2.6. МИКРОПОЛОСКОВАЯ ЛИНИЯ

Преимущества микрополосковой линии, как и симметричной полосковой, проявляются в полной мере в тех случаях, когда необходимо создать гибридные цепи, состоящие из элементов с сосредоточенными и распределенными параметрами. Всеми достоинствами, присущими симметричной полосковой линии по сравнению с другими линиями передачи, обладает в равной степени и микрополосковая линия, кроме одного. В микрополосковой линии существенно сильнее взаимное влияние между соседними проводниками, что обусловлено более открытой структурой линии и отсутствием симметрии относительно горизонтальной оси. На рис. 2.9 изображены поперечное сечение микрополосковой линии и приближенная структура электрического поля в ней.

Как видно из рис. 2.9, конструкция микрополосковой линии чрезвычайно проста: металлический проводник (полоска) шириной и толщиной лежит на обеспечивающей прочность и жесткость конструкции подложке толщиной выполненной из однородного диэлектрика с относительной проницаемостью и покрытой с внешней стороны слоем металла. Структура поля в линии носит достаточно сложный характер. Теоретический анализ поля в микрополосковой линии усложняется тем, что лишь часть поля концентрируется в заполненном диэлектриком промежутке между полоской и заземленным проводником, а остальная - над и рядом с полоской в воздухе. Поэтому распространяющаяся в линии мода не чистая ТЕМ, а квази-ТЕМ. С помощью термина ”квази-ТЕМ” подчеркивается, что различие в структуре полей, обусловленное присутствием влинии слоистой среды воздух диэлектрик двух мод невелико. На низких частотах анализ, выполненный в предположении, что распространяется мода квази-ТЕМ, дает вполне приемлемую точность, однако по мере повышения частоты становятся все более заметными продольные составляющие полей, что сказывается на результатах анализа. В частности, заметно проявляется дисперсия, т. е. волновое сопротивление линии и эффективная диэлектрическая проницаемость начинают зависеть от частоты.

Рис. 2.9. Поперечное сечение (а) и структура поля (б) в микрополосковой линии

При расчете микрополосковой линии возникает необходимость определять величину, получившую название эффективной диэлектрической проницаемости Эта величина чрезвычайно полезна, так как характеризует соотношение между энергиями, концентрирующимися в воздухе и диэлектрике. Как было показано в гл.

1, любая линия с модой ТЕМ характеризуется величиной фазовой скорости Напомним, что скорость перемещения фронта волны вдоль линии:

При отсутствии диэлектрического заполнения фазовая скорость в линии совпадает со скоростью света в свободном пространстве

где с погонная индуктивность линии с диэлектриком, равная в данном случае погонной индуктивности линии с воздушным заполнением; - погонная емкость линии с воздушным заполнением; С - то же, но при наличии слоя из диэлектрика.

Из этих равенств следует

т. е.

Микрополосковая линия с относительно широкой полоской близка по своим свойствам к плоскому конденсатору, в котором практически вся энергия электрического поля концентрируется в диэлектрике под полоской. Поэтому величина весьма близка к полоска узкая , то энергия электрического поля распределяется практически поровну между воздухом и диэлектриком. В этом случае величина близка к полусумме воздуха и диэлектрического слоя, т. е. Следовательно,

Для любой волны, распространяющейся в линии, фазовая скорость распространения

свободном пространстве,

при наличии диэлектрика.

Подставляя эти равенства в (2.23), получаем

т. е.

где длина волны в микрополосковой линии.

В литературе приводится множество аналитических выражений для расчета параметров микрополосковых линий. Часть из них получена либо путем обработки результатов экспериментального исследования, либо, что чаще, - результатов расчета на ЭВМ. Без таких аналитических выражений невозможно обойтись при машинном проектировании, когда требуется выполнить большое число расчетов с целью оптимизации конструкции. Наиболее общие выражения, пригодные для

расчета микрополосковых линий с при получены в [7]. При нулевой толщине полоски они имеют вид:

где

где

В указанном интервале изменения погрешность расчета величин и по формулам (2.25) не превышает

Для синтеза микрополосковой линии можно воспользоваться следующими выражениями:

при

при

где

Погрешность расчета по (2.26) того же порядка, что и по (2.25).

Влияние толщины лолоски можно учесть, введя в (2.25) и (2.26) вместо физической ширины полоски ее эффективную ширину при

при

При записи (2.27) предполагалось, что

На частотах до 10 ГГц дисперсия эффективной диэлектрической проницаемости в микрополосковой линии обычно настолько мала, что ею можно пренебречь. Если эффекты, связанные с дисперсией, существенны, то за информацией следует обратиться к работе [8], где получен ряд простых выражений, с помощью которых можно в

соотношениях (2.25) - (2.27) учесть влияние изменения частоты на волновое сопротивление и ширину полоски.

Волновое сопротивление микрополосковмх линий, изготавливаемых промышленностью, обычно не выше 125 Ом и не ниже 20 Ом. Снизу значения ограничиваются потерями на излучение и преобразованием в моды, распространяющиеся в поперечной плоскости линии. В качестве материала, из которого выполняется подложка, можно использовать разнообразные диэлектрики. Из них только два получили широкое применение на частотах до 18 ГГц и выше.

1. Неорганический диэлектрик на основе окиси алюминия с относительной проницаемостью и содержанием чистой окиси алюминия до

2. Органические диэлектрики типа полистирола или стеклотекстолита с относительной проницаемостью 2-3, используемые при разработке и моделировании полосковых устройств.

Отметим, что устройства на неорганической подложке можно разработать, предварительно изготовив эти устройства на органической полдожке и, наоборот, с соответствующей коррекцией размеров всех цепей. При переходе с органической на неорганическую подложку все размеры следует уменьшить, так как относительная, а следовательно, и эффективная диэлектрическая проницаемости возрастают [см. равенство (2.24)].

Так как толщина подложки микрополосковых плат невелика, вводят дополнительный металлический кожух, обеспечивая тем самым механическую жесткость, возможность отвода тепла от активных элементов и защиту от атмосферного воздействия. Однако введение кожуха оказывает влияние на параметры линии, описываемые выражениями (2.25) - (2.27). Кожух экранирует внутреннее пространство от внешних полей. Внутри кожуха часть краевых полей замыкается на экран, а не рассеивается во внешнем пространстве, что приводит к увеличению напряженности полей в воздушном зазоре между кожухом и линией. Когда крышка и боковые части металлического кожуха удалены на расстояние, приблизительно в пять или шесть раз большее, чем соответственно толщина подложки и ширина полоски, влияние экрана на параметры линии, описываемые (2.25) - (2.27), пренебрежимо мало. Приближенно влияние металлического экрана, находящегося вблизи микрополосковой линии, можно оценить, используя программу из следующей главы.

Для приближенного анализа и синтеза микрополосковой линии можно воспользоваться графиками на рис. 2.10, построенными с помощью (2.25) и (2.26).

Рис. 2.10. Зависимость волнового сопротивления от для микрополосковой линии с полоской бесконечно малой толщины

Таблица 2.3

Пример 2.11. С помощью графиков на рис. 2.10 определить отношение для -омной микрополосковой линии, если относительная диэлектрическая проницаемость материала подложки равна 2. Кроме того, определить волновое сопротивление линии, выполненной на подложке с относительной диэлектрической проницаемостью 10, если В обоих случаях полагать толщину полоски бесконечно малой.

Решение

Отношение и волновое сопротивление определяются по графикам, как показано на рис. 2.10. Найденные и исходные величины сведены в табл. 2.3. Отметим, что при определении волнового сопротивления или отношения исходной является одна и та же величина

Все расчеты, необходимые для анализа или синтеза микрополосковой линии передачи при относительной диэлектрической проницаемости не выше 16 и конечной толщине полоски, можно выполнить по программе Следует указать, что погрешность расчета по этой программе не превышает если Этого интервала достаточно для большинства применяемых линий.

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)