Планарные линии передачи — это линии передачи с проводниками или, в некоторых случаях, диэлектрическими (изолирующими) полосками, которые представляют собой плоские, лентовидные линии. Они используются для соединения компонентов на печатных платах и интегральных схемах , работающих на микроволновых частотах, поскольку планарный тип хорошо подходит для методов производства этих компонентов. Линии передачи — это больше, чем просто соединения . При простых соединениях распространение электромагнитной волны по проводу происходит достаточно быстро, чтобы считаться мгновенным, а напряжения на каждом конце провода можно считать идентичными. Если провод длиннее, чем большая часть длины волны (одна десятая часто используется как эмпирическое правило), эти предположения больше не верны, и вместо этого следует использовать теорию линий передачи . В линиях передачи геометрия линии точно контролируется (в большинстве случаев поперечное сечение сохраняется постоянным по длине), так что ее электрическое поведение является в высшей степени предсказуемым. На более низких частотах эти соображения необходимы только для кабелей, соединяющих различные части оборудования, но на микроволновых частотах расстояние, на котором становится необходимым применение теории линий передачи, измеряется в миллиметрах. Следовательно, в цепях необходимы линии передачи .
Самый ранний тип планарной линии передачи был задуман во время Второй мировой войны Робертом М. Барреттом. Он известен как полосковая линия и является одним из четырех основных типов в современном использовании, наряду с микрополосковой линией , подвесной полосковой линией и копланарным волноводом . Все четыре из этих типов состоят из пары проводников (хотя в трех из них один из этих проводников является заземляющей плоскостью ). Следовательно, они имеют доминирующий режим передачи ( мода - это картина поля электромагнитной волны), который идентичен или почти идентичен режиму, обнаруженному в паре проводов. Другие планарные типы линий передачи, такие как щелевая линия , финальная линия и линия изображения , передают сигнал вдоль полосы диэлектрика, а интегрированный в подложку волновод образует диэлектрический волновод внутри подложки с рядами столбиков. Эти типы не могут поддерживать тот же режим, что и пара проводов, и, следовательно, они имеют другие свойства передачи. Многие из этих типов имеют более узкую полосу пропускания и в целом создают больше искажений сигнала, чем пары проводников. Их преимущества зависят от конкретных сравниваемых типов, но могут включать низкие потери и лучший диапазон характеристического сопротивления .
Планарные линии передачи могут использоваться для построения компонентов, а также для их соединения. На микроволновых частотах часто бывает так, что отдельные компоненты в схеме сами по себе больше, чем значительная часть длины волны. Это означает, что их больше нельзя рассматривать как сосредоточенные компоненты , то есть рассматривать так, как если бы они существовали в одной точке. Сосредоточенные пассивные компоненты часто непрактичны на микроволновых частотах, либо по этой причине, либо потому, что требуемые значения непрактично малы для производства. Шаблон линий передачи может использоваться для той же функции, что и эти компоненты. Целые схемы, называемые схемами с распределенными элементами , могут быть построены таким образом. Этот метод часто используется для фильтров . Этот метод особенно привлекателен для использования с печатными и интегральными схемами, поскольку эти структуры могут быть изготовлены с использованием тех же процессов, что и остальная часть сборки, просто путем нанесения шаблонов на существующую подложку. Это дает планарным технологиям большое экономическое преимущество по сравнению с другими типами, такими как коаксиальная линия .
Некоторые авторы проводят различие между линией передачи , линией, которая использует пару проводников, и волноводом , линией, которая либо вообще не использует проводники, либо использует только один проводник для ограничения волны в диэлектрике. Другие используют эти термины как синонимы. В этой статье рассматриваются оба вида, если они находятся в плоской форме. Используемые названия являются общепринятыми и не обязательно указывают на количество проводников. Термин волновод , когда используется без украшений, означает полый или заполненный диэлектриком металлический вид волновода , который не является плоской формой.
Планарные линии передачи — это линии передачи, в которых проводники по существу плоские. Проводники состоят из плоских полос, и обычно имеется одна или несколько заземляющих плоскостей, параллельных плоской поверхности проводников. Проводники отделены от заземляющих плоскостей, иногда воздухом между ними, но чаще твердым диэлектрическим материалом. Линии передачи также могут быть построены в неплоских форматах, таких как провода или коаксиальная линия . Помимо межсоединений, существует широкий спектр схем, которые могут быть реализованы в линиях передачи. К ним относятся фильтры , делители мощности, направленные ответвители , сети согласования импеданса и дроссельные схемы для подачи смещения на активные компоненты. Главное преимущество планарных типов заключается в том, что их можно изготавливать с использованием тех же процессов, которые используются для изготовления печатных плат и интегральных схем , в частности, с помощью процесса фотолитографии . Таким образом, планарные технологии особенно хорошо подходят для массового производства таких компонентов. [1]
Изготовление элементов схемы из линий передачи наиболее полезно на микроволновых частотах. На более низких частотах большая длина волны делает эти компоненты слишком громоздкими. На самых высоких микроволновых частотах планарные типы линий передачи, как правило, слишком теряют , и вместо них используется волновод . Однако волновод громоздкий и более дорогой в производстве. На еще более высоких частотах диэлектрический волновод (такой как оптическое волокно ) становится технологией выбора, но существуют планарные типы диэлектрических волноводов. [2] Наиболее широко используемые планарные линии передачи (любого вида) — это полосковая линия , микрополосковая линия , подвесная полосковая линия и копланарный волновод . [3]
Важным параметром для линий передачи является используемый режим передачи. Режим описывает электромагнитные поля, вызванные геометрией структуры передачи. [6] На одной линии может одновременно существовать более одного режима. Обычно предпринимаются шаги для подавления всех режимов, кроме желаемого. [7] Но некоторые устройства, такие как двухрежимный фильтр , полагаются на передачу более чем одного режима. [8]
Режим, обнаруженный в обычных проводящих проводах и кабелях, является поперечным электромагнитным режимом ( режим TEM ). Это также доминирующий режим в некоторых плоских линиях передачи. В режиме TEM векторы напряженности поля для электрического и магнитного поля являются как поперечными к направлению распространения волны, так и ортогональными друг другу. Важным свойством режима TEM является то, что его можно использовать на низких частотах, вплоть до нуля (т. е. постоянного тока ). [9]
Еще одной особенностью режима TEM является то, что на идеальной линии передачи (той, которая соответствует условию Хевисайда ) не происходит изменения параметров передачи линии ( характеристического сопротивления и групповой скорости сигнала ) с частотой передачи. Благодаря этому идеальные линии передачи TEM не страдают от дисперсии , формы искажения, при которой различные частотные компоненты движутся с разной скоростью. Дисперсия «размывает» форму волны (которая может представлять передаваемую информацию) в направлении длины линии. Все другие режимы страдают от дисперсии, что накладывает ограничение на достижимую ширину полосы пропускания . [10]
Некоторые планарные типы, в частности микрополосковые, не имеют однородного диэлектрика; он отличается выше и ниже линии. Такие геометрии не могут поддерживать истинный режим TEM; есть некоторый компонент электромагнитного поля, параллельный направлению линии, хотя передача может быть почти TEM. Такой режим называется квази-TEM. В линии TEM разрывы, такие как зазоры и столбы (используемые для построения фильтров и других устройств), имеют чисто реактивное сопротивление : они могут накапливать энергию, но не рассеивать ее. В большинстве квази-TEM линий эти структуры дополнительно имеют резистивный компонент к сопротивлению. Это сопротивление является результатом излучения от структуры и приводит к потерям в цепи. Та же проблема возникает на изгибах и углах линии. Эти проблемы можно смягчить, используя материал с высокой диэлектрической проницаемостью в качестве подложки , что приводит к тому, что большая часть волны удерживается в диэлектрике, что делает среду передачи более однородной и режим ближе к TEM. [11]
В полых металлических волноводах и оптических волноводах существует неограниченное количество других поперечных мод , которые могут возникнуть. Однако мода TEM не может поддерживаться, поскольку для ее распространения требуются два или более отдельных проводника . Поперечные моды классифицируются как поперечные электрические (моды TE или H) или поперечные магнитные (моды TM или E) в зависимости от того, является ли все электрическое поле или все магнитное поле поперечным. Всегда существует продольная составляющая одного или другого поля. Точная мода идентифицируется парой индексов, подсчитывающих количество длин волн или полуволн вдоль указанных поперечных размеров. Эти индексы обычно записываются без разделителя: например, TE 10 . Точное определение зависит от того, является ли волновод прямоугольным, круглым или эллиптическим. Для волноводных резонаторов вводится третий индекс для моды для полуволн в продольном направлении. [12]
Особенностью режимов TE и TM является то, что существует определенная частота среза , ниже которой передача не будет иметь места. Частота среза зависит от режима, а режим с самой низкой частотой среза называется доминирующим режимом . Многомодовое распространение, как правило, нежелательно. Из-за этого схемы часто проектируются для работы в доминирующем режиме на частотах ниже частоты среза следующего самого высокого режима. В этой полосе может существовать только один режим, доминирующий режим. [13]
Некоторые планарные типы, которые предназначены для работы в качестве устройств TEM, также могут поддерживать моды TE и TM, если не будут предприняты шаги для их подавления. Заземляющие плоскости или экранирующие корпуса могут вести себя как полые волноводы и распространять эти моды. Подавление может принимать форму закорачивания винтов между заземляющими плоскостями или проектирования корпуса таким образом, чтобы он был слишком мал для поддержки частот, таких низких, как рабочие частоты схемы. Аналогично, коаксиальный кабель может поддерживать круговые моды TE и TM, которые не требуют центрального проводника для распространения, и эти моды можно подавить, уменьшив диаметр кабеля. [14]
Некоторые структуры линий передачи не могут поддерживать чистый режим TE или TM, но могут поддерживать режимы, которые являются линейной суперпозицией режимов TE и TM. Другими словами, они имеют продольный компонент как электрического, так и магнитного поля. Такие режимы называются гибридными электромагнитными (HEM) режимами. Подмножество режимов HEM — это режимы продольного сечения. Они бывают двух видов: режимы продольного сечения электрические (LSE) и режимы продольного сечения магнитные (LSM). Режимы LSE имеют электрическое поле, которое равно нулю в одном поперечном направлении, а режимы LSM имеют магнитное поле, которое равно нулю в одном поперечном направлении. Режимы LSE и LSM могут возникать в планарных типах линий передачи с неоднородной средой передачи. Структуры, которые не могут поддерживать чистый режим TE или TM, если они вообще способны поддерживать передачу, обязательно должны делать это с гибридным режимом. [15]
Характеристическое сопротивление линии — это сопротивление, с которым сталкивается волна, распространяющаяся по линии; оно зависит только от геометрии линии и материалов и не изменяется при ее завершении. Необходимо согласовать характеристическое сопротивление плоской линии с сопротивлением систем, к которым она подключена. Многие конструкции фильтров требуют линий с несколькими различными характеристическими сопротивлениями, поэтому для технологии выгодно иметь хороший диапазон достижимых сопротивлений. Узкие линии имеют более высокое сопротивление, чем широкие. Максимально достижимое сопротивление ограничено разрешением производственного процесса, что накладывает ограничение на то, насколько узкими могут быть линии. Нижний предел определяется шириной линии, при которой могут возникнуть нежелательные поперечные резонансные моды. [16]
Фактор добротности (или просто Q ) — это отношение энергии, запасённой за цикл, к энергии, рассеиваемой за цикл. Это основной параметр, характеризующий качество резонаторов . В цепях линий передачи резонаторы часто строятся из секций линий передачи для создания фильтров и других устройств. Их фактор добротности ограничивает крутизну юбок фильтра и его селективность . Основными факторами, определяющими Q планарного типа, являются диэлектрическая проницаемость диэлектрика (высокая диэлектрическая проницаемость увеличивает Q ) и диэлектрические потери , которые уменьшают Q. Другими факторами, которые уменьшают Q, являются сопротивление проводника и потери на излучение. [17]
• ε r — относительная диэлектрическая проницаемость подложки.
Существует широкий спектр подложек, которые используются с планарными технологиями. Для печатных схем обычно используется эпоксидная смола, армированная стеклом (марка FR-4 ). Высокодиэлектрическая керамика - ламинаты ПТФЭ (например, плата Rogers Corporation 6010) специально предназначены для микроволновых применений. На более высоких микроволновых частотах керамический материал, такой как оксид алюминия (глинозем), может использоваться для гибридных микроволновых интегральных схем (МИС). На самых высоких микроволновых частотах, в миллиметровом диапазоне , может использоваться кристаллическая подложка, такая как сапфир или кварц . Монолитные микроволновые интегральные схемы (ММИС) будут иметь подложки, состоящие из полупроводникового материала, из которого построен чип, такого как кремний или арсенид галлия , или оксида, нанесенного на чип, такого как диоксид кремния . [24]
Электрические свойства подложки, представляющие наибольший интерес, — это относительная диэлектрическая проницаемость (ε r ) и тангенс угла потерь ( δ ). Относительная диэлектрическая проницаемость определяет характеристическое сопротивление заданной ширины линии и групповую скорость сигналов, проходящих по ней. Высокая диэлектрическая проницаемость приводит к меньшим печатным компонентам, что способствует миниатюризации. В типах квази-TEM диэлектрическая проницаемость определяет, какая часть поля будет содержаться внутри подложки, а какая — в воздухе над ней. Тангенс угла потерь является мерой диэлектрических потерь. Желательно, чтобы он был как можно меньше, особенно в схемах, требующих высокой добротности . [25]
Интересующие механические свойства включают толщину и механическую прочность, требуемые от подложки. В некоторых типах, таких как подвешенная полосковая линия и ребристая линия, выгодно сделать подложку как можно тоньше. Хрупкие полупроводниковые компоненты, установленные на гибкой подложке, могут быть повреждены. Чтобы избежать этой проблемы, в качестве подложки можно выбрать твердый, жесткий материал, такой как кварц, а не более простую в обработке плату. В других типах, таких как однородная полосковая линия, она может быть намного толще. Для печатных антенн , которые соответствуют форме устройства , требуются гибкие, а значит, очень тонкие подложки. Толщина, требуемая для электрических характеристик, зависит от диэлектрической проницаемости материала. Отделка поверхности является проблемой; может потребоваться некоторая шероховатость для обеспечения адгезии металлизации, но слишком большая приводит к потерям в проводнике (поскольку последующая шероховатость металлизации становится значительной по сравнению с глубиной скин-слоя ). Тепловые свойства могут быть важны. Тепловое расширение изменяет электрические свойства линий и может разрушить металлизированные сквозные отверстия . [26]
Stripline — это полосковый проводник, встроенный в диэлектрик между двумя заземляющими плоскостями. Обычно он изготавливается в виде двух листов диэлектрика, скрепленных вместе с рисунком полосковой линии на одной стороне одного листа. Главное преимущество полосковой линии перед ее основным конкурентом, микрополосковой, заключается в том, что передача осуществляется исключительно в режиме TEM и не имеет дисперсии, по крайней мере на расстояниях, встречающихся в полосковых приложениях. Stripline способна поддерживать режимы TE и TM, но они обычно не используются. Главный недостаток заключается в том, что в нее не так просто, как в микрополосковую, встраивать дискретные компоненты . Для любых встраиваемых компонентов в диэлектрике необходимо предусмотреть вырезы, и они недоступны после сборки. [28]
Подвесная полосковая линия — это тип воздушной полосковой линии , в которой подложка подвешена между заземляющими плоскостями с воздушным зазором сверху и снизу. Идея состоит в том, чтобы минимизировать диэлектрические потери, заставляя волну проходить через воздух. Диэлектрик предназначен только для механической поддержки проводящей полосы. Поскольку волна проходит через смешанную среду воздуха и диэлектрика, режим передачи не является истинно TEM, но тонкий диэлектрик делает этот эффект незначительным. Подвесная полосковая линия используется на средних микроволновых частотах, где она превосходит микрополосковую по потерям, но не такая громоздкая или дорогая, как волновод. [29]
Идея двухпроводниковой полосковой линии заключается в компенсации воздушных зазоров между двумя подложками. Небольшие воздушные зазоры неизбежны из-за производственных допусков и толщины проводника. Эти зазоры могут способствовать излучению от линии между заземляющими плоскостями. Печать идентичных проводников на обеих платах гарантирует, что поля будут равными в обеих подложках, а электрическое поле в зазорах из-за двух линий компенсируется. Обычно одна линия делается немного меньшего размера, чтобы предотвратить небольшие несоответствия, эффективно расширяющие линию и, следовательно, уменьшающие характеристическое сопротивление. [34]
Двусторонняя подвешенная полосковая линия имеет больше поля в воздухе и почти никакого в подложке, что приводит к более высокому Q по сравнению со стандартной подвешенной полосковой линией. Недостатком этого является то, что две линии должны быть соединены вместе с интервалами менее четверти длины волны. Двусторонняя структура также может использоваться для соединения двух независимых линий по их широкой стороне. Это дает гораздо более сильную связь , чем бок о бок, и позволяет реализовать схемы фильтра связанной линии и направленного ответвителя, которые невозможны в стандартной полосковой линии. [35]
Микрополосковая линия состоит из полоскового проводника на верхней поверхности диэлектрического слоя и заземляющей плоскости на нижней поверхности диэлектрика. Электромагнитная волна частично распространяется в диэлектрике, а частично в воздухе над проводником, что приводит к квази-TEM-передаче. Несмотря на недостатки квази-TEM-режима, микрополосковая линия часто пользуется популярностью из-за ее легкой совместимости с печатными схемами. В любом случае, эти эффекты не столь серьезны в миниатюрной схеме. [36]
Другим недостатком микрополосковой схемы является то, что она более ограничена, чем другие типы, в диапазоне характеристических импедансов, которых она может достичь. Некоторые схемы требуют характеристических импедансов 150 Ом или более. Микрополосковая схема обычно не способна достичь таких высоких значений, поэтому либо эти схемы недоступны проектировщику, либо для компонента, требующего высокого импеданса, необходимо предусмотреть переход к другому типу. [37]
Тенденция микрополосковой антенны к излучению обычно является недостатком этого типа, но когда дело доходит до создания антенн, это становится положительным преимуществом. Очень легко сделать патч-антенну из микрополосковой антенны, и вариант патча, плоская перевернутая F-антенна , является наиболее широко используемой антенной в мобильных устройствах. [38]
Подвешенная микрополосковая линия имеет ту же цель, что и подвешенная полосковая линия: поместить поле в воздух, а не в диэлектрик, чтобы уменьшить потери и дисперсию. Уменьшенная диэлектрическая проницаемость приводит к более крупным печатным компонентам, что ограничивает миниатюризацию, но упрощает производство компонентов. Подвешивание подложки увеличивает максимальную частоту, на которой может использоваться тип. [44]
Инвертированная микрополосковая линия имеет схожие свойства с подвешенной микрополосковой линией с дополнительным преимуществом, заключающимся в том, что большая часть поля содержится в воздухе между проводником и заземляющей плоскостью. Над подложкой имеется очень мало поля рассеяния, доступного для связи с другими компонентами. Захваченная инвертированная микрополосковая линия экранирует линию с трех сторон, предотвращая некоторые моды более высокого порядка, которые возможны с более открытыми структурами. Размещение линии в экранированной коробке полностью исключает любую связь рассеяния, но теперь подложку необходимо разрезать, чтобы она соответствовала коробке. Изготовление полного устройства на одной большой подложке невозможно с использованием этой структуры. [45]
Копланарный волновод (CPW) имеет обратные проводники на верхней части подложки в той же плоскости, что и основная линия, в отличие от полосковой линии и микрополосковой линии, где обратные проводники являются заземляющими плоскостями выше или ниже подложки. Обратные проводники размещаются по обе стороны от основной линии и сделаны достаточно широкими, чтобы их можно было считать простирающимися до бесконечности. Как и микрополосковая линия, CPW имеет квази-TEM распространение. [46]
CPW проще в изготовлении; имеется только одна плоскость металлизации, и компоненты могут быть смонтированы на поверхности, независимо от того, соединены ли они последовательно (охватывая разрыв в линии) или шунтируют (между линией и землей). Шунтирующие компоненты в полосковой и микрополосковой линиях требуют соединения через нижнюю часть подложки. CPW также легче миниатюризировать; его характеристическое сопротивление зависит от отношения ширины линии к расстоянию между обратными проводниками, а не от абсолютного значения ширины линии. [47]
Несмотря на свои преимущества, CPW не стал популярным. Недостатком является то, что обратные проводники занимают большую площадь платы, которую нельзя использовать для монтажа компонентов, хотя в некоторых конструкциях можно достичь большей плотности компонентов, чем в микрополосковой технологии. Что еще серьезнее, в CPW есть второй режим, который имеет нулевую частоту среза, называемый режимом щелевой линии. Поскольку этот режим невозможно избежать, работая ниже него, а множественные режимы нежелательны, его необходимо подавить. Это нечетный режим, что означает, что электрические потенциалы на двух обратных проводниках равны и противоположны. Таким образом, его можно подавить, соединив два обратных проводника вместе. Этого можно достичь с помощью нижней заземляющей плоскости (копланарный волновод с проводником, CBCPW) и периодических металлизированных сквозных отверстий или периодических воздушных мостиков на верхней части платы. Оба эти решения умаляют базовую простоту CPW. [48]
Копланарные полоски (также копланарная полосковая линия [53] или дифференциальная линия [54] ) обычно используются только для радиочастотных приложений ниже микроволнового диапазона. Отсутствие заземляющей плоскости приводит к плохо определенной картине поля, а потери от полей рассеяния слишком велики на микроволновых частотах. С другой стороны, отсутствие заземляющих плоскостей означает, что этот тип поддается встраиванию в многослойные структуры. [55]
Щелевая линия — это щель, прорезанная в металлизации поверх подложки. Она является аналогом микрополосковой линии, диэлектрической линии, окруженной проводником, вместо проводящей линии, окруженной диэлектриком. [56] Доминирующий режим распространения — гибридный, квази-TE с небольшой продольной составляющей электрического поля. [57]
Slotline по сути является сбалансированной линией , в отличие от stripline и microstrip, которые являются несбалансированными линиями . Этот тип делает особенно простым подключение компонентов к линии в шунте; компоненты поверхностного монтажа могут быть установлены с мостовым соединением через линию. Еще одним преимуществом slotline является то, что линии с высоким импедансом легче достичь. Характеристическое сопротивление увеличивается с шириной линии (сравните microstrip, где оно уменьшается с шириной), поэтому нет проблем с разрешением печати для линий с высоким импедансом. [58]
Недостатком щелевой линии является то, что как характеристическое сопротивление, так и групповая скорость сильно изменяются с частотой, в результате чего щелевая линия более дисперсионная, чем микрополосковая. Щелевая линия также имеет относительно низкую добротность . [59]
Антиподальная щелевая линия используется там, где требуются очень низкие характеристические импедансы. В случае диэлектрических линий низкий импеданс означает узкие линии (противоположность случаю с проводящими линиями), и существует предел тонкости линии, который может быть достигнут из-за разрешения печати. При антиподальной структуре проводники могут даже перекрываться без какой-либо опасности короткого замыкания. Двусторонняя щелевая линия имеет преимущества, аналогичные преимуществам двусторонней воздушной полосковой линии. [63]
Интегрированный в подложку волновод (SIW), также называемый ламинированным волноводом или пост-стенным волноводом , представляет собой волновод, сформированный в диэлектрике подложки путем ограничения волны между двумя рядами столбиков или металлизированных сквозных отверстий и плоскостей заземления над и под подложкой. Доминирующим режимом является квази-TE-режим. SIW задуман как более дешевая альтернатива полому металлическому волноводу, сохраняя при этом многие из его преимуществ. Наибольшим преимуществом является то, что как эффективно закрытый волновод он имеет значительно меньшие потери излучения, чем микрополосковый. Отсутствует нежелательная связь полей рассеяния с другими компонентами схемы. SIW также имеет высокую добротность и высокую мощность, и, как планарная технология, его легче интегрировать с другими компонентами. [64]
SIW может быть реализован на печатных платах или в виде низкотемпературной совместно обжигаемой керамики (LTCC). Последний вариант особенно подходит для реализации SIW. Активные схемы не реализуются напрямую в SIW: обычная техника заключается в реализации активной части в полосковой линии через переход полосковая линия-SIW. Антенны могут быть созданы непосредственно в SIW путем вырезания щелей в заземляющих плоскостях. Рупорная антенна может быть сделана путем расширения рядов стоек на конце волновода. [65]
Существует версия гребневого волновода SIW. Гребневый волновод представляет собой прямоугольный полый металлический волновод с внутренней продольной стенкой, частично пересекающей E-плоскость. Главное преимущество гребневого волновода заключается в том, что он имеет очень широкую полосу пропускания. Гребневый SIW не очень легко реализовать в печатных платах, поскольку эквивалентом гребня является ряд штырей, которые проходят только частично через плату. Но структуру можно создать проще в LTCC. [66]
Finline состоит из листа металлизированного диэлектрика, вставленного в E-плоскость прямоугольного металлического волновода. Этот смешанный формат иногда называют квазипланарным . [67] Конструкция не предназначена для генерации волноводных мод в прямоугольном волноводе как таковом: вместо этого в металлизации разрезается линия, обнажающая диэлектрик, и именно она действует как линия передачи. Finline, таким образом, является типом диэлектрического волновода и может рассматриваться как экранированная щелевая линия. [68]
Finline похож на гребневой волновод в том, что металлизация подложки представляет собой гребень («плавник»), а finline представляет собой зазор. Фильтры могут быть построены в гребневом волноводе, изменяя высоту гребня по шаблону. Обычный способ их изготовления — взять тонкий лист металла с вырезанными частями (обычно это ряд прямоугольных отверстий) и вставить его в волновод почти так же, как finline. Фильтр finline способен реализовывать шаблоны произвольной сложности, тогда как фильтр с металлической вставкой ограничен необходимостью механической поддержки и целостности. [69]
Finline использовался на частотах до 220 ГГц и экспериментально испытывался как минимум до 700 ГГц . [70] На этих частотах он имеет значительное преимущество перед микрополосковым за счет низких потерь и может быть изготовлен с использованием аналогичных недорогих методов печатных плат. Он также свободен от излучения, поскольку полностью заключен в прямоугольный волновод. Устройство с металлической вставкой имеет еще меньшие потери, поскольку является воздушным диэлектриком, но имеет очень ограниченную сложность схемы. Полное волноводное решение для сложной конструкции сохраняет низкие потери воздушного диэлектрика, но оно будет намного громоздче, чем finline, и значительно дороже в производстве. Еще одним преимуществом finline является то, что он может достигать особенно широкого диапазона характеристических импедансов. Смещение транзисторов и диодов не может быть достигнуто в finline путем подачи тока смещения по основной линии передачи, как это делается в полосковой линии и микрополосковой линии, поскольку finline не является проводником. Для смещения в finline необходимо принять отдельные меры. [71]
Односторонняя ребристая линия является самой простой конструкцией и легкой в изготовлении, но двусторонняя ребристая линия имеет меньшие потери, как и двусторонняя подвешенная полосковая линия, и по аналогичным причинам. Высокая добротность двусторонней ребристой линии часто делает ее выбором для фильтров. Антиподальная ребристая линия используется там, где требуется очень низкий характеристический импеданс. Чем сильнее связь между двумя плоскостями, тем ниже импеданс. Изолированная ребристая линия используется в схемах, которые содержат активные компоненты, требующие линий смещения. Добротность изолированной ребристой линии ниже, чем у других типов ребристых линий, поэтому в противном случае она обычно не используется. [77]
Imageline, также image line или image guide , представляет собой плоскую форму диэлектрического пластинчатого волновода . Он состоит из полосы диэлектрика, часто оксида алюминия, на металлическом листе. В этом типе нет диэлектрической подложки, простирающейся во всех горизонтальных направлениях, только диэлектрическая линия. Он так называется, потому что плоскость заземления действует как зеркало, в результате чего получается линия, эквивалентная диэлектрической пластине без плоскости заземления в два раза большей высоты. Он показывает перспективность для использования на более высоких микроволновых частотах, около 100 ГГц , но он все еще в значительной степени экспериментальный. Например, теоретически возможны коэффициенты добротности в тысячи, но излучение от изгибов и потерь в диэлектрико-металлическом клее значительно снижают эту цифру. Недостатком imageline является то, что характеристическое сопротивление зафиксировано на одном значении около 26 Ом . [78]
Imageline поддерживает моды TE и TM. Доминирующие моды TE и TM имеют частоту среза, равную нулю, в отличие от полых металлических волноводов, чьи моды TE и TM имеют конечную частоту, ниже которой распространение не может происходить. По мере того, как частота приближается к нулю, продольная составляющая поля уменьшается, и мода асимптотически приближается к моде TEM. Таким образом, Imageline разделяет свойство способности распространять волны на произвольно низких частотах с линиями типа TEM, хотя на самом деле она не может поддерживать волну TEM. Несмотря на это, imageline не является подходящей технологией на более низких частотах. Недостатком imageline является то, что она должна быть точно обработана, поскольку шероховатость поверхности увеличивает потери излучения. [79]
В изолированной линии изображения тонкий слой изолятора с низкой диэлектрической проницаемостью наносится на металлическую заземляющую плоскость, а линия изображения с более высокой диэлектрической проницаемостью устанавливается поверх нее. Изолирующий слой имеет эффект снижения потерь в проводнике. Этот тип также имеет более низкие потери излучения на прямых участках, но, как и стандартная линия изображения, потери излучения высоки на изгибах и углах. Захваченная линия изображения преодолевает этот недостаток, но более сложна в изготовлении, поскольку она умаляет простоту планарной структуры. [81]
Ribline — это диэлектрическая линия, обработанная из подложки как единое целое. Она имеет схожие свойства с островной imageline. Как и imageline, она должна быть обработана точно. Полосовой диэлектрический направляющий проводник — это полоса с низкой диэлектрической проницаемостью (обычно пластик), размещенная на подложке с высокой диэлектрической проницаемостью, такой как оксид алюминия. Поле в основном содержится в подложке между полосой и плоскостью заземления. Из-за этого этот тип не имеет точных требований к обработке, как стандартные imageline и ribline. Инвертированный полосовой диэлектрический направляющий проводник имеет меньшие потери проводника, поскольку поле в подложке было отодвинуто от проводника, но он имеет более высокие потери излучения. [82]
Многослойные схемы могут быть построены в печатных схемах или монолитных интегральных схемах, но LTCC является наиболее подходящей технологией для реализации планарных линий передачи в виде многослойных. В многослойной схеме по крайней мере некоторые из линий будут зарыты, полностью закрыты диэлектриком. Поэтому потери не будут такими низкими, как при более открытой технологии, но очень компактные схемы могут быть достигнуты с помощью многослойной LTCC. [83]
Различные части системы могут быть лучше всего реализованы в различных типах. Поэтому требуются переходы между различными типами. Переходы между типами с использованием несбалансированных проводящих линий просты: это в основном вопрос обеспечения непрерывности проводника через переход и обеспечения хорошего соответствия импеданса. То же самое можно сказать и о переходах к неплоским типам, таким как коаксиальные. Переход между полосковой и микрополосковой линиями должен гарантировать, что обе заземляющие плоскости полосковой линии адекватно электрически связаны с заземляющей плоскостью микрополосковой линии. Одна из этих заземляющих плоскостей может быть непрерывной через переход, но другая заканчивается на переходе. Похожая проблема существует с переходом от микрополосковой линии к CPW, показанным на схеме как C. В каждом типе есть только одна заземляющая плоскость, но она меняется с одной стороны подложки на другую при переходе. Этого можно избежать, напечатав микрополосковые и CPW линии на противоположных сторонах подложки. В этом случае заземляющая плоскость непрерывна с одной стороны подложки, но на линии при переходе требуется переходное отверстие . [88]
Переходы между проводящими линиями и диэлектрическими линиями или волноводами более сложны. В этих случаях требуется смена режима. Переходы такого рода состоят из формирования некоторого вида антенны в одном типе, которая действует как пусковая установка в новый тип. Примерами этого являются копланарный волновод (CPW) или микрополосковый, преобразованный в щелевой или интегрированный в подложку волновод (SIW). Для беспроводных устройств также требуются переходы к внешним антеннам. [89]
Переходы в finline и из нее можно рассматривать аналогично slotline. Однако для finline переходов более естественно перейти в волновод; волновод уже там. Простой переход в волновод состоит из плавного экспоненциального сужения ( антенна Вивальди ) finline от узкой линии до полной высоты волновода. Самым ранним применением finline был запуск в круглый волновод. [90]
Переход от сбалансированной к несбалансированной линии требует схемы симметрирования . Примером этого является CPW к щелевой линии. Пример D на схеме показывает этот тип перехода и показывает симметрирование, состоящее из диэлектрического радиального шлейфа . Компонент, показанный таким образом
в этой схеме есть воздушный мост, соединяющий две заземляющие плоскости CPW вместе. Все переходы имеют некоторую вносимую потерю и увеличивают сложность конструкции. Иногда выгодно проектировать с одним интегрированным типом для всего устройства, чтобы минимизировать количество переходов, даже если компромиссный тип не является оптимальным для каждой из компонентных схем. [91]
Развитие планарных технологий изначально было обусловлено потребностями армии США, но сегодня их можно найти в массово производимых бытовых предметах, таких как мобильные телефоны и спутниковые телевизионные приемники. [92] По словам Томаса Х. Ли , Гарольд А. Уиллер, возможно, экспериментировал с копланарными линиями еще в 1930-х годах, но первой задокументированной планарной линией передачи была полосковая линия, изобретенная Робертом М. Барреттом из Кембриджского исследовательского центра ВВС и опубликованная Барреттом и Барнсом в 1951 году. Хотя публикация произошла только в 1950-х годах, полосковая линия фактически использовалась во время Второй мировой войны . По словам Барретта, первый полосковый делитель мощности был построен В. Х. Рамси и Х. У. Джеймисоном в этот период. Помимо заключения контрактов, Барретт поощрял исследования в других организациях, включая Airborne Instruments Laboratory Inc. (AIL). Вскоре после этого в 1952 году появилась микрополосковая линия, созданная Григом и Энгельманном. Качество обычных диэлектрических материалов поначалу было недостаточно хорошим для микроволновых схем, и, следовательно, их использование не получило широкого распространения до 1960-х годов. Полосковая линия и микрополосковая линия были коммерческими конкурентами. Полосковая линия была торговой маркой AIL, которая производила воздушные полосковые линии. Микрополосковая линия была произведена ITT . Позже, заполненная диэлектриком полосковая линия под торговой маркой triplate была произведена Sanders Associates . Полосковая линия стала общим термином для заполненной диэлектриком полосковой линии, а воздушная полосковая линия или подвешенная полосковая линия теперь используются для обозначения исходного типа. [93]
Полосковая линия изначально была предпочтительнее своего конкурента из-за проблемы дисперсии. В 1960-х годах необходимость включения миниатюрных твердотельных компонентов в МИК склонила чашу весов в пользу микрополосковой. Миниатюризация также приводит к предпочтению микрополосковой линии, поскольку ее недостатки не столь серьезны в миниатюрной схеме. Полосковая линия по-прежнему выбирается там, где требуется работа в широком диапазоне. [94] Первая плоская пластинчатая диэлектрическая линия, imageline, была изобретена Кингом в 1952 году. [95] Кинг изначально использовал полукруглую imageline, что сделало ее эквивалентной уже хорошо изученному круглому стержневому диэлектрику. [96] Slotline, первый тип печатной планарной диэлектрической линии, был изобретен Коном в 1968 году. [97] Coplanar waveguide был изобретен Веном в 1969 году. [98] Finline, как печатная технология, была изобретена Мейером в 1972 году, [99] хотя Робертсон создал структуры, подобные finline, гораздо раньше (1955–56) с металлическими вставками. Робертсон изготовил схемы для диплексеров и ответвителей и ввел термин finline . [100] SIW был впервые описан Хирокавой и Андо в 1998 году. [101]
Сначала компоненты, выполненные в планарных типах, изготавливались как дискретные части, соединенные вместе, обычно с помощью коаксиальных линий и разъемов. Было быстро понято, что размер схем может быть значительно уменьшен путем прямого соединения компонентов вместе с планарными линиями в одном корпусе. Это привело к концепции гибридных MIC: гибридных , потому что сосредоточенные компоненты были включены в конструкции, соединенные вместе с планарными линиями. С 1970-х годов наблюдалось большое распространение новых вариаций базовых планарных типов для содействия миниатюризации и массовому производству. Дальнейшая миниатюризация стала возможной с появлением MMIC . В этой технологии планарные линии передачи непосредственно включены в полупроводниковую пластину, в которой были изготовлены компоненты интегральной схемы. Первый MMIC, усилитель X-диапазона , был создан Пенгелли и Тернером из Плесси в 1976 году. [102]
Небольшая выборка из множества схем, которые можно построить с помощью планарных линий передачи, показана на рисунке. Такие схемы представляют собой класс схем с распределенными элементами . Микрополосковые и щелевые типы направленных ответвителей показаны как A и B соответственно. [103] Как правило, форма схемы в проводящих линиях, таких как полосковая или микрополосковая, имеет двойную форму в диэлектрической линии, такой как щелевая или ребристая, с обратными ролями проводника и изолятора. Ширина линий двух типов обратно пропорциональна ; узкие проводящие линии приводят к высокому импедансу, но в диэлектрических линиях результатом является низкий импеданс. Другим примером двойных схем является полосовой фильтр, состоящий из связанных линий, показанных как C в форме проводника и как D в форме диэлектрика. [104]
Каждая секция линии действует как резонатор в фильтрах связанных линий. Другой тип резонатора показан в полосовом фильтре SIW на E. Здесь стойки, размещенные в центре волновода, действуют как резонаторы. [105] Элемент F представляет собой гибридное кольцо щелевой линии, в котором в его порты подается смесь как CPW, так и щелевой линии . Микрополосковая версия этой схемы требует, чтобы одна секция кольца была длиной в три четверти длины волны. В версии щелевой линии/CPW все секции имеют длину в одну четверть длины волны, поскольку на стыке щелевой линии происходит инверсия фазы на 180°. [106]