Симметричная полосковая линия

Симметричная полосковая линия СПЛ представляет собой трехпроводную полосковую линию, состоящую из полоски шириной и толщиной , помещенной симметрично относительно экранирующих пластин, расположенных на расстоянии друг от друга и имеющих ширину (рисунок 36). Пространство между проводниками полностью заполнено однородным диэлектриком с параметрами , , . Токонесущие элементы (полоска и экранирующие пластины) выполнены из металла с удельной проводимостью . При , и основной волной в СПЛ является ТЕМ-волна, для которой .

Рисунок 36 − Симметричная полосковая линия

Строгий анализ ТЕМ-волны в СПЛ при может быть выполнен методами теории функций комплексного переменного с помощью конформных отображений. Однако качественное представление о структуре ТЕМ-волны в СПЛ можно получить более просто, рассматривая СПЛ как линию, получающуюся в результате деформации коаксиальной линии (рисунок 37).

Рисунок 37 − Преобразование коаксиальной линии в СПЛ

Отметим, что основные характеристики ТЕМ-волны в СПЛ можно определять по формулам для плоских волн в однородной изотропной среде. Важной характеристикой линии передачи с ТЕМ-волной является ее волновое сопротивление , где и − комплексные амплитуды напряжения и тока в линии, соответствующие бегущей волне. Зная формулы для электрического и магнитного поля в СПЛ, можно найти для нее так же, как это было сделано в случае коаксиальной линии. Однако обычно волновое сопротивление полосковых линий определяют иначе. Выше было показано, что волновое сопротивление линии с ТЕМ-волной можно рассчитывать через погонную емкость линии по формуле

В случае СПЛ погонную емкость линии согласно рисунку 38 можно представить в виде

где − емкость плоского конденсатора с пластинами шириной и длиной 1 м, расположенными на расстоянии , рассчитанная без учета краевых эффектов, а −емкость, связанная с краевыми полями на концах полоски. Емкость зависит от , и линии и определяется методами конформных отображений.

Рисунок 38 − Погонная емкость СПЛ

Приведем окончательные приближенные формулы для , позволяющие проводить расчеты с относительной погрешностью, не превышающей 1,24%:

при ,

где , ;

при ,

где .

Как следует из приведенных формул, волновое сопротивление СПЛ уменьшается при увеличении , заполняющего диэлектрика, увеличении ширины и толщины полоски и уменьшении расстояния между экранирующими пластинами , поскольку при указанных изменениях увеличивается емкость .

Расчетные и экспериментальные данные показывают, что в СПЛ с конечной шириной экранирующих пластин при поле практически полностью сосредоточено в заполняющем диэлектрике, а на границе диэлектрик-воздух оно отсутствует; поэтому все характеристики СПЛ в этом случае можно рассчитывать по формулам, справедливым для .

Если и , то при распространении ТЕМ-волны по СПЛ происходят потери энергии в заполняющем диэлектрике и проводниках линии. Кроме того, имеет место излучение энергии в окружающее пространство. При и затуханием волны за счет излучения можно пренебречь. Расчеты показывают, что даже в самом благоприятном случае, при использовании высокочастотных диэлектриков с малым и хорошо проводящих металлов, например, меди, коэффициент ослабления в СПЛ на частотах выше 1 ГГц имеет величину от нескольких десятых до нескольких единиц децибел на метр. Причем коэффициент ослабления возрастает как с увеличением частоты, так и с увеличением . На одних и тех же частотах коэффициент ослабления СПЛ в несколько раз больше коэффициента ослабления в металлических волноводах и коаксиальной линии, что объясняется весьма малыми поперечными размерами СПЛ и полным диэлектрическим заполнением линии. Несмотря на это, полосковые линии находят широкое применение в технике СВЧ: практически вся приемная аппаратура конструируется на их основе. При использовании полосковых линий удается получить весьма малые габариты и массу устройств, в первую очередь за счет повышения заполняющего диэлектрика и, как следствие, уменьшения длины волны в линии.

С целью уменьшения затухания волны в СПЛ применяют несколько измененную конструкцию СПЛ, называемую высокодобротной полосковой линией (рисунок 39). В этом случае проводящую полоску между экранами выполняют в виде двух полосок, нанесенных по разные стороны тонкой диэлектрической пластины. Обе полоски находятся под одним и тем же потенциалом. Пространство между полосками и экранами заполнено воздухом. Тонкая диэлектрическая пластина обеспечивает крепление и центрирование полосок между экранами. При этом ослабление волны в диэлектрической пластине весьма мало, поскольку из-за одинаковых потенциалов полосок концентрация электромагнитного поля в диэлектрике невелика. Симметричное расположение несущей диэлектрической пластины между экранами обеспечивается за счет специальных диэлектрических опор.