4. Полосковые линии передачи

За последние десятилетия в технику СВЧ прочно вошли интересные линии передачи с видами ТЕМ, носящие название полосковых линий передачи.

Будем называть полосковой линией направляющую систему открытого типа, состоящую из двух или более изолированных друг от друга проводящих полос. В настоящее время этот термин используют для обозначения настолько разных линий передачи, что дать всеобъемлющее определение полосковых линий не представляется возможным. На практике наиболее часто используются следующие линии: симметричная полосковая линия (СПЛ), несимметричная полосковая линия (НПЛ), микрополосковая линия (МПЛ), щелевая полосковая линия и некоторые другие. Как правило, полосковые линии выполняются в виде тонких металлических слоев, нанесенных на листы диэлектрика. В качестве диэлектрика используют материалы с малыми потерями в диапазоне СВЧ (малым тангенсом угла электрических потерь ). Иногда применяют воздушное заполнение линий. При изготовлении полосковых линий используют или фольгированные диэлектрики, или наносят металлические полоски на поверхность диэлектрика, применяя тонкопленочную или толстопленочную технологию.

Несмотря на относительно простую геометрию полосковых линий, их строгий анализ представляет достаточно сложную задачу, решаемую, как правило, с помощью численных методов. Так как полосковые линии относятся к линиям открытого типа, то при распространении вдоль них электромагнитных волн возникают радиационные потери (часть мощности излучается из линии во внешнее пространство). На практике используют полосковые линии, поперечные размеры которых малы по сравнению с длиной волны. Радиационные потери в таких линиях обычно незначительны, и при анализе структуры поля и параметров основных волн ими пренебрегают.

Основной волной в полосковых линиях, как правило, является ТЕМ-волна, или квази-ТЕМ волна, по структуре поля и другим свойствам близкая к ТЕМ-волне. Анализ таких волн обычно проводят на основе квазистатического приближения, как было сделано в случае коаксиальной линии. Рассмотрим более подробно основные типы полосковых линий, широко используемых в технике СВЧ.

5. Симметричная полосковая линия

Симметричная полосковая линия СПЛ представляет собой трехпроводную полосковую линию, состоящую из полоски шириной и толщиной, помещенной симметрично относительно экранирующих пластин, расположенных на расстояниидруг от друга и имеющих ширину(рисунок Рисунок 36 ). Пространство между проводниками полностью заполнено однородным диэлектриком с параметрами,,. Токонесущие элементы (полоска и экранирующие пластины) выполнены из металла с удельной проводимостью. При,иосновной волной в СПЛ является ТЕМ-волна, для которой.

36. −Симметричная полосковая линия

Строгий анализ ТЕМ-волны в СПЛ при может быть выполнен методами теории функций комплексного переменного с помощью конформных отображений. Однако качественное представление о структуре ТЕМ-волны в СПЛ можно получить более просто, рассматривая СПЛ как линию, получающуюся в результате деформации коаксиальной линии (рисунок Рисунок 37 ).

37. −Преобразование коаксиальной линии в СПЛ

Отметим, что основные характеристики ТЕМ-волны в СПЛ можно определять по формулам для плоских волн в однородной изотропной среде. Важной характеристикой линии передачи с ТЕМ-волной является ее волновое сопротивление , гдеи− комплексные амплитуды напряжения и тока в линии, соответствующие бегущей волне. Зная формулы для электрического и магнитного поля в СПЛ, можно найти для неетак же, как это было сделано в случае коаксиальной линии. Однако обычно волновое сопротивление полосковых линий определяют иначе. Выше было показано, что волновое сопротивление линии с ТЕМ-волной можно рассчитывать через погонную емкость линиипо формуле

.

В случае СПЛ погонную емкость линии согласно рисунку Рисунок 38 можно представить в виде

,

где − емкость плоского конденсатора с пластинами ширинойи длиной 1 м, расположенными на расстоянии, рассчитанная без учета краевых эффектов, а−емкость, связанная с краевыми полями на концах полоски. Емкостьзависит от,илинии и определяется методами конформных отображений.

38. −Погонная емкость СПЛ

Приведем окончательные приближенные формулы для , позволяющие проводить расчеты с относительной погрешностью, не превышающей 1,24%:

при ,

где ,;

при ,

где .

Как следует из приведенных формул, волновое сопротивление СПЛ уменьшается при увеличении, заполняющего диэлектрика, увеличении шириныи толщиныполоски и уменьшении расстояния между экранирующими пластинами, поскольку при указанных изменениях увеличивается емкость.

Расчетные и экспериментальные данные показывают, что в СПЛ с конечной шириной экранирующих пластин приполе практически полностью сосредоточено в заполняющем диэлектрике, а на границе диэлектрик-воздух оно отсутствует; поэтому все характеристики СПЛ в этом случае можно рассчитывать по формулам, справедливым для.

Если и, то при распространении ТЕМ-волны по СПЛ происходят потери энергии в заполняющем диэлектрике и проводниках линии. Кроме того, имеет место излучение энергии в окружающее пространство. Приизатуханием волны за счет излучения можно пренебречь. Расчеты показывают, что даже в самом благоприятном случае, при использовании высокочастотных диэлектриков с малыми хорошо проводящих металлов, например, меди, коэффициент ослабления в СПЛ на частотах выше 1 ГГц имеет величину от нескольких десятых до нескольких единиц децибел на метр. Причем коэффициент ослабления возрастает как с увеличением частоты, так и с увеличением. На одних и тех же частотах коэффициент ослабления СПЛ в несколько раз больше коэффициента ослабления в металлических волноводах и коаксиальной линии, что объясняется весьма малыми поперечными размерами СПЛ и полным диэлектрическим заполнением линии. Несмотря на это, полосковые линии находят широкое применение в технике СВЧ: практически вся приемная аппаратура конструируется на их основе. При использовании полосковых линий удается получить весьма малые габариты и массу устройств, в первую очередь за счет повышениязаполняющего диэлектрика и, как следствие, уменьшения длины волны в линии.

С целью уменьшения затухания волны в СПЛ применяют несколько измененную конструкцию СПЛ, называемую высокодобротной полосковой линией (рисунок Рисунок 39 ). В этом случае проводящую полоску между экранами выполняют в виде двух полосок, нанесенных по разные стороны тонкой диэлектрической пластины. Обе полоски находятся под одним и тем же потенциалом. Пространство между полосками и экранами заполнено воздухом. Тонкая диэлектрическая пластина обеспечивает крепление и центрирование полосок между экранами. При этом ослабление волны в диэлектрической пластине весьма мало, поскольку из-за одинаковых потенциалов полосок концентрация электромагнитного поля в диэлектрике невелика. Симметричное расположение несущей диэлектрической пластины между экранами обеспечивается за счет специальных диэлектрических опор.

39. −Высокодобротная СПЛ