40) Полосковые лп.

В технике СВЧ широко применяют­ся направляющие системы, называемые полосковыми (или ленточными) линиями передачи, которые особенно удобны в печатных и интегральных схемах СВЧ. Эти линии либо заполнены воздухом, либо имеют основание из твердого диэлектрика.

Строгая теория полосковых линий довольно сложна. Так называемая квази-Т волна в этих линиях может существовать, если ширина токонесущего проводника и расстояние между ним и заземленной пластиной меньше половины длины волны в линии передачи. При этом электрическое и магнитное поля сосредоточены в основном в пространстве между проводником и заземленной пластиной. Электрическое поле в поперечной плоскости может быть описано уравнением Лапласа:

; .

В силу этого электрическое поле весьма близко к статическому полю в плоском конденсаторе.

Картины силовых линий электромагнитного поля в полосковых линиях передачи приведены на рис.3.19 а и б.

К недостаткам полосковых линий относятся сравнительно большое затухание и малые значения пропускаемой мощности.

Несимметричная линия конструктивно наиболее проста, однако имеет существенный недостаток: часть волны распространяется в воздухе и вызывает нежелательные связи с другими элементами схемы. Симметричная линия – практически полностью экранирована.

Коэффициент затухания линии со сплошным диэлектриком опре­деляется в основном потерями в диэлектрике.

Предельная мощность симметричной полосковой линии, опреде­ляемая пробоем, в 1,5…2 раза меньше, чем у прямоугольного волновода с теми же поперечными размерами. Предельная мощность ограничивается условиями пробоя и допустимым нагревом диэлект­рика. Если пробой диэлектрика определяет предел мощности в им­пульсе, то нагрев ограничивает передаваемую мощность при непрерывной работе или среднюю мощность в импульсном режиме. Симметричная линия может пропустить мощность в 1,5 раза боль­шую,чем несимметричная или коаксиальная линии.

Полосковые линии используются преимущественно в диапазоне 3…10 ГГц для передачи небольших мощностей. Их преимущество по сравнению с полыми волноводами состоит в простоте изготовле­ния, компактности и малой стоимости. Короткие отрезки линий можно использовать и для более высоких частот, если приемлем ко­эффициент затухания порядка нескольких децибел на метр.

Особенно велики преимущества полосковых линий, изготовляемых методом печатных схем, при построении малогабаритных функциональных узлов на СВЧ.

В миниатюрных интегральных схемах СВЧ используются как бо­лее технологичные несимметричные микрополосковые линии.

41) Назначение и виды резонаторов.

В колебательной системе, в которой используется LC - кон­тур с сосредоточенными параметрами, энергия электрического по­ля сосредоточена в конденсаторе, а энергия магнитного поля - в катушке индуктивности. Конденсатор и катушка индуктивности разнесены в пространстве, поэтому переход энергии электричес­кого поля в энергию магнитного поля и обратный переход сопро­вождаются распространением электромагнитного поля. Размеры элементов и соединительных проводов LC - контура в диапазонах километровых (1-10 км), гектометровых (100-1000 м) и декаметровых (10-100 м) волн очень малы по сравнению с длиной волны. При этом излучение электромагнитного поля элементами LC-конту­ра ничтожно мало и добротность контура определяется только по­терями в катушках индуктивности, соединительных проводах и в диэлектрике конденсаторов.

Создание в диапазоне СВЧ (1…10 см) резонансных контуров с высокой добротностью и состоящих из катушки индуктивности и конденсатора практически невозможно благодаря резкому увеличению потерь , с одной стороны, и уменьшению характеристического сопротивления контура - с другой.

Характеристическое сопротивление контура не удается получить достаточной величины потому, что увеличе­ние резонансной частоты тре­бует уменьшения произведения LC, а снижению емкости ставится предел паразитной емкостью элементов контура.

С ростом частоты растут три вида потерь:

1. в твердых диэлектриках крепления катушки и конденсатора;

2. в проводнике катушки или витка индуктивности за счет поверхностного эффекта и, так как периметр проводника мал, то эти потери делаются значительными;

3. растут потери на излучение в связи с тем, что размеры элементов контура становятся соизмеримыми с длиной волны, а это обстоятельство - соизмеримость размеров с длиной волны - является одним из определяющих условий излучения с токонесущей поверхности.

На СВЧ вместо колебательных резонансных контуров использу­ются объемные резонаторы, в которых удается все виды потерь свести до минимума.

Объемным резонатором называется часть пространства, огра­ниченная замкнутой металлической оболочкой, в которую с помощью элементов связи (штырь, петля, щель) вводится (а также и выводится ) электромагнитная энергия. В таком объеме могут происхо­дить электромагнитные колебания, поэтому на сверхвысоких час­тотах он имеет свойства колебательного контура с высокой добротностью.

О сновными видами резонаторов являются: полые металлические резонаторы, реализованные на базе отрезков полых металлических волноводов или коаксиальной линии, путем закорачивания их на концах металлическими стенками (рис.4.2). Эти резонаторы ис­пользуются обычно в сантиметровом и, реже, в дециметровом диа­пазоне волн.

В миллиметровом диапазоне используются диэлектрические ре­зонаторы, реализованные на базе диэлектрических волноводов. Поле этих резонаторов не излучается во внешнее пространство, но существует в окружающей резонатор воздушной среде в виде реактивного поля поверхностных волн, амплитуда которого по ме­ре удаления от резонатора быстро убывает.

В оптическом диапазоне используются открытые резонаторы (рис.4.3). У открытых резонаторов размеры значительно превыша­ют длину волны, а поле не экранированно целиком металлической оболочкой. В простейшем варианте они состоят из двух зеркал вогнутых (рис.4.3а) или плоских (рис.4.3б), отражающих друг к другу пучок лучей. Зеркала выполняются из металла или нес­кольких чередующихся четвертей волновых слоев диэлектрика с большими и малыми значениями , так, что их коэффициент .

Н а более длинных дециметровых волнах, когда размеры полых металлических резонаторов на базе линий передачи становятся большими, чаще используются квазистационарные резонаторы в виде, например, тороидального (рис.4.1г) резонатора.

Все эти виды резонаторов объединяет одно общее свойство – а именно то, что параметры L , С, и R у них распределены, а число резонансов всегда больше одного.

Исключением являются тороидальные резонаторы. В тороидальных и других квазистационных резонаторах имеются области (рис.4.1г), выполняющие функции конденсатора и индуктивности (т.е. область с преимущественно электрическим полем и область с преимущественно магнитным полем), следовательно, параметры L и С в этом случае сосредоточенные (т.к. поля Е и Н в прост­ранстве разделены).

Потери в таких резонаторах весьма малы. Излучение сведено к минимуму экранирующим свойством металлической оболочки бла­годаря поверхностному эффекту (в полых металлических резонато­рах) или за счет явления полного отражения или интерференцион­ного гашения на границе двух резко различных по величине диэлектриков (диэлектрические резонаторы); потери в металле невелики, так как ширина проводника - периметр - (рис.4.1г), по которому протекает ток, значительно больше, чем у провода катушки, а потери в воздушном диэлектрике нич­тожно малы. Благодаря этому добротности ненагруженных резона­торов могут достигать нескольких десятков тысяч.