Никольский В.В., Никольская Т.И. Электродинамика и распространение радиоволн (3-е изд., 1989) (1152088), страница 51
Текст из файла (страница 51)
7.30 Нжпедансяая трактовка поверхностных волн. Еще в п. 5.3.3 при анализе полного отражения от границы диэлектриков было выяснено, что для направляемых волн — поверхностных вне слоя — граница раздела сред выступает как ил«педансная поверхность. Цилиндрическая граница диэлектрического стержня илн провода (без идеализации проводника) линии Руба также может быть охарактеризована поверхностным пмпедапсом. Так в случае диэлектрического волновода, применяя определение (5.95) при т, = — г„пз (7 107) и (7.117) нетрудно получить: х, .Т„(х,я) 2з = — 1 — ' " ' — Е-ВОлны, г з, .Т,(х,л) ~'»~" 7 ~ (Х7 ) 2,=-; ', — Н-.
л х, У„(х,л) (в первом случае Е, = Е., Н, =Н, а во втором Е, = Е„, Н„ =Н,). Поскольку функции 7»(х) и »1(х) при Н»„(х <В1 (см. п. 7.4.2) имеют разные знаки (ср. п. 5.3.3), из записанных формул следует, что 2» имеет индуктивный характер для Е-волн и емкостный — для Н-волн.
В 7.5, Полосковые, щелевые и другие планарные структуры (А) 7.5.1. Типы планарпых структур. О развитии линий передачи. Па рпс. 7.30 в поперечном сечении показаны некоторые продольнооднородпые структуры, называемые плояорными. Полосковая (микрополосковая) ливия (а) представляет собой металллческую полоску, нанесенную на диэлектрический слой, подложку; последняя, в свою очередь, располагается на плоском металлическом экране.
Можно рассматривать полосковую линию пли ину1о планарную структуру в варианте полного зкранировапия. Экран при этом подобен прямоугольному волноводу; его контур показан пггриховой лняисй. Полосковых провочпиков мо»кет быть несколько (б); в этом случае говорят о связанных полосковых ливнях. Подложка иногда не лежит па экране (о) и называется подвешенной. Следующая структура (г) — это щелевая линия, называемая при наличии экрана волноводно-щелевой.
Две связанные щелевые линии (д) можно трактовать как особого вида полосковую линию — так называемая комплапарная линия. Планарные структуры могут быть многослойными п многоуровневыми. Имеется в виду многослойность диэлектрика и размещение металлических элементов на различных границах раздела слоев. В качестве примера показаны двухуровневые структуры: полоскало-щелевая (е), двухяолосковая (ж) и двущелевая (з).
Распространение плапарных структур связано в перву1о очередь с пропстоляо1ей у'ке в те*аппо ряда лет мяпяат1оря»апяей СВЧ аппаратур»1. Так пазывзомые интегрэльпыо схемы (ИС) СВЧ З 75, полоскОВЫВ, щелеВые, плАнАРные стРуктуРЫ 277 обычно формируются из полосковых элементов, располагаемых на единой подложке. Как известно, поперечные размеры полых волноводов (см. з 7.1, 7.2) не могут быть меньше некоторых критических. Например, в случае прямоугольного волновода передача энергии возможна лишь прп а))1)2. Что касается полосковой линии, то ее поперечные размеры могут быть, практически, как угодно малыми. Интересно.
что шаг от устройств на полых волноводах к ИС СВЧ, использующим полосковые линии, есть, в сущности, возврат к многосвязным структурам (к которым относится двухпроводная линия), в свое время уступившим место полым волноводам. Как здесь не вспомнить знаменитое диалектическое «отрицание отрицания»! Полые волноводы широко распространились, начиная с 40-х годов прп освоении сантиметровых волн. Обладая допустимыми поперечными размерами, волноводные линии в отличие от проводных обеспечивали отсутствие взаимного влияния элементов аппаратуры и других нежелательных эффектов, Следует иметь в виду, что уже на дециметровых волнах полые волноводы оказываются слишком громоздкими. Полосковые линии, вытеоняющие в ряде случаев полые волноводы, во многих отноптениях выгодно отличаются от проводных липой.
Реша1ощям фактором является ко~1цептрация полл основной волпы в области подложки под полосковым проводником и, вслед- ГЛ. 7. НАПРАВЛЯЮЩИЕ СТРУ!'ТУРЫ 276 9 7в, полосковые, щелевые, илАпАРные стРуктуРы 279 ствие этого, малость паразптных влияний; иначе было бы невозмоя!но построить ИС СВЧ. Но как бы ни развивалось в дальнейТпем это направление, полые волноводы сохранят весьма значительную область применения, в частности, при передаче большой мощности. 7.5.2. Волновые процессы в плаиарных структурах.
Электродинамичэская теория направляющих структур, показанных на рис. 7.30, оказывается довольно сложной. Оощии подход к подобным структурам будет обсуждаться ниже в и. 12.3,3, он ведет к построению алгоритмов, реализуемых на ЭВМ. Волны, направляемые полосковыми и щелевыми линиями, явля!отся гибридными. Это касается и низшей (основной) волны полосковой линии, которая аналогична Т-волне двухпроводной линии. Рис.
7.31 Она также не имеет отсечки (/к, = О) . В типичных условиях — при относительно малых поперечных размерах — поперечные компонепты резко преобладают над продольными. Рассмотрим дисперсионные кривые для основной и нескольких высших волн экранированной полосковой линии (рис. 7.31)').
Это ') Лик~ левки!7 77. )7., Пвкклккккк Т. И. // 51ашпппое врооктпровенпо устройств и спотеп СВЧ.— Мл МИРВА, 1979.— С. 17. частотные зависимости относительной постоянной распространения Г/йо ("о= е7)'ео)то =2Л/А). На рисунке линия представлена в двух вариантах, различающихся шириной полоскового проводника; все размеры указаны в миллиметрах; кривые, относящиеся к линии с более широким проводником, отмечены штрихом (иногда кривые для обеих линий сливаются).
Если бы речь шла о настоящей Т-волне, распространяющейся в среде подлая!ки (в данном случае )1 1, 6=9), то относительная постоянная распространения была бы равна й/йо= Уз)1, т. е. Г/йо = "!'е = 3 (см. рис. 7.31, штриховая прямая). Основная волна полосковой линии характеризуется дисперсионной кривой 1, лежащей несколько ниже. Дисперсия невелика. Заметим, что величину (Г/йо)з для основной волны называют эквивалентной диэлектрической проницавмостью е, полосковой линии. Все остальные кривые относятся к волнам той же симметрии, что и основная волна иолосковой линии (антисимметричные волны пропущены).
Кривые 2 и д, как показывает проверка, почти пе изменяются, если вообще удалить иолосковый проводник, оставив прямоугольный экран с диэлектрическим слоем. Соответствующие волны можно назвать экранными. Видно, что экранные волны выходят из области отсечки (постоянные распространения из мнимых становятся вещественными) при частотах около 35 ГГц и выше 57 ГГц. Следующие две волны (кривые 4, 5) необычны, Сначала дпсперсионные кривые оказыва!отея такими же, как в случае экранных волн, но затем кривые смыкаются, образуя петлю, а на частотах вьппе 56 ГГц ей отвечает другая петля. На участке между петлями постоянные распространения рассматриваемых волн оказыва!отея комплексными.
Нить, соединяющая петли,— участок семейства дисперсионных кривых, который дает одинаковые мнимые часы! постоянных распространения этих волн. Их вещественные части, различающиеся знаком, отображает отдельный фрагмент графика (справа внизу). Волны такого рода называют комплексными. По-видимому, впервые такого рода волны были обнаружены прп анализе круглого волновода с коаксиальным диэлектрическим стержнем') (рис.
7.24в). Не привлекая теорию комплексных волн, отметим, что они, как и другие волны в состоянии отсечки (рис. 7.31), не переносят энергии: поток энергии внутри подложки компенсируется противоположным потоком вне ее. Необходимо подчеркнуть, что потери анергии не учитывались, Практического значения рассмотренные кол1плексные волны не имеют, однако они интересны с принципиальной точки зрения. Можно сказать, что они образу!отея в результате связи экранных волн, обусловленной внесенным полосковым ироводником. При дальнейшем повышении частоты все большее число волн выходит из области отсечки.
Среди них оказываются и такие вол- ') С!ал!ееагв Р. 1. Ве е!аа Е. ТС р Е1есггоп. Ье!1егв, 1965.— У. 1.— Р. 145. ГЛ. 7. НАПРАВЛЯЮЩИЕ СТРУКТУРЫ (7.132) Рис. 7.32. (ЭВМ) ны, поля которых подобно полю основной волны сконцентрированы в областп подложки под полосковым проводником. Эти волны можно назвать подполосочнь«ми. Основная н высшие подполосочные волны будут направляться полосковой линией и без замкнутого экрана; достаточно широкий экран на них почти не оказывает влияния. На рпс.
7.32 показано строение поля планарной структуры на примере двух связанных полосковых линий. Такой структуре свойственны две основные волны; одна существует при параллельных токах полосковых проводников, а другая — прн антипараллельных (размеры экрана 2,3 Х 1,5 ммг, толщина подложки 0,5 мм, в = 2,32, ширина полоски 0 5 мм, зазор между полосками 0 3 мм, 7' = 20 ГГц) . В инженерной врактнке нередко используютсп пнтеграл«,ные волновые сопротивления, характеризующие основные волны плапар- 6 7.6. некОтОРые Виды ИВРиодических стРуктуР 2В1 иых структур (ср.
И'и в п. 7.3.1). В случае полосковой линии (см. рис. 7.30а) можно определить волновое сопротивление как И'и= —,", 67 = ) К 61, Тя~ А где имеется в виду полный ток полоскового проводника. Существует также «энергетическоез определение, согласно которому И'л = —, Р = —,Ве ) [К, Н 1«)в. л= и ВА Обе формулы дают весьма близкие значения в типичных случаях, когда толщина подложки значительно меньше длины волны в ее диэлектрике (поле в подложке квазистацнонарно).
В случае щелевой линии (рис. 7.30г) в (7.134) 2Р а Р вычисляется, как и ранее, обычным образом. 6 7.6. Некоторые виды периодических структур (Б) 7.6.1. Цилиндрические замедляющие системы. В п. 6.3.2 было установлено, что частые перподнческпе структуры могут — прп определенных условиях — направлять медленные волны (фактпчески, речь идет о нулевой пространствепной гармонике структуры).
При этом фазовая скорость волнового процесса ниже скорости Т-волны в прилежащей однородной среде, где волна проявляет себя как поверхностная. На рис. 7.33 показаны трп периодические структуры: ребристый стержень (а), диафрагх«ированный волновод (б) и спиральный волновод (в). Первые две пз ннх родственны рассматривавшейся в и. 6.3.2 плоской ребристой структуре, однако ввиду их цилиндрической симметрии анализ естественно производить в цилиндрических координатах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
