Лекція з підводного човна
ПРИНЦИПИ ВИКОРИСТАННЯ СМУЖКОВИХ ЛІНІЙ СВЧ ПРИ ПОБУДУВАННІ ЗАСОБІВ БЕЗПРОВІДНОГО ЗВ'ЯЗКУ
1. Конструкції смужкових ліній НВЧ
1.1. Переваги при використанні смужкових ліній у мобільній апаратурі.
В даний час мобільна апаратура зв'язку широко використовує діапазон надвисоких частот (НВЧ) - дециметровий, сантиметровий та міліметровий. При цьому дуже велике значення мають такі параметри, як габарити та маса апаратури. У мікроелектроніці НВЧ широкого застосування набули інтегральні схеми. Основу таких схем складають, як правило, відрізки смужкових (мікросмужкових ліній, МПЛ) у вигляді тонких шарів металу, нанесених на листи діелектрика (підкладки) з діелектричною проникністю 10 і більше. (На практиці в МПЛ застосовують підкладки і з меншою діелектричною проникністю, наприклад, з плавленого кварцу (ε = 3,78)). Найбільш поширені екрановані несиметричні МПЛ (рис. 1.1). МПЛ використовують у всьому діапазоні НВЧ. У порівнянні з порожніми хвилеводами МПЛ мають ряд недоліків - мають більш високі погонні втрати і порівняно низьку потужність, що передається (середня потужність - десятки ват, імпульсна - одиниці кіловат). Крім того, відкриті МПЛ випромінюють енергію у простір, чого можуть виникати небажані електромагнітні зв'язки.
Але МПЛ мають і важливі переваги. Вони мають малі габарити та масу, дешеві у виготовленні, технологічні та зручні для масового виробництва методами інтегральної технології. Це дозволяє реалізовувати на пластині з металізованого з одного боку діелектрика цілі вузли та функціональні модулі у мікросмужковому виконанні.
Рис.1.1. Циркулятор, виготовлений з використанням мікросмужкової технології
Важливо відзначити, що на такі вузли можуть встановлюватися активні елементи (діоди НВЧ, біполярні і це дозволяє створювати на основі смужкових ліній малогабаритні приймальні та передавальні модулі з високими характеристиками. Широкий розвиток та поширення мікросмужкової техніки обумовлено і тим, що до її виготовлення можна застосувати технологію друкованих плат (рис.1.1), наприклад, травлення друкованих провідників або вакуумне напилення.
1.2. Конструкція смужкових ліній
Смужковою лінією (ПЛ) називають спрямовуючу систему відкритого або закритого типу, що складається з двох або більше ізольованих один від одного провідних смужок.
Насправді найчастіше використовуються такі види ліній: а) симетрична полоскова лінія,
б) несиметрична смужкова лінія (іноді в літературі також називається мікросмужковою лінією),
в) щілинна смужкова лінія, г) компланарна смужкова лінія, та деякі інші.
Як правило, смужкові лінії виконуються у вигляді тонких металевих шарів, нанесених на аркуші діелектрика (рис.1.2). На малюнку позначено ширину смужки w, товщину провідника t, товщину діелектрика h. Як діелектрик використовуються полімерні матеріали (фторопласт, поліетилен, полістирол), що мають відносну діелектричну проникність r = 2,2 ... 2,4 і мале значення втрат в діапазоні НВЧ Керамічні матеріали з r = 9 ... 80, плавлений кварц, сапфір, фер . При виготовленні смужкових ліній часто використовують фольговану склотканину та інші діелектрики. Як провідні матеріали використовують мідь, латунь, які покривають сріблом і золотом. Для покращення зчеплення діелектричної підкладки та металевих смужок можуть використовувати тонку плівку хрому.
а) симетрична смужкова лінія
б)несиметрична смужкова
Мал. 1.2. Симетрична (а) та несиметрична (б) полоскова лінія
Симетрична смужкова лінія є тонкою металевою смужкою кінцевої ширини w , розташованою між двома паралельними металевими пластинами на однаковій відстані від кожної з них (рис. 1.2а). Зазор між смужкою та заземленими пластинами з конструктивних міркувань (жорсткість кріплення тощо) і з метою скорочення розмірів мікрохвильових мікросхем заповнюється твердим діелектриком (εr> 1). Основним типом хвилі, що розповсюджується вздовж симетричної підводного човна, є поперечна.
послідовно деформуючи її з коаксіальної лінії, як показано на рис.1.3 [1]. Суцільними лініями показані силові лінії вектора E, пунктирними - вектора H.
Мал. 1.3. Структура поля у симетричній смужковій лінії
Мікросмужкова лінія (МПЛ) (називається інакше несиметричною смужковою лінією) є найбільш поширеним типом підводного човна. Основним (нижчим) типом хвилі, що поширюється МПЛ, служить хвиля типу силові лінії електричного поля якої проходять у діелектриці, а й поза ним. Структуру поля можна побудувати шляхом послідовної деформації структури поля у симетричній двопровідній лінії (рис.1.4):
Рис.1.4. Структура поля у несиметричній смужковій лінії
У хвилі поздовжні складові векторів E та H дуже малі. Чим
більше значення r, тим менше силові лінії вектора E виходять з діелектрика в повітря.
На рис. 1.5 показано щілинну лінію. Щілинна лінія застосовується у пристроях, депотрібно забезпечити великий хвильовий опір лінії передачі, включення послідовних шлейфів і короткозамикаючих елементів, а також в інтегральних мікросхем спільно з мікросмужковими лініями. У щілинній лінії поширюється хвиля
В інтегральних НВЧ схемах широко застосовуються компланарні хвилеводи. Використання компланарних хвилеводів у НВЧ пристроях підвищує гнучкість конструювання, полегшує виконання при реалізації деяких функціональних пристроїв. Конфігурація компланарного хвилеводу показано на рис. 1.6, а. Інша
Рис.1.5. Щілинна лінія
Рис.1.6. Компланарний хвилевід (а) та компланарна полоскова лінія (б)
При малих відстанях S між компланарними смужками електромагнітна хвиля, що поширюється однією з них, збуджуватиме хвилю, що поширюється вздовж іншої смужки. Завдяки такому зв'язку частина енергії передаватиметься в іншу смужку і збудить там хвилю. Аналізуючи силові лінії поля та струми, що протікають у смужках, можна показати, що напрямок поширення хвилі в іншій смужці може бути протилежним напрямку хвилі в першій (т.зв. непарна хвиля). Це використовується в техніці НВЧ при створенні спрямованих відгалужувачів, мостових схем, фільтрів та інших пристроїв.
Рис.1.7. Непарна мода у паралельних смужках
Можливе також поширення парних хвиль, коли напрямок силових ліній векторів і струмів у смужках однакові, як показано на рис.1.8:
Рис.1.8. Чітна мода в паралельних смужках
1.3. Розрахунок вторинних параметрів смужкових ліній
1.3.1. Хвильовий опір
Досі аналіз і розрахунок параметрів МПЛ проводилися в квазистатическом наближенні, тобто. у припущенні, що у МПЛТаке наближення дозволяє отримати задовільні результати тільки в найбільш довгохвильовій частині діапазону НВЧ, коли довжина хвилі значно перевищує поперечні розміри лінії. З підвищенням частоти, у міру просування в область сантиметрових хвиль та освоєння міліметрових хвиль, квазістатичний метод дає дедалі більшу похибку. Це з тим, що не враховується дисперсійність лінії (залежності параметрів від частоти) і у ній хвиль вищих типів. Тому для суворого аналізу та розрахунку параметрів МПЛ, що задовольняють потреби практики, необхідно використовувати електродинамічний підхід та математичні моделі, що адекватно відображають фізичні процеси в реальній МПЛ.
У технічній літературі наводиться досить велика кількість різних формул і номограм для розрахунку вторинних параметрів смужкових ліній. Вони відрізняються використовуваним математичним апаратом та гарантованою похибкою. Як приклад наведемо методику розрахунку такого важливого вторинного параметра, як хвильовий опір.
З похибкою, яка не перевищує 1,24%, для розрахунку хвильового опору симетричної лінії можна знайти за такими формулами [1] (позначення розмірів відповідають рис.1.2, 1.5 та 1.6):