4.7. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ СВЯЗИ В ПОЛОСКОВЫХ ЛИНИЯХ УСТРОЙСТВ СВЧ
При проектировании устройств СВЧ на полосковых линиях неизбежно возникает необходимость учета взаимных электромагнитных связей между соседними проводниками ПЛ, причем условно можно рассматривать два типа связей — паразитные и организованные.
Современная тенденция микроминиатюризации устройств СВЧ требует повышения плотности компоновки полосковых линий. При этом возможности технологических процессов позволяют получить малую ширину полосок и зазоров между ними — до 50 мкм. Паразитные же связи, увеличивающиеся при уплотнении компоновки, ограничивают сближение полосок, влияют на величину волнового сопротивления и дополнительных потерь, искажают характеристики схемы.
Для уменьшения паразитных связей между полосками целесообразно относить их как можно дальше друг от друга и от стенок корпуса, однако это приводит к увеличению габаритов устройств СВЧ. Полностью исключить паразитные связи невозможно, но можно установить их допустимые значения.
Анализ связей между параллельными проводниками показывает, что взаимовлияние проводников монотонно уменьшается при увеличении зазора между ними. При изменении длины связи характер зависимости более сложный и определяется не только длиной связи, но и режимом работы связанных линий — согласованным и рассогласованным. Величина паразитной связи должна при этом рассчитываться отдельно для каждого конкретного случая.
К паразитным связям также относится влияние стенок корпуса, которое определяется изменением волнового сопротивления проводника и, как следствие этого, ухудшением согласования линии передачи. В реальных схемах наибольшее влияние стенки наблюдается при длине связи Q=π/2. При удалении проводника ог корпуса это влияние быстро уменьшается.
Расчетная зависимость КСВН от длины связи и от величины зазора между корпусом и проводником приведена на рис. 4.24 [16].
Микрополосковые связанные линии дополнительно подвержены влиянию верхнего экрана (рис. 4.25). Их параметры практически не меняются при удалении верхнего экрана на расстояние более пяти толщин подложки.
Рис. 4.24. Графики зависимостей КСВН от длины связи при различных значениях расстояния s
Рис. 4.25. Графики зависимостей сопротивлений связанных МПЛ при четном (сплошные линии) и нечетном (штрих-пунктирные линии) видах возбуждения от высоты экрана для различных отношений s/h
Принцип связанных линий используется для построения различных устройств — ответвителей, фильтров, сумматоров. В этом случае между двумя или несколькими проводниками имеется непрерывная, распределенная по длине электромагнитная связь.
Основным типом колебаний в связанных полосковых линиях является Т-волна (в МПЛ квазиТ-волна). Возбуждение связанных линий осуществляется, как правило, со стороны одного из плеч. Сложный анализ такого возбуждения может быть заменен более простым анализом изолированных линий, работающих в режиме синфазного возбуждения. При синфазном возбуждении связанные линии в каждом своем сечении имеют одинаковые по амплитуде и фазе волны напряжения. При противофазном возбуждении связанные линии в своем сечении находятся под одинаковым по величине, но противоположным по фазе напряжением. Синфазную волну называют также четной и однотактной, противофазную — нечетной, антифазной или двухтактной.
Волновое сопротивление одной из связанных линий при синфазном возбуждении больше, а при противофазном меньше волнового сопротивления одиночной полосковой линии: Z0e>Z0>Z00. Это объясняется соответственно меньшей и большей величинами емкости связанных полосковых проводников относительно заземленных пластин и соответственно разной структурой поля (рис. 4.26).
Рис. 4.26. Структура поля в связанных симметричных полосковых линиях:
а) для четного вида возбуждения; б) для нечетного вида возбуждения
Рис. 4.27. Графики зависимостей эффективной диэлектрической проницаемости связанных микрополосковых линий:
а) от высоты экрана (Н) при различных значениях s/h, w/h, εr; б) от отношения w/hпри различных значениях εr и s/h
в) при w/b > 0,035
Рис. 4.28. Конфигурации связанных полосковых линий: а) с боковой связью; б) с лицевой связью через щель; в) с лицевой связью; г) с боковой связью для МПЛ
Расчет размеров линии, конфигурация которой показана на рис. 4.28α, можно также проводить по номограммам рис. 4.29 [11]. При этом геометрические размеры связанных линий определяют на пересечении прямой, соединяющей точки Zое √εr, Z00 √εr крайних линий номограммы с вертикальной прямой размеров s/b и w/bцентральной линии номограммы.
В микрополосковой линии (см. рис. 4.28г) электромагнитное поле, окружающее и связывающее полосковые линии, частично находится в воздухе, а частично — в диэлектрике. Эта особенность МПЛ приводит к неравенству фазовых скоростей четных и нечетных типов волн (порядка 17%), что в результате дает конечную направленность микрополосковых ответвителей. Направленность уменьшается с возрастанием переходного ослабления и при достаточно больших значениях ослабления может стать отрицательной.
Связь геометрических размеров МПЛ с волновыми сопротивлениями четных и нечетных типов волн описывается выражениями [5]
Puc. 4 29 Номограммы зависимости волновых сопротивлений связанных симметричных полосковых линий при четном и нечетном видах возбуждения:
а) от w/b; б) от s/b
Для удобства расчетов на рис. 4.30 приведены графические зависимости волновых сопротивлений от размеров ПЛ [11].
Рис. 4.30. Графики зависимости сопротивлений связанных МПЛ при четном (сплошные линии) и нечетном (пунктирные линии) видах возбуждения от отношения w/h для различных значений s/h и εr
Рис. 4.31 Поперечное сечение связанных линий на компланарных волноводах
При создании устройств с высокой направленностью применяются связанные линии на компланарных волноводах. Высокая направленность таких устройств объясняется меньшим различием фазовых скоростей четных и нечетных типов волн (5%) по сравнению с МПЛ (17%). Волновые сопротивления для четного и нечетного типов волн связанных компланарных волноводов (рис. 4.31) определяются соотношениями
(4.49)
где k0 и R находятся по графикам рис. 4.32 [11].
Рис. 4.32. Графики зависимостей коэффициентов R (а) и К0 (б) от отношения c1/a1
