Электродинамические свойства микрополоскового волновода тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

Грачёв Григорий Геннадьевич

Электродинамические свойства микрополоскового волновода

01 04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2007

0031Б8815

003158815

Работа выполнена на кафедре радиофизики факультета физико-математических и естественных наук Российского государственного университета дружбы народов и в Институте радиотехники и электроники РАН

Научный руководитель

Заслуженный деятель науки РФ доктор физико-математических наук профессор

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук профессор

кандидат физико-математических наук

Ведущая организация

Московский государственный энергетический институт (технический университет) (МЭИ)

Защита диссертации состоится "30" октября 2007 г в 1^час 30 мин

на заседании диссертационного совета К 212 203 01

в Российском университете дружбы народов

по адресу 117198, Москва, ул Орджоникидзе, 3, зал № 1

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Российского университета дружбы народов по адресу 117198, Москва, ул Миклухо-Маклая, 6

Автореферат диссертации разослан " " сЦ^^ТЧ&сГ^ьД, 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических наук ' ^ Чехлова Т К

Шевченко Виктор Васильевич

Будагян Ирина Фадеевна, Мальцев Валерий Петрович

Общая характеристика работы

Актуальность темы

В схемах метрового, дециметрового и сантиметрового диапазонов волн широко используются микрополосковые линии, но их применение в более коротковолновых диапазонах ограничивается высокими омическими потерями

Необходимость увеличения скорости передачи информации (емкости канала) в общем случае требует увеличения рабочей частоты, поскольку эта скорость определяется шириной полосы пропускания канала связи До» Для выполнения условия малости влияния дисперсии канала связи на сигнал полоса пропускания должна удовлетворять соотношению Дсо / сйСр « 1, где о)ср - средняя частота сигнала Разрешающая способность радиолокационных систем определяется шириной диаграммы направленности антенны, которая пропорциональна соотношению АЛ), где О - размер апертуры антенны, а X - длина волны Поэтому одним из способов повышения разрешающей способности системы является уменьшение рабочей длины волны Изобретение в 1985 году профессором В В Шевченко микрополос-кового волновода позволяет распространить применение микрополос-ковых устройств в миллиметровый и более коротковолновые диапазоны. Замена полосковой линии с «дипольной волной» полосковым волноводом аналогична переходу от коаксиального кабеля к полым металлическим волноводам, совершенному в свое время при переходе от волн метрового и дециметрового диапазонов к волнам сантиметрового и миллиметрового диапазонов

В существующих схемах миллиметрового диапазона применяются в основном прямоугольные металлические волноводы Однако их применение, например, в распределительных сетях многоэлементных антенн отрицательно сказывается на массогабаритных характеристиках схемы в целом Исследование микрополоскового волновода позволит существенно снизить вес и габариты существующих схем миллиметрового и, возможно, субмиллиметрового диапазона

В настоящей работе теоретически исследованы свойства микрополоскового волновода с целью его применения в печатных микросхемах миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн Исследована эффективность возбуждения основной волны, волноводные переходы между микрополосковыми волноводами с различными параметрами и переход от микрополоскового волновода к микрополосковой линии

Цель работы - исследовать микрополосковый волновод для его

применения в печатных микросхемах миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн вместо микрополосковых линий и показать целесообразность его применения в этих диапазонах

В настоящей работе были поставлены следующие задачи

1) исследовать дисперсионные свойства мод микрополоскового волновода,

2) оценить потери мощности основной волны микрополоскового волновода и сравнить их с потерями мощности основной волны микрололос-ковой линии в коротковолновой части миллиметрового диапазона,

3) изучить структуру поля основной волны микрополоскового волновода,

4) исследовать распространение основной волны микрополоскового волновода через изгибы и изломы направляющей полоски,

5) исследовать возбуждение основной волны микрополоскового волновода при помощи микрополосковой линии и оценить эффективность возбуждения.

Научная новизна

1 Проведено исследование электродинамических свойств новой волно-

ведущей структуры для передачи и обработки сигнала - микрополоскового волновода.

2 Исследовано возбуждение микрополоскового волновода при помощи

волноводного перехода от микрополосковой линии

Научная и практическая ценность

1 Проведено исследование дисперсионных свойств мод микрополоскового волновода двумя методами - методом эффективных показателей преломления (МЭПП) и методом конечных элементов (МКЭ) Учтен вклад поверхностных токов на краях металлической полоски микрополоскового волновода в величину фазового замедления

2 Проведён численный расчет омических потерь мощности основной волны микрополоскового волновода при работе в коротковолновой части миллиметрового диапазона волн

3 Получено распределение компонент поля в поперечном сечении при различных параметрах волновода.

4 Исследованы потери на излучение основной волны микрополоскового волновода на нерегулярностях типа изгиба и излома

5 Проведено исследование эффективности возбуждения основной волны микрополоскового волновода при помощи плавного волноводного перехода, параметры которого изменяются по линейному или нелинейному косинусоидальному закону, от микрополосковой линии Изучены

обратный переход от микрополоскового волновода к микрополосковой линии и переходы между волноводами с различающимися параметрами

Научные положения, выносимые на защиту:

1) результаты исследования дисперсионных свойств и структуры полей основной и первой высшей волн-мод микрополоскового волновода,

2) оценка омических потерь основной волны микрополоскового волновода по сравнению с потерями в полосковой линии в коротковолновой части миллиметрового диапазона волн,

3) получены потери на излучение основной волны микрополоскового волновода при прохождении нерегулярностей волновода типа изгиба и излома направляющей полоски,

4) результаты расчета эффективности возбуждения основной волны микрополоскового волновода при помощи волноводного перехода от микрополосковой линии, эффективности передачи мощности при обратном переходе от микрополоскового волновода к микрополосковой линии и при переходе между одномодовым и двухмодовым микрополосковыми волноводами.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались

на ежегодных Всероссийских конференциях по проблемам математики, информатики, физики, химии, методики преподавания естественнонаучных дисциплин -Тезисы докладов -Секции физики -РУДН -М (2003, 2005,2007 годы),

на научных семинарах кафедры радиофизики РУДН (2003-2006 годы), на Московском электродинамическом семинаре - ИРЭ РАН (2006 год), опубликованы

в 3 статьях в журнале «Радиотехника и электроника» (2005, 2006, 2007 годы), за одну из которых в 2005 г. присуждена премия (как за лучшую публикацию в журнале, издаваемом МАИК «Наука/Интерпериодика»)

Вклад автора

Автором проведены исследование дисперсионных свойств микрополоскового волновода методом эффективных коэфициентов замедления, численный расчет потерь основной волны на излучение при прохождении волной нерегулярных участков типа изгиба и излома направляющей полоски, ре-

шена задача о возбуждении основной волны микрополоскового волновода при помощи линейного и нелинейного волноводных переходов от микро-полосковой линии к микрополосковому волноводу, исследованы переходы между волноводами с различающимися параметрами и обратные волио-водные переходы от микрополоскового волновода к полосковой линии

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 6 научных работах, список которых приведен в конце автореферата

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 32 наименований Ее общий объем составляет 78 страниц, в том числе 32 рисунка и 2 таблицы

Краткое содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы, рассмотрены проблемы, возникающие при применении микрополосковых линий и металлических прямоугольных волноводов в схемах миллиметрового и более коротковолновых диапазонов, показана перспективность нового волноведущего устройства - микрополоскового волновода, сформулированы основные цели диссертации, дан краткий обзор публикаций других авторов, в которых рассматривались схожие волноведущие структуры Отмечена возможность изготовления микрополосковых волноводов с применением существующей печатной технологии изготовления полосковых устройств (Рис 1)

Рис. 1. Поперечное сечение микрополоскового волновода

> Е0 Т

0 е, 2 1 X 2

£? -Н

Дан обзор различных конструкций полосковых линий и показаны принципиальные сходства и отличия от них микрополоскового волновода Показано сходство распределения поля основной волны микрополоскового волновода с шириной полоски (Ь - толщина диэлектрического слоя) и распределения поля основной ЕН<кг волны эквивалентного гребневого диэлектрического волновода с высотой гребня равной толщине диэлектрического слоя и диэлектрической средой над гребнем с диэлектрической

проницаемостью равной диэлектрической проницаемости подложки волновода (Рис 2) Объяснены принципы формирования основной гибридной ЕН00- волны микрополоекового волновода

} е0 со > у

И 0

0 £1 / В У )

-И е2 -а (

а б

Рис.2. Поперечное распределение напряжённости электрического поля основных воли микрополоекового волновода в плоскости симметрии под полоской (Е- Еу) (а) и гребневого волновода в плоскости симметрии гребня (Е= Еу) (б)

В первой главе проведено исследование дисперсионных свойств основной и первой высшей волн-мод микрополоекового волновода методом эффективных показателей преломления - коэффициентов замедления Проанализированы дисперсионные характеристики волн микрополоекового волновода (Рис 3)

Рис.3. Дисперсионные зависимости коэффициентов замедления мод N0 - основной моды и ЛГ| - первой высшей моды с вариацией поля по ширине полоски для значений фактора формы

/•'= -м/И = 2 и 4, Л'о - основной £0 моды диэлектрического слоя с толщиной 2Н (в области полоски), Л'о"1 и Л/ое - основных #о и Ео мод диэлектрического слоя с толщиной А (в боковой области), N1 - первой высшей Е\ моды с вариацией поля по толщине слоя в области полоски, и Ы\ -первых высших по толщине слоя Н\ и Е\ мод вне полоски

Для оценки области наибольшей устойчивости основной и первой высшей мод микрополоскового волновода к излучению в боковые области и в подложку приведены дисперсионные зависимости относительных коэффициентов замедления (Рис 4)

Рис. 4 Дисперсионные зависимости относительных значений коэффициента замедления основной волны (а) по-к замедлению первой высшей моды волновода, по™ я п0е - к замедлению основных Яо и £0 мод плоского диэлектрического волновода, при значениях формата Р = 1 и 4, и первой высшей моды (б) П|т и п\ к замедлению Но я Ец мод при значениях формата Р = 2 и 4

Во втором разделе первой главы проведен расчет дисперсионных характеристик волн микрополоскового волновода численным методом конечных элементов, учитывающим влияние поверхностных токов на краях металлической полоски в формирование мод волновода Приведены уточненные дисперсионные характеристики волн микрополоскового волновода (Рис 5)

Рис. 5. Уточнённые дисперсионные зависимости коэффициентов замедления основной и первой высшей мод полоскового волновода, рассчитанные методом конечных элементов Обозначения как на рис 3, добавлены кривые для значений формата 0,25,0,5, 1,0

рис. 6. Уточненные дисперсионные зависимости относительного коэффициента замедления первой высшей моды Обозначения как на рис 4

Проведен анализ влияния поверхностных токов на краях металлической полоски микрополоскового волновода на дисперсионные характеристики его мод. Приведены уточнённые дисперсионные характеристики относительных коэффициентов замедления (Рис 6)

В третьем разделе приведены результаты численного расчета структуры поля основной волны микрополоскового волновода (Рис 7) Приведены результаты расчета напряженности электрического поля основной волны микрополоскового волновода в направляющем слое для 2-х форматов ¥=2 и 4 (Рис 8)

Рис. 7. Структура электрического поля основной волны микрополоскового волновода в поперечном сечении

рис. 8. Распределение величины поля Е основной волны в относительных единицах в поперечном сечении в зависимости от координаты х на трех уровнях для формата Р = 2 при кк~0,63 (а) и для формата Р = А при Кк=1,05 {б) ( 0 - под полоской, 1 - в середине слоя, 2 - на границе с подложкой)

Параметры волноводов выбирались таким образом, чтобы в одном случае (Рис 8 а) волны микрополоскового волновода формировались в основном волнами локализованными на краях полоски, а в другом случае (Рис 8 б) за счет переотражений Е0-волны слоя от краёв полоски Для тех же параметров волновода приводятся распределения декартовых компонент электрического поля основной волноводной моды на уровне у=-Ы2 (Рис 9)

а б

Рис. 9. Функции распределения компонент электрического поля в относительных единицах в поперечном сечении в зависимости от координаты х на уровне у= -А/2 для формата Р = 2 при кк=0,63 (а) и для формата /•' ■= 4 при *й=!,05(б)

В четвертом разделе приведены результаты численного расчета потерь энергии основной волны микрополоскового волновода Расчет выполнен для волновода с полоской из золота, а — 4,1 107 Ом/м для трех значений толщины полоски предельно тонкая полоска с т =0, т=0,017мм и т=0,035мм, при следующих параметрах волновода е0 = 1 (свободное пространство), Б!= 10 (поликор, сапфир), е2= 2 (фторопласт, полиэтилен), диэлектрические потери материалов ^5] =2 104, ¿§ч52=2 10'3 , толщина направляющего слоя И—0,5 мм, ширина полоски уу=1 мм (фактор формы F=wД = 2) Рассматривалась работа волновода в диапазоне частот от /= бОГГц (Х.=5мм)до/= ЮОГГц (Х=3мм)

Таблица 1 Таблица 2

/. ГГц а, дБ/см Л/0 т = 0 Т - 0017 мм г = 0 035 мм /ГГц ос дБ/см, о II и г = 0017мм г -0035 мм

60 а 022 0 17 0 16 60 а 0 98 0 61 051

«1 006 006 006 003 0 03 00?

а* 0 16 0 11 0 10 "ь. 0 95 0 58 048

Nо 2471 2 456 2 443 " 0 2 614 2 497 2434

100 а 0 30 0 25 021 100 а 1 15 0 78 0 65

«я 0 07 0 07 0 07 а„ 0 05 0 05 0 05

ам 0 23 0 18 0 16 и.. 1 10 0 73 060

«0 2 798 2 789 2 783 N0 2 658 2 556 2 505

Результаты представлены в таблице 1 Для сравнения в таблице 2 приведены результаты расчета потерь основной (дипольной) волны в 50-омной одномодовой полосковой линии из таких же материалов Расчет

произведен тем же методом конечных элементов для линии с параметрами А =0,08 мм, и>= 0,065 мм

Во второй главе проведен расчет потерь энергии основной волны микрополоскового волновода на излучение в боковые области при прохождении волной нерегулярностей типа изгиба (Рис 10) и излома (Рис 11)

V \__

шш.

Рис. 10. Изгиб микрополоскового волновода в плоскости полоски Стрелками схематически показаны направления излучения поля с изгиба

Рис. 11. Излом направляющей полоски - излом эквивалентного пленарного волновода без отражающего зеркала (а) и с отражающим зеркалом в виде канавки (выемки) в направляющем диэлектрическом слое (б)

Приводится приближенный аналитический расчет потерь мощности направляемой волны на изгибе микрополоскового волновода большого радиуса, результаты расчета потерь мощности на изгибах малых радиусов получены методом конечных элементов (Рис 12)

Рис. 12. Потери мощности основной волны при прохождении изгиба на прямой угол в зависимости от кЛ а'0]' - потери на излучение для одномодового волновода, а®-потери на излучение основной моды, а,(2> - потери на преобразование в высшую моду и а(2) = а'02> + а,<2) - полные потери основной моды для двухмо-

А(1) А(2) >5,(2)

дового волновода, "о И «о - результаты численного эксперимента, (&\ - относительная мощность высшей моды, ^ потери мощности сигнала при передаче одновременно на двух модах

Приведены приближенные аналитические формулы расчета потерь на изломе микрополоскового волновода и их сравнение с результатами численного эксперимента (Рис 13) Приведены также результаты расчета зависимости амплитуд основной и высшей мод микрополоскового волновода от радиуса изгиба кИ (Рис 14) и от угла поворота и угла излома (Рис 15)

а,дБ.

Рис. 13. Зависимость потерь основной волны от угла в на изломе «о( 1) и а(2)- потери для одномодового и двухмодового волноводов, соответствующие аналитическим оценкам, а0(1),а (2) - результаты численного расчета

О, рад

Рис. 14. Зависимости амплитуд основной Ао и высшей А| мод от Ы при повороте двухмодового волновода на прямой угол

Рис. 15. Зависимости амплитуд основной Ао и высшей А) мод двухмодового волновода от угла поворота при кК-20 (а) и от угла излома двухмодового волновода (б)

Проведён также численный расчёт излучения основной волны, проходящей через излом с отражающим зеркалом в виде канавки. Если потери основной волны при прохождении излома на прямой угол беч зеркала оказались -15 дБ, то при наличии зеркала они составили -ЗдЬ. Приведена структура поля волн на изгибе (Рис. 16), ira изломе и на изломе с отражающим зеркалом (Рис. 17)

ч-

Рис. 16. Структура поля волк на ЗО градуспем изгибе одномодового мнкро Полоски вого волновода (а) и прямоугольном изгибе одномо-л и но го (6) и двух медового (в) волноводов на уровне иолу то лнш п ы направляющего диэлектрического слоя.

(El

Рис. 17. Структуре "оля волн па изломе одномодового микрополоскового волновода на уровне пол угол щи-ни направляющего слоя беч отражателя (а) и с отражателем (б)

В главе 3 решена задача о возбуждении основной волны микрополоскового волновода при помощи волнонодных переходов от микроШлосковой линии. Рассмотрены «линейный» и «нелинейный» волмоьодные переходы, в которых увеличение ширины направляющей полоски и толщины волно-

ведущего слоя волновода осуществляются линейно или нелинейно. Так же, линейно или нелинейно, происходит удаление от слоя металлической подложки, при этом нижняя граница вол но вед у те го диэлектрического слоя остаётся в той же плоскости как у поласковой линии (Рис. 18).

7777Т7Т7777ТЛ---- "

£i ;

Рис. 18. Модель «лилейного» волновод ною перехода от ми кро колосковой линии к микрополосковому волноводу (а). Приведено распределение поля основной волны в горизонтальной плоскости на уровне полутолщины boj [i to веду нею слоя в полосковой линии и в её (плоскости) продолжении в иолосковом волноводе; поперечные сечения, представлены в увеличенном масштабе <б). Области Ц II и 111 соответствуют мнкрополисковой лииии, полноводному переходу и микрополискомом у волноводу.

Представлены результаты численного расчёта потерь мощности на излучение и отражение при прохождении основной волны через «линейный» и «нелинейный» переходы от микрополосковой линии к микроло-лосковому волноводу. Приведены зависимости потерь мощности основной волны от длины волноводного перехода (Рис. 19) и от частоты (Рис. 20) Приводятся также результаты расчёта потерь мощности основной волны для «нелинейного» перехода.

Рис. 19. Зависимости потерь мощности основной волны на излучение и отражение от относительной длины волноводного перехода Ь X, - длина волны в диэлектрике волноведущего слоя а,,аг,а3 (сплошные линии) - суммарные потери па излучение и

отражение при работе на частотах /;=60ГТц, ^=80ГГц, /}=100ГГц а,, аг,аг (штриховые линии) - относительная (по отношению к падающей) мощность отраженной волны

Рис. 20. Зависимости потерь мощности основной волны на излучение и отражение от частоты / для линейных волно-водных переходов с длинами 1/|=0,7мм, 1-2= 1,0мм,

Ьз=2,Омм а,, а2, аъ (сплошные линии) - суммарные потери на излучение и отражение ах,а2,а, (штриховые линии) - относительная (но отношению к падающей) мощность отражённой волны а4немощность отраженной волны и суммарные потери на излучение и отражение для плавно нечиненного (косинусоидаль-ного) перехода 11,4=2,0 мм

и Гц

/Г1ч

Рис. 21. Дополнение к рис 20, поясняющее потери мощности волны на излучение и отражение ог, ,а,, аг для линейного перехода и а4- для плавно-нелинейного

Зависимости суммарных потерь мощности на излучение и отражение от частоты сигнала для линейного и плавно-нелинейного переходов на рис 21 представлены в увеличенном масштабе

Результаты расчета потерь мощности волны на обратном переходе от микрополоскового волновода к микрополосковой линии приводятся во втором разделе 3 главы и проиллюстрированы на рис 22 Там же для сравнения приводятся результаты для прямых переходов

Рис. 22. Зависимости суммарных потерь мощности волны а,яа3 и относительной мощности отраженной волны а-,пса от относительной длины перехода для частот// = 60 ГГци/3= 100 ГГц Для обратного волноводного перехода - сплошные линии и для прямого перехода - штриховые линии

Получены результаты, свидетельствующие о квази-симметрии волноводного перехода к направлению распространения волны

В третьем разделе рассмотрен волноводный переход между микро-полосковыми волноводами с отличающимися параметрами Были исследованы переходы от одномодового микрополоскового волновода к двухмо-довому микрополосковому волноводу, работающему в одномодовом режиме, и обратно На рис 23 приведены зависимости потерь мощности при прохождении и отражении волны от длины перехода для трех значений частоты 60, 80 и ЮОГТц

а б

Рис. 23. а) потери мощности основной волны на излучение и отражение а],а2,а1 и относительная мощность отраженной волны а,, а2, агсоответственно на частотах_/}=60ГГц, ^=80ГТц, /г=ЮОГТц в зависимости от относительной длины волноводного пеерхода Ь/Л сплошные линии для прямого перехода от одномодового полоскового вочновода к двухмодовому, и штриховые линии для обратного перехода от двухмодового волновода, работающего на основной волне, к одномо-довому б) потери мощности основной волны на излучение и отражение а,, а2, «з в увеличенном масштабе

Заключение

В диссертации впервые проведено исследование дисперсионных свойств и структуры полей основной и первой высшей волн-мод микропо-лоскового волновода при помощи приближённого аналитического метода эффективных показателей преломления (в данном случае коэффициентов замедления, МЭКЗ) и численного метода конечных элементов для высокочастотных электродинамических структур (МКЭ) без учета и с учетом влияния поверхностных токов на краях металлической полоски на величину фазового замедления волн микрополоскового волновода Полученные результаты позволяют показать природу и особенности формирования основной волны при различных форматах микрополоскового волновода Проведено аналитическое и численное исследование изгиба и излома волновода в плоскости направляющей полоски и получены приближенные 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 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

Полученные результаты позволяют рекомендовать при построении микросхем и функциональных схем на микрополосковых устройствах в миллиметровом диапазоне использовать комбинированный метод в области сложной геометрии микросхемы, включающей изгибы и изломы волнове-дущего тракта, а также активные элементы схемы, где прямолинейные участки тракта оказываются короткими, следует использовать микрополоско-вые линии, поскольку «дипольная» волна микрополосковой линии более жестко 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 мик-рополосковые волноводы, имеющие существенно меньшие омические потери На протяженных участках с небольшими изгибами возможно также использование микрополосковых волноводов работающих в двухмодовом режиме Применяя микрополосковые волноводы в схемах питания антенных решеток 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

Результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Грачев Г Г , Шевченко В.В Исследование микрополоскового волновода методом эффективных показателей преломления Тезисы докладов XXXIX Всероссийской научной конференции по проблемам математики, информатики, физики, химии и методики преподавания естественнонаучных дисциплин. М РУДН, 2003 С 11

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

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

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

5 Грачев Г Г , Шевченко В В Возбуждение основной волны микрополоскового волновода Тезисы докладов ХЫП Всероссийской научной конференции по проблемам математики, информатики, физики и химии М РУДН, 2007 С 62

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

Подписано в печать Формат 60x84/16.

Тиражкз. Усл. печ. л. Заказ -"СО^/б

Типография Издательства РУДН 117923, ГСП-1, г. Москва, ул. Орджоникидзе, д. 3

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.

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

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.

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.