книги / Микрополосковые излучающие и резонансные устройства

струкции антенного модуля. Такой подход к конструированию и проектированию СВЧ-модулей РЭА получил название принципа конструкционного соответствия [7; 81. Согласно этому принципу в СВЧ-модуле на ОИС можно использовать базовые элементы (БЭ), созданные на основе самых различных комбинаций известных или новых ЛП. Главное при этом удовлетворение в каждом БЭ второ­ му принципу ОИС — оптимальности БЭ, согласно которому каж­ дый БЭ должен строиться на основе оптимальной для него ЛП.

Основные преимущества ПА, выгодно отличающие их от тради­ ционных антенн СВЧ, связаны с их плоской конструкцией. Плос­ костное расположение является одним из основных требований реа­ лизации волноведущих, резонансных и излучающих структур ме­ тодами технологии печатного монтажа. Это означает, что получить требуемые электродинамические характеристики можно, изменяя формы, размеры и расположения элементов в одной плоскости. Так,

также точки подключения питающей ЛП, можно управлять элект­ рическими параметрами ПА (резонансной частотой, шириной поло­ сы частот, входным сопротивлением, коэффициентом усиления, по­ ляризацией и др.).

Для промышленного изготовления плоских структур можно при­ менять методы фотолитографии, фототравления, гальванопластики, напыления и др. Несмотря на «потерю» третьего измерения, ПА обладают чрезвычайной гибкостью при проектировании, поскольку они практически не имеют ограничений на сложность топологии схемы. В связи с развитием и появлением систем автоматизирован­ ного проектирования ПА появилась возможность автоматического проектирования и изготовления антенных систем.

Основные достоинства ПА следующие:

малые металлоемкость, масса и объем, плоская конструкция; возможность конформного сопряжения с объектом, на котором

устанавливаются ПА; изготовление ПА в едином технологическом цикле с цепями раз­

водки и возбуждения, согласующими устройствами и схемами управления;

целостность и жесткость конструкции, а также возможная гиб­ кость (например, в биологических исследованиях можно использо­ вать' ПА в виде аппликаторов, накладываемых на определенный участок поверхности тела), простота при сопряжении с твердотель­ ными модульными конструкциями (в том числе с ОИС генераторами, усилителями, смесителями, аттенюаторами, переключателями, не­ линейными устройствами и т. д.) и непосредственным подсоедине­ нием к печатным платам ПА;

возможность одновременного функционирования на разных ча­ стотах;

простое получение излучения с произвольной поляризацией — линейной, эллиптической и круговой (левовращающейся и правовращающейся).

Однако ПА имеют и недостатки: относительно узкую ширину полосы частот, высокие диэлектрические потери в фидерных цепях и вследствие этого низкие КПД и КУ, возможность работы лишь при низких мощностях, опасность возбуждения поверхностных волн в подложке, паразитное излучение и несанкционированные связи, наличие сильной взаимной связи между излучателями в АР и низ­ кая развязка между фидерными цепями и ИЭ, высокие требования к производственным допускам.

Перечисленные недостатки являются следствием плоской кон­ струкции, увеличения коэффициента реактивности и добротности ПА. Высокая чувствительность рабочих характеристик ПА к изме­ нению частоты не допускает непосредственно работы их с широко­ полосными сигналами. Это утверждение может показаться излишне сильным, но пока приходится считаться с «традиционной» узкополосностью ПА и неравномерностью их АЧХ. Обычно ширина полосы частот ПА не превосходит 2—4 %. Однако с помощью спе­ циальных мер ее можно расширить, Так, используя методы широко­ полосного согласования, частотную полосу плоских прямоугольных излучателей (ПИ) можно увеличить до 10 % [6]. Расширение поло­ сы частот до 27 % и далее до 35 % по критерию входного КСВН не более 1,5, в том числе для круговой поляризации излучения рассмотрено в работе (27].

Большая часть ПА относится к резонансным антеннам, поэтому при их изготовлении требуется высокая точность. Небольшие от­ клонения от требуемых приводят к существенным изменениям ха­ рактеристик ПА. Наиболее критичным является допуск на диэлект­ рическую проницаемость материала подложки [28; 441.

Серьезным недостатком ПА являются высокие диэлектрические потери в схемах разводки и возбуждения. Потери ведут к уменьше­ нию КПД антенны и соответствующему снижению КУ. Кроме то­ го, они накладывают ограничения на получение максимальных КУ. При имеющихся на сегодня материалах наибольшие КУ со­ ставляют 25—30 дБ 190]. Однако, используя, например, инверти­ рованную ПЛП, т. е. убирая диэлектрик из резонансного объема ПА, можно существенно снизить потери. ПА такой конструкции применяют в радиометрах СВЧ [27],

4. ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОСТРОЕНИЯ П О Л О СКО ВЫ Х АНТЕНН

Материалы подложек для ПА, При реализации ПА необходимо учитывать большое число факторов, влияющих на их параметры. Хорошо известно, что наиболее критичным параметром является диэлектрическая проницаемость подложки. Именно она оказывает

существенное влияние на характеристики ПА. Если обозначить резонансную частоту однослойной ПА через /0, то изменение 6/ вследствие нестабильности (допуска) бг и проницаемости подлож­ ки 8 [44J:

занные с изменением линейных размеров ПА за счет теплового рас­ ширения материала.

Для подложек ПА используют различные материалы. Выбор материала определяется типом ПА, условиями ее эксплуатации и уровнем производства. Например, для ПА длинноволновых диапа­ зонов с целью уменьшения габаритов ЭИ выбирают материалы с высокими е. Конформные ПА проектируют на гибких подложках, способных принимать форму объекта, на котором они располага­ ются (например, ПА, используемые в биомедицинских РЭА). Для ПА с плоскими ЭИ используют подложки с низкими е, а щелевые ПА требуют материалов с большими е.

При проектировании ПА необходимо учитывать следующие фак­ торы: значения е и бе (величина потерь), изменение е под влиянием температуры, влажности, частоты (дисперсионные характеристики материала), ионизации, однородность материала, его вре.менную стабильность (старение), механическую прочность, ударную и ви­ брационную стойкость, устойчивость к химическим а другим воздей­ ствиям. Таким образом, выбор материала подложки и учет его ха­ рактеристик является важным этапом проектирования ПА.

Анизотропия подложки ПА. Диэлектрическая проницаемость композиционных (сложных, составных) подложек обладает замет­ ными анизотропными свойствами. Чтобы обеспечить требуемые механические свойства для подложек, используют волокнистые материалы (упрочнители).

Измерение е, 'р подложек проводится резонаторными или волноводными методами: при этом вектор электрического поля обычно параллелен поверхностям подложки. В реальных ПА электрическое поле перпендикулярно к поверхностям подложки, и анизотропия материала может привести к ошибкам при проектировании ПА. Осо­ бенно это необходимо учитывать при разработке ФАР.

Поверхностные волны (ПВ). Вследствие конструктивных особен­ ностей ПА могут возбуждать не только пространственные волны (по­ ле излучения), но и поверхностные волны (ПВ) в подложке (свобод­ ной от верхнего металлического покрытия). Простейшим ЭИ явля­ ется, как отмечалось выше, открытый конец МПЛ (см. рис. 3, о). Возбуждение в подложке ПВ и вытекающих волн нарушает работу не только собственно ПА, но способствует паразитному излучеиию и созданию несанкционированных связей 120; 32].

Следуем отметить, что открытый конец МПЛ является одной из наиболее распространенных в ОИС СВЧ неоднородностей. Он вы* полняет роль ЭИ, шлейфа, элемента фильтра. Его свойства хорошо исследованы в работах [7; 14; 35]. ПВ, возбуждаемые в подложке открытым концом МПЛ, обусловливают продольное излучение ПА. Эти волны представляют собою ТМ- и 77;-волны, имеющие в направлении распространения вещественные волновые числа. Фазо­ вая скорость ПВ зависит от толщины d подложки и ее проницаемос­ ти е, р. Очевидно, что если вдоль МПЛ распространяется квазивол­ на Т со скоростью от, близкой к фазовой скорости опв ПВ в подложке, то между этими волнами возможен эффективный обмен энергией. Наинизшая частота, при которой выполняется условие синхронизма (от« опв), определяет верхнюю границу частот функционирования ПА. При этом следует иметь в виду, что низшая ТуИ-волна в однослойной подложке не имеет критической частоты [4; 20]. Для высших типов ТМ- и 77:-волн критическая частота

Эффективность возбуждения ПВ типа ТМ0 в подложке сильно зависит от ее толщины d. При kd <£ 1 для коэффициента отражения R и прохождения Т известны асимптотические формулы

Из этих соотношений видно, что амплитуда отражений волны имеет порядок kd, а амплитуда ПВ — (kd)2. Следовательно, полная излучаемая открытым концом широкой МПЛ мощность имеет по­ рядок kd, а мощность, уносимая ПВ,— порядок (kd)'2. Следует иметь в виду, что на высоких частотах радиационные потери становятся намного больше потерь в проводниках и диэлектрике. Из практики

На практике применяют достаточно тонкие подложки, что способст­ вует уменьшению Т [15]. Привлекательным представляется исполь­ зование высших типов колебаний МПЛ (в частности, для расшире­ ния полосы частот), а также их многомодовых комбинаций, напри­ мер, для оптимизации энергетической ДН. При этом необходимо принимать меры для ослабления ПВ: специальные покрытия, в част-

стороны слое магнитоэлектрика, проведено в работе [25]. Получены аналитические (хотя и весьма непростые) выражения для элемен­ тов матрицы рассеяния при наклонном падении на край структуры взлны Бриллюэиа, справедливые для произвольного числа вариа­ ций поля по толщине магнитодиэлектрика (w = 0, 1,2, ...). На осно­ вании этих результатов проведена классификация волн в МПЛ. Численное исследование для случая нулевой вариации поля, в ко­ тором матрица коэффициента отражения вырождается в скаляр, приведено в работе [30]. Рассмотрим наиболее важный для техники интегральных схем и ПА СВЧ случай, результаты которого можно

использовать при последующем изло­ жении.

На рис. 22 показана геометрия за­ дачи. Плоская Т-волна с нулевой (по толщине d подложки) вариацией элек­ трического поля Ег падает на край х — 0полубесконечиой структуры под углом Ф (рис. 22), так что составля­ ющая электрического поля

ние в ней поверхностных волн, то коэффициент отражения Г изменяется в широких пределах в зависимости от угла падения вол­ ны Ф, частоты, толщины d и параметров в, р. подложки. Помимо отраженного поля в структуре возбуждаются также пространст­ венное поле излучения и ПВ в подложке в области х >■ 0. Для возбуждения этих полей должны выполняться соотношения между углом падения Ф, нормированной толщиной kd и параметрами е, р. подложки. Рассмотрим поле излучения.

Поле излучения (пространственное поле) изменяется в направ­ лении оси Оу (рис. 22) как ехр {—iky sin Ф]. В дальней зоне в

поперечной плоскости (у = const) поле в свободном пространстве описывается выражением

/ (0) ехр {— ik ( ]/”(вр)-1 — $ т 2Фг + у sin ф)} г —

где /(0) — ДН в поперечной плоскости; 0 — угол, отсчитываемый

в пространстве существует поле излучения с ДН f (0), зависящей отФ. При углах Ф > Ф0 пространственное поле экспоненциально затухает в радиальном направлении, являясь источником реактив­ ной энергии, запасенной на крае структуры.

Для возбуждения поля излучения в свободном пространстве необходимо, чтобы продольное (в направлении оси Оу) волновое чис­ ло падающей на край структуры Г-волны, равное k sin Ф, было меньше волнового числа k0 в свободном пространстве. Соотношение между величинами k sin Ф и 1г0 определяет направление распрост­ ранения поля излучения. При нормальном (Ф = 0) падении Г-волны на край структуры'продольная компонента волнового век­ тора k равна нулю. При этом фазовая скорость в апертуре структу­ ры (в плоскости х = 0), рассматриваемой в виде непрерывного раскрыва шириной d с бегущей по нему волной, бесконечно велика. Амплитудное распределение поля в апертуре не меняется вдоль оси Оу. Волна, вытекающая из-под металлической полуплоскости через подложку, возбуждает пространственное поле излучения, представляющее собой в дальней зоне цилиндрическую волну с на­ правлением распространения, составляющим угол п/2 с осью Оу. При небольшом увеличении угла Ф фазовая скорость бегущей вол­ ны в апертуре становится конечной,-а направление распростране­ ния пространственного поля составляет с осью Оу угол, равный

arccos (]/’B psin0). При дальнейшем увеличении Ф до значения,

определяемого уравнением (2,4), j/sp, sin Ф = 1, вектор УмоваПойтинга, от которого зависит излучение, все более «прижимается» к оси Оу, а при выполнении условия Ф = arcsin (sp)—1/l*в структуре вдоль у распространяется волна с плоским фазовым фронтом в плоскости у = const. При Ф £ (Ф„, тс/2) поле представляет собой распространяющуюся вдоль Оу ПВ с экспоненциально затухающей амплитудой в радиальном направлении.

Приведенные рассуждения согласуются с зависимостью (2.4). Аналогичная картина наблюдается при падении плоской световой волны из оптически более плотной в оптически менее плотную среду.

Угол падения Ф0 при этом является углом полного внутреннего отражения [201.

с постоянной распространения ks, зависящей от типа волны, при­ чем ks £ (k0, k). Если ввести обозначение

где ys — величина, обратная коэффициенту замедления волны, то условие возбуждения волны ys ;> (ер)*/* sin Ф. При этом направле­

ние распространения ПВ составляет с осью Оу угол arccos V ер X X sin Ф/у$ и зависит от равенства продольных волновых векторов падающего на край структуры поля и волны в подложке. При углах падения Ф £ (0, Фкр), где Фкр — критический угол падения для дан­

т. е. угол падения, соответствующий исчезновению' пространст­ венного излучения, всегда меньше критического угла любой распространяющейся ПВ. При увеличении Ф отО доя/2 в системе сначала (при Ф = Ф„) прекращается излучение пространственного поля, а затем при дальнейшем увеличении Ф — распространяющих­ ся ПВ в подложке. Последовательность исчезновения ПВ опреде­

exp [ — ik (х V у * (ер)-1 — sin* Ф -f у sin ф) — kQV y2s — 1 ].

(2.8)

Заземленная магнитодиэлектрическая пластина поддерживает распространение в ней т + 1 типов волн, причем т определяется

.параметром R структуры

где квадратные скобки обозначают целую часть от числа, в них заключенного. Среди распространяющихся ПВ тип ТМ00 не имеет критической частоты, и поэтому они всегда присутствуют при углах

При наличии других высших типов распространяющихся ПВ угол Фкроо будет критическим в том смысле, что при больших углах падения модуль | Г | остается равным 1. Другими словами, угол Фкроо является углом полного внутреннего отражения (при задан­ ных параметрах структуры и частоте).

Таким образом, при падении плоской Т-волны на край структу­ ры в зависимости от угла Ф возможны три режема: 1) режим про­ странственных поверхностных волн; 2) режим ПВ; 3) режим полного внутреннего отражения. Пространственное излучение всегда со­ провождается возбуждением ПВ. В зависимости от kd, е и |хв пер­ вом режиме существует, по меньшей мере, одна основная ПВ типа ТМ0п. Согласно соотношению (2.9) условие возбуждения только этой’волны

в подложке, помимо основной ГМ00-волны, существует следующая, первая после ТМ00, высшая ТЕ10 ПВ. Первый режим в структуре соответствует углам падения Ф £ (0, Ф0). Интервалу углов (Ф0,Ф Кр) отвечает режим ПВ, в котором падающая мощность распределяется между отраженной и ПВ. 3 режиме полного внутреннего отраже­ ния, соответствующего углам Ф £ (Фкр, л/2), падающая волна пол­ ностью отражается: | Г | = 1.

Фаза X коэффициента отражения определяет положение эф­ фективной плоскости отражения от разомкнутого края структуры:

причем в зависимости от знака X величина АI может принимать как положительное, так и отрицательное значение.

На рис. 22 построены зависимости модуля и)! 1)азы коэффициента отражения Г плоскопараллельного волновода i заполненного ди­ электриком (.к <. 0) от угла падения Ф при различных параметрах

Волны в МПЛ. Волны в МПЛ характеризуются двумя индекса­ ми: *ислом вариаций между проводящими пластинами (п) и числом

вариаций поля поперек полоски (т). При этом для £-волн [7; 25]

£ •= EU= H', = H, = 0.

Квазистатнческое приближение. Для расчета волнового сопро­ тивления ПА можно в ряде случаев воспользоваться квазистатическим приближением. Волновое сопротивление НПЛ для широ­ ких проводников (w/d > 1 ) 17]

Z = 120л(е)” ‘/ , [ - ^ - + 1,393+ 0,667In ( ~ + 1,444)] 1, (2.16)

для узких проводников (w/d < 1)

Формулы (2.16), (2.17) справедливы для бесконечно тонкого про­ водника. Эффективная диэлектрическая проницаемость, входящая в эти формулы,

Для проектирования ИС и ОИС СВЧ необходимо знать зависи­ мости геометрических размеров от волнового сопротивления Z и диэлектрической проницаемости е подложки. Пользуясь формулами (2.16) — (2.18), запишем

w/d = 64 {l — [ 1,0455 — (о,512 • бОл/Z V & J ]V‘} ; (2.19)

Z < 128/ф'еэф;