Полосковые линии передачи. Устройства СВЧ на основе полосковых линий передачи. Практикум
.pdf
1.4 Высокодобротная полосковая линия передачи
Высокодобротная полосковая ЛП имеет конструкцию сходную с симметричной полосковой ЛП. Эта ЛП представляет две тонкие металлические полоски конечной ширины, нанесённые на противоположные стороны диэлектрического основания, симметрично расположенного в воздушном зазоре, ограниченном сверху и снизу слоями металла бесконечной ширины. Применение в конструкции двух внутренних металлических проводников вызвано, в основном, тем, что в этом случае через диэлектрик проходят только поля, обусловленные краевыми эффектами. Объём диэлектрика в ЛП при этом сводится к минимально необходимому для механического крепления внутреннего проводника. Сечение данной полосковой ЛП с обозначением геометрических размеров и структура поля приведены на рисунке 1.5 и рисунке 1.6 соответственно. На рисунке 1.5 приняты следующие обозначения:
a– ширина подложки;
b– толщина подложки;
W – |
ширина проводника; |
t – |
толщина проводника. |
Рисунок 1.5 – Поперечное сечение высокодобротной полосковой ЛП
Рисунок 1.6 – Структура поля в высокодобротной полосковой ЛП
Для уменьшения потерь на излучение электромагнитной энергии и взаимных влияний между высокодобротными полосковыми ЛП обычно на
11
геометрические размеры этих ЛП накладываются ограничения аналогичные ограничениям для симметричных полосковых ЛП (1.8а)…(1.8д).
Волновое сопротивление указанной ЛП определяется аналогично волновому сопротивлению симметричной полосковой ЛП по формулам (1.9)…(1.12), в которых надо принять =1.
В высокодобротной линии передачи поле сосредоточено в двух воздушных зазорах между заземленными основаниями и проводниковыми полосками, находящимися под одинаковым потенциалом. Поэтому затухание такой линии, вызываемое, в основном, только потерями в металле, мало. Проводники высокодобротной линии передачи в несколько раз шире, чем у несимметричной и симметричной полосковых ЛП, имеющих такую же подложку и величину волнового сопротивления. Это упрощает создание узлов на линиях с большим волновым сопротивлением.
Недостатками высокодобротной полосковой ЛП являются увеличенные габаритные размеры, трудность симметричной установки подложки между металлизированными основаниями и отвода тепла от полосок.
1.5 Симметричная щелевая полосковая линия передачи
Симметричная щелевая линия передач представляет узкую щель, вырезанную в бесконечной металлической плоскости, расположенной на одной из сторон диэлектрической подложки. Сечение данной полосковой линии передачи с обозначением геометрических размеров и структура поля приведены на рисунке 1.7 и рисунке 1.8 соответственно. На рисунке 1.7 приняты следующие обозначения:
S |
– |
ширина щели; |
h |
– |
толщина подложки; |
W – |
ширина проводника; |
|
t |
– |
толщина проводника. |
Рисунок 1.7 – Поперечное сечение симметричной щелевой полосковой ЛП
12
Рисунок 1.8 – Структура поля в симметричной щелевой полосковой ЛП
Для уменьшения потерь в проводниках данной линии передачи должно выполняться условие (1.1г).
Максимальное значение ширины щели определяется допустимыми потерями на излучение, а минимальное – технологическими ограничениями, накладываемыми плёночной технологией, и ростом потерь проводниках за счёт эффекта поля.
Волновое сопротивление указанной линии передачи при
определяется по приближённой формуле
0,02
W h
<0,2
|
|
Z |
в |
= 72,62 |
− 35,19 lg + 50 |
h |
|
W |
− 0,02 |
|
|
W |
|
+ |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
W |
|
h |
|
h |
− 0,1 |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
W |
− |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
+ (44,28 −19,58 lg ) lg 100 |
h |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
− |
|
lg − 0,11+ |
W |
(1,07 |
|
|
|
|
|
|
|
− 6,07 lg −100 |
h |
||||||||
0,32 |
|
lg +1,44) |
11,4 |
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
h |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|||
|
2 |
|
|
|
|
|
|
,
(1.13)
при 0,2 |
|
W |
1 определяется по приближённой формуле |
|
|
|
|
|
||||||||||||
h |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Zв |
=113,19 − 53,55 lg +1,25 |
W |
|
(114,59 − 51,88 lg )+ |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
W |
|
|
|
W |
|
|
|
|
W |
(2,1 −1,42 lg )−100 |
|
h |
2 |
|
||||||
+ 20 |
|
|
− 0,2 1 − |
|
|
− |
10,25 |
− 5 lg + |
|
|
|
|
|
|
(1.14) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
h |
|
|
|
|
h |
|
|
|
|
|
h |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
||||||||
|
|
0,15 + 0,23 lg + |
W |
(2,07 lg − 0,79) |
, |
|
|
|
|||
|
|
|
h |
|
|
|
|
|
|
|
|
где Zв |
– |
волновое сопротивление ЛП; |
|
||
|
– |
относительная диэлектрическая проницаемость материала подложки; |
|||
h |
– |
толщина подложки; |
|
|
|
|
|
|
|
13 |
|
W – |
ширина проводника; |
|
h |
– |
толщина подложки; |
0 |
– |
рабочая длина волны в свободном пространстве. |
Так как силовые линии вектора E направлены поперёк щели симметричной щелевой ЛП, то это делает удобным включение в её плоскости полупроводниковых и сосредоточенных элементов. Также навесные элементы можно включать и в разрыв проводников данной ЛП. Таким образом, симметричная щелевая ЛП допускает как последовательное, так и параллельное включение элементов в ЛП, в отличие от рассмотренных выше ЛП для которых предпочтительно только последовательное включение. Другим существенным преимуществом указанной ЛП является наличие в щели областей с круговой поляризацией магнитного поля, позволяющих создавать на основе этой ЛП невзаимные ферритовые устройства путём нанесения проводников на подложку из феррита.
Недостатком симметричной щелевой ЛП является отсутствие металлического основания, затрудняющее отвод тепла, как от элементов, включенных в ЛП, так и от проводников самой ЛП.
1.6 Несимметричная щелевая полосковая линия передачи
Несимметричная щелевая полосковая ЛП представляется в виде двух металлических полуплоскостей, нанесённых на противоположные стороны диэлектрической подложки. Сечение данной полосковой ЛП с обозначением геометрических размеров и структура поля для случая без перекрытия проводников приведены на рисунке 1.9 и рисунке 1.10 соответственно, а для случая с перекрытием проводников приведены на рисунке 1.11 и рисунке 1.12 соответственно. На рисунке 1.9 и рисунке 1.11 приняты следующие обозначения:
S |
– |
ширина щели; |
h |
– |
толщина подложки; |
W – |
ширина проводника; |
|
t |
– |
толщина проводника. |
Рисунок 1.9 – Поперечное сечение несимметричной щелевой полосковой ЛП без перекрытия проводников
14
Рисунок 1.10 – Структура поля в несимметричной щелевой полосковой ЛП без перекрытия проводников
Рисунок 1.11 – Поперечное сечение несимметричной щелевой полосковой ЛП с перекрытием проводников
Рисунок 1.12 – Структура поля в несимметричной щелевой полосковой ЛП с перекрытием проводников
Волновое сопротивление указанной ЛП определяется по формуле
|
Zв = |
|
120 |
|
|
K (k) |
, |
(1.15) |
|
|
|
|
K (k) |
||||
|
2 эфф |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
где Zв – |
волновое сопротивление ЛП; |
|
|
|||||
эфф – |
эффективная относительная диэлектрическая |
проницаемость, |
||||||
|
определяемая по формуле |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
15 |
|
|
||
эфф
= |
|
|
|
1 |
|
W |
4 |
3 |
+ th |
2 |
h |
||
|
|
|
|
−
8
,
(1.16)
где
W h
K (k)
K (k)
–относительная диэлектрическая проницаемость материала подложки;
–ширина проводника;
–толщина подложки;
–отношение производной полного эллиптического интеграла первого рода к полному эллиптическому интегралу первого рода, определяемое соотношениями
|
|
|
|
|
k |
2 |
|
|
K (k) |
|
|
|
|||||
|
= |
|
1 |
+ |
|
|
|
|
K(k) |
2 |
4 |
||||||
|
|
|
|
|||||
K (k) |
= |
1 |
lg |
|
K (k) |
2 |
|||
|
|
|
|
|
k 2 |
|
4 |
||
2 |
1 |
+ |
|
|
|
lg |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
4 |
|
k |
||
2 ( |
1 + k + |
4 |
4 k ) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 + k − |
4 |
4 k |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
k 2 |
|
, при 0<k |
|
|
|
|
|||
4 |
|||||
|
|
|
|
, при 0,707<k 1,
0,707
где
(1.17)
(1.18)
= + W k 0,515 0,5 th h
−
0,75
.
(1.19)
Основным преимуществом несимметричной щелевой ЛП является отсутствие конструктивно-технологических ограничений, связанных с реализацией узких проводников и щелей, что в свою очередь позволяет реализовать данную ЛП с практически любым значением волнового сопротивления. Однако, со стороны больших значений волновых сопротивлений, достигаемых большим расстоянием между полуплоскостями, существует ограничение, вызванное потерями на излучение электромагнитной энергии.
Наряду с симметричной щелевой ЛП сохраняется недостаток в виде невысокого значения теплоотвода, и аналогично несимметричной и симметричной полосковым ЛП является нежелательным параллельное включение элементов в ЛП.
1.7 Копланарная полосковая линия передачи
Копланарная полосковая ЛП состоит из узкого проводника и двух полубесконечных слоёв металла, расположенных на одной стороне диэлектрической подложки. Сечение данной полосковой ЛП с обозначением геометрических размеров и структура поля приведены на рисунке 1.13 и
16
рисунке 1.14 соответственно. На рисунке 1.13 приняты следующие обозначения:
S |
– |
ширина щели; |
h |
– |
толщина подложки; |
W – |
ширина проводника; |
|
t |
– |
толщина проводника. |
Рисунок 1.13 – Поперечное сечение копланарной полосковой ЛП
Рисунок 1.14 – Структура поля в копланарной полосковой ЛП
Волновое сопротивление указанной ЛП определяется по формулам
(1.15), (1.17), (1.18),
где эфф – эффективная относительная диэлектрическая проницаемость, определяемая по формуле
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
+1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
эфф |
2 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1.20) |
|
|
|
W |
|
W |
|
|
|
|
|
|||
tg 1,75 |
−1,785lg |
|
|
+ k |
|
(0,04 |
− 0,7 k + 0,01 (1 − 0,1 ) (0,25 + k )) |
, |
||||
|
|
|||||||||||
|
|
|
h |
|
h |
|
|
|
|
|
|
|
где – |
относительная диэлектрическая проницаемость материала подложки; |
W – |
ширина проводника; |
h – |
толщина подложки; |
k – |
выражение, определяемое как |
|
17 |
k = |
W |
|
W + 2 S
.
(1.21)
Достоинства и недостатки копланарной ЛП аналогичны достоинствам и недостаткам симметричной щелевой ЛП. Вместе с тем, к достоинствам добавляется пониженная значение потерь на излучение электромагнитной энергии, а к недостаткам добавляется большая занимаемая на поверхности диэлектрической подложки площадь.
1.8 Экранированные полосковые линии передачи
Рассмотренные выше полосковые ЛП независимо от конструкции обладают существенным недостатком: значительными потерями на излучение электромагнитной энергии, для устранения которого возможно экранирование данных ЛП. Поперечные сечения экранированных ЛП различных типов приведены на рисунках 1.15…1.21.
Рисунок 1.15 – Поперечное сечение экранированной несимметричной полосковой ЛП
Рисунок 1.16 – Поперечное сечение экранированной симметричной полосковой ЛП
18
Рисунок 1.17 – Поперечное сечение экранированной высокодобротной полосковой ЛП
Рисунок 1.18 – Поперечное сечение экранированной симметричной щелевой полосковой ЛП
Рисунок 1.19 – Поперечное сечение экранированной несимметричной щелевой полосковой ЛП без перекрытия проводников
19
Рисунок 1.20 – Поперечное сечение экранированной несимметричной щелевой полосковой ЛП с перекрытием проводников
Рисунок 1.21 – Поперечное сечение экранированной копланарной полосковой ЛП
Для исключения влияния экрана на дисперсионные характеристики необходимо удаление экрана на значительное расстояние от полосковых проводников, превышающее толщину диэлектрической подложки не менее чем
вдва раза.
1.9Связанные полосковые линии передачи
Линии передачи называют связанными, если между ними существует непрерывно распределённая по длине электромагнитная связь. Минимальное число связанных ЛП равно двум. Связанные ЛП имеют общие заземлённые пластины или экраны, вблизи которых параллельно расположены внутренние проводники.
В принципе связанная ЛП может быть выполнена на основе на любой из рассмотренных выше полосковых ЛП. Но исходя из простоты реализации и геометрических размеров предпочтение отдаётся связанным ЛП на основе несимметричной полосковой ЛП и симметричной полосковой ЛП. По взаимному расположению проводников, между которыми возникает электромагнитная связь, связанные ЛП можно разделить на связанные ЛП с торцевой связью и лицевой связью. Поперечные сечения ЛП с торцевой связью приведены на рисунке 1.22 и рисунке 1.23, а ЛП с лицевой связью приведены
20