§ 3.1. Сверхширокополосные переходы — переходы с непосредственным гальваническим контактом

К этому классу переходных устройств относится большое число элементов; часть из них показана на рис. 3.1. Проводники соединяемых линий имеют непосредственный гальванический контакт, что наряду с одинаковой структурой полей соединяемых линий обеспечивает высокую пшрокополосность данного класса

Рис. 3.1. (см. скан) Переходы с непосредственным гальваническим контактом на коаксиальный (а - в) и прямоугольный (г - ж, и) волноводы; межслойные переходы (з, к — м)

переходных устройств. Рассмотрим коротко наиболее характерные типы этих БЭ.

Переход от коаксиального волновода (KB) к НПЛ (KB НПЛ; рис. 3.1, а; см., например, [197 — 200]) известен со времен возникновения интегральной схемотехники СВЧ. Широкое распространение данный переход получил из-за совпадения структуры поля в KB и НПЛ. Кроме того, отсутствие дисцерсии в KB практически позволяет сочленять линии в широкой полосе частот при и меньше Ограничение максимальной частоты такого перехода определяется. опасностью возбуждения высших типов волн в KB, в то время как слабая дисперсия НПЛ практически не влцяет на его характеристики. Наилучшие параметры имеет переход при толщине подложки НПЛ, равной внешнему радиусу KB, и ширине проводника НПЛ, несколько большей, диаметра внутреннего проводника КВ. Надежный электрический контакт с проводником НПЛ обеспечивается удлинением внутреннего проводника КВ.

При осуществлении перехода на СПЛ достаточно сверху на НПЛ внести слой диэлектрика, металлизированного с внешней стороны, а слой металла гальванически соединить с внешним проводником KB [200].

В переходе KB КЛ (рис. 3.1, б) соединение происходит аналогичным образом [201]. Гальванический же контакт внешнего проводника KB с широкими проводниками КЛ осуществляется с помощью металлических перемычек. При этом они должны быть расположены как можно ближе к краям зазоров КЛ, расстояние между которыми равно диаметру внешнего проводника КВ. Рассмотренные переходы работают в диапазоне от нуля до частот возникновения высших типов волн в соединяемых линиях (НПЛ, KB и КЛ). Проводимости, возникающие в области гальванического контакта соединяемых проводников, влияют на характеристики перехода. Поэтому удлиненную часть внутреннего проводника КЛ и металлические перемычки выполняют в виде контактных лепестков.

Для возбуждения СЩЛ усдешно используется перевод с ортогональным расположением KB и СЩЛ (рис. 3.1, в) [202]. Это вызвано тем, что структура полей в соединяемых линиях различная -волна, -волны). В этом переходе внешний проводник KB гальванически соединен с краем одной стороны СЩЛ, а внутренний с другой. За областью соединения СЩЛ разомкнута. Профиль удлиненной части внутреннего проводника KB в области щели повторяет изгиб радиуса линии электрического поля. В этом случае коэффициент трансформации волны [202]

где

Наилучшее согласование достигается при выполнении условия

где волновые сопротивления соединяемых линий.

Разомкнутый конец СЩЛ (с целью уменьшения потерь на излучение) выполняется в виде круга радиуса вырезанного в слое металла. Данная структура теоретически не рассматривалась. Были проведены экспериментальные исследования по оценке влияния радиуса на коэффициент отражения перехода (рис. 3.2). При этом выдерживалось условие согласования (2). Эксперимент проводился на подложках тол щины Данные рис. 3.2 показывают, что для наилучшего согласования в об ласти нижних частот необходимо увеличивать

Рис. 3.2. Зависимость коэффициента стоячей волны от радиуса вырезанного круга в переходе КВ СЩЛ (рис. 3.1, в) для разных частот

Аналогичным способом можно осуществить переход с НПЛ на СЩЛ, часто использующийся в ОИС СВЧ. Для этого достаточно вместо KB внести дополнительный слой диэлектрика с НПЛ, проводник которой через отверстие в диэлектрике соединен металлической перемычкой с противоположным краем щели [203].

Переход от прямоугольного волновода (ПВ) к НПЛ «ножевого» типа (рис. 3.1, г) осуществляет трансформацию -волны в -волну и наоборот [204, 205]. Учитывая необходимость сложного преобразования типов волн, в переходе используется каскадное соединение трех типов линий. ПВ соединен с помощью плавного или ступенчатого перехода с -образным волноводом, имеющим волновое сопротивление, равное сопротивлению НПЛ. Ширина выступа -образного волновода равна ширине проводника НПЛ, а воздушный зазор — толщине подложки НПЛ. Край выступа гальванически соединен металлической перемычкой с проводником НПЛ.

Рассмотренные переходы наиболее целесообразно использовать при экспериментальной отработке модулей ОИС СВЧ в связи с необходимостью их подключения к стандартным измерительным волноводно-коаксиальрым трактам.

В ОИС СВЧ самое широкое применение находят частично или полностью экранированные линии, для которых удобной моделью служит ПВ. На рис. 3.1, д-ж приведены некоторые примеры сочленения ПВ с различными типами ПЛП. Основу этих переходов составляет плавный чебышевский переход от ПВ к НПЛ, СЩЛ или НЩЛ [206, 207]. Наиболее сложна конструкция перехода от ПВ к экранированной НПЛ (рис. 3.1, д; [206]). Края проводника

и слоя металла образуют профиль радиуса Область перехода имеет длину приблизительно равную длине волны в НПЛ. На рис. 3.3 приведена частотная зависимость прямых потерь данного перехода в миллиметровом диапазоне волн.

Перейдем к рассмотрению межслойных переходов, характерных для ОИС СВЧ. Одними из первых переходов этого класса возникли межслойные соединения за счет металлических перемычек через отверстия в слоях диэлектрика (рис. 3.1, з). При компоновке многослойных схем на СПЛ используются переходы между СПЛ, в которых проводники и слои металла соседних этажей схемы гальванически соединены ленточными проводниками [208]. Коэффициент стоячей волны при этом получается меньше 1,15 в сантиметровом диапазоне.

Оригинальным является переход НПЛ ПВ, заполненный диэлектриком (рис. 3.1, и).

Рис. 3.3. Частотная зависимость коэффициента передачи в переходе НПЛ - ПВ (рис. 3.1, д)

Во-первых, он открывает широкие возможности применения ПВ в ОИС СВЧ, а во-вторых — позволяет реализовать частотно-избирательные элементы и узлы. Переход НПЛ ПВ выполняется в слое диэлектрика, имеющего общий металлический экран с одной стороны и с другой — проводник НПЛ, скачком переходящий в металлическую стенку ПВ [209]. Боковые стенки ПВ металлизированы. В случае большой разницы волновых сопротивлений между НПЛ и ПВ включается плавный либо ступенчатый переход на НПЛ [210].

Волновая матрица рассеяния рассматриваемого перехода на электродинамическом уровне строгости получена в [210]. Основным электрическим параметром перехода является частота отсечки

На рис. 3.4 приведены расчетные и экспериментальные частотные характеристики перехода, имеющего следующие параметры: ширина толщина слоя диэлектрика и высота длина диэлектрическая проницаемость Как видно из рис. 3.4, переход является широкополосным, но для совпадения расчетных кривых с экспериментальными данными необходимо учитывать краевой эффект открытого конца Экспериментально получено, что эффективное удлинение и не зависит от длины ПВ.

Замечательным свойством ОИС СВЧ, как мы уже говорили, является послойное расположение преимущественно НПЛ и СПЛ. Соединение этих линий без металлических перемычек впервые было предложено в [211]. Недостатком данного перехода являются большие габариты, связанные с необходимостью плавного изменения ширины проводников. На рис. 3.1, к показана более простая

конструкция перехода между двумя НПЛ, токонесущие проводники которых расположены по разные стороны слоя диэлектрика. В этой конструкции область плавного изменения проводников заменяется отрезком СПЛ с проводниками ограниченной ширины [211]. Минимальная длина отрезка СПЛ выбирается из условия отсутствия возбуждения поперечной -волны, возникающей между краями слоев металла.

Рис. 3.4. Частотная зависимость коэффициента передачи в переходе НПЛ ПВ, заполненном диэлектриком (рис. 3.1, и); сплошная кривая — для перехода с учетом краевой емкости открытого конца волновода; штриховая без учета краевой емкости; кружки — эксперимент

В случае большой разницы волновых сопротивлений соединяемых НПЛ отрезок СПЛ с проводниками ограниченной ширины (наряду с функциями элемента связи перехода) является четвертьволновым трансформатором. Экспериментальные исследования перехода между НПЛ с равными волновыми сопротивлениями показали, что в полосе частот 1-10 ГГц переход имеет коэффициент отражения и 1,2, а прямые потери — менее 0,2 дБ.

При необходимости соединения НПЛ с СПЛ достаточно на один из проводников НПЛ наложить слой диэлектрика, металлизированного с внешней стороны (рис. 3.1, л). Для выравнивания потенциалов в образованной СПЛ и для подавления в ней объемных волн, возникающих в поперечном направлении, слои металла гальванически соединены между собой металлическими перемычками через отверстия в диэлектрических слоях, которые одновременда являются крепежными соединениями ОИС СВЧ.

Аналогичным образом формируется переход между послойно расположенными СПЛ (рис. 3.1, м) [211].