Полосковые линии передачи

Миниатюризация (интегральные схемы, в дальнейшем ИС) - одно из основных направлений развития в СВЧ технике.

Уменьшение размеров не всегда основная цель - это справедливо для некоторых специальных областей (космос, медицина и т.д.). Часто важнее увеличение надежности, снижение стоимости, улучшение характеристик.

В ИС используют несколько типов соединительных линий (полосковые линии или ПЛ), в основе которых лежат тонкие полоски металла и плоские слои диэлектрика.

Сравнение конструкций полосковых линий (а - достоинства, б - недостатки):

1. Симметричная волновая линия.

а) малые габариты;

б) относительно большие потери и масса.

2. Высокодобротная линия.

а) низкие потери, высокое волновое сопротивление;

б) требует крепления, сравнительно большие габариты.

3. Несимметричная полосковая линия (ε≈2..3).

а) малые габариты и масса;

б) большие потери, отсутствие экрана.

4. Микрополосковая линия (ε ≥10).

а) малые габариты и масса;

б) сравнительно большие потери, нет экрана.

(внешне как 1 или 3)

Часто в качестве подложек используют диэлектрик на основе оксида алюминия - поликор (ε = 9.6), лейкосапфир (ε = 11.4), кроме того, любые диэлектрики с низкими потерями ( ε ≈ 7…16 иногда до 10000-керамика).

Как видно из рисунков, ПЛ относится к направляющим системам открытого типа. Наличие нескольких изолированных проводников означает, что fкр=0, т.е. волна в ПЛ должна соответствовать волне Т-типа.

Строгий анализ достаточно сложный, но качественно структуру можно получить, деформируя коаксиальную линию:

Хотя полученная картина напоминает электростатическое поле в плоском конденсаторе, строгий анализ показывает, что из-за неоднородности по сечению диэлектрического заполнения ЭМП имеет все 6 составляющих, а следовательно зависит от частоты υ_ф =F(f), т.е. дисперсия тем заметнее, чем больше . Но при условии, что a>>b; c>>b; c>>a; практически вся энергия сосредоточена внутри ПЛ и продольными составляющими можно пренебречь - такую волну называют волной - квази - Т типа.

Точно также (анализируя коаксиальную линию) можно получить картину волны первого высшего типа в ПЛ.

Как видно, на длине немного превышающей а, укладывается одна полуволна электрического поля ЭМВ, т.е. λ_кр≈ 2а.

Волновое сопротивление в симметричной ПЛ:

,

где К(к) - полные эллиптические интегралы первого рода, , .

Для несимметричной ПЛ:

.

Обе формулы получены в предположении, что толщина центрально проводника много меньшеb.

Как показали эксперименты, по ПЛ можно передавать мощности того же порядка, что и в коаксиальной линии.

Для увеличения электрической прочности края центрального проводника закругляют.

Волноводы П и Н формы

Эти волноводы позволяют сохранять одномодовый режим в значительно более широкой полосе частот, а если так подобрать размеры, чтобы ξ было близко к 2, то размеры таких волноводов будут значительно меньше.

Волны в этих волноводах условно называют,Н₁₀ и Н₂₀ т.к. при t→0 эти структуры совпадут.

Для волны Н₂₀ , λ_кр у волновода Н и П формы и прямоугольного волновода практически совпадают, т.к. ребро приходится на минимум Еy и не влияет на характер поля (почти):

Наличие ребра (в П-образном волноводе) для

волны приводит к еще большей концентрации в центре. Структура в зазоре близка к волне Т-типа и при условии:

.

Причем, чем больше отношение t/b, тем больше λ_кр.

Реально можно использовать при f_В / f_Н ≤ 7–10, обычно получают f_В / f_Н ≤ 4.

Недостатки:

1. Уменьшение электрической прочности.

2. Увеличение потерь.

Недостатки тем значительней, чем больше t.