"ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ"  N 1, 2009

оглавление

 

Возбуждение однополосковой линии микрополосковой и коаксиальной линиями

В. И. Калиничев, В. А. Калошин, Е. А. Скородумова
Институт радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН

Получена 29 января 2009 г.

Методом конечных элементов исследованы три возбудителя основной моды однополосковой линии. Первые два возбудителя представляют собой плавные переходы с микрополосковой на однополосковую линию. Рассмотрены планарная и непланарная конструкции перехода. Третий возбудитель имеет непланарную конструкцию и отличается тем, что имеет коаксиальный вход.

Ключевые слова: однополосковая линия, численное моделирование в электродинамике.

Введение

Основные свойства регулярной однополосковой линии (ОПЛ) как на однослойной, так и на двухслойной подложке были исследованы в работах [1-2]. Было показано, что эта линия при определенном выборе параметров имеет существенно меньшие тепловые потери, чем микрополосковая линия (МПЛ). Однако при рассмотрении возможностей практического использования ОПЛ вопрос о способах и эффективности ее возбуждения имеет принципиальное значение.

В [3] теоретически исследовано возбуждение основной моды ОПЛ на несимметричной диэлектрической подложке в виде плавного перехода от МПЛ. Рассмотрены переходы с одновременным увеличением ширины направляющей полоски и толщины диэлектрических слоев по линейному и нелинейному закону. Также линейно или нелинейно происходит удаление металлической подложки (граунда) от полоска. Следует отметить сложность и нетехнологичность конструкции такого перехода. В [4] исследовано возбуждение первой высшей (нечетной) моды ОПЛ на частотах ниже ее критической частоты.

В данной статье исследованы три возбудителя основной моды ОПЛ в виде плавного перехода от МПЛ. Все они выполнены на однослойной диэлектрической подложке. Один из возбудителей является полностью планарным, а граунд МПЛ плавно и симметрично уходит в обе стороны из-под полоскового проводника, расположенного на верхней стороне подложки (рис. 1). У второго возбудителя граунд под переходом продолжается в виде прямоугольный полоски, уходящей под углом от диэлектрической подложки (рис. 9). Третий возбудитель отличается от второго наличием коаксиального входа (рис. 17).

 

1.      Планарный переход

Рассмотрим вариант планарного перехода от МПЛ к ОПЛ, в котором ширина щели в нижней металлизации подложки плавно и нелинейно увеличивается вдоль длины перехода. При этом ширина верхней металлической полоски не изменяется, оставаясь равной ширине МПЛ (см. рис.1). Зададим следующие параметры перехода: диэлектрическая проницаемость подложки 2.55, толщина подложки 1 мм, ширина полоскового проводника 2.8 мм (соответствует 50-омной МПЛ на данной подложке), ширина диэлектрической подложки 20 мм. Методом конечных элементов были исследованы варианты конструкции возбудителя с двумя длинами плавного перехода 20 мм для миллиметрового и 30 мм для миллиметрового и сантиметрового диапазона. Наличие геометрической симметрии (плоскость YOZ) позволило моделировать половину структуры с магнитной стенкой в плоскости симметрии.

Рис. 1. Планарный вариант перехода с МПЛ на ОПЛ. Границы щели в граунде показаны сиреневыми линиями, диэлектрической подложки – синими, а металлического полоска – красными.

 

На рис. 2 и 3 для двух длин перехода представлены результаты расчета коэффициента отражения (в дБ) со стороны МПЛ и ОПЛ, соответственно, в полосе частот 26–37 ГГц. На рис. 4 в этой же полосе показаны полные потери в переходе. Полученные результаты показывают, что переход хорошо согласован: коэффициент отражения со стороны МПЛ во всем исследованном диапазоне не превосходит величины –25 дБ, а со стороны ОПЛ коэффициент отражения не превосходит –20 дБ. Потери в диапазоне частот изменяются в сравнительно небольшом интервале значений, не превосходя при этом 1.2 дБ. При увеличении длины перехода потери меняются слабо. В случае 30-мм перехода потери в среднем в полосе частот примерно на 0.1 дБ меньше в сравнении с 20-мм переходом.

Рис. 2. Частотная зависимость коэффициента отражения на входе МПЛ для планарного перехода длиной 20 мм (а) и длиной 30 мм (б).

Рис. 3. Частотная зависимость коэффициента отражения на входе ОПЛ для планарного перехода длиной 20 мм (а) и длиной 30 мм (б).

Рис. 4. Частотная зависимость коэффициента прохождения для планарного перехода длиной 20 мм (а) и длиной 30 мм (б).

 

На рис. 5 показаны распределения амплитуды электрического поля в поперечных сечениях МПЛ и ОПЛ, а также на нижней и верхней поверхностях подложки, на частоте 31 ГГц при возбуждении со стороны МПЛ. Показаны распределения поля в пределах половины структуры, лежащей с одной стороны от плоскости симметрии. На рис.5а хорошо видно, что вдоль изогнутого края нижней металлизации распространяется краевая поверхностная волна, которая не дает моде МПЛ полностью трансформироваться в основную моду ОПЛ и уносит часть мощности, которая в результате излучается. Этим излучением, в основном, и обусловлены потери в данном планарном переходе.

Рис. 5. Частотная зависимость коэффициента отражения на входе МПЛ для планарного перехода длиной 30 мм в сантиметровом диапазоне

Рис. 6. Частотная зависимость коэффициента отражения на входе ОПЛ для планарного перехода длиной 30 мм в сантиметровом диапазоне

Рис. 7. Частотная зависимость потерь для планарного перехода длиной 30 мм в сантиметровом диапазоне

На рис. 5 и 6 представлены результаты расчета коэффициента отражения (в дБ) для перехода длиной 30 мм со стороны, соответственно, МПЛ и ОПЛ, в полосе частот 10–16 ГГц. На рис. 7 в этой же полосе показаны полные потери в переходе. Следует отметить некоторое увеличение потерь в возбудителе по сравнению с миллиметровым диапазоном, что можно объяснить недостаточной длиной перехода.

На рис. 8 показаны распределения амплитуды электрического поля в поперечных сечениях МПЛ и ОПЛ, а также на нижней и верхней поверхностях подложки, на частоте 31 ГГц при возбуждении со стороны МПЛ. Распределения поля показаны в пределах половины структуры, лежащей с одной стороны от плоскости симметрии. На рис.8а хорошо видно, что вдоль изогнутого края нижней металлизации распространяется краевая поверхностная волна, которая не дает моде МПЛ полностью трансформироваться в основную моду ОПЛ и уносит часть мощности, которая в результате излучается. Этим излучением, в основном, и обусловлены потери в данном планарном переходе. Этим же объясняется и слабая зависимость потерь от длины перехода.

 

 

 

 

Рис. 8.

Рис. 8. Распределение амплитуды электрического поля на частоте 31 ГГц при возбуждении перехода со стороны МПЛ: а - на нижней стороне подложки (в плоскости граунда), б – на верхней стороне подложки (в плоскости полоска)

 

2.      Непланарный переход

Геометрия перехода показана на рис. 9, где использованы те же цвета, что и на рис.1. Как видно из рисунка, граунд продолжается в виде прямоугольной полоски, плавно уходящей вниз наподобие стенки рупора. Идея такого перехода основана на близости характеристик волн ОПЛ и подвешенной МПЛ (ПМПЛ) [2]. В этой работе показано, что даже при относительно небольшом расстоянии граунда от подложки в ПМПЛ ее замедление и погонное затухание практически совпадают с соответствующими характеристиками ОПЛ. Поэтому можно ожидать, что плавный переход МПЛ – ПМПЛ – ОПЛ должен быть хорошо согласован и иметь малые потери.

 

Рис. 9. Непланарный вариант перехода с МПЛ на ОПЛ

        Исследование характеристик данного перехода также проводилось с помощью метода конечных элементов. Были рассмотрены четыре варианта перехода: с длиной отогнутой полоски 20 мм и 30 мм для миллиметрового диапазона (в обоих случаях полосок уходил вниз под углом 10⁰) и 30 и 50 мм – для сантиметрового диапазона (в обоих случаях полосок уходил вниз под углом 10⁰). Остальные параметры МПЛ такие же, как и для планарного варианта. Как и в планарном переходе, наличие геометрической симметрии позволило моделировать половину структуры с магнитной стенкой в плоскости симметрии.

На рис. 10 и 11 для двух длин перехода в полосе частот 26–37 ГГц представлены результаты расчета коэффициента отражения (в дБ) со стороны МПЛ и ОПЛ, соответственно. На рис. 12 показана частотная зависимость полных потерь в переходе. Полученные результаты показывают, что данный переход, как и рассмотренный планарный вариант, хорошо согласован: коэффициент отражения со стороны МПЛ во всем исследованном частотном диапазоне не превосходит величины –20 дБ, а со стороны ОПЛ он не превосходит величины –22 дБ. Коэффициент передачи в диапазоне частот изменяется в небольшом интервале значений. При этом потери не превосходят 0.8 дБ для короткого и 0.6 дБ для более длинного перехода. Как видно из рис. 13–15, в сантиметровом диапазоне потери несколько больше, особенно в низкочастотной части. Можно предположить, что при дальнейшем увеличении длины перехода потери будут уменьшаться.

Рис.10. Частотная зависимость коэффициента отражения на входе МПЛ для полоски с наклоном 10⁰ и длиной 20 мм (а) и длиной 30 мм (б) в миллиметровом диапазоне.

Рис.11. Частотная зависимость коэффициента отражения на входе ОПЛ для полоски с наклоном 10⁰ и длиной 20 мм (а) и длиной 30 мм (б) в миллиметровом диапазоне.

Рис.12.  Частотная зависимость потерь для полоски с наклоном 10⁰ и длиной 20 мм (а) и длиной 30 мм (б) в миллиметровом диапазоне.

 

                                           а                                                                       б

Рис. 13. Частотная зависимость коэффициента отражения на входе МПЛ для полоски с наклоном 10⁰ и длиной 30 мм (а) и длиной 50 мм (б) в сантиметровом диапазоне

 

                                          а                                                                      б

Рис. 14. Частотная зависимость коэффициента отражения на входе ОПЛ для полоски с наклоном 10⁰ и длиной 30 мм (а) и длиной 50 мм (б) в сантиметровом диапазоне

 

                                           а                                                                      б

Рис. 15. Частотная зависимость потерь для полоски с наклоном 10⁰ и длиной 30 мм (а) и длиной 50 мм (б) в сантиметровом диапазоне.

    На рис. 16 показаны распределения амплитуды электрического поля в поперечных сечениях, а также вдоль плоскости симметрии и на верхней поверхности подложки, на частоте 31 ГГц при возбуждении со стороны МПЛ. Распределения поля показаны в пределах половины структуры, лежащей с одной стороны от плоскости симметрии. Рис. 16а наглядно демонстрирует постепенную трансформацию поля квази-ТЕМ моды МПЛ в моду ПМПЛ и затем в основную моду ОПЛ. Рис. 16б иллюстрирует разный характер распределения электрического поля в моде МПЛ на входе и в моде ОПЛ на выходе возбудителя.

Рис. 16. Распределение магнитуды электрического поля вдоль плоскости симметрии (а) и на верхней поверхности подложки (б) в 30-мм переходе на частоте 31 ГГц при возбуждении со стороны МПЛ

 

3. Непланарный переход с коаксиальным входом

Геометрия перехода показана на рис. 17. Как видно из рисунка, коаксиальный вход (показан на рисунке синим цветом) располагается в непосредственной близости от начала отогнутой полоски. Для сантиметрового диапазона были рассмотрены два варианта перехода: с длиной отогнутой полоски 55 и 80 мм. В обоих случаях полосок уходил вниз под углом 5⁰. Остальные параметры такие же, как и в случае микрополоскового входа.

Рис. 17. Непланарный вариант перехода с коаксиальным входом

 

 

                                          а                                                                      б

Рис. 18. Частотная зависимость коэффициента отражения на входе коаксиальной линии для полоски с наклоном 5⁰ и длиной 55 мм (а) и длиной 80 мм (б) в сантиметровом диапазоне

 

                                          а                                                                      б

Рис. 19. Частотная зависимость коэффициента отражения на входе ОПЛ для полоски с наклоном 5⁰ и длиной 55 мм (а) и длиной 80 мм (б) в сантиметровом диапазоне

 

                                          а                                                                     б

Рис. 20. Частотная зависимость потерь для полоски с наклоном 5⁰ и длиной 55 мм (а) и длиной 80 мм (б) в сантиметровом диапазоне.

 

На рис. 18, 19 в полосе частот 10–16 ГГц представлены результаты расчета коэффициента отражения (в дБ) со стороны МПЛ и ОПЛ, соответственно. На рис. 20 показана соответствующая зависимость полных потерь в возбудителе. Из рисунков видно, что наличие дополнительного перехода (коаксиальная линия – МПЛ) незначительно ухудшает согласование и увеличивает общие потери возбудителя (примерно на 0.3 дБ). Увеличение длины перехода с 55 до 80 мм, наоборот, позволило снизить общие потери в среднем на те же 0.3 дБ.

Заключение

В статье рассмотрены три типа возбудителей основной моды ОПЛ: два в виде планарного и непланарного перехода от МПЛ и третий, аналогичный второму, но с коаксиальным входом. Планарный переход хорошо согласован с обоих входов и может быть реализован с использованием двухсторонней печатной технологии. Однако, как показал анализ, в таком переходе присутствуют потери, связанные с возбуждением на кромках щели граунда краевых поверхностных волн. Именно этим объясняется слабая зависимость потерь от длины перехода, которые составляют около 1 дБ как в миллиметровом (от 26 до 37ГГц.), так и в сантиметровом диапазоне.

Непланарный переход также хорошо согласован с обоих входов и, в отличие от возбудителя, исследованного в работе [3], достаточно прост в реализации. По сравнению с планарным переходом той же длины потери в нем существенно меньше и могут быть дополнительно снижены увеличением длины перехода. Для исследованного в данной работе перехода длиной 30 мм на подложке толщиной 1 мм потери в диапазоне частот 26–37 ГГц не превышают 0.5 дБ, что вполне приемлемо для практических применений. В сантиметровом диапазоне потери больше примерно вдвое, однако, очевидно, их можно уменьшить подбором параметров.

В возбудителе с коаксиальным входом на основе непланарного перехода от МПЛ к ОПЛ потери в сантиметровом диапазоне по сравнению с этим переходом увеличиваются незначительно, что легко компенсировать длиной перехода.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 08-07-00327).

 

Литература

1.      Шевченко В.В., Грачев Г.Г., Калиничев В.И. Исследование микрополоскового волновода // РЭ. 2005. Т. 50. № 2. С. 162.

2.      Калиничев В.И., Калошин В.А., Скородумова Е.А. Исследование дисперсионных характеристик однополосковой линии на однослойной подложке // Журнал Радиоэлектроники (http://jre.cplire.ru/jre/dec08/2/text.html), 2008, № 12.

3.      Шевченко В.В., Грачев Г.Г. Микрополосковые волноводные переходы // РЭ. 2007. Т. 52. № 6. С. 687.

4.      W. Hong and Y.-D. Lin // IEEE Trans. Antennas and Propagation. 2004. V. 52. No. 7. P. 1783