Полосковые линии. Виды и применение. Особенности

Полосковые линии – это механические системы из 2-х или нескольких проводящих полос, используемых для распространения электромагнитных колебаний. Они входят в состав современных коммуникационных устройств. В некоторых приборах функцию одной из этих полосок выполняют корпус или специальный металлический экран передаточной конструкции.

Чем полосковые линии отличаются от других разновидностей волноводов

К преимуществам таких изделий при их сравнении с типовыми волноводами и коаксиальными кабельными каналами относят:

Особенности формы, позволяющие размещать такие линии в любых СВЧ устройствах, которые, как правило, имеют плоскую или прямоугольную конфигурацию.
Возможность использования тех же методов и технологий, что и при изготовлении стандартных печатных плат (это существенно снижает себестоимость готовых изделий).
Значительно меньшие размеры приборов на основе полосковых линий (если сравнивать их с «классическими» прямоугольными волноводами).
Более широкая полоса частот.
Отсутствие каких-либо ограничений по пропусканию низкочастотных составляющих (вплоть до постоянного токового сигнала).

При испытаниях и эксплуатации таких линий определенные сложности возникают на частотах, расположенных ниже значений 100 МГц. Проблема заключается в том, что при этих показателях габариты полоскового волновода становятся очень большими. В верхней части спектра частотный диапазон ограничен ситуацией, когда длина волны приближается к размеру поперченного сечения конструкции. При меньшем ее значении полосковые линии просто перестанут выполнять «возложенные» на них функции.

Среди минусов таких конструкций выделяются следующие существенные недостатки:

Мощность полезного сигнала, необходимая для пробоя типовой полосковой линии, значительно меньше того же показателя для прямоугольного волновода (она сравнима с их круглыми аналогами).
Вместе с тем потери при распространении сигнала по этим каналам во много раз больше как в том, так и в другом случае.
Рассеяние мощности на имеющихся неоднородностях достаточно велико, что связано с открытостью таких систем.

Ко всему перечисленному добавляются трудности конструирования отдельных элементов этих устройств, включая настроечные узлы, специальные согласующие детали и измерители. Помимо этого особо отмечается, что техника измерений в полосковых линиях существенно усложняется. Поэтому измерительные процедуры нередко проводятся в волноводных и коаксиальных каналах, которые имеют качественное волновое сопряжение с полосковыми линиями.

Разновидности полосковых линий и особенности их конструкций

В зависимости от особенностей своей конструкции известные разновидности полосковых линий делятся на симметричные и несимметричные. В соответствие с характерным для них размером эти изделия подразделяются на обычные и «микро» полосковые.

Симметричные конструкции

Симметричные изделия (СПЛ) представляют собой конструкцию, в которой центральный проводник располагается между пластинами из диэлектрика с металлизированным верхним слоем. Благодаря этому полосковые линии данного класса хорошо экранированы и отличаются сравнительно небольшими потерями электромагнитной энергии, расходуемой на излучение.

Poloskovye linii 2

К их недостаткам относят сложности в изготовлении и в настройке перед запуском в эксплуатацию. Это объясняется тем, что эти конструкции чувствительны к соблюдению строгой геометрической симметрии. Кроме того, в готовом изделии СПЛ центральный проводник полностью изолирован, что не позволяет проводить его точную настройку (доступ к нему усложнен).

Полоса рабочих частот волновых линий СПЛ ничем не ограничена в своей нижней области. Эта особенность изделий позволяет использовать их в частотных детекторах, генераторах и в смесительных модулях (они также применяются для передачи постоянного тока). Поскольку габариты полосковых линий, предназначенных для распространения НЧ колебаний, будут слишком велики – их рекомендуется использовать только на частотах свыше 100 МГц.

В случае, когда размеры диэлектрических и металлических заземленных пластин достаточно большие – силовые линии распространяющегося по ним э/м поля будут оставаться в пределах конструкции. При этом возможно образование так называемой «поперечной» волны типа «ТЕМ». Практически установлено, что в описанных условиях колебания с продольными составляющими полностью отсутствуют.

Несимметричные полосковые линии (НПЛ)

В изделиях этого типа среда, распространяющая электромагнитные колебания, выполнена в виде диэлектрической подложки с низким показателем проницаемости «E». Обычно этот коэффициент принимает значения в пределах от «1» (при заполнении полых пространств воздухом) и до 3-4 единиц – с диэлектриком того или иного типа.

Poloskovye linii 3

Основной недостаток таких конструкций – сравнительно большие потери энергии э/м колебаний на бесполезное излучение. Причина энергетических утечек в данном случае обнаруживается в следующем:

Отдельные линии электромагнитного поля, начинающиеся в верхней части полоскового проводника, не замыкаются на металлизированном основании.
Они чаще всего выходят за пределы конструкции и заканчиваются в бесконечности.
Их наличие приводит к появлению ощутимых потерь на излучение.
Помимо этого возникают паразитные связи с проводниками и элементами, проложенными внутри конструкции поблизости с центральной полосой.

Из-за перечисленных недостатков несимметричные полосковые линии почти не используются в СВЧ интегральных микросхемах.

Микро полосковые линии (МПЛ)

Под этой разновидностью принято понимать МПЛ, у которых толщина размещаемой под жилами подложки не превышает одного миллиметра. Помимо этого у этих изделий диэлектрическая постоянная обычно имеет достаточно большую величину. При выполнении второго условия в несимметричных линиях с маленьким «E» электромагнитное поле как бы «стягивается» в промежутке между центральным проводником и заземленным основанием.

Последнее обстоятельство приводит к тому, что величина потерь на излучение наружу и на так называемые «паразитные связи» резко сокращается. Дополнительно улучшить характеристики МПЛ позволяет ее размещение в хорошо экранированном корпусе.

Полосковые линии такого типа отличаются целым рядом других достоинств, среди которых особо выделяются:

Простота конструкции.
Сравнительно малые габариты и низкий суммарный вес.
Надежность сборки.
Относительно низкая стоимость.

Благодаря перечисленным достоинствам эти изделия широко применяются в различных высокочастотных гибридных и монолитных интегральных микросхем.

Сложности с изготовлением полосковых линий

Прежде всего, отметим, что проводниковые элементы полосковых линий изготавливаются на основе серебра, меди или латуни. Добавим к этому, что все поверхности этих изделий обрабатываются исключительно по высшему классу точности. Несмотря на кажущуюся простоту структуры и конструкции устройств изготовление полосковых волноводов с заданными характеристиками сталкивается с определенными сложностями.

Возникающие проблемы, как правило, объясняются следующими объективными причинами:

Трудности, возникающие при точном расчете параметров проектируемых изделий (в значительной степени это касается МПЛ).
Проблемы обычно появляются из-за того, что в микро полосковых изделиях имеются все условия для формирования паразитных ТЕМ-волн, образующихся между подложкой и верхним срезом слоя диэлектрика.
Их проявление не соответствует требованиям по распространению «чистых» ТЕМ-колебаний.

Строгий подход к расчету таких волноводов нуждается в более детальном анализе уравнений Максвелла применительно к электромагнитным колебаниям в МПЛ. Из-за возникающих при этом трудностей разработчики полосковых изделий чаще всего используют методы приближенного анализа, последовательно подбирая пределы точности моделирования.

Рабочая полоса частот МПЛ подобно симметричным аналогам ничем не ограничена в области НЧ. В верхней части электромагнитного спектра частотные показатели этих изделий не должны достигать предела, определяемого паразитными ВЧ наводками. Они чаще всего появляются при наличии в конструкции ошибок монтажа или микроскопических неровностей на поверхностях полосковых элементов.

Другая причина образования паразитных ВЧ колебаний – эффект поверхностной волны, распространяющейся по плоскости диэлектрической подложки. Эти волновые процессы как бы «движутся» вдоль ее заземленной поверхности и нередко интерферируют с ТЕМ колебаниями на частотах, определяющих верхний предел диапазона для МПЛ.

Полосковые линии широко применяются в целом ряде радиотехнических приборов и электронных устройств, работающих в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн. Помимо этого они нередко используются для эффективного сопряжения рабочих модулей сверхвысоких частот (СВЧ). Еще одна из известных областей их применения – использование в конструктивных элементах печатного монтажа, а также в высокочастотных интегральных микросхемах (ИМС).