Электродинамические свойства микрополоскового волновода тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Грачёв, Григорий Геннадьевич

• Грачёв, Григорий Геннадьевич
• кандидат физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Грачёв, Григорий Геннадьевич

ВВЕДЕНИЕ. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Исследование дисперсионных свойств мод микрополоскового волновода методом эффективных показателей преломления (замедления^ волн.

1.2. Расчёт дисперсионных свойств мод микрополоскового волновода методом конечных элементов (МКЭ).

1.3. Структура поля основной волны микрополоскового волновода.

1.4. Потери энергии основной волны.

ГЛАВА2. ИЗГИБ И ИЗЛОМ МИКРОПОЛОСКОВОГО ВОЛНОВОДА.

2.1. Изгиб микрополоскового волновода.

2.2 Излом микрополоскового волновода.

2.3 Полученные результаты.

ГЛАВА 3. ВОЛНОВОДНЫЕ ПЕРЕХОДЫ.

ВОЗБУЖДЕНИЕОСНОВНОЙВОЛНЫ

МИКРОПОЛОСКОВОГО ВОЛНОВОДА.

3.1. Возбуждение микрополоскового волновода.

3.2. Переход от микрополоскового волновода к микрополосковой линии

3.3. Переход между микрополосковыми волноводами с отличающимися параметрами.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электродинамические свойства микрополоскового волновода»

Необходимость увеличения скорости передачи информации (ёмкости канала) требует увеличения рабочей частоты, поскольку эта скорость определяется шириной полосы пропускания канала связи Дсо, которая для выполнения условия малости влияния дисперсии канала связи на сигнал должна удовлетворять соотношению Acó / (Oq, « 1, где Юср - средняя рабочая частота сигнала. Разрешающая способность радиолокационных систем определяется шириной диаграммы направленности антенны, которая пропорциональна соотношению A/D, где D - размер апертуры антенны, а X -длина волны, поэтому одним из способов повышения разрешающей способности является уменьшение рабочей длины волны.

В настоящее время в схемах метрового, дециметрового и сантиметрового диапазонов волн широко используются полосковые линии (Рис.1), но в более коротковолновых диапазонах из-за высокой концентрации поля под полоской омические потери мощности волны в металле полоски и подложки сильно возрастают. Поэтому в схемах миллиметрового диапазона для передачи сигнала приходится переходить на многомодовые полосковые линии или использовать прямоугольные металлические волноводы, что приводит к увеличению массы и геометрических размеров схемы. В объёмных интегральных схемах (ОИС)

СВЧ частота переключения элементов достигает порядка 4ГГц и ограничена током утечки современных полупроводниковых элементов, но в ближайшем будущем, применение новых материалов (применение в качестве диэлектрика затвора 1^11-к диэлектрика (НЮ2, 2п02, ТЮ2) с п=10-12, вместо БЮг с п=4), позволит уменьшить ток утечки более чем на два порядка[1], что позволит существенно увеличить частоту переключения элементов. Воздушные полосковые линии (Рис.1 а,б) применяются в диапазоне частот 1-100 МГц, а микрополосковые линии с полоской, нанесённой на диэлектрический слой (Рис. 1 в,г,д), до 100 ГГц [2]. В таких несимметричных микрополосковых линиях распространение электромагнитных волн происходит в диэлектрической среде, ограниченной проводящей полоской с одной стороны и заземляющей проводящей плоскостью с другой (Рис. 1 в). Микрополосковые линии просты в изготовлении и хорошо совместимы с интегральными схемами [3,5,6]. Обращённые и подвешенные полосковые линии [2,3] (Рис.1 г,д) применяют в качестве линий передачи в ОИС СВЧ в миллиметровом (30-100ГТц) диапазоне. В области коротких миллиметров (уже порядка ЮОГГц) применение микрополосковых линий ограничивается высокими омическими потерями волн в металле. У а б * у.

Рис. 1. Полосковые линии передачи. Воздушные полосковые линии (а,б), микрополосковая линия (в), обращенная микрополосковая линия (г), подвешенная микрополосковая линия (д).

На микрополосковых линиях строятся также распределительные схемы питания элементов антенных решёток сантиметрового диапазона [4]. Для распределения сигналов по элементам антенных решёток в миллиметровом диапазоне из-за высоких омических потерь микрополосковых линий приходится использовать прямоугольные металлические волноводы, что весьма ощутимо сказывается на массогабаритных параметрах схемы.

Для продвижения микрополосковых устройств в миллиметровый и более коротковолновые диапазоны волн с сохранением возможности применения существующих планарных (печатание, напыление, фотолитография и т.п.) технологий производства интегральных схем, в работе [7] был предложен к исследованию и, в дальнейшем, к применению микрополосковый волновод (Рис. 2). е0 т

0 8, 2 И' X 2 е2 -А

Рис. 2 Поперечное сечение микрополоскового волновода: £<>, еь е2 -диэлектрическая проницаемость верхней среды (обычно свободного пространства с £о=1), направляющего слоя и подложки соответственно, к -толщина слоя, н' и т - ширина и толщина направляющей металлической полоски.

Структурно он аналогичен микрополосковой линии [2,5,6,8,9], но в отличие от неё вместо металлической имеет подложку из диэлектрика с диэлектрической проницаемостью меньшей, чем у волноведущего слоя. Заметим, что подложкой у микрополосковой линии часто называют диэлектрический слой, лежащий на металлизированной поверхности.

В полосковой линии могут существовать волны различных типов (Рис.3), отличающиеся распределением поля по ширине полоски и по толщине диэлектрического слоя.

Рис. 3. Дисперсионные характеристики волн микрополосковой линии. О -основная квази-ТЕМ-волна; 1 и 2 - высшие, волноводные моды микрополосковой линии с вариацией поля по толщине диэлектрического слоя и по ширине полоски соответственно; 3 - дисперсионная кривая основной волны двухслойного волновода. Основным типом волны является дипольная квази-ТЕМ-волна, у которой продольные компоненты, существенно меньше поперечных, аналогичная волне двухпроводной линии, имеющей дипольную структуру в поперечном сечении. Основная волна микрополосковой линии может распространяться в диапазоне длин волн 0<Х<оо, то есть не имеет граничной толщины (Рис. 3, кривая 0). Высшие типы волн микрополосковой линии являются волноводными: их дисперсионные характеристики близки к дисперсионным характеристикам волн диэлектрического волновода. Эти волны направляются линией при коэффициенте замедления большем, чем замедление волн двухслойного волновода (Рис. 3, кривая 3). Высшие типы волн микрополосковой линии являются нежелательными (паразитными), поскольку они имеют другие скорости распространения и достигают приёмника с разным запаздыванием относительно друг друга, что приводит к искажению сигнала на входе приёмника. В микрополосковом волноводе не распространяется ТЕМ-волна, поскольку отсутствует второй проводник. Не направляются в нём и волноводные моды планарного диэлектрического волновода. Основной волной микрополоскового волновода является особая ЕНоо-мода [7], аналогичная основной моде гребневого волновода или высшей моде микрополосковой линии. Эффективное поперечное сечение этой волны в одномодовом режиме работы существенно больше, чем у основной волны микрополосковой линии, поэтому поле волны меньше концентрируется на направляющей металлической полоске, вследствие чего в том же диапазоне волн омические потери в одномодовых микрополосковых волноводах значительно меньше [10,11], чем у одномодовых микрополосковых линий. Переход от полосковой линии с «дипольной волной» к полосковому волноводу аналогичен переходу от коаксиального кабеля к полым металлическим волноводам, совершённому в своё время при переходе от волн метрового и дециметрового диапазонов к СВЧ волнам сантиметрового и миллиметрового диапазонов.

Основные результаты данной диссертации были представлены в Щ докладах [10,13,14], в докладе на Московском электродинамическом I семинаре 4 декабря 2006г. и опубликованы в статьях [11,12,15]. в Формирование гибридной ЕНоо- волны микрополоскового волновода происходит вследствие последовательных отражений поверхностной ™ волны Ео под полоской от краёв металлической полоски. Отражения

I являются полными внутренними, так как волна Ео под металлической

I полоской имеет большее замедление (меньшую фазовую скорость), чем Е0

-волна и Но -волна в боковых областях диэлектрического слоя на подложке. Основным конструкционным отличием микрополоскового волновода (Рис. 2) от микрополосковой линии (Рис. 1,в) является материал подложки. Замена металлической подложки на диэлектрическую приводит к существенному уменьшению омических потерь из-за увеличения эффективного поперечного сечения волноведущей части по сравнению с микрополосковой линией,

9 работающей на той же частоте в одномодовом режиме,что показано в

I работах [10,11]. Однако в одномодовом режиме работы основная волна микрополоскового волновода менее жёстко связана с волноводом, чем дипольная волна - с одномодовой микрополосковой линией, поэтому необходимо знать к каким дополнительным потерям мощности основной волны приводят возможные изогнутые участки, а также изломы микрополоскового волновода в плоскости направляющей металлической полоски. В работе [12] был рассмотрен изогнутый, в плоскости направляющей полоски, участок с постоянной кривизной и решалась задача об изломе, в которой в плоскости направляющей полоски состыкованы два прямолинейных волновода под некоторым углом [13]. Сначала рассматривался простой излом, затем излом с отражателем -отражающим и поворачивающим волну зеркалом. При техническом исполнении это просто изгиб и излом направляющей полоски волновода. В качестве отражателя может быть использована канавка (выемка) в направляющем диэлектрическом слое. Ясно, что в первую очередь представляют интерес случаи малых потерь мощности направляемой волны при прохождении изгиба и излома волновода.

Необходимо также оценить эффективность возбуждения основной волны микрополоскового волновода. В отличие от достаточно простого способа возбуждения основной «дипольной» квази-ТЕМ волны микрополосковой линии, возбуждение волноводной волны микрополоскового волновода требует специального исследования. Как было показано в [14,15], плавный волноводный переход от микрополосковой линии к микрополосковому волноводу является эффективным и достаточно просто реализуемым способом возбуждения основной волны микрополоскового волновода в силу идентичности формы полей волн микрополосковой линии и микрополоскового волновода. В диссертации рассмотрены «линейный» и «нелинейный» волноводные переходы, осуществляющие линейное и нелинейное увеличение ширины направляющей полоски и толщины волноведущего слоя волновода.

На момент написания диссертации на тему исследования микрополоскового волновода единственным упоминанием об этом устройстве было авторское свидетельство об изобретении данного типа устройств [7]. В [7] была показана возможность распространения по микрополосковому волноводу волн сантиметрового и миллиметрового диапазонов и высказано предположение о возможности применения данного устройства и в субмиллиметровом диапазоне волн.

Подобное устройство рассматривалось также в работе [16], где исследовался по существу полосковый волновод частного вида, без подложки, как предельный случай подвешенной полосковой линии с удалением металлической подложки на бесконечность.

При исследовании волноводных мод сверхразмерных (многомодовых) полосковых линий [3] были получены некоторые результаты по дисперсионным свойствам первых высших (волноводных) мод многослойных линий, в частности двухслойной полосковой линии [17,18]. При некоторых параметрах линии эти моды можно рассматривать как моды полоскового волновода.

Целью данной диссертации является исследование дисперсионных свойств мод микрополоскового волновода, структуры поля основной и ближайших к ней по коэффициенту замедления волн, оценка омических потерь основной волны микрополоскового волновода и потерь основной волны на излучение от нерегулярностей типа изгиба и излома волновода в плоскости металлической полоски, расчёт эффективности возбуждения основной волны микрополоскового волновода при помощи плавного волноводного перехода от микрополосковой линии.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Грачёв, Григорий Геннадьевич

Заключение

В работе проведено исследование дисперсионных свойств микрополоскового волновода без учёта и с учётом влияния поверхностных токов на краях металлической полоски на величину фазового замедления основной волны микрополоскового волновода. Показана природа и особенности формирования основной волны при различных форматах микрополоскового волновода, то есть различных отношениях ширины полоски к толщине направляющего слоя. Проведено исследование изгиба и излома волновода в плоскости направляющей полоски и получены приближённые расчетные формулы потерь основной волны при их прохождении. Проведено численное исследование возбуждения основной моды микрополоскового волновода при помощи волноводного перехода от микрополосковой линии, получены зависимости величины излучения мощности от длины перехода и от рабочей частоты в коротковолновой части миллиметрового диапазона волн. Оценена эффективность данного способа возбуждения. Рассчитаны потери мощности при обратном переходе к микрополосковой линии. Рассмотрена работа микрополоскового волновода в двухмодовом режиме, оценена эффективность перехода от одномодового волновода к двухмодовому и обратно.

Приведённые в диссертации результаты позволяют сделать следующий вывод. При использовании функциональных схем на микрополосковых устройствах целесообразно использовать комбинированный метод построения микросхем. В области сложной геометрии микросхемы, включающей изгибы и изломы волноведущего тракта, а также активные элементы схемы, где прямолинейные участки тракта оказываются короткими, следует использовать микрополосковые линии, поскольку «дипольная» волна микрополосковой линии более жёстко связана с металлической полоской и оказывается более устойчивой к изгибам и изломам. На протяженных же прямолинейных участках тракта, а также для связи блоков микросхем друг с другом следует использовать микрополосковые волноводы, имеющие меньшие омические потери. На протяжённых участках с небольшими изгибами возможно также использование микрополосковых волноводов работающих в двухмодовом режиме. Применяя микрополосковые волноводы в схемах питания антенных решёток миллиметрового диапазона вместо прямоугольных металлических волноводов можно существенно улучшить массогабаритные характеристики. Полученные результаты по микрополосковым волноводным переходам позволяют эффективно и достаточно просто осуществить реализацию таких комбинированных микросхем в миллиметровом и, по-видимому, в субмиллиметровом диапазонах волн.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Грачёв, Григорий Геннадьевич, 2007 год

1.1. Robert Chau, Suman Datta, Mark Doczy, Brian Doyle, Jack Kavalieros, and

2. Matthew Metz // IEEE Electron Device Letters. 2004. V. 25, №6,408.

3. Силин P.A. Полосковые линии. В кн. Физическая энциклопедия. Т.4.С.28. М.: БРЭ, 1994.

4. Гвоздев В.И., Нефёдов Е.И. Объёмные интегральные схемы СВЧ. М.: I Наука, 1985.

5. Панченко Б.А., Нефёдов Е.И. Микрополосковые антенны. М.: Радио исвязь, 1986.

6. Ефимов И.Е. Радиочастотные линии передачи. М.: Сов. радио, 1964.

7. Сазонов Д.М., Гридин А.Н., Мишустин Б.А. Устройства СВЧ. М.:1. Высшая школа, 1981.

8. Шевченко В.В. Микрополосковый волновод. Авт. свид. SU №1626282

9. Al, 1990 (приоритет от 05.12.1985). БИ. 1991. №5. С.150

10. Нефёдов Е.И., Фиалковский А.Т. Полосковые линии передачи. М.: Наука,1980.

11. Будагян И.Ф., Дубровин В.Ф. Техническая электродинамика. М.: I МИРЭА, 2002.

12. Грачёв Г.Г., Шевченко В.В. Исследование микрополоскового волноводаg методом эффективных показателей преломления. Тезисы докладов

13. XXXIX Всероссийской научной конференции по проблемам математики,информатики, физики, химии и методики преподавания естественнонаучных дисциплин. М.: РУДН, 2003. С. 11.

14. Шевченко В.В., Грачёв Г.Г., Калиничев В.И. Исследование микрополоскового волновода. Радиотехника и электроника. 2005. Т. 50. №2. С. 162

15. Грачёв Г.Г., Калиничев В.И., Шевченко В.В. Изгиб и излом микрополоскового волновода. Радиотехника и электроника. 2006. Т. 51. №8. С. 916

16. Грачёв Г.Г., Шевченко В.В. Изгиб микрополоскового волновода. Тезисы докладов XLI Всероссийской научной конференции по проблемам математики, информатики, физики и химии. М.: РУДН, 2005. С. 74.

17. Грачёв Г.Г., Шевченко В.В. Возбуждение основной волны микрополоскового волновода. Тезисы докладов XLIII Всероссийской научной конференции по проблемам математики, информатики, физики и химии. М.: РУДН, 2007. С. 62.

18. Грачёв Г.Г., Шевченко В.В. Микрополосковые волноводные переходы. Радиотехника и электроника. 2007. Т.52, №6. С. 687.

19. Темнов В.М.// Изв. ВУЗов Радиофизика. 1991. Т. 34. №3. С. 286.

20. Гипсман А.И., Самохин Г.С., Силин P.A., Чурзин А.Ф. // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ.1979, №10. С.9.

21. Pramanick P. Bhartia P.// IEEE Trans, on МТТ. 1985. V. 33. №12, 1429.

22. Унгер Х.-Г. Планарные и волоконные оптические волноводы. М.: Мир, 1980.

23. Волноводная оптоэлектроника. Сб. Под ред. Т. Тамира. М: Мир, 1991. 21 .Numerical Techniques for Microwave and Millimeter-Wave Passive

24. Structures. Ed. by T. Itoh. N.Y.: John Wiley and Sons, 1989. 22.Зайцев C.B. //Изв. ВУЗов Радиофизика. 1987. Т.ЗО.ШСЛ 115.

25. Мальцев В.П., Миронов В.Л., Шевченко В.В. // РЭ. 1972. Т.17. №8.С. 1734.

26. Мальцев В.П., Шевченко В.В. // РЭ. 1974. Т.19. №1.С.58.

27. Мальцев В.П., Шевченко В.В. //РЭ. 1977. Т.22. №10.С.2203.

28. Gupta К.С., Garg R., Bahl I., Bhartia P. Microstrip Lines and Slotlines. Boston: Artech House, 1996, C.l 13

29. Шевченко В.В. // РЭ. 1963. T.8.№12.C.1988

30. Шевченко В.В. Плавные переходы в открытых волноводах. М.: Наука, 1969

31. Шевченко В.В. // Изв. вузов. Радиофизика. 1971. Т. 14.№5. С.768

32. Каценеленбаум Б.З. Теория нерегулярных волноводов. М.: Изд. АН СССР, 1961.31 .Свешников А.Г., Боголюбов А.Н., Буткарев И.А. // Р.Э. 2006. Т. 51. С.901

33. Вайнштейн JI.A. Электромагнитные волны. М.: Радио и связь, 1988.