2. Неоднородности в H-плоскости.

Под БЭ этого класса понимаются полосковые структуры, токонесущие проводники которых располагаются в плоскости, перпендикулярной вектору Наиболее тпппчными представителями этого класса БЭ являются устройства на основе СПЛ и открытый конец ЛП, разрыв токонесущего проводника, отверстие, изгиб (излом), скачок ширины проводника и др.

Рис. 2.1. Топология открытого конца полосковой линии (а); эквивалентные схемы

Приведем данные по некоторым из них.

Открытый конец Этот тип неоднородности (рис. 2.1, а) встречается практически во всех БЭ, используемых в ИС и разомкнутый или частично разомкнутый конец токонесущего проводника. квазистатическом приближении открытый конец представляет собой некоторую эквивалентную емкость вызывающую так называемое «удлинение» проводника (рис. 2.1, в), которое определяется как

где В высокочастотном (квазпоптнческом) приближении реакция открытого конца может быть не емкостной, а индуктивной, тогда «удлинение» меняет знак и превращается в эквивалентное «укорочение»

Использование открытого края структуры позволяет реализовать два класса БЭ: резонаторы (излучение мало) и излучающие элементы (см., например, [179]). Природа этого явления

(«вытекающие» волны), разумеется, едина, однако с вытеканием энергии из открытого конца всегда следует считаться. Так, папример, эффективное несанкционированное возбуждение поверхностной волны (в структуре металлическое основание — диэлектрическая подложка) может быть причиной заметных паразитных связей между отдельными БЭ, паразитным излучением в ненужную сторону (в излучающих структурах) и т. п. Это приводит к необходимости разнесения БЭ на «безопасное» расстояние, что ведет к увеличению габаритов СВЧ модуля; не всегда положение спасает введение дополнительных поглощающих экранов, металлических стенок, штырей и пр.

Рис. 2.2. Вид сбоку разомкнутого конца НПЛ (а); частотная зависимость проводимости излучения (б) и проводимости поверхностной волны (в) открытого конца линии

При проектировании необходимо учитывать долю излучаемой и преобразуемой в поверхностные волны энергии. На эквивалентной схеме рис. 2.1, б отмеченное вытекание энергии учитывается введением входной проводимости для приближенного учета которой можно воспользоваться результатами [1].

Коэффициент отражения от открытого конца НПЛ имеет вид

или

Согласно (3) входная проводимость определяется так:

Приведенные аналитические результатах можно использовать при первоначальных прикидочных оценках. Более строгие результаты получены, например, в [180] (см. также [2, 181]; в этих работах дап обзор литературы и результатов по другим многочисленным источникам). На рис. 2.2 приведены данные по входной проводимости [180]; из них видно, что энергия излучения открытым концом увеличивается по мере роста частоты и уменьшения диэлектрической проницаемости подложки. На низких частотах превалирует поле излучения, а на высоких — энергия излучения оказывается сравнимой; с энергией поверхностной волны (см. также [179]).

Рис. 2.3. Разрыв в полосковой линии (а); эквивалентная схема (б)

Вытекающие волны не имеют нижней частоты отсечки, что необходимо учитывать при проектировании высокодобротных резонансных и излучающих БЭ ОИС.

Разрыв в токонесущем проводнике ПЛ. В том же квазистатическом приближении плоскопараллельиый разрыв (рис. 2.3, а) можно представить в виде «аддитивного» положения независимых друг от друга емкостей открытых концов, емкости собственно разрыва и параллельно последней — проводимости излучения Для величин в этом приближении имеют место оценки [23]:

где

В формулах (5), (6) и в дальнейших выражениях проводимости нормированы на волновое сопротивление входной линии. Излучение здесь не учтено.

Круглое отверстие в середине токонесущего проводника. Отверстия (и в том числе круглые) в проводнике ПЛП (рис. 2.4, а) широко используются в практике ИС для параллельного включения сосредоточенных активных элементов, для задач согласования БЭ и др.

Рис. 2.4. Круглое отверстие в проводнике (а); эквивалентная схема (б)

Значения реакгивностсй эквивалентной схемы (рис. 2.4, б) в зависимости от размера отверстия определяются следующим образом [23]:

Здесь эффективная ширина проводника. Излучение из отверстия во внешнее пространство в (7), (8) не учтено.

Симметричный скачок ширины проводника. Такие элементы в ИС СВЧ находят самое разнообразное применение в согласующих трансформаторах, фильтрах, соединительных элементах и т. п. (рис. 2.5, а). В квазистатическом приближении эквивалентная схема имеет вид, представленный на рис. 2.5, б. При составлении ее учитывалось, что выступ перехода от широкой части проводника к узкой имеет индуктивный характер [23]:

где обозначают эффективную ширину соответствующего проводника (рис. 2.5, а). Неоднородность частично открытого конца проводника имеет емкостную проводимость Эффективное

удлинение выступов проводника и входная проводимость излучения его концов определяются с помощью (1), (4).

Прямоугольный изгиб (излом) проводника. На практике широко используются изломы под разными углами [1]. Однако наиболее частый случай — излом под прямым углом (рис. 2.6, а).

Рис. 2.5. Скачок ширины проводника (а); эквивалентная схема (б)

При составлении эквивалентной схемы прямоугольного излома (рис. 2.6, б) учитывалось, что внешние стороны проводника в области изгиба представляют индуктивную проводимость а площадь изгиба — емкостную Их значения суть [23]

В случае больших зпачений коэффициента отражения от рассмотренной неоднородности в области изгиба будет сильное излучение; при этом входная проводимость и коэффициент отражения определяются соотношениями (2), (4).

Рис. 2,б. Прямоугольный изгиб проводника (а); эквивалентная схема (б)

Минимальное отражение в прямоугольном изгибе проводника достигается при выборе топологии со срезом по диагонали внешней стороны изгиба проводника (на рис. 2.6, а срез показан пунктирной линией; см. [1]).

Т-образное разветвление проводника. Этот тип неоднородности является ключевым для целого ряда БЭ ОИС (делителя мощности, мостовые устройства, элементы полосовых фильтров и др.) (рис. 2.7, а). Эквивалентная схема представлена на рис. 2.7,6. В ней учтено: излучение во внешнее пространство (входная проводимость идеальная трансформация сопротивлений и реактивный (емкостная и индуктивная проводимости)

характер (рис. 2.7,6). Анализ эквивалентной схемы (рис. 2.7,6) проведен в [176]. Входная проводимость излучения рассчитывается по (4), а остальные параметры эквивалентной схемы суть

Здесь

Соотношения (12), (13) дают возможность рассчитывать частотные характеристики коэффициентов волповой матрицы рассеяппя [1, 174].

Следует отметить, что исследованию -образпых соединений посвящено большое количество работ [182—186], в которых показано, что при наилучших согласованиях -соединение имеет выраженный емкостный характер.

Рис. 2.7. Т-соединение проводников (а); эквивалентная схема (б); прямоугольный (в) и треугольный (г) согласующие профили

Для получения минимальных коэффициентов отражения () необходимо изменить профиль -соединения, например, путем удаления в области соединения

проводников металла прямоугольной или треугольной формы (рис. 2.7, в, г).

При формировании профиля -соедипепия необходимо учитывать условия согласования (см., например, [187])

Использование условия (14) дозволяет в принципе подобрать такие профили -образных соединений, в которых удается практически полностью скомпенсировать емкостную проводимость в определенном диапазоне частот. На рис. 2.8 для сравнения приведены частотные характеристики шлейфа на -соединении с учетом емкостной компенсации в виде прямоугольного выреза (кривая и без него (кривая 2) [188].

Рис. 2.8. Частотные характеристики коэффициентов волновой матрицы рассеяния -соединения шлейфа без согласования (штриховые кривые) и с прямоугольным согласующим профилем (сплошные): крестики — результаты эксперимента

Видно, что использование вырезов позволяет резко увеличить полосу рабочих частот. Подробные численные результаты содержатся в [1].