. Однако, несмотря на очевидную простоту структуры, точный анализ характеристик микрополосковой линии затруднителен, так как в линии распространяется квази-ТЕМ-волна (граничные условия между подложкой и верхним диэлектриком, чаще всего воздухом, не соответствуют «чистой» ТЕМ-волне). Строгий подход требует точного анализа уравнений Максвелла. Ввиду трудности этой задачи многие исследователи используют различные методы приближения к такому анализу, варьируя при этом степень точности. Однако для многих практических случаев возможно одномодовое ТЕМ-приближение, которое и было положено в основу некоторых аналитических работ.

Рабочая полоса частот НПЛ и МПЛ как СПЛ не имеют ограничения в области низких частот.  В области высоких частот рабочая частота микрополосковой линии должна быть ниже частоты паразитных колебаний, происхождение которых может быть двояким. Одним из видов паразитных колебаний являются поверхностные волны, «стелящиеся» по поверхности диэлектрической подложки вдоль заземленной плоскости, сильно взаимодействующие с ТЕМ-волной на частоте, определяющей верхний частотный предел применения микрополосковой линии

, [ГГц],                   (3.11)

где h - высота диэлектрической подложки в миллиметрах.

Из данной формулы следует, что поверхностная волна возбуждается при толщине подложки, равной:

.                                                 (3.12)

Другой тип паразитных колебаний представляют поперечные резонансные колебания, которые могут возникнуть между полосковым проводником и заземленным основанием. Для этого типа колебаний воздушная среда над подложкой не влияет на конфигурацию поля.

При  частота отсечки для поперечного резонанса равна

,  [ГГц].                                            (3.13)

Поскольку поперечная резонансная частота несколько больше граничной частоты возбуждения поверхностной волны и в связи с тем, что поперечную волну легко подавить, то практически верхний частотный предел, ограничивающий применение микрополосковых линий, определяется возбуждением поверхностной волны. Длина волны в микрополосковой линии определяется следующим образом:

29

,                     (3.14)

где   - коэффициент удлинения волны;

       - эффективная диэлектрическая проницаемость.

Эффективная диэлектрическая проницаемость определяется как квадрат отношения скорости света в свободном пространстве к фазовой скорости волны в линии.

С погрешностью не более 5% e_эфф можно определить по формуле:

e_эфф = (e+1)/2 + [(e-1)/2]·(1+12·h/W)^-0.5.                     (3.15)

При несимметричной структуре трудно реализовать полосковую линию с большим волновым сопротивлением, так как с увеличением сопротивления ширина полосок становится настолько малой, что резко возрастают потери в проводнике, а требования к допускам при их изготовлении становятся невыполнимыми.

Волновое сопротивление НПЛ можно увеличить, снизив e; однако при этом возрастают потери на излучение. Для уменьшения таких потерь можно применять специальный экран, у которого верхняя крышка расположена на расстоянии H, значительно превышающем толщину подложки h. Такую линию будем называть экранированной несимметричной полосковой линией.

При (H-h)/h>10 влиянием экрана на волновое сопротивление несимметричной линии можно пренебречь.

Волновое сопротивление МПЛ определяется с погрешностью не более 5% по следующей формуле:      Z = 300/[(1+2·W/h)·].

Потери в НПЛ имеют три составляющие: потери в проводниках , потери в диэлектрике  и потери на излучение  :

.                         (3.19)

На начальном этапе разработки несимметричных полосковых линий основной трудностью являлись чрезмерные потери на излучение. В настоящее время этот недостаток устранен в МПЛ передачи за счет применения подложек с высоким значением e. Это позволяет сконцентрировать поле в материале подложки до такой степени, что потери на излучение, хотя и остаются, но становятся весьма незначительными по сравнению с потерями в подложке и омическими потерями в проводнике.

Потери на излучение определяются выражением:

               = P_i/P_o = (320/Z)/(ph/l²)² ,  [дБ/ед.длины],           (3.21)

где  P_o- мощность сигнала, пропускаемого через линию, P_i - излучаемая мощность, Z  - волновое сопротивление линии, l  - длина волны, h  - толщина подложки.

Потери в проводниках и диэлектрике определяются выражениями (3.6) и (3.7).

Геометрические размеры

Ширина основания (А). Анализ поля в поперечном сечении несимметричной линии показал, что при   большая часть энергии поля сосредоточена в области, равной примерно утроенной ширине полоски и, следовательно, если выполняется условие , ширину основания можно считать удовлетворяющей расчетным требованиям.

Толщина полоски (t). Для обеспечения малых потерь в проводнике необходимо, чтобы его толщина была по крайней мере в 3 раза больше толщины скин-слоя.

Ширина полоски (W). Чтобы уменьшить габариты, а также подавить возникающие в ней высшие типы волн следует уменьшить ширину проводящей полоски. Однако необходимо помнить, что уменьшение ширины полоски приводит к увеличению потерь в линии.

В микрополосковых линиях передачи иногда требуется скорректировать физическую ширину полоски, поскольку конечная толщина полоски t приводит к увеличению емкости краевых полей. При этом ширина полоски равна:

                                                       (3.22)

где

   при  ,

    при   .

При расчете волнового сопротивления линии поправку DW  можно не учитывать, за исключением случая, когда . Однако при вычислении потерь пренебрегать поправкой не следует.

Толщина подложки (h). Наиболее противоречивыми являются факторы, которыми должен руководствоваться конструктор при выборе толщины подложки микрополосковой линии.

Уменьшение толщины подложки приводит к перечисленным ниже изменениям параметров микрополосковой линии:

- уменьшаются  потери на излучение;

- снижается вероятность возбуждения поверхностных волн. Для того чтобы микросхема не работала вблизи граничной частоты поверхностной волны, подложки, имеющие высокое значение e, должны быть сравнительно тонкими;

- увеличивается плотность монтажа; уменьшение толщины подложки при сохранении постоянного волнового сопротивления должно сопровождаться сужением проводника; кроме того, для ослабления нежелательных связей между полосковыми проводниками их следует разносить на расстояние, равное удвоенной толщине подложки; эти два фактора приводят к уменьшению размеров микросхем при уменьшении толщины подложки.

Однако при уменьшении h (если z = const) необходимо, как отмечалось, уменьшить W , а это, в свою очередь, приводит к увеличению потерь в проводниках и снижению добротности. Кроме того, при малых h и W  требуемые технологические допуски для обеспечения удовлетворительных электрических характеристик могут оказаться трудно реализуемыми.

Таким образом, при определении толщины подложки необходимо идти на компромисс, исходя из изложенных выше факторов. В настоящее время существует ряд стандартных величин толщины подложек микрополосковых линий:  h=0.25; 0.5; 1.0 мм.

Вам также может быть полезна лекция "40. Метод ядерного магнитного резонанса".

4. Конструкция щелевой ЛП

Щелевая линия представляет собой узкую щель или зазор в тонком проводящем слое, выполненном на одной стороне диэлектрической подложки (рис. 3.7). Поскольку в этом типе линии относительная диэлектрическая проницаемость материала подложки выбирается достаточно большой (e ³ 10), поле концентрируется в основном около щели и потери на излучение достаточно малы.

Щелевая линия конструктивно удобна для включения в нее как полупроводниковых устройств (диодов, транзисторов), так и других навесных элементов (конденсаторов и т.п.), которые включаются поперек щели.

Основным типом волны в щелевой линии является волна типа H₁₀, имеющая продольную и поперечную составляющие магнитного поля.

5. Конструкций копланарной ЛП

Конструкция копланарной линии показана на рис. 3.11. Геометрически и электрически эта линия дуальна щелевой линии. Она состоит из центрального проводника и двух параллельных ему заземленных проводников, расположенных в той же плоскости по обе стороны от центрального проводника. Основным типом волны в копланарной линии является квази-ТЕМ волна. Волнами высших типов в первом приближении пренебрегают.