Автореферат (1137141), страница 4
Текст из файла (страница 4)
17 Ко миозитная поверхность метам атер нала фильтра возбуждается с помощью емкостного зазора, образованного двумя параллельными микрополосковыми линиями 3, расположенными по краям диэлектрической платы 1. Конструктивные размеры каждого из колебательных контуров 2, образующих метаматериал, много меньше рабочей длины волны возбуждения. Распределенные колебательные контуры метаматериала могут быть представлены эквивалентной схемой 5, содержащей индуктивности, образованные полыми цилиндрическими металлическими ножками, соединенными с экраном, и емкости, сформированные между соседними контурами.
Такая эквивалентная схема представляет собой схему линии передачи с отрицательной дисперсией, обладающую отрицательной фазовой скоростью и положительной групповой скоростью. Каждый из идентичных колебательных контуров, образующих метаматериал, обладает собственной добротностью Д > 100 и при изменении геометрических размеров может иметь резонансную частоту от 0,1 до 100 ГГц. Рисунок 11. Конструкиия и топология разеязыеакпиего фильтра на металатериале На рисунке 12 показаны зависимости комплексного коэффициента передачи 82, от частоты, полученные для развязывающего фильтра с импедансной металлической поверхностью (кривая 1) и фильтра с метаматериалом, выполненного по рисунку 11 (кривая 2). Сравнение данных характеристик показывает более чем двукратный рост затухания колебаний у метаматериала 121,2 — 115,1 дБ против 55,4 — 34,8 дБ, обеспечиваемых импедансной металлической поверхностью в диапазоне 4020 4150 МГц.
18 Рисунок 12. Зависимости параметра 52~ в дБ от частоты в МГи для развязывающего фильтра на метаматериале Резонансная природа метаматериала не позволяет обеспечивать развязку в широкой полосе частот. Так рассмотренная выше конструкция фильтра обеспечивает полосу пропускания 130 МГц. Расширение полосы достигается применением многослойных плат с расположением в промежуточных слоях между каждым колебательным контуром и экраном импедансных проводников в виде разрезанных по диагоналям квадратных площадок или кольцевых разомкнутых резонаторов (КРР), представляющих собой вложенные друг в друга и разомкнутые с противоположных сторон изолированные кольца.
Такие промежуточные слои также представляют собой высокоимпедансные поверхности, которые в сочетании с композитной поверхностью из колебательных контуров позволяют создавать развязывающие фильтры на объемных метаматериалах, обеспечивающие расширение полосы пропускания и возможность ее перестройки. Использование таких многослойных конструкций приводит к небольшому снижению добротности электродинамической структуры фильтра, увеличивая эквивалентные параметры индуктивности и емкости каждого колебательного контура метаматериала, что и позволяет расширить полосу пропускания.
На рисунке 13 показаны результаты численного эксперимента, полученного для развязывающего фильтра с КРР (кривая 3), в сравнении с топологией фильтра по рисунку 11 (кривая 4). 19 Рисунок 13. Конструкция и топология развязывающего фильтра на метаматериале с расширенной полосой пропускания Сравнение полученных результатов демонстрирует полосу пропускания 3960— 4230МГц для фильтра на метаматериале с КРР, при затухании 84,3 — 94,7МГц. Таким образом, достигается более чем двукратное расширение полосы пропусканиядо 270 МГц, при среднем снижении затухания на 28,б дБ. Экспериментальное исследование макета развязывающего фильтра, изготовленного на подложке из стеклотекстолита ГК-4 с габаритными размерами 100х50 мм, выполнено с помощью векторного анализатора ХУВ-4 компании КойЬейБсМагх.
Данные расчета и эксперимента находятся в пределах допустимой погрешности. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ Основным итогом диссертационной работы является решение актуальной задачи, заключающейся в разработке новых микрополосковых СВЧ устройств на основе исследования физических особенностей и технологий изготовления печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками.
Особенностью работы является ее прикладная направленность, позволяющая использовать полученные теоретические и экспериментальные результаты для решения конкретных научнопрактических задач. Основные результаты работы заключаются в следующем: 1. Проведен анализ современного состояния и тенденций развития современных печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками и микрополосковых СВЧ устройств на их основе, включающий их физические и конструктивно-технологические особенности, а также аналитические и численные методы, которые могут быть использованы для их расчета, проектирования и 20 компьютерного моделирования. На основе анализа установлено, что благодаря выбору электрофизических свойств диэлектрических слоев плат, резонансным явлениям в них и эффекту замедления электромагнитных волн появляется возможность создания комбинированных и гибридных микрополосковых устройств СВЧ с габаритными размерами значительно меньшими рабочих длин волн, обладающих улучшенными электрическими характеристиками и низкой стоимостью.
2. Проанализированы основные физические ограничения и потери в металлических проводниках и диэлектрических материалах многослойных подложек печатных плат и СВЧ устройствах на их основе. Показано, что при выборе материала проводников необходимо оценивать потери на излучение, тепло и скин-эффект, а при выборе диэлектриков учитывать величину тангенса угла диэлектрических потерь материала основания платы, который должен быть минимальным (не более 0,001). 3.
Разработана модель печатной платы с многослойной диэлектрической подложкой, представленной в виде волноведущей системы, моды которой различаются поперечной структурой полей, обладающих своими фазовыми и групповыми скоростями. Рассмотрены особенности возникновения в такой структуре паразитных колебаний и волн, показана необходимость учета и дана оценка влияния многомодовой дисперсии, а также возможности неискаженной передачи цифровых сигналов. 4. Проведен анализ паразитного излучения двух моделей печатной платы с многослойной подложкой — первой в виде открытого конца плоскопараллельного волновода, имитирующего кромку микрополосковой бесконечной структуры, и второй — содержащей кромку структуры и ограниченный участок диэлектрической подложки. На основе результатов аналитического моделирования сделан вывод о необходимости частотного ограничения, которое накладывается на выбор толщин многослойных подложек для СВЧ устройств - суммарная толщина многослойной подложки печатной платы не должна превышать четверти рабочей длины волны.
5. Выполнен краткий обзор современных программных средств для моделирования электродинамических структур. Показано, что использование программы А%К Реяйп Епч~гопшеп1 (М)стожар 01йсе), реализующей метод моментов, позволяет исследовать распределение напряженностей составляющих полей (в виде матриц рассеяния) для различных режимов возбуждения проектируемых микрополосковых СВЧ устройств на основе печатных плат с 21 многослойными подложками и уточнять полученные ранее приближенно- аналитические соотношения для их моделей.
6. Предложены, теоретически обоснованы, численно и экспериментально исследованы микрополосковые устройства СВЧ на основе печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками. В результате компьютерного моделирования и экспериментальных исследований подтверждена возможность реализации с помощью разработанных микрополосковых структур требуемых значений Б — параметров и заданных диаграмм направленности, обеспечивающих возможность их миниатюризации и многофункционального использования.
Теоретические и экспериментальные результаты работы нашли практическое применение при проектировании: модифицированной печатной платы с подвешенной подложкой и согласующим многослойным диэлектрическим экраном, обеспечивающей возможность достижения более равномерного изменения волнового сопротивления в поперечном сечении при незначительном росте потерь и критичности изменения относительной диэлектрической проницаемости подложки по сравнению с однослойной платой - прототипом; микрополоскового фильтра низких частот на штыревой гребенке с многослойной подложкой, обеспечивающего увеличение частоты среза не менее чем в 1,5 раза по сравнению с прототипом той же топологии, выполненным на однослойной плате, без увеличения коэффициента отражения; микрополосковой спиральной антенны, выполненной на многослойной подложке, обеспечивающей линейную поляризацию в полосе частот до полутора октав, при КСВН не хуже 2,0, габаритных размерах антенны, значительно меньших рабочей длины волны и требуемой диаграмме направленности; - развязывающего фильтра на однослойном метаматериале, позволяющего достичь более чем двукратного роста затухания колебаний (121,2 — 115,1дБ) по сравнению с затуханием, обеспечиваемым импедансной металлической поверхностью (55,4 — 34,8 дБ), при ширине полосы пропускания 130 МГц; — развязывающего фильтра на многослойном метаматериале с кольцевыми разомкнутыми резонаторами, обеспечивающего более чем двукратное расширение полосы пропускания (до 270МГц), по сравнению с фильтром на однослойной структуре, при среднем снижении затухания на 28,6 дБ.
22 ПУБЛИКАЦИИ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ Работы, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ: 1. Закирова Э.А. Анализ паразитных колебаний и волн в микрополосковых линиях с учетом многомодовой дисперсии // Технологии ЭМС, № 3(42), 2012. — С.69-72.
(0,18 авт. л.) (в соавторстве с Елизаровым А.А., личный вклад 0,09 авт. л.). 2. Закирова Э.А. Исследование излучения радиочастотных элементов на микрополосковых спиральных замедляющих системах // Т-Сошш. Телекоммуникации и транспорт, № 10, 2012. — С.51-53. (0,14 авт. л.) (в соавторстве с Елизаровым А.А., личный вклад 0,07 авт. л.). 3. Закирова Э.А. Моделирование излучения кромок многослойных печатных плат СВЧ диапазона // Т-Сопли. Телекоммуникации и транспорт, № 9, 2013. — С.76-79.
(0,18 авт. л.) (в соавторстве с Елизаровым А.А., личный вклад 0,09 авт. л.). 4. Закирова Э.А. Анализ паразитного излучения кромок многослойных печатных плат СВЧ диапазона // Технологии ЭМС, № 3(45), 2013.— С.16-23. (0,36 авт. л.) (в соавторстве с Елизаровым А.А., личный вклад 0,18 авт. л.). Другие работы, опубликованные автором по теме диссертации: 5. Закирова Э.А. Исследование многослойной печатной платы с подвешенной подложкой для микрополосковых СВЧ устройств // Труды 1.ХУ11 Научной сессии, посвященной Дню радио. - Москва, 2012. — С.366-369.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
