Полосковые и микрополосковые линии

С точки зрения математического расчета наиболее простым типом линии передач является симметричная полосковая линия, показанная на рис. 4а. В такой линии могут распространяться поперечные T-волны, следовательно, отсутствует дисперсия. Кроме того, электромагнитное поле сосредоточено в области диэлектрика, что наряду со свойством пространственной симметрии существенно упрощает анализ. Однако наибольше распространение получил другой тип линий передач - микрополосковые линии (рис. 4б). Для микрополосковых линий характерна малая высота подложки (менее 1 мм) и ее большая диэлектрическая проницаемость (ε>10). Благодаря высокой диэлектрической проницаемости электромагнитное поле в микрополосковой линии концентрируется в области между проводником и заземленным основанием. Благодаря этому уменьшаются потери на излучение, что бывает существенно для СВЧ-диапазона, а кроме того, ослабевают паразитные связи. В силу своей конструкции микрополосковые линии более компактны. Особенно широко микрополосковые линии используются в интегральных схемах СВЧ, а также в других миниатюрных устройствах. Отсутствие пространственной симметрии, более сложная картина поля, которое можно лишь условно описать в виде поперечных T-волн (это так называемая квази-Т волна) приводят к усложнению анализа. Известные численные методы расчета таких линий связаны с большим объемом вычислений, однако существуют упрощенные выражения, приведенные к аналитическому виду. Остановимся подробнее на этих выражениях. Выражение для волнового сопротивления микрополосковой линии имеет вид: ,

где - волновое сопротивление свободного пространства.

Эффективная диэлектрическая проницаемость для микрополосковой линии определяется по формуле:

,где - относительная диэлектрическая постоянная подложки. Эффективная диэлектрическая постоянная меньше диэлектрической постоянной подложки , так как она учитывает поле вне подложки. Вышеприведенные соотношения не учитывают толщину проводника, длину полосковой линии, а также некоторые другие конструктивные параметры, что приводит к наличию погрешности. Для более точного расчета используем утилиту Transmission Lines из пакета Serenade. Для этого, войдя в меню Tools, выберем пункт Transmission Lines. При этом вызывается программа trl80.exe, интерфейс которой изображен на рис.5. Произведем расчет простейшей микрополосковой линии (рис.4б), которая представляет собой слой металла, нанесенный на пластину диэлектрика. Войдя в меню Structure (тип структуры), остановимся на подменю Microstrip (микрополосковые линии). Выберем пункт меню Single, при этом откроется новое окно для расчета параметров микрополосковой линии. Картинка в верхней части окна схематично изображает заданный тип линии передачи, а также обозначение некоторых конструктивных параметров. Для микрополосковых линий программа позволяет задать следующие параметры:

Параметр	Значение по Умолчанию	Единица Измерения	Описание
W	-	м*	Ширина проводника
P		м	Физическая длина линии передачи
Z0	-	Ом	Импеданс линии передачи
E		градусы	Электрическая длина линии передачи
F		Гц*	Частота
ER	-	-	Относительная диэлектрическая проницаемость
H	-	м	Толщина подложки
HU	40·H	м	Расстояние от подложки до экрана (значение по умолчанию сводит влияние экрана к нулю)
TAND		-	Тангенс диэлектрических потерь
RGH		м	Размер шероховатостей поверхности
MSAT		Гаусс	Магнитное поле насыщения
MREM		Гаусс	Остаточный магнетизм
TANM		-	Тангенс магнитных потерь

*Система единицы измерения, используемая в программе, показана в правом верхнем углу окна расчета линии передач (пенель Units). Единицы измерения расстояния и частоты могут быть изменены. Все вводимые значения должны соответствовать указанной системе единиц.

Программа позволяет производить как синтез, так и анализ линии передач. Для синтеза необходимо задать величины Z0, H и ER. Другие величины, если они не заданы, принимают значения по умолчанию. Под синтезом имеется в виду расчет ширины проводника (полоски металлизации) при прочих заданных условиях.

Под анализом здесь и далее подразумевается расчет волнового сопротивления Z0. В этом случае необходимо явно задать параметры W, H и ER. Особое внимание как при анализе, так и при синтезе необходимо уделить значению частоты. По умолчанию производится расчет по постоянному току, поэтому результаты могут сильно отличаться от ожидаемых.

Из вышеприведенной таблицы видно, что система приведенных параметров избыточна, поскольку электрическая длина E может быть выражена через физическую длину линии P, частоту F и фазовую скорость волны. Программа учитывает это свойство. Так, если задать электрическую длину E и частоту F, то при нажатии кнопки Synthesize (синтез) будет рассчитано значение P. Наоборот, задав P и F и нажав кнопку Analyze (анализ), получим значение E.

Диэлектрическая подложка задается параметрами H, ER и TAND. Если параметр TAND (тангенс диэлектрических потерь) не задан, то подложка не имеет потерь.

Магнитные свойства подложки учитываются в том случае, если заданы параметры MSAT и MREM. По умолчанию магнитные свойства подложки не учитываются.

Тангенс магнитных потерь TANM вводится для учета потерь, связанных с магнитными свойствами подложки, подобно тангенсу диэлектрических потерь TAND. Вместе эти две величины определяют потери, связанные с подложкой.

Магнитные свойства подложки накладывают ограничение на допустимые частоты. Так, частота F должна быть больше т.н. гиромагнитной частоты, то есть должно выполняться соотношение:

F > 2.8 (MГц/Гаусс) · MSAT (Гаусс)

Выбор типа проводника осуществляется в списке Metalization (металлизация). Если тип проводника не указан, то считается, что он обладает нулевыми потерями и имеет нулевую толщину. Может быть указано до трех слоев металлизации – Bottom (нижний), Middle (средний) и Top (верхний). Для каждого слоя отдельно указывается его толщина (см.рис.5). Параметр RGH (metalization rms surface roughness) описывает неидеальность поверхности металлизированной области (обычно его значение можно не указывать).

Для некоторых параметров, таких как ширина линии, ширина зазора и частота, вместо одного значения параметра может быть задан целый список значений. Для этого в соответствующем поле вводится три значения: начальное значение, конечное значение и шаг изменения параметра. После этого параметр при анализе будет пробегать весь набор значений от начального до конечного с указанным шагом. Например, в поле вместо одного значения частоты можно указать следующее: 1GHZ, 5GHZ, 500MHZ.

Результаты анализа отображаются в специальном окне, которое появляется в нижней части системного окна после окончания расчетов.

Дополнительные пункты главного меню позволяют, к примеру, сохранить проект в файле, загрузить ранее сохраненный проект, распечатать значения параметров и результаты расчета, воспользоваться справочной информацией.