Типы направляющих систем Направляемые волны, в отличие от свободно распространяющихся электромагнитных волн, могут существовать только при наличии каких-либо направляющих элементов: металлич -х, диэлектрич -х или полупроводниковых поверхностей, трубок, стержней и др. Устройство, ограничивающее область, в которой распространяются электромагнитные волны, и направляющее поток электромагнитной энергии в заданном направлении (например, от генератора к антенне), называют линией передачи (ЛП), волноводом или направляющей системой (НС). Регулярной линией передачи называется такая линия, характеристики которой (форма поперечного сечения, параметры среды) не зависят от продольной координаты z. Все линии передачи можно разделить: 1. Линии передачи открытого типа (двух-проводная линия, однопроводная линия, диэлектрический волновод, световод, волноводы поверхностной волны, линзовые и зеркальные системы); 2. Линии передачи закрытого типа (коаксиальный волновод (кабель), прямоугольный, круглый, эллиптический волноводы и др.). Пример: рис. 3.1. - двухпроводная линия, рис. 3.2. - диэлектрический волновод, рис. 3.3. - коаксиальный волновод (коаксиальный кабель), рис. 3.4. - прямоугольный волновод.
Конструктивные типы линий передачи, используемых в устройствах
1. ТЕМ-волны ( волны типа Т, поперечные волны ), у которых оба вектора E и H перпендикулярны оси Oz и не имеют продольных составляющих: Ez = 0, Hz = 0. Аббревиатура ТЕМ происходит от английского Transverse Electromagnetic. Примером ТЕМ-волны является плоская электромагнитная волна в неограниченном пространстве. С помощью ТЕМ-волн переносится энергия в двухпроводных ( энергоснабжающих, телефонных), коаксиальных и полосковых линиях передачи. ТЕМ-волны сущестуют только тогда, когда число проводников больше или равно 2. 2. ТЕ-волны ( Transverse Electric ), или магнитные волны, или волны типа Н, имеющие продольную составляющую магнитного вектора Hz при Ez = 0. 3. ТМ-волны ( Transverse Magnetic ), или электрические волны, или волны типа Е. Имеют продольную составляющую электрического вектора Ez при Hz = 0. Можно показать, что собственные волны полых металлических волноводов могут быть только волнами типа Е или Н. Т.е. ТE(ТМ)-волны – электромагнитные линейные волны, в которых вектор электрического(магнитного) поля ортогонален волновому вектору. ТЕ(ТМ) волны относятся к классу плоских монохроматических линейных волн.
Скин-эффект, поверхностный эффект, затухание электромагнитных волн по мере их проникновения в глубь проводящей среды, в результате которого, например, переменный ток по сечению проводника или переменный магнитный поток по сечению магнитопровода распределяются не равномерно, а преимущественно в поверхностном слое. С.-э. обусловлен тем, что при распространении электромагнитной волны в проводящей среде возникают вихревые токи, в результате чего часть электромагнитной энергии преобразуется в теплоту. Это и приводит к уменьшению напряжённостей электрического и магнитного полей и плотности тока, т. е. к затуханию волны. Плоская монохроматическая бегущая электромагнитная волна -- это электромагнитная волна, в которой E- и H- компоненты поля меняются по одному и тому же гармоническому закону, а поверхность постоянной фазы является плоскостью.
Полосковые линии передачи Определение, достоинства и недостатки полосковых ЛП Под полосковыми линиями будем понимать системы из двух и более проводящих полос, вдоль которых распространяется электромагнитная волна. Роль одной из этих полос может играть металлический экран. Достоинства полосковых линий передачи по сравнению с волноводными и коаксиальными линиями: 1. Почти все узлы СВЧ устройств могут быть выполнены в плоскостной форме. Для их производ-ства применены те же стандартные методы и техника, которые используются при изготовлении низкочастотных печатных схем. Это позволяет с высокой точностью изготавливать сложные, состо-ящие из многих деталей устройства, а также делает их стоимость примерно в 10 и более раз мень-ше по сравнению с аналогичными устройствами на основе волноводных и коаксиальных линий. 2. Размеры и вес устройств на основе полосковых линий значительно меньше по сравнению с устройствами на основе волноводных. 4. Рабочая полоса частот полосковых линий больше, чем у стандартных прямоугольных волноводов. Со стороны низких частот ограничений нет, по линии может быть передан даже постоянный ток, но размеры резонансных элементов становятся большими, начиная с частоты порядка 100 МГц. Со стороны высоких частот существует некоторая граница, при которой появляются высшие типы волн. Эта граница лежит в области частот, для которой становится порядка поперечных размеров линии ( длина волны в вакууме).
Недостатки: 1. Пробивная мощность полосковых линий в несколько раз меньше, чем у прямоугольного волновода, а потери в несколько раз больше. Пробивная мощность их примерно одинакова с круглыми волноводами, но потери выше. 2. Излучение мощности на различного типа неоднородностях, связанное с тем, что они являются открытыми системами. 3. Трудности конструирования ряда устройств (перестраиваемые устройства, согласованная нагрузка, короткозамыкающий поршень, измерительная линия). 4. Техника измерений в полосковых линиях заметно усложняется. В связи с этим необходимые измерения часто проводят в волноводных и коаксиальных линиях, переходящих затем в полосковую линию. Симметричная полосковая линия: конструкция, рабочая полоса частот, волновое сопротивление, потери, геометрические размеры. Конструкция симметричной полосковой линии (СПЛ) показана на рис. 3.1. Центральный проводник заключен между двумя диэлектрическими пластинами с металлизированными внешними поверхностями. СПЛ обладает хорошей экранировкой, малыми потерями на излучение, однако они сложны в изготовлении и настройке, требуют соблюдения геометрической симметрии. Центральный проводник СПЛ при собранной линии недоступен для регулировки, что создает определенные неудобства при настройке схем.
Рис. 3.1. Конструкция симметричной полосковой линии Рабочая полоса частот СПЛ не имеет ограничения в области низких частот. В некоторых устройствах (например, в детекторных секциях, смесителях, генераторах) она служит для передачи постоянного тока. Практически, поскольку размеры полосковых резонансных элементов на очень низких частотах становятся значительными, рекомендуется применять СПЛ на частотах выше 100 МГц. При достаточно протяженных диэлектрических и заземленных металлических пластинах силовые линии электрического поля не выходят за пределы диэлектрической среды, заполняющей линию (рис. 3.2). При этом в линии распространяется поперечная электромагнитная волна типа ТЕМ. В таких условиях волны с продольными составляющими поля Е или Н не возбуждаются.
Рис. 3.2. Структура электромагнитного поля в СПЛ Верхний предел частотного диапазона СПЛ определяется из условия возникновения волн типа Е (Н), для которых частота отсечки равна:
Геометрические размеры Ширина основания СПЛ (А) (ширина диэлектрических и заземленных металлических пластин). Для того, чтобы электрическое поле у кромки основания линии было незначительным по сравнению с однородным электрическим полем в области между основанием и центральным проводником, должно соблюдаться неравенство: Высота СПЛ (b) для соблюдения условий существования «чистой» волны типа ТЕМ должна быть: Ширина полоскового проводника (W) должна быть меньше , чтобы предотвратить возможность появления высших типов волн. Однако для повышения добротности полосковой линии необходимо, чтобы При этом подавление высших типов волн должно осуществляться дополнительными мерами (например, использованием штырей, замыкающих оба основания СПЛ).
Несимметричная полосковая и микрополосковая линии: конструкция, структура электромаг-нитного поля, рабочая полоса частот, волновое сопротивление, потери, геометрические размеры. Рис. 3.4 Конструкция несимметричной полосковой линии (НПЛ) Здесь проводящий слой выполнен на диэлектрической подложке с низкой диэлектрической проницаемостью e [от e = 1 (воздушное заполнение) до e =3..4]. Такая линия передачи имеет достаточно большие потери на излучение
Рис. 3.5 Явление излучения. Некоторые линии электрического поля, начинающиеся на верхней поверхности полоскового проводника, не замыкаются на основание, а уходят в бесконечность. Наличие этих силовых линий обусловливает потери на излучение и паразитные связи с соседними проводниками или элементами. Поэтому несимметричные полосковые линии практически не применяются в интегральных схемах СВЧ.
Микрополосковая линия (МПЛ). Микрополосковой линией мы называем несимметричную полосковую линию (см. рис 3.4), у которой подложка имеет малую высоту и большую диэлектрическую проницаемость e. В отличие от несимметричной линии с низким значением e в МПЛ электромагнитное поле «стягивается» в области между проводником и заземленным основанием, в связи с чем потери на излучение и паразитные связи оказываются в значительной степени ослабленными. Как правило, МПЛ помещается в корпус. МПЛ имеет следующие важные достоинства, которые определили ее широкое использование в гибридных и монолитных ИС СВЧ: малые габариты и массу, низкую стоимость при серийном производстве, высокую надежность, простоту конструкции. Однако, несмотря на очевидную простоту структуры, точный анализ характеристик микрополосковой линии затруднителен, так как в линии распространяется квази -ТЕМ-волна (граничные условия между подложкой и верхним диэлектриком, чаще всего воздухом, не соответствуют «чистой» ТЕМ-волне).
Рабочая полоса частот НПЛ и МПЛ, как и СПЛ не имеют ограничения в области низких частот. В области высоких частот рабочая частота микрополосковой линии должна быть ниже частоты паразитных колебаний, происхождение которых может быть двояким. Одним из видов паразитных колебаний являются поверхностные волны, «стелящиеся» по поверхности диэлектрической подложки вдоль заземленной плоскости, сильно взаимодействующие с ТЕМ-волной на частоте, определяющей верхний частотный предел применения микрополосковой линии.
