Микрополосковая линия передачи

Микрополосковая линия (МПЛ) является одним из основных элементов микросхем и плат СВЧ и широко используется в качестве составных частей таких устройств, как ответвители, делители мощности, фильтры, фазовращатели и др.

МПЛ представляет собой проводник ленточного типа прямоугольного сечения, расположенный на подложке или плате, на обратной стороне которой размещена заземленная металлическая плоскость. Конструкция МПЛ приведена на рис.1,а. Структура электромагнитного поля в данной линии передачи показана на рис.1,б.

Рис.1. Микрополосковая линия: а - конструкция; б - структура поля

В МПЛ основным типом волны является квази- ТЕМ-волна, которая на частоте практически не отличается от волны ТЕМ (для этого типа волны векторы напряженности электрического поля Е и магнитного поля Н взаимно перпендикулярны)

МПЛ характеризуется следующими параметрами: длиной волны в линии, предельной частотой, волновым сопротивлением, коэффициентом потерь и др.

Длина волны в линии определяется по формуле

,

где - длина волны в свободном пространстве; - эффективная диэлектрическая проницаемость, являющаяся функцией физических и геометрических параметров МПЛ.

Эффективную диэлектрическую проницаемость приблизительно можно вычислить по формуле

Эта формула справедлива на частотах до 3 ГГц. С ростом частоты эффективная диэлектрическая проницаемость, а следовательно, и волновое сопротивление начинают зависеть от частоты. Такое явление называют дисперсией.

Предельная частота волны, распространяющейся в МПЛ, определяется возникновением поверхностной волны на границе раздела сред диэлектрик - воздух. Частота, на которой возникает поверхностная волна, является верхней предельной частотой для волны основного типа в МПЛ и определяется по формуле

,

где частота в ГГц, а толщина подложки в мм.

Волновое сопротивление МПЛ - сложная функция конструктивных и электрических параметров проводника и подложки. Величина волнового сопротивления зависит от отношения .

Формулы для аналитического расчета величины волнового сопротивления в зависимости от отношения приведены ниже

для ,

,

для .

Величину волнового сопротивления можно определить по графикам, которые приводятся в [1], и рассчитать в программе Microwave Office по известным конструктивным и физическим параметрам линии. Эта программа позволяет решить и обратную задачу по определению геометрических размеров линии при известном волновом сопротивлении.

Общие потери в МПЛ, пренебрегая потерями на излучение , можно определить по формуле

,

где - потери в проводнике, рассчитываемые по формуле

, (5)

где - поверхностное сопротивление, , - глубина скин-слоя в проводнике; - потери в проводнике, рассчитываемые по формуле

(6)

Связанные мпл

Связанными называются две или несколько линий передачи, между которыми имеется непрерывная по длине электромагнитная связь. Конструкция и структура поля связанных линий представлены на рис.2.

Рис.2. Связанные МПЛ: а - конструкция; б, в - структура поля для волны с четным и нечетным распределением поля

В связанных линиях могут существовать волны с четным распределением поля, с нечетным, а также совокупность этих волн. Поэтому связанные линии характеризуются двумя значениями волновых сопротивлений: - при нечетном виде возбуждения и - при четном (индексы произошли от английских слов odd - нечетный, even - четный). Значение ( ) равно входному сопротивлению одной линии бесконечной длины при наличии другой бесконечной линии, когда обе они возбуждены противофазно (синфазно). Величины и не зависят от частоты и определяются размерами линии и величиной ε, диэлектрика. При конструировании связанных линий необходимо установить связь волновых сопротивлений и с их геометрическими размерами. Длина области связи линий, используемых, например, в фильтрах, обычно кратна четверти длины волны передаваемых колебаний СВЧ. Поскольку значения волновых сопротивлений и для четного и нечетного возбуждения различны, то это приводит к отличию длин волн этих видов: , где , - длины волн при четном и нечетном возбуждении; λ - длина волны в одиночной МПЛ.