§3.8. Полосковые и микрополосковые линии передачи
В конце 40-х - начале 50-х годов на смену традиционным волноводным и круглым коаксиальным линиям передачи пришли плоские коаксиальные конструкции с твердым диэлектрическим покрытием. Вскоре были разработаны печатные полосковые линии передачи двух типов: симметричная и несимметричная (рис.3.22).
а б
Рис.3.22.
Полосковые линии передачи:
а
- симметричная; б
- несимметричная
(микрополосковая)
Доминирующее положение долгое время занимала симметричная полосковая линия, имеющая меньшие потери (в частности, на излучение) и меньшую взаимную связь элементов. Только в начале 60-х годов удалось перейти к достаточно эффективной реализации преимуществ печатной технологии, которая привела к развитию интегральных схем СВЧ. Это стало возможным благодаря появлению новых материалов, разработке совершенных технологических приемов изготовления, обеспечивающих высокую точность элементов печатной схемы при малых линейных размерах. Теперь уже непосредственно встал вопрос об использовании несимметричной линии передачи, состоящей из основания и проводящей плоскости, разделенных тонкой подложкой с достаточно высокой диэлектрической проницаемостью (см. рис.3.22). Такая линия, названная микрополосковой линией передачи (МПЛ), легко изготавливается печатным методом, не требует жесткой механической симметрии, имеет малые габариты и массу и ряд других преимуществ.
Однако, если конструкция такой линии чрезвычайно проста, то точный расчет ее характеристик весьма сложен; до настоящего времени ведется исследование характеристик МПЛ с привлечением совершенных методов расчета. Наряду с широким использованием МПЛ продолжается поиск других типов линий, обладающих определенными достоинствами.
Наиболее
широкое распространение в гибридных
интегральных схемах на основе МПЛ
получили поликоровые диэлектрические
подложки (99,8%
)
c
9,8, толщиной 1; 0,5; 0,25 мм.
Рассмотрим
основные характеристики МПЛ. Длина
волны в линии определяется по формуле
,
где
- длина волны в свободном пространстве;
-
эффективная диэлектрическая проницаемость,
которая может быть найдена из графиков
либо по формуле
для W/h
1, (3.126)
где W - ширина линии передачи; h - высота подложки.
Для волнового сопротивления МПЛ с широкой полоской (W/h 1) имеем
,
(3.127)
здесь - волновое сопротивление, а для линии с узкой полоской (W/h < 1) имеем
(3.128)
где 
Волновое сопротивление МПЛ рассчитывается по формулам
для
,
(3.129)
здесь e = 2.72;
для
.
(3.130)
На практике часто используют графические зависимости ,W, эфф от параметров МПЛ [11].
В микрополосковых линиях передачи иногда требуется скорректировать физическую ширину полоски, поскольку конечная толщина полоски t приводит к увеличению краевой емкости и, как следствие, к изменению параметров линии. При этом ширина полоски равна
,
где 
при
при
Добротность МПЛ условно оценивается по добротности четвертьволнового разомкнутого резонатора на МПЛ и определяется выражением
(3.131)
где
- добротность, определяемая потерями в
проводниках,
;
- добротность, определяемая потерями в
диэлектрике,
;
- проводимость проводника; q
- коэффициент, приблизительно равный
1,8; tg
- тангенс диэлектрических потерь (для
поликора tg
).
Общие
потери в МПЛ, если пренебречь потерями
на излучение
,
можно определить по формуле
где
- потери в проводнике, рассчитываемые
по формуле
,
(3.132)
где
- поверхностное сопротивление,
;
- глубина скин-слоя в проводнике.
[дБ/ед.
дл.] (3.133)
Рабочая частота МПЛ должна быть ниже частоты паразитных колебаний, происхождение которых может быть двояким. Одним из видов паразитных колебаний являются поверхностные волны, “стелящиеся” по поверхности диэлектрической подложки вдоль заземленной плоскости. Для предельного случая бесконечно тонкой подложки с бесконечно малой диэлектрической проницаемостью фазовая скорость поверхностной волны близка к скорости света. При увеличении толщины подложки h и величины поверхностная волна замедляется. Когда же фазовая скорость поверхностной волны оказывается близка к фазовой скорости волны ТЕМ, между этими двумя волнами возникает сильное взаимодействие, вызывающее негативные эффекты. Критическая частота этого типа колебания и определяет верхний частотный предел применения МПЛ:
[ГГц]
(3.134)
(здесь h измерена в миллиметрах).
Другой вид паразитных колебаний - поперечное резонансное колебание, которое может возникнуть между полосковым проводником и заземленным основанием. Для этого вида колебаний воздушная среда над подложкой не влияет на конфигурацию поля.
При W h критическая частота для колебания резонансного типа равна
[ГГц].
(3.135)
1 Параметры среды не зависят от значений напряженностей электрического и магнитного полей
1 см. формулы (1.85) и (1.86)
2 сравните с уравнением (1.109)
1 см. формулу (1.21)
1 от англ. skin - кожа
1 См. формулы (1.138)
2 См. первое слагаемое правой части формулы (1.53)
1 Результаты для проводников с конечной проводимостью можно найти в [8]
1 Представленные рассуждения проводились в предположении, что генератор согласован с линией передачи.
1 Может быть выбрано произвольно
1 Поскольку шлейф подключается параллельно нагрузке
1 сравните с формулой (1.109)
1 рассматриваются в курсе «Антенно-фидерные устройства»