10.3. Полосковые линии
Полосковые линии широко применяются в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн для соединений блоков сверхвысоких частот (СВЧ), в схемах на основе печатного монтажа и в интегральных микросхемах (ИМС) СВЧ. На практике наиболее часто используются следующие типы: симметричная (СПЛ) и несимметричная (НПЛ) полосковые линии, микрополосковая линия (МПЛ), симметричная и несимметричная щелевые линии, копланарная линия и некоторые другие. На рис. 10.5 приведены конструкции наиболее распространенных типов полосковых линий передачи: СПЛ, НПЛ и симметричной щелевой, а также структура силовых линий поля в НПЛ.
Рис. 10.5. Конструкции СПЛ (а), НПЛ (б) и симметричной щелевой (в) линий передачи; структура силовых линий поля в НПЛ (г)
Конструкция СПЛ (см. рис. 10.5, а) содержит два наружных плоских металлических проводника 1 и один внутренний 2, разделенные слоями диэлектрика 3. Наружные проводники заземляются и выполняют роль экрана. Электромагнитное поле распространяется в объеме диэлектрика вдоль центрального проводника 2. Поперечное сечение СПЛ имеет две плоскости симметрии: вертикальную и горизонтальную.
Конструкция НПЛ (см. рис. 10.5, б) состоит из двух разных по ширине плоских металлических проводников 1 и 2, разделенных слоем диэлектрика 3. Нижний более широкий проводник является основанием конструкции линии и обычно заземляется. Несимметричные полосковые линии хуже экранированы, чем СПЛ, но из-за более простой конструкции и удобства монтажа навесных элементов шире распространены.
Проводниковые элементы полосковых линий изготавливают из меди, латуни, серебра. Их поверхности обрабатывают по высокому классу точности. В качестве диэлектрика используются воздух, органические материалы (фторопласты, полимеры), керамика или кристаллические материалы с высоким значением диэлектрической проницаемости (поликор, ситалл, кварц, сапфир, кремний, арсенид галлия), ферриты. Все используемые диэлектрики должны иметь низкие потери в рабочем диапазоне частот. При изготовлении полосковых линий используют или фольгированные диэлектрики, или наносят металлические полоски на поверхность диэлектрика, применяя тонко- или толстопленочную технологии.
Полосковые линии, в конструкции которых используются диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью (ε = 10... 15), называются микрополосковыми. Они имеют уменьшенные примерно в √ε раз размеры конструкций по сравнению с линиями, в которых в качестве диэлектрика используется воздух. Несимметричные МПЛ являются основой ИМС СВЧ.
Волновое сопротивление полосковых линий составляет 20... 100 Ом и регулируется подбором ширины проводников. Полосковые линии, особенно несимметричные, характеризуются значительным коэффициентом затухания, поэтому в схемах стараются использовать как можно более короткие отрезки этих линий. Для передачи сигналов на большие расстояния они не применяются.
В НПЛ с воздушным заполнением пространства между проводниками основным типом волны является Т-волна (см. рис. 10.5, г). В МПЛ наличие между проводниками изоляционной подложки с высокой диэлектрической проницаемостью ε приводит к тому, что поле существует не только в подложке, но и в воздухе. При этом появляются продольные компоненты поля, значения которых меньше поперечных компонентов. Волна с такой структурой называется квази Т-волной и является основным типом волны в МПЛ. При достаточно малых размерах поперечного сечения МПЛ по сравнению с длиной основной волны значения продольных составляющих векторов поля оказываются на порядок меньше значений поперечных составляющих и ими можно пренебречь. Поэтому можно считать, что структура поля основной волны в МПЛ совпадает со структурой поля Т-волны (см. рис. 10.5, г). Следовательно, и многие свойства обоих типов волн близки.
Волновое сопротивление МПЛ чаще всего выбирают равным 50 Ом для удобства соединения линии с высокочастотными разъемами и блоками.
В МПЛ с ростом частоты увеличивается концентрация электромагнитного поля в диэлектрической подложке. Зависимость характеристик волн от частоты называется дисперсией. В реальных МПЛ дисперсия почти не проявляется на частотах до 3 ГГц.
Общий коэффициент затухания электромагнитного поля основного типа волны в МПЛ складывается из затухания, вызванного потерями мощности в проводнике на высоких частотах и в диэлектрической подложке, а также потерями на излучение. Если размеры поперечного сечения МПЛ (см. рис. 10.5, б) существенно меньше длины основной волны (w < λ/2, h< λ/2), то потерями на излучение можно пренебречь. Потери в подложке можно сделать незначительными, выбрав для нее высококачественный диэлектрик с низкими потерями. При соблюдении указанных условий основной причиной затухания поля являются потери в проводнике. Для уменьшения этих потерь надо выбирать достаточно толстые подложки и широкие проводящие полоски. Для уменьшения влияния толщины проводящей полоски рекомендуется выбирать ее значение от трех до пяти значений толщины скин-слоя.
Частотный диапазон существования квази Т-волны в МПЛ теоретически ограничен снизу нулевой частотой, а сверху так называемой критической частотой fкр. Верхний предел рабочего диапазона частот МПЛ определяется условием интенсивного возбуждения паразитных поверхностных волн. Кроме возникновения волн паразитных типов другими ограничениями на применение полосковых линий на высоких частотах являются жесткие требования к допускам на размеры линий при их изготовлении и увеличение в них потерь. Практическим ограничением применения полосковых линий на низких частотах является увеличение их размеров. Реально полосковые линии применяются в диапазоне частот 0,1... 30 ГГц.
В конструкциях ИМС СВЧ наряду с МПЛ широко применяется симметричная щелевая линия (СЩЛ), конструкция которой показана на рис. 10.5, в. Она представляет собой узкую щель 1, прорезанную в тонком проводящем слое 2, расположенном на одной стороне диэлектрической подложки 3 с большим значением ε (ε > 5).
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.