Продолжительность работы - 4 ч. Теоретические сведения

Теоретические сведения

Линии передачи

Линией передачи называют устройство, ограничивающее область распространения электромагнитных колебаний и направляющее поток электромагнитной энергии в заданном направлении.

Полосковые, волноводные и коаксиальные (жесткие или гибкие) линии передачи используются для передачи сигналов от передатчика к антенне и от антенны к приемнику для соединения блоков аппаратуры, модулей и узлов. Отрезки линии передачи служат основой конструкции ряда устройств.

К линиям передачи предъявляются следующие требования: они должны быть просты в изготовлении, пригодны для работы в широком диапазоне частот, обладать достаточной электрической прочностью, минимальными габаритными размерами и массой, устойчивостью к механическим и климатическим воздействиям и не приводить к недопустимым потерям и искажениям сигналов.

В линиях передачи СВЧ могут распространяться в общем случае волны четырех типов: Е - электрические волны, Н - магнитные, ТEM - поперечные электромагнитные и ЕН (НЕ) - гибридные. Каждый тип включает множество видов волн, отличающихся друг от друга структурой поля, а также коэффициентом распространения, волнового сопротивления, критической частотой (начиная с которой данный тип волны может распространяться) и другими параметрами.

На практике, как правило, используется низший или основной тип волны линии передачи, которому соответствует наименьшее значение частоты (наибольшее значение длины волны ).

Коэффициент распространения волны любого типа в реальной линии (с потерями) - величина комплексная:

, (1)

где - постоянная затухания, 1/м; - постоянная распространения, рад/м.

Для постоянной распространения справедливо выражение

, (2)

где - фазовая скорость; - групповая скорость волны в линии; - скорость света; -волновое число в свободном пространстве; - длина волны в линии.

Потери электрической энергии в линиях передачи обусловливаются в общем случае конечной проводимостью металлических направляющих элементов (стенок, проводников, оснований), неидеальностью диэлектриков линии, а также излучением в открытых линиях передачи. Это приводят к убыванию амплитуды поля и передаваемой мощности при удалении от источника по экспоненциальному закону:

, , (3)

где , и , - напряженности поля и мощности на входе и выходе линии с потерями; - длина линии.

Потери в линии измеряются в децибелах и определяются выражением:

. (4)

Микрополосковая линия передачи

Микрополосковая линия (МПЛ) является одним из основных элементов микросхем и плат СВЧ и широко используется в качестве составных частей таких устройств, как ответвители, делители мощности, фильтры, фазовращатели и др.

МПЛ представляет собой проводник ленточного типа прямоугольного сечения, расположенный на подложке или плате, на обратной стороне которой размещена заземленная металлическая плоскость. Конструкция МПЛ приведена на рис.1, а. Структура электромагнитного поля в данной линии передачи показана на рис.1, б.

Рис.1. Микрополосковая линия: а - конструкция; б - структура поля

В МПЛ основным типом волны является квази- ТЕМ -волна, которая на частоте практически не отличается от волны ТЕМ (для этого типа волны векторы напряженности электрического поля Е и магнитного поля Н взаимно перпендикулярны)

МПЛ характеризуется следующими параметрами: длиной волны в линии, предельной частотой, волновым сопротивлением, коэффициентом потерь и др.

Длина волны в линии определяется по формуле

,

где - длина волны в свободном пространстве; - эффективная диэлектрическая проницаемость, являющаяся функцией физических и геометрических параметров МПЛ.

Эффективную диэлектрическую проницаемость приблизительно можно вычислить по формуле

Эта формула справедлива на частотах до 3 ГГц. С ростом частоты эффективная диэлектрическая проницаемость, а следовательно, и волновое сопротивление начинают зависеть от частоты. Такое явление называют дисперсией.

Предельная частота волны, распространяющейся в МПЛ, определяется возникновением поверхностной волны на границе раздела сред диэлектрик - воздух. Частота, на которой возникает поверхностная волна, является верхней предельной частотой для волны основного типа в МПЛ и определяется по формуле

,

где частота в ГГц, а толщина подложки в мм.

Волновое сопротивление МПЛ - сложная функция конструктивных и электрических параметров проводника и подложки. Величина волнового сопротивления зависит от отношения .

Формулы для аналитического расчета величины волнового сопротивления в зависимости от отношения приведены ниже

для ,

,

для .

Величину волнового сопротивления можно определить по графикам, которые приводятся в [1], и рассчитать в программе Microwave Office по известным конструктивным и физическим параметрам линии. Эта программа позволяет решить и обратную задачу по определению геометрических размеров линии при известном волновом сопротивлении.

Общие потери в МПЛ, пренебрегая потерями на излучение , можно определить по формуле

,

где - потери в проводнике, рассчитываемые по формуле

, (5)

где - поверхностное сопротивление, , - глубина скин-слоя в проводнике; - потери в проводнике, рассчитываемые по формуле

(6)

Связанные МПЛ

Связанными называются две или несколько линий передачи, между которыми имеется непрерывная по длине электромагнитная связь. Конструкция и структура поля связанных линий представлены на рис.2.

Рис.2. Связанные МПЛ: а - конструкция; б, в - структура поля для волны с четным и нечетнымраспределением поля

В связанных линиях могут существовать волны с четным распределением поля, с нечетным, а также совокупность этих волн. Поэтому связанные линии характеризуются двумя значениями волновых сопротивлений: - при нечетном виде возбуждения и - при четном (индексы произошли от английских слов odd - нечетный, even - четный). Значение () равно входному сопротивлению одной линии бесконечной длины при наличии другой бесконечной линии, когда обе они возбуждены противофазно (синфазно). Величины и не зависят от частоты и определяются размерами линии и величиной ε, диэлектрика. При конструировании связанных линий необходимо установить связь волновых сопротивлений и с их геометрическими размерами. Длина области связи линий, используемых, например, в фильтрах, обычно кратна четверти длины волны передаваемых колебаний СВЧ. Поскольку значения волновых сопротивлений и для четного и нечетного возбуждения различны, то это приводит к отличию длин волн этих видов: , где , - длины волн при четном и нечетном возбуждении; λ - длина волны в одиночной МПЛ.

Материалы подложек и проводников

Подложка как основной элемент МПЛ и несущая конструкция гибридных интегральных схем (ГИС) должна обладать малыми потерями, достаточно большой величиной εи постоянством ее значения в широком диапазоне частот и температур; иметь хорошие сцепления с проводящим слоем (адгезию); быть химически стойкой, механически прочной, однородной по составу; допускать механическую обработку - резание, сверление, полировку до 12 - 14 класса шероховатости (среднее арифметическое отклонение составляет 0,04 - 0,01 мкм); обладать теплопроводностью, достаточной для устранения самоперегрева компонентов и элементов ГИС.

В ГИС чаще всего применяют: поликор (); в низкочастотной части сантиметрового диапазона - керамику 22ХС (); ситалл (); в высокочастотной части сантиметрового диапазона и на миллиметровых волнах - кварц, имеющий небольшое, но весьма стабильное значение . В устройствах с повышенным тепловыделением - подложки из брокерита (окись бериллия) (), отличающегося высокой теплопроводностью.

При тонкопленочной технологии вначале на подложку напыляют хром, ванадий или титан (толщиной 0,01 - 0,02 мкм). Пленки из этих материалов обладают хорошей адгезией, на которые затем наносят пленки меди, серебра или золота. При толстопленочной технологии смеси на основе золота или серебра вжигаются в керамику подложки.

Фильтры

Элементами микрополосковой СВЧ-техники являются частотно-селективные устройства, в том числе фильтры.

Фильтрами СВЧ называют пассивные четырехполюсники, осуществляющие передачу СВЧ колебаний в согласованную нагрузку в соответствии с заранее заданной частотной характеристикой. Основными конструктивными элементами фильтров СВЧ являются реактивные неоднородности, резонаторы, а также соединяющие их отрезки линии передач.

По взаимному расположению полос пропускания и задерживания различают фильтры низких частот (ФНЧ), фильтры высоких частот (ФВЧ), полосно-пропускающие фильтры (ППФ), режекторные фильтры (РФ).

Из существующего множества различных типов фильтров в технике часто используют полосно-пропускающие фильтры. Такие фильтры пропускают лишь частотные составляющие входного сигнала, которые попадают в полосу пропускания устройства и отражают, поглощают или подавляют те составляющие, которые лежат ниже или выше полосы пропускания [1].

Важным параметром фильтра является его затухание, вносимое в тракт. Полосу частот с малым допустимым затуханием называют полосой пропускания, а с большим - полосой задерживания.

Микрополосковые фильтры

Микрополосковые ППФ состоят из нескольких взаимодействующих микрополосковых резонаторов различных конфигураций. Одним из видов микрополосковых ППФ является фильтр на отрезках связанных МПЛ (рис.3). Такие фильтры применяются на частотах от 100 МГц до 40 ГГц. Расчет их характеристик проводится с помощью S -параметров.

Рис.3. Топология фильтра на связанных МПЛ

Основными характеристиками фильтра являются амплитудно-частотная характеристика (АЧХ)и число звеньев n. Кроме того, существуют следующие характеристики:

· ширина полосы пропускания (Bandwidth) для заданного уровня потерь. Например, полоса пропускания для ППФ по умолчанию устанавливается на уровне 3 дБ Относительная ширина полосы (Percent Bandwidth) для ППФ формируется в процентах от значения центральной частоты, т. е. (полусуммы значений граничных частот на уровне 3 дБ);

· уровень потерь (Insertion Loss - IL) в полосе пропускания;

· коэффициент прямоугольности (Shape Factor), нормируемый по умолчанию как отношение полосы по уровню 30 дБ к полосе по уровню 3 дБ;

· уровень неравномерности (пульсации) коэффициента передачи в полосе пропускания (Passband Ripple), измеряемый в децибелах;

· коэффициент стоячей волны (Voltage Standing Wave Ratio - VSWR), или коэффициент отражения в полосе пропускания.

Изучение СВЧ устройств с помощью
программы Microwave Office

Краткое описание интерфейса и основных операций программы Microwave Office

Чтобы начать проектирование, необходимо произвести запуск программы с помощью файла MWOffice.exe.

На экране появится основное окно сайта (рис.4).

Компоненты среды проектирования AWR

Основное окно содержит необходимые компоненты проектирования схем, их анализа, вывода на экран дисплея результатов в виде графиков, таблиц, диаграмм.

Перечень основных компонентов и их описание приведены в табл.1.

Рис.4. Вид основного окна при работе с программой

 

 

Таблица 1