Распространение электромагнитных волн в цилиндрической и зеркальной щелевых линиях передачи

Интенсивное развитие микроэлектроники стимулировало возникновение физики и техники интегральных [i], а в последнее время и функциональных [2] микросхем, что позволило решить проблемы миниатюризации, уменьшения веса и стоимости, повышения надежности сложных радиофизических систем. Основой интегральных схем (ИС) сантиметрового Сем) диапазона служит полосковая линия (ГОТ) пересдачи [з, 4]. ШГ имеюг малую толщину tу и легко изготавливаются методами тонкои толстопленочных технологий [5]. Применение Щ[ не только значительно упрощает конструирование и изготовление СВЧ-устройств, но и позволяет создавать узлы, осуществление которых в волноводном варианте оказалось бы слишком трудной или вообще невыполнимой задачей. Вместе с тем решение ряда радиофизических задач с применением ШГ не всегда оправдано, что привело к разработке и интенсивному исследованию других типов волно-ведущих трактов планарной конфигурации (например, щелевой линии (ШГ) [б], компланарной линии [i] и др.), а следовательно и к переходам от одного тракта к другому в пределах одной схемы [7,в] .

В пленарных линиях (ПЛ, ЩЛ)^хотя и мало, однако, они не в полной мере удовлетворяют требованию миниатюрности, т.к. имеют значительную ширину Ьп^Я0/2 (где Л0 — рабочая длина волнд) [9,10]. Поскольку ИС обладают двумерной конфигурацией, то в первую очередь ширина входящих в их состав элементов приобретает принципиальное значение.

Освоение миллиметрового (мм) и субмиллиметрового (субмм) диапазонов волн требует применения принципов микроэлектроники в этой области спектра. Масштабное моделирование пленарных линий передачи см диапазона в мм диапазоне (как это было в случае продвижения стандартного прямоугольного волновода [ll] вплоть до 2-х мм) наталкивается на принципиальные затруднения, т.к. в мм диапазоне резко возрастают омические потери в ПЛ и ЩЛ и также становятся очень жесткими допуски на их изготовлении. Существенно также, что в мм диапазоне (коцца сильно уменьшается Л0 и становится сравнимой с геометрическими размерами линий) квазистатические методы расчета ШГ [12] дают большую погрешность, а строгие методы, учитывающие существенно волновой характер мм волн в ШГ [гз] и ЩЛ [14,15,1б] только начади разрабатываться. Для ШГ и ЩЛ характерно наличие паразитного излучения мощности. Тепловые потери в ШГ превышают затухание в стандартном волноводе в В раз [17] для величины диэлектрической проницаемости подложки <5″ 2,25, и в 50 раз [iej для б «9,6. Другими словами потери в ШГ даже в коротковолновой части см диапазона оказываются не менее ЮдБ/м (даже при малом <5 подложки [21], которые, однако, не решают всей проблемы в целом, т.к. с уменьшением? тепловые потери уменьшаются, однако, растут дифракционные. То есть требование мало-габаритносги у ШГ находится в противоречии с требованием малости потерь.

Предложены также экранированные линии передачи на подложке с малым? , в которых применение замкнутого проводящего экрана (охватывающего линию) позволяет исключить дифракционные потери. К таким линиям относится экранированная щ или «fin — fine» [22,23], она же волноводно-щелевая линия (ВЩ) [24,25]. Однако внешний экран приводит к росту габаритов, веса, сужает полосу однокодового режима целевой волны, усложняет технологию производства. Хотя в ВЩЯ и исключены дифракционные потери, общее затухание ВДОГ довольно значительно [2б]. Кроме того, ВШЗГ потеряла те преимущества открытых линий, которые связаны со свободным доступом к полю распространяющейся вдоль линии волны.

Хорошо известны в мм диапазоне диэлектрические волноводы (ДВ) [27) (в том числе сверх раз мерные ДВ (СДВ) [20]) и его модификации на проводящей [28,II] и диэлектрической [29,30] подложках, которые обеспечивают им необходимую жесткость и позволяют изготавливать по технологии прессования диэлектрика. Наименьшими эффективными габаритами обладает здесь ДВ на проводящей подложкезеркальная диэлектрическая линия (ЗДЛ). Однако в минимуме тепловых потерь ЗДЛ, его эффективные габариты достигают 50Я0 [п], а в минимуме эффективных габаритов (^8Я0} затухание превышает потери в стандартном волноводе [il], площадь поперечного сечения которого обычно 0,28у?/[п] Ст.е. 150 и 30 раз меньше). Принято считать, что ДВ на диэлектрической подложке, который является аналогом световода [29], должен иметь небольшие потери. Затухание в этом случае впрочем достигает до 9 дб/и в 2~х мм диапазоне |зо] • На основе ЗДЛ легко выполнять такие элементы как направленные ответвители, изгибы, разветвители и др. [п, 30] вместе с тем «размазанность» поля дв по пространству, окружающему диэлектрический стержень, затрудняет разработку многих элементов. Например, оказывается проще включить детекторный диод в переход от ЗДЛ к стандартному волноводу [п] или от ЗДЛ к ЩЛ [3l], чем в сам ДВ.

Точно так же любая линия передачи (в том числе ШГ и ЩЛ) имеет удобные или неудобные (и иной раз и вовсе невыполнимые) по технологическим или иным причинам функциональные элементы. Так, например, пл имеет удобный диодный зазор для включения диодов любого функционального назначения [32] - ВДГ (а также компланарная лирия) имеет область круговой поляризации магнитного поля, удобную для построения ферритовых вентилей и фазовращателей [19,33] .

Можно выделить три способа уменьшения поперечных габаритов линий передачи: а) непосредственное (геометрическое) уменьшение габаритов (это касается ГО1, ЩЛ, коаксиальной линии и др. двухпроводных трактов, а так же отчасти стандартного волновода и линзовой линии [35) — б) увеличение 6 диэлектрического заполнения линиив) поиск новых физических принципов построения линий передачи. Действительно, двухпроводную линию [з^ всегда можно сде-дать сколь угодно малой, т. е. создать условия для передачи по ней электромагнитной волны сколь угодно большой Я о, т.к. двухпроводные линии имеют нулевую частоту отсечки. Однако, очевидно, что такой путь может привести к неограниченному росту погонного затухания. Наиболее распространенным на практике является создание линий передачи при увеличении <5 [зб], т.к. рост 6 ведет к уменьшению продольных габаритов так же в <5 раз с одновременным увеличением погонного затухания за счет уменьшения поперечных габаритов. Это позволяет добиться уменьшения схемных габаритов при сравнительно незначительном возрастании потерь. Заметим, что большинство трактов, применяющихся в мм диапазоне, являются простым масштабным моделированием уже хорошо освоенных линий передачи более длинных (ПЛ, ЩЛ, стандартный волновод и др.) или более коротких С ДВ, линзовая линия и др.) волн. Перспективная линия передачи, в которой используются новые физические идеи, должна совмещать в себе положительные стороны уже существующих трактов и удовлетворять целому ряду объективных требований, подчас противоречивых: малогабаритносгь и широкополосносгь при заданной величине погонного затуханиятехнологичность и возможность создания достаточно полной элементной базы электрически управляемых функциональных уогройсгв.

В такой постановке проблемы поиска новых линий передачи для интегральных и функциональных микросхем мм диапазона продолжает оставаться актуальной проблемой радиофизики и высокочастотной электроники.

В 1979 г. была предложена [37) и в рамках строгого решения краевой задачи электродинамики проанализирована [38,39,40,41] новая линия передачи — цилиндрическая щелевая линия (ЩИ) круговой диэлектрический стержень малого диаметра 2 а, частично экранированный экспоненциально — тонким металлическим сдоем с узкой продольной щелью. Основной модой ЦШЛ является щелевая волна квази — Н00 типа. ЦЩЛ отличается малыми габаритами {2а," 0,1Йо) и широкой полосой пропускания 2-х окгавЛ.

В 1983 г. предложена модификация ЦЩЗГ [42]. В ней часть экрана выполнена в ввде проводящей подложки, а щель образована оставшимся краем экрана и подложкой, причем диэлектрический стержень при этом оказалось удобнее выполнить прямоугольной (квадратной) формы поперечного сечения. Такая линия передачи была названа зеркальной щелевой линией (ЗЩЛ). В настоящее время ЗЩЛ является, пожалуй, самой миниатюрной линией передачи. Ее площадь поперечного сечения в 2 раза меньше, чем у ЦЩЗГ и в 4 раза меньше, чем у ВЩЛ (при одинаковом б). Полоса пропускания ЗВДГ более, чем в ~ft? раз шире полосы ВЩЛ и может достигать 2*3 октав, гак что при помощи одной ЗПЩ можно перекрыть весь мм диапазон длин волн. ЗШГ (как и ЦЩЛ) многофункциональная линия. В частности она имеет помимо режима распространения медленной поверхностной волны режим излучения быстрой вытекающей волны (ВВ) &-з]. Поэтому на ее основе возможно конструирование соответствующих антенных систем. Щель ЗШГ удобна для включения диодов любого функционального назначения (как у IDl), возле щели имеется область круговой поляризации магнитного поля для построения ферритовых элементов (как у ЩЛ) и др. Затухание в ЗЩЯ [44] (? = 2,25) оказалось того же порядка, что и в соответствующих стандартных волноводах (т. е. на порядок меньше, чем в соответствующей (? = = 2,25) Ш1. ЗИП обладает, благодаря подложке, высокими эксплуатационными характеристиками и достаточной жесткостью. К ней применимы технологии, хорошо развитые для ШГ и ДВ [5]. ЗВДГ низко-омная линия. Ее волновое сопротивление в 2 раза меньше, чем у ЦЩЗГ и ВПЩ (см. также Приложение i). Все это делает ЗВДГ перспективной линией передачи мм диапазона для конструирования интегральных и функциональных ИС. целью настоящей работы является исследование распространения электромагнитных волн в ЦЩ31 и ЗПЩ и на основании полученных физических результатов уменьшение габаритов и веса ИС мм диапазона фидерной и антенной частей при улучшении общих характеристик ИС и расширении их функциональных возможностей. .

Эта цель достигается путем разработки новых ввдов тракта на основе продольно-щелевого цилиндра различной формы поперечного сечения, изучения особенностей распространения в них щелевой электромагнитной волныпостроения элементной базы на основе новых щелевых линий.

Впервые о щелевой волне продольно-щелевого цилиндра упоминается в теоретической работе [45], а ее наблюдение проводилось при разработке щелевых секций волноводных измерительных линий [4б]. До сих пор создатели волновсдных измерительных линий продолжают бороться со щелевой волной, увеличивающей погрешность измерений.

Ы •.

В [48,49] проведен теоретический анализ антенн бегущей волны на основе продольно-щелевого кругового цилиндра, возбущдаемого волноводными модами. Исследование практической конструкции типа описанной в [49] выявили наличие в диаграмме направленности (дн) излучения дополнительного максимума, названного «аномальным» [50]. Подавить этот максимум не удалось. В [51,52] «аномальный» лепесток связывается с полем излучения щелевой волны продольно-щелевого цилиндра. Удовлетворительных характеристик антенных систем, работающих на щелевой волне [53,54-], добиться не удалось, что связано с недостаточной теоретической обработкой этого вопроса [50−5з] и отсутствием адекватной физической модели.

В [55] построено строгое решение методом Римана-Гильберта [5б| задачи дифракции плоской электромагнитной волны на круговом цилиндре со щелью при произвольных параметрах поляризации и ориентации волнового вектора падающего поля к оси цилиндра, а в [57] проведено сопоставление теоретических [55] и экспериментальных исследований указанной структуры при резонансном возбуждении н-поляризованной волной.

На защиту выносятся следующие положения и утверждения.

1. Новая миниатюрная, широкополосная и сравнительно с небольшими потерями линия передачи для ИС мм диапазона — ЗЩЯ.

2. Модифицированный метод поперечного резонанса для расчета основных характеристик (дисперсии, волнового сопротивления, диаграммы направлений) ЦЩЛ и ЗЩ1 с произвольной формой поперечного сечения и с учетом конечной толщины экрана .

3. Экспериментальный метод исследования характеристик ЦПДО и ЗЩГ, основанный на применении двух координатной измерительной линии, зондовая головка которой выполнена на основе ЗЩГ.

Результаты экспериментального исследования дисперсии и затухания в режимах медленной поверхностной и быстрой вытекающей волны.

5. Результаты экспериментального исследования амплитудного распределения компонент поля щелевой волны в различных режимах работы щелевой линии.

6. Распределение поля ВВ в ближней и дальней зонах источника.

7. Результаты исследования связанных щелевых линий и направленных ответвителей на их основе.

8. Конструкция детекторной секции на основе ЗП0Гчувствительность детекторного диода, включенного в щелевую линию.

8. Физические принципы построения элементной базы на основе ЦПЩ (излучателей, волноводно-щелевых переходов (ВЩП), короткозамыкателей, согласованных нагрузок, резонаторов, фланцевых соединений) и на основе ЗЩЛ (излучателей, ВЩП, короткожамыкателей, согласованных нагрузок, направленных ответвителей, резонаторов, детекторных секций, фланцевых соединений).

Краткое содержание диссертационной работы.

Основные выводы данного обзора можно сформулировать на основе рис.П. 1.3, из которою видно, что наибольшее значение имеет дв, а наименьшее ЗПЩ. При этом на рис.П.1.3а не приведены ЛП с <5зф>10Ла, т.к. они не применяются в технике ИС. Рис.П. 1.3 построен на основе обобщения данных, приведенных в главах I и П, а также в данном Приложении (Приложение I). Следует иметь в виду, что малое значение *5з<�р ПЛ и ЩЛ связано с малым значением их толщины i-t — ширина ЗЩЯ существенно меньше ширины ЦЛ$ что приводит к дополнительному (по сравнению с рис.П.1.3а) уменьшению плоскостных габаритов ИС, выполненной на основе ЗЩЯ.

Построить рис.П.1.36 было значительно сложнее, т.к. не для всех ЛП в достаточной степени развита теория затухания и не во всех случаях она удовлетворительно совпадает с экспериментом. С другой стороны, не для всех ЛП проведено достаточно подробное исследование затуханиякроме того эксперименты ставились в разное время, на разных линиях, выполненных по различной технологии. Сравнение необходимо провести на одной выбранной длине волны (проведено для Ло = I см), что создает дополнительные трудности. Вместе с тем рис.П.1.3б правильно отражает взаимное соотношение между пв различных ЛП, как оообщение рис.П.1.1 и рис.П.1.2.

Для случая, когда разрабатываемая сявма имеет большую длину, малую искривленность и не требует включения большого числа функциональных элементов, выбор ЛП для нее следует остановить на ЛП № 4 (см. рис.П.1.3б, т. е. на круглом волноводе смодой. Для техники ИС, особенно в мм диапазоне, наиболее перспективна ЗЩЛ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Таким образом в работе предложена новая перспективная линия передачи для ИС мм диапазона — ЗЩЛ. Предложен адекватный ЗЩЛ экспериментальный метод исследования, основанный на применении ДМ, зондовая головка которой построена из отрезков ЗЩЛ. Построена модификация МПР для расчета характеристик щелевых линий передачи, причем благодаря учету емкости краевого поля щели существенно повышена точность МПР. С единых позиций МПР проведено сравнение основных характеристик основных классов щелевых линий передачиЩЛ, ВЩЛ, ЦЩЛ, ЗЩЛ — определено место ЗЩЛ среди них, сформулированы причины ее перспективности.

Экспериментально, при помощи ДИЛ, и теоретически, на основе МПР, проведено комплексное исследование дисперсии, затухания и функций распределения электромагнитного поля ЦЩЛ и ЗЩЛ в режимах медленных поверхностных и быстрых вытекающих волн. Сформулированы основные физические принципы построения элементной базы на основе ЗЩЛ (и ЦЩЛ). Проведенное исследование позволяет сделать следующие основные выводы.

ЗПЩ является сейчас самой миниатюрной из известных линий передачи, что немаловажно для двумерных ИС. Площадь поперечного сечения ЗЩЛ в 4 раза меньше, чем у ВЩЛ и в 2 меньше, чем у ЦЩЛ, в 8−10 раз меньше, чем у стандартного волновода. Полоса пропускания л Ям в Гг раз больше, чем у ВЩЛ и достигает 2f3 октавы, так что при 2а = Ь ЗЩЛ при <5 ~ 2 и 6 ~ I мм может перекрыть весь мм диапазон.

Поле ЗЩЛ (как и ЦЩЛ) сконцентрировано на щели и поэтому эффективные габариты ЗЩЛ незначительно превышают геометрические. Скорость убывания поля ЗЩЛ (ЦЩЛ) слабо зависит от Я0 и <5 и определяется в основном геометрическими параметрами щели. Однако с ростом.

Потери в ЗЩЛ определяются затуханием в металле экрана и подложки, потери в диэлектрике, как правило, на порядок меньше. В режиме распространения (Ла < ЯперУ потери на излучение практически отсутствуют. Экспериментальное значение полного затухания в.

ЗЩЛ составляет (2*3) дБ/м в длинноволновой части мм диапазона и порядка Ю дБ/м в коротковолновой, то есть h ЗЩЛ мм диапазона оказывается также порядка, что и у ПЛ см диапазона (при одинаковом б).

Благодаря подложке ЗЩЛ обладает высокими эксплуатационными характеристиками к достаточной жесткостью, на ее основе можно изготовить самые разнообразные функциональные элементы и узлы, причем все нежелательные с точки зрения распространения волны конструктивные детали легко вынести под подложку.

Волновое сопротивление ЗЩЛ имеет величину порядка нескольких десятков Ом, что в 2 раза меньше, чем у ВЩЛ и ЦЩЛ и на порядок меньше, чем у стандартного волновода. Малое Zв облегчает включение в ЗЩЛ СВЧ диодов и транзисторовZ3 можно уменьшить, увеличивая? или емкость щели Сс .

К ЗЩЛ применима планарная технология, хорошо развитая для ПЛ и ДВ, особенно если сделать поперечное сечение ЗЩЛ слегка трапецеидальной формы.

ЗЩЛ многофункциональная линия: она может работать в режиме распространения (при Лг/? ^ <�У?лер) и режиме излучения (при.

Лпер<�Ла < Л х-р}" В режиме распространения щелевая волна носит поверхностный характерпри этом h’z ~ X. /<?зф «что совместно с большой полосой одномодового режима лЛ м свидетельствует о распространении видиоимпульса вдоль ЗЩЗГ практически без фазовых искажений. В режиме излучения щелевая волна носит быстрый вытекающий характер, причем в этом случае определяющими являются дифрак.

U «/ «ционные потери С Пд «пв). Этот режим позволяет строить разнообразные антенные системы мм диапазона. Например, малогабаритные (длина излучателя L? ЗЛ0, диаметр 2а ^ 0,1 Яа)> слабонаправленные, широкодиапазонные излучатели, запитываемые от адекватного фидера для использования в технике ФАР. При Z > 10 Ло максимум диаграммы направленности образует черенковский угол с продольной осью излучателя (оС= агс cos/?z/л?), что позволяет осуществлять частотное сканирование лучей от оС =0° дооС = 90°. Уг-лочастотная чувствительность такого сканера при 6 ^ 20 достигает 20 градусов на процент изменения частоты. Экспериментально исследован механизм и процесс черенковского излучения миллиметровых волн из ЦЩИ. Впервые получены формы амплитудного распределения поля ВВ в ближней зоне источника. Оказалось, что фазовый центр ДН излучения ВВ расположен в точке ZZgj>0 и, что Z$v зависит отЛ0. Причем оказалось, что открытая волноведущая структура в режиме ВВ способна поддерживать такой же колебательный процесс, как и в случае медленных поверхностных волн, т. е. функция амплитудного распределения ВВ в поперечном сечении открытого волновода спадает на бесконечности так же быстро, как и в случае медленной волны. Исследовалось распределение поля в переходной зоне и ДН в дальней зоне? последняя имеет форму практически правильного черенковского конуса. Возможна аналогия между электродинамической струю турой, поддерживающей ВВ и пучком сверхрелятивистских частиц (вообще говоря тахионов), излучающих черенковский конус в вакууме.

При этом собственное поле ВВ следует сопоставить с полем пучка частицполе излучения присутствует в обоих случаях.

Эксперимент также показал, что ДН излучение формируется на небольших расстояниях от ЦЩИ так, что дальняя зона ЦЩИ начинается уже при Z > (25r50)./?tf.

Экспериментально исследованы макеты частотных сканеров мм диапазона, которые можно использовать в качестве облучателей плоских и цилиндрических зеркальных антенн, в том числе в интегральном исполнении.

Комбинации ЦЩЛ (и ЗЩЛ) в режимах излучения и распространения позволяют строить не только антенные системы, но и волномеры, спектроанализаторы и др.

ЗЩЛ допускает создание разнообразной элементной базы, в том числе из электрически управляемых элементов. Этому способствует квазистатический характер поля линии и то, что электрическое? и магнитное// -поля занимают разнесенные в пространстве объемы. Иполе сосредоточено в объеме ЗЩЛ (ЦЩЛ) и имеет вблизи щели область круговой поляризации, удобную для построения ферритовых вентилей и фазовращателей.? -поле сконцентрировано на щели. Это эффективный диодный промежуток для включения диодов любого функционального назначения. Детекторная секция, выполненная на основе ЗЩЛ, оказалась более чувствительной, чем ее волноводный вариант. Благодаря поверхностному характеру поля щелевой волны фиксированные аттенюаторы и фазовращатели и др. изготавливаются аналогично ДВ. Тоже самое можно сказать о направленных ответвигелях поверхностных волн на основе связанных ЗИЦГ. Широкие возяожности открываются при использовании комбинаций многощелевых и однощеле-вых ЗЩЛ^ Многофункциональность ЗЩГ (ЦЩЛ) говорит об ее универсальности.

Таким образом, миниатюрная и широкополосная ЗЩЯ имеет потери в мм диапазоне, как ПЯ в см диапазоне и допускает создание в пленарном исполнении широкого спектра функциональных элементов и узлов, обеспечивает комплексную миниатюризацию замкнутых антенно-фидерных систем мм диапазона, что позволяет избежать применения нескольких типов тракта в пределах одной схемы.1 Это упрощает схему не только конструктивно и технологически, но и облегчает расчет ее параметров, т.к. отпадает необходимость хранить в памяти ЭВМ' о всех применяющихся трактах и о переходах между ними.

В заключение выражаю глубокую благодарность руководителю работы академику АН УССР В. П. Шестопалову за постановку проблемы, а также за постоянное внимание и поддержку в процессе разработки темы.