Исследование электромагнитного поля в линии передачи: в микрополосковой линии с диэлектриком - поликор - файл n19.doc

Исследование электромагнитного поля в линии передачи: в микрополосковой линии с диэлектриком - поликор
скачать (18618.1 kb.)
Доступные файлы (21):
12_100229_1_54924.pdf2598kb.13.12.2009 20:55скачать
196_ .pdf727kb.28.11.2009 13:19скачать
n3.jpg17kb.11.12.2009 21:36скачать
n4.djvu4579kb.18.05.2006 17:38скачать
n5.djvu2893kb.18.03.2009 00:17скачать
n6.exe
n7.jpg8kb.11.12.2009 21:56скачать
n8.jpg28kb.13.12.2009 21:32скачать
n9.doc123kb.08.12.2009 02:01скачать
n10.djvu1737kb.06.12.2009 16:04скачать
n11.doc25kb.14.11.2009 15:52скачать
n12.djvu2196kb.06.12.2009 16:01скачать
n13.doc275kb.05.11.2009 15:41скачать
n14.doc390kb.11.01.2010 23:59скачать
n15.doc5885kb.06.12.2009 16:06скачать
n16.djvu3427kb.06.12.2009 16:05скачать
n17.doc21kb.08.12.2009 01:59скачать
n18.doc24kb.13.12.2009 22:06скачать
n19.doc228kb.11.12.2009 21:51скачать
n20.doc302kb.28.11.2009 13:37скачать
n21.xls18kb.13.12.2009 21:34скачать

n19.doc

ЛЕКЦИЯ  14

 

полосковые  устройства  свч

 

План лекции:

14.1. Введение

14.2. Материалы, применяемые в полосковых устройствах

14.3. Однородная симметричная полосковая линия

14.4. Расчёт коэффициентов затухания СПЛ

 

14.1. Введение

Изменение конструкции коаксиальной линии путём увеличения её размера по одной из поперечных осей, предложенное американскими учёными Барретом и Барнсом в 1951 году, привело к созданию полосковой линии передачи – конструкции, состоящей из тонкого полоскового проводника, размещённого между двумя диэлектрическими пластинами, металлизированными с внешних сторон (рис. 14.1). Такая линия практически не излучает в окружающую среду.

 

Рис. 14.1. Продольное (а) и поперечное (б) сечения полосковой линии


 

Несколько позже была предложена открытая конструкция полосковой передающей структуры, называемая микрополосковой линией (рис. 14.2).

Высокая надёжность, устойчивость к разнообразным воздействиям, хорошая воспроизводимость параметров, низкая стоимость при массовом производстве, малые масса и габариты, хорошая сочетаемость с дискретными элементами в микроминиатюрном исполнении и возможность создания интегральных микросхем,  высокая степень автоматизации конструирования и технологии изготовления привели к быстрому развитию и широкому применению полосковых устройств, т.е. устройств на полосковых линиях.

 

Рис. 14.2. Микрополосковая линия


 

Другие варианты конструкций полосковых устройств будут рассмотрены в последующих лекциях.

 
14.2. Материалы, применяемые в полосковых устройствах

В полосковых устройствах применяют два вида материалов: проводники и диэлектрики. Для первых важно иметь малое сопротивление с целью  уменьшения потерь, для вторых – большую диэлектрическую проницаемость и малые диэлектрические потери.

Проводниковые материалы


Структура проводников полосковых конструкций практически всегда многослойна, что позволяет решить задачи высокой адгезии проводника к диэлектрику, добиться малых потерь и высокой устойчивости к коррозии.

Как правило экраны полосковых устройств и полоски микрополосковых линий имеют трёхслойную структуру.

Первый относительно диэлектрика слой образован высокоомным металлом с хорошими адгезионными свойствами, обеспечивающими весьма прочное крепление проводника с диэлектриком.

Второй слой является основным проводником для электромагнитной волны. Он является металлом с высокой проводимостью для уменьшения потерь.

Третий слой обеспечивает защиту  полоски или экрана от воздействия внешней среды.

В качестве основного материала для создания проводящего слоя широко используется медная фольга. Существуют три марки медной фольги: ФМЭ – фольга медная электролитическая, ФМЭО – фольга медная электролитическая оксидированная и ФМЭОШ – фольга медная электролитическая оксидированная повышенной шероховатости.

Некоторые основные электрические свойства меди, серебра и алюминия приведены в табл. 14.1.

 

Таблица 14.1

Металл

Уд. сопротивление, Ом*м



Уд. проводимость, См / м



Толщина скин-слоя (мкм) на частотах

200 МГц

1 ГГц

10 ГГц

Медь

0,0172

5,81

4,9

2,09

0,66

Серебро

0,0162

6,17

4,5

2,03

0,64

Алюминий

0,0262

3,82

5,8

2,61

0,83

 

Диэлектрики


В конструкциях полосковых устройств применяют как органические, так и неорганические диэлектрики. И те и другие используются в качестве подложек СВЧ полосковых схем. Помимо электрических свойств, важными для диэлектриков являются их механические и эксплуатационные характеристики, определяющие надёжность работы полосковых устройств.

К электрическим характеристикам диэлектриков относят относительную диэлектрическую проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь, относительную магнитную  проницаемость, температурные коэффициенты диэлектрической проницаемости, ёмкости и др.

Механическими характеристиками диэлектриков являются плотность, упругость, прочность, коэффициент Пуассона, модуль сдвига, твёрдость и др.

Некоторые основные электрические и механические параметры диэлектриков приведены в табл. 14.2.

 

Таблица 14.2

Материал





Пробивное напряжение,

МВ / м

Плотность,

г /

Теплостойкость,



Органические диэлектрики

Фторопласт-4 фольгированный (ФФ-4)

2,0 ± 0,1

3

25

2,1ч2,3

250

Фторопласт-4 армированный (ФАФ-4)

2,6 ± 0,2

10



2,6ч2,9



Полистирол, наполненный двуокисью титана (ПТ-5)

5,0 ± 0,25

11

21

1,4ч1,6

80

Поликарбонат, наполненный двуокисью титана (ПКТ-3)

3,0 ± 0,15

50

19

1,3

150

Неорганические диэлектрики

Поликор

9,6 ± 0,2

1

20 ч 25

3,96



Сапфирит

9,6 ч11,7

1



3,98



Ситалл СТ32-1

9,7 ч10

4ч6

40

3,17

1200

 

14.3. Однородная симметричная полосковая линия

Одной из наиболее часто используемых линий передачи СВЧ диапазона является симметричная полосковая линия (СПЛ) – рис. 14.3.

 

Рис. 14.3. Симметричная полосковая линия передачи


 

Основным типом волны в ней является Т-волна (или волна ТЕМ) – волна, у которой отсутствуют продольные составляющие векторов  и , то есть составляющие электромагнитного поля, параллельные направлению движения энергии по линии. Векторы  и  лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространению волны (энергии). Т-волна является основной для однородной симметричной (и несимметричной) линии, то есть при однородном диэлектрическом и магнитном заполнении и идеальной проводимости проводником. Распространение Т-волны возможно во всём частотном диапазоне от нуля до бесконечности, так как критическая частота Т-волны равна нулю, а структура поля и параметры этой волны не зависят от частоты.

Наиболее часто основной задачей расчёта, конструирования и оптимизации является нахождение ширины полоски  (ширины центрального проводника) для заданного значения волнового сопротивления линии , известной относительной диэлектрической проницаемости  выбранного диэлектрика, толщины полоски , толщины  и ширины линии .

Расчёт конструктивных параметров симметричной полосковой линии существенно упрощается, если ширину линии считать бесконечно большой, толщину полоски – равной нулю, а токонесущие поверхности (полоска и экраны) – идеальные, проводимость металла  которых бесконечно велика.

Так как в точные расчётные выражения входят эллиптические интегралы, вычисление которых весьма трудоёмко, то обычно используют приближённые формулы.

Рассмотрим случай ,  и  [2, доп.].

Вначале рассчитаем коэффициенты







После этого можно найти ширину полоска



Зависимость относительной ширины полоски  от волнового со­противления СПЛ приведена на рис. 14.4.

 


Рис. 14.4. Зависимость относительной ширины полоски от волнового сопротивления СПЛ

 

Относительная погрешность расчётов по вышеприведённым формулам не более .

Рассмотрим случай ,  и  [2, доп.].

При конечной ширине СПЛ волновое сопротивление возрастает. Однако при  значение  отличается от , рассчитанного для , не более чем на 1 %.

Поэтому делать ширину СПЛ менее  нецелесообразно.

Рассмотрим случай ,  и  [2, доп.].

Вариант А.


Вначале рассчитывают коэффициенты  по формуле (14.1),



Затем рассчитывают вспомогательные величины





и, наконец, ширину центрального проводника



Относительная погрешность расчётов по вышеприведённым формулам не хуже 0,5 %.

Вариант Б.


Этот вариант отличается от варианта А тем, что он служит основой для расчёта СПЛ с полоской с закруглёнными краями. Здесь учитывают ёмкости между  полоской и экранами (рис. 14.5). При этом различают ёмкости , образованные плоскими поверхностями полоски и ёмкости , обусловленные краевым эффектом.

 

Рис. 14.5. Модель емкостей в СПЛ


 

Вначале рассчитывают коэффициент  по формуле (14.1). Затем вычисляют параметр



и величину ёмкости краевого эффекта из формулы



Далее находят отношение



Если выполняется условие , то расчёт заканчивается.

Если это условие не выполняется, то рассчитывают коэффициент



а затем величину отношения



Далее из формулы



находят относительную ширину полоски  и вычисляют её абсолютную ширину .

Вариант С.


Рассмотрим конструкцию полоски с закруглёнными краями (рис. 14.6), которую применяют, чтобы передавать по СПЛ более высокую мощность.

Ёмкость на единицу длины такой линии приближённо равна сумме ёмкости плоского конденсатора , ширина пластин которого равна , и ёмкости СПЛ с круглым проводником диаметра  в качестве полоски.

Методика расчёта ширины полоски заключается в следующем.

Вначале рассчитывают величину  по формуле (14.9), а затем коэффициенты



 


Рис. 14.6. Поперечное сечение конструкции СПЛ с полоской с закруглёнными краями

 

Далее рассчитывают по нижеприведённой формуле волновое сопротивление СПЛ с круглой полоской



Теперь находят относительную ширину полоски



и вычисляют её абсолютную ширину .

Относительная погрешность расчёта  не более .

 
14.4. Расчёт коэффициентов затухания СПЛ

Потери полосковой линии определяются потерями в металле полоски и экранов и в диэлектрике. Поэтому коэффициент затухания    можно представить как сумму этих двух слагаемых



Коэффициент затухания в диэлектрике    рассчитывают по приближённой формуле



где  частота, ГГц.

Более точной является формула



где











где  рабочая частота (ГГц),  расчётная частота.

Коэффициент затухания в металле    рассчитывают по приближённым формулам.

Если , то





где  относительная проводимость металла, из которого изготовлены проводники СПЛ.

Если  и , то





где .

Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации