Расчет микрополосковой линии

Министерство  образования Российской Федерации 
 
 
 
 
 

                         ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому  проекту по дисциплине: 
   «Направляющие среды электросвязи»

Тема: «Расчет связанной микрополосковой линии». 
 
 
 
 
 
 

Автор проекта                                                               (подпись, дата)

Обозначение проекта:

Специальность 210402 – «Средства связи с подвижными объектами»

Руководитель  проекта .

                                                             (подпись, дата)

Проект защищен с оценкой  

Омск 2010

АННОТАЦИЯ 

     В данном курсовом проекте производится расчет связанных микрополосковых линии. На основе полученных результатов, проводится анализ с целью подбора наиболее подходящей конструкции  линии, удовлетворяющей заданным расчетным  требованиям по параметру оптимизации.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

СОДЕРЖАНИЕ 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

     Широкое внедрение в промышленность микроэлектронных устройств СВЧ обусловлено развитием теории и технологии изготовления планарных интегральных схем. Разработка линий передачи различных типов в интегральном исполнении позволила создать миниатюрные пассивные базовые элементы для устройств СВЧ с хорошей воспроизводимостью параметров при групповых методах изготовления. Достижения в области микроэлектроники СВЧ были бы невозможны без успешного развития полупроводниковой электроники, что позволило разработать принципиально новые приборы диапазона СВЧ — переключательные и лавинно-пролетные диоды, диоды Ганна, полевые транзисторы СВЧ с затвором Шотки и др.

     На  основе микрополосковых линий передач, сосредоточенных R-, L- и С-элементов и набора различных полупроводниковых приборов СВЧ разработаны практически все функциональные узлы и устройства, имеющие аналоги в традиционной «дискретной» радиоэлектронике. Ведутся интенсивные работы по созданию устройств на интегральных схемах СВЧ для бортовой радиотехнической аппаратуры — приемно-передающих модулей РЛС, аппаратуры управления и связи, радиотехнических систем с активными фазированными антенными решетками (АФАР) и др. Уменьшение числа разъемных соединений между отдельными функциональными узлами при конструировании микроэлектронных блоков СВЧ позволяет значительно снизить массу и габариты аппаратуры, повысить ее надежность.

     Перспективы развития малогабаритной моноблочной  радиоэлектронной аппаратуры во многом связаны с развитием АФАР. Действительно, если считать, что при увеличении объема производства снижается стоимость изделий, то именно АФАР являются идеальной сферой применения микроэлектронных устройств СВЧ. При этом речь идет о проектировании не только АФАР, в которых используются приемно-передающие модули. Успехи в разработке диодных фазовращателей в интегральном исполнении обеспечивают их широкое применение и в пассивных антенных решетках.

     Особенностью  проектирования микроэлектронных устройств  СВЧ является сочетание упрощенных методов расчета, применяемых на этапе предварительной проработки технического предложения, с методами автоматизированного проектирования. Эти методы позволяют провести строгий анализ работы устройств и оптимизировать их характеристики. Важнейшую роль при этом играют системы автоматизированного проектирования (САПР), с помощью которых автоматизируется весь процесс проектирования, вплоть до выдачи технической документации [3]. 

1 Анализ состояния  вопроса

1. Микрополосковая линия. Общие замечания

    В настоящее время в микроэлектронике СВЧ широкое применение получили интегральные схемы. Основу таких схем составляют, как правило, отрезки микрополосковых линий (МПЛ) в виде тонких слоев металла, нанесенных на листы диэлектрика (подложки) с диэлектрической проницаемостью 10 и более. (На практике в МПЛ применяют подложки и с меньшей диэлектрической проницаемостью, например из плавленого кварца (ε = 3,78)). Наиболее распространены экранированные несимметричные МПЛ (рис. 1.1). 

Рисунок 1.1 - Экранированная несимметричная МПЛ

      МПЛ используются во всем диапазоне СВЧ. По сравнению с полыми волноводами МПЛ обладают рядом недостатков — имеют более высокие погонные потери и сравнительно низкую передаваемую мощность (средняя мощность — десятки ватт, импульсная — единицы киловатт). Кроме того, открытые МПЛ излучают энергию в пространство, из-за чего могут возникать нежелательные электромагнитные связи.

     Но  МПЛ обладают и важными достоинствами. Они имеют малые габариты и  массу, дешевы в изготовлении, технологичны и удобны для массового производства методами интегральной технологии, что позволяет реализовать на пластине из металлизированного с одной стороны диэлектрика целые узлы и функциональные модули в микрополосковом исполнении.

     До  последнего времени анализ и расчет параметров МПЛ проводились в квазистатическом приближении, т. е. в предположении, что в МПЛ распространяется лишь Т-волна. Такое приближение позволяет получить удовлетворительные результаты только в наиболее длинноволновой части диапазона СВЧ, когда длина волны значительно превышает поперечные размеры линии. С повышением частоты, по мере продвижения в область сантиметровых волн и освоения миллиметровых волн, квазистатический метод дает все большую погрешность. Это связано с тем, что не учитываются дисперсионность линии (зависимость параметров от частоты) и наличие в ней волн высших типов. Поэтому для строгого анализа и расчета параметров МПЛ, удовлетворяющих потребностям практики, необходимо использовать электродинамический подход и математические модели, адекватно отражающие физические процессы в реальной МПЛ[3]. 

     1.2 Связанные линии передач

     Связанными  называют две (или несколько) передающие линии, между которыми существует непрерывно распределенная по длине электромагнитная связь[3].

     Связанные полосковые линии имеют общие  заземленные пластины (экраны). Внутренние проводники связанных линий расположены параллельно друг другу. Различают одинаковые и неодинаковые  связанные  линии  в  зависимости   от  того,   имеют  ли  линии одинаковые или разные поперечные размеры внутренних проводников   (одинаковые или разные волновые сопротивления).   

    
 
 

         а)                                                                        б)

 
 
 

     в)

     Рисунок 1.3 - Виды связанных   полосковых линий

     Связанные линии  могут  быть  реализованы  на  симметричных  полосковых  линиях (СПЛ) или несимметричных   полосковых   (микрополосковых) линиях (МПЛ). Наиболее распространенные виды связанных   полосковых линий изображены на рис. 1.3 а - в.

     Основные  типы волн в связанных симметричных линиях – Т-волны. Для связанных микрополосковых линий, в которых волны распространяются в неоднородной диэлектрической среде, а электрическое поле сконцентрировано в основном в диэлектрике (при больших диэлектрических проницаемостях основания), основные типы волн близки к волнам типа Т и называются квази Т-волнами. Все другие, высшие, типы волн нежелательны. Их присутствие приводит к ограничению рабочего диапазона со стороны высоких частот. 
 
 
 

2 МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ 

     2.1 Метод расчета  многопроводной связной  МПЛ

       Поперечное сечение анализируемой структуры представлено на рисунке 2.1.1. На магнитодиэлектрической подложке 1 с параметрами ε₁, μ₁, толщиной y₁=h расположено N параллельных полосковых проводников 2 нулевой толщины, шириной W_v, где v=1,2,..,N - номер проводника, и произвольными расстояниями между ними. Среда над подложкой имеет параметры ε₂, μ₂. Вся структура заключена в металлический экран 3 размерами x_э, y_э. Потерями в диэлектриках и металле пренебрегаем. Решение этой задачи сводится к интегрированию в рассматриваемых областях уравнения Гельмгольца на ЭВМ БЭСМ-6[3].

Рисунок 2.1.1 - Многопроводная связная экранированная МПЛ (поперечное сечение)

     2.2 Результаты расчета характеристик многопроводной связанной МПЛ

     Проанализируем  результаты расчетов. Сначала рассмотрим наиболее часто используемую двухпроводную линию. На рис. 2.2.1 в координатах (р², y₁ /λ), где p = β / k — коэффициент замедления собственной волны; λ- длина волны в вакууме, приведены дисперсионные характеристики волн первых шести типов двухполосковой линии с проводниками разной ширины (W₁/W₂=1/4). Цифрами 1 и 2 помечены волны основных типов двухполосковой линии.

Рисунок 2.2.1 - Дисперсионные характеристики волн основных (1,2) и высших типов (3…6)               двухпроводной линии: ε1=9,8;  ε2=1; μ1= μ2=1;  x1/y1=4;  x_э/y_э =10;  W1/y1=1;   W2/y1=4;    x_э/y₁ =20;     y_э/y₁ =10 

     На  рис. 2.2.2 построено распределение плотности продольного тока для основных типов волн.

Рисунок 2.2.2 - Распределение плотности  продольного тока для четного (1) и нечетного (2) типов волн двухпроводной линии с параметрами, соответствующими рис.2.2.1. 

     Волна 1, называемая четной, характеризуется одинаковым направлением продольного тока и синфазным распределением электромагнитного поля на проводниках относительно экрана. Волна 2, называемая нечетной, имеет противоположное направление токов и противофазное распределение поля на проводниках. Эти волны не имеют отсечки и существуют при сколь угодно низких частотах. Волны высших типов обладают отсечкой. Их условно разделяют на две группы: волны «экранного» типа (кривые 4—6 на рис. 2.2.1), дисперсия которых определяется в основном размерами экрана, и волны «подполосочного» типа (кривая 3), энергия которых локализована вблизи проводников. Влияние экрана на дисперсию «подполосочной» волны незначительно. Интересно отметить, что при указанном соотношении размеров полосок и слабой связи между ними волна 1 имеет постоянную распространения, близкую к таковой для одиночной линии с широким проводником, а волна 2 — для одиночной линии с узким проводником.

     На  рис. 2.2.3, а приведены дисперсионные характеристики волн двух основных типов двухпроводной линии с одинаковой шириной достаточно сближенных проводников при значительном удалении экрана; когда его влиянием можно пренебречь. Индекс «е» (англ. even) характеризует четную волну, а индекс «о» (odd) — нечетную. Кривые рассчитаны для двух значений W/y1 (0,8 и 0,6). Легко заметить, что в области низких частот волны четного типа обладают большей дисперсией, чем нечетного.