2 Исследование возможностей реализации свч устройств на основе жидкокристаллического полимера lcp

Несмотря некоторые недостатки, такие как более высокие погонные потери и возможность передачи относительно небольшой мощности, по сравнению с волноводными устройствами, настоящее время в технике СВЧ находят все более широкое применение полосковые устройства. Прежде всего, это связано с существенно более высокими массогабаритными показателями последних, их лучшей надежностью и технологичностью, что позволяет решать задачи по созданию аппаратуры при весьма жестких и противоречивых требованиях к электродинамическим, аэродинамическим, габаритным, весовым, стоимостным, конструктивным и другим параметрам.

В настоящее время на основе полосковых линий передач разрабатывается и выпускается достаточно большая номенклатура различных СВЧ устройств: СВЧ-резонаторы, фильтры и направленные ответвители, кольцевые мосты, сумматоры, антенны и т.д. При этом все эти устройства можно разделить на низкодобротные и высокодобротные. К первым относятся кольцевые мосты и сумматоры, а ко вторым – СВЧ-резонаторы, фильтры, направленные ответвители. При этом наиболее жесткие требования, как к материалам, так и к технологии предъявляются к последним. Поэтому именно этим устройствам в настоящей работе будет уделено особое внимание.

Как уже отмечалось ранее, за последние несколько лет рядом иностранных фирм были проведены исследования в области создания полосковых СВЧ устройств на основе жидкокристаллических полимеров (LCP), что позволило создать различные образцы подобных устройств: фильтры, балуны, антенны, радиочастотные метки и т.д. Некоторые из них приведены на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Образцы полосковых устройств на основе LCP

Одним из основных элементов СВЧ устройств, в том числе, выполненных на основе жидкокристаллических полимеров, являются различные виды полосковых линий, отрезки которых позволяют создавать СВЧ резонаторы, индуктивные и емкостные элементы и т.д. Поэтому прежде чем перейти к исследованию возможностей реализации таких устройств, рассмотрим возможность и особенности создания их элементов. При этом будем учитывать такие особенности жидкокристаллических полимеров как: небольшое значение диэлектрической проницаемости и толщины диэлектрического слоя, а также возможность создания многослойных конструкций.

2.1 Элементы СВЧ устройств

2.1.1 Линии передачи

2.1.1.1 Микрополосковые и полосковые линии передачи

Наиболее известными и широко используемыми на практике элементами СВЧ устройств являются микрополосковые линии, представляющие собой диэлектрическую подложку, на одной стороне которой располагается токонесущий проводник, а другая – является землей (рисунок 2.2), что обусловлено их простотой изготовления и высокой технологичностью.

Рисунок 2.2 – Микрополосковая линия

Значения волнового сопротивления Z₀ и эффективной диэлектрической проницаемости ε_эф такой линии можно определить при помощи соотношения (2.1) [12]:

(2.1)

При этом выражения для отношения W/h в зависимости от ε_эф и Z₀ имеют вид:

при А>1,52

и при А≤1,52

, где

, .

Как следует из предварительных расчетов, проведенных по данным формулам, при использовании жидкокристаллических полимеров микрополосковые линии могут быть использованы лишь со сравнительно низким волновым сопротивлением. Прежде всего, это объясняется тем, что т.к. толщина диэлектрического слоя известных в настоящее время жидкокристаллических полимеров мала и не превышает 100 мкм, то это ведет к уменьшению ширины токонесущего проводника с ростом волнового сопротивления.

Несмотря на то, что при использовании диэлектриков с малой диэлектрической проницаемостью симметричные полосковые линии (рисунок 2.3) обладают меньшими потерями на излучение чем микрополосковые и лучшими эксплуатационными параметрами, тем не менее, до последнего времени они находили на практике достаточно ограниченное применение, связанное с технологическими трудностями при их изготовлении. Появление таких материалов, как LTCC и LCP позволяет решить эту проблему и способствует более широкому использованию симметричных полосковых линий в устройствах СВЧ.

Рисунок 2.3 – Симметричная полосковая линия

Волновое сопротивление такой линии может определено из выражения (2.2) [24]:

(2.2).

Здесь:

,

,

, .

Проведенный предварительный анализ, также показал, что симметричные полосковые линии на подложках из жидкокристаллических полимеров могут быть использованы лишь со сравнительно низким волновым сопротивлением по тем же самым причинам. Однако из-за меньших потерь на излучение они оказываются более предпочтительными для реализации высокодобротных устройств.

Следует также отметить, при использовании многослойных структур на основе жидкокристаллических полимеров, диапазон волновых сопротивлений, реализуемых полосковыми и микрополосковыми линиями, может быть существенно увеличен. По всей видимости, увеличение волновых сопротивлений таких линий возможно достичь и комбинаций слоев из жидкокристаллических полимеров и других материалов.