4. Полосковые линии

Будем называть полосковой линией направляющую систему открытого типа, состоящую из двух или более изолированных друг от друга проводящих полос. На практике наиболее часто используются следующие линии: симметричная полосковая линия, несимметричная полосковая линия, микрополосковая линия, щелевая полосковая линия и некоторые другие. Как правило, полосковые линии выполняются в виде тонких металлических слоев, нанесенных на листы диэлектрика. В качестве диэлектрика используют материалы с малыми потерями в диапазоне СВЧ (с малым tg δ): фторопласт, полиэтилен, керамика, поликор (двуокись алюминия), сапфир, кварц, ферриты и др.. Иногда применяют воздушное заполнение линий. При изготовлении полосковых линий используют или фольгированные диэлектрики , или наносят металлические полоски на поверхность диэлектрика, применяя тонкопленочную или толстопленочную технологии .

Основной волной в полосковых линиях, как правило, является TEM-волна или квази-ТЕМ-волна, по структуре поля и другим свойствам близкая к ТЕМ-волне.

С

Рис. 31

имметричная полосковая линия (СПЛ) представляет собой трехпроводную полосковую линию, состоящую из полоски 1 шириной W и толщиной b, помещенной симметрично относительно экранирующих пластин, расположенных на расстоянии b друг от друга и имеющих ширину а (рис.31). Пространство между проводниками полностью заполнено однородным диэлектриком 2 с параметрами =1,σ_д. Качественное представление о структуре поля ТЕМ - волны в СПЛ можно получить более просто, рассматривая СПЛ как линию, получающуюся в результате деформации коаксиальной линии (см. рис.32,а,б,в).

Основные характеристики ТЕМ-волны в СПЛ можно определять по формулам для плоских волн в однородной изотропной среде . Важной характеристикой линии передачи с ТЕМ-волной является ее волновое сопротивление Ζ_в = U_m /i_m , где U_m и i_т - комплексные амплитуды напряжения и тока

в линии, соответствующие бегущей волне.

В случае СПЛ погонную емкость линии С₁ можно представить (рис.33) в виде С₁2С_пл+4С_кр где C_пл= 2w/(b-t) -емкость плоского конденсатора с пластинами шириной w и длиной 1 м, расположенными на расстоянии (b-t)/2, рассчитанная без учета краевых эффектов, а С_кр- емкость, связанная с краевыми полями на концах полоски. Емкость С_кр зависит от ε, t и b линии и определяется методами конформных отображений

Рис. 32

Рис. 33

Рис. 34

Приведем окончательные формулы для Z_в, позволяющие проводить расчеты с относительной погрешностью, не превышающей 1,24 % :

при w/b > 0,35 (1 – t/b)

(15)

где а₁ =1/(1 – t/b); А = [2a₁ Ln (a₁ +1) – (a₁ -1) In (a₁²-1)] /

при w/b 0,35 (1 - tlb) и w t

Z_в = 60In[4b(d)], (16)

где d/w = 0,5 + 0,8t/w - 0,12 (t/w)².

Отсюда видно, что, волновое сопротивление СПЛ уменьшается при увеличении заполняющего диэлектрика, увеличении w и t полоски и уменьшении величины b, поскольку при указанных изменениях увеличивается емкость С_пл.

Расчетные и экспериментальные данные показывают, что в СПЛ с конечной шириной экранирующих пластин а (рис.34) при a>w + 2b поле практически полностью сосредоточено в заполняющем диэлектрике, а на границе диэлектрик - воздух оно отсутствует.

Первым высшим типом в СПЛ является волна H⁽¹⁾ . Ее структуру можно получить, последовательно деформируя поперечное сечение коаксиальной линии, в которой распространяется первый высший тип Н₁₁ . Поэтому приближенно можно считать, что

λ_κpH⁽¹⁾ ≈ w. Условие одноволновой работы СПЛ можно приближенно записать в виде w < Λ/2, где Λ - длина ТЕМ-волны в СПЛ.

С

Рис. 35

целью уменьшения затухания волны в СПЛ применяют несколько измененную конструкцию СПЛ, называемую высокодобротной полосковой линией (рис.35). В этом случае проводящую полоску между экранами выполняют в виде двух полосок1, нанесенных по разные стороны тонкой диэлектрической пластины 2. Обе полоски находятся под одним и тем же потенциалом. Пространство между полосками и экранами заполнено воздухом.

Рис. 36

Несимметричная полосковая (НПЛ) и микрополосковая (МПЛ) линии. НПЛ (рис.36), представляет собой двухпроводную полосковую линию, состоящую из полоски шириной w и толщиной t, помещенной на расстоянии h от экранирующей пластины, имеющей ширину а. Пространство между проводниками и над полоской заполнено диэлектриком с параметрами μ_r=1, σ_д. На рис.36 показана структура поля ТЕМ-волны в НПЛ, построенная путем последовательных деформаций структуры поля симметричной двухпроводной линии.

Одноволновый режим работы НПЛ на TEM-волне и отсутствие излучения из линии обеспечиваются соответствующим выбором поперечных размеров линии:

w<Λ/2 и h< Λ /2, (17)

где Λ-длина TЕМ-волны в НПЛ.

На практике широкое применение находит несколько измененная конструкция (рис.37), называемая микрополосковой линией. Она отличается от НПЛ тем, что между полоской 1 и экранирующей пластиной 2 помещается подложка из диэлектрика 3 с параметрами , над полоской находится диэлектрик с параметрами ε_Γι, μ_Γΐ = 1,

При передаче энергии по МПЛ электромагнитное поле существует не только в подложке, но и в воздухе. При этом появляются продольные составляющие векторов поля, т.е. по МПЛ в общем случае энергия переносится гибридными волнами (Ε_z≠0 и Η_ζ≠0). Однако, как показывает анализ , при достаточно малых по сравнению с длиной волны размерах поперечного сечения МПЛ для основной волны величина продольных составляющих векторов поля оказывается на порядок меньше величины поперечных составляющих, и ими можно пренебречь. Поэтому приближенно можно считать, что структура основной волны в МПЛ (рис.38),

Рис. 37

Рис. 38

получившей название квази-TЕМ, совпадает со структурой ТЕM-волны. Волна Квази-TЕМ, как и TЕМ-волна, может распространяться на любых частотах, для нее λ_кр=∞.