Jump to content

Интегрированный в подложку волновод

(Перенаправлено с SIW )
Интегрированный в подложку волновод. Распространяющиеся электромагнитные волны удерживаются внутри подложки металлическими слоями на каждой из двух сторон подложки и между двумя рядами металлических переходных отверстий, соединяющих их.

Волновод , интегрированный в подложку (SIW) (также известный как волновод после стены или ламинированный волновод ) представляет собой синтетический прямоугольный электромагнитный волновод, сформированный в диэлектрической подложке путем плотного расположения металлизированных штырей или через отверстия , которые соединяют верхнюю и нижнюю металлические пластины подложки. . Волновод может быть легко изготовлен с помощью недорогого массового производства с использованием технологии сквозных отверстий , при которой стены столбов состоят из переходных ограждений . Известно, что SIW имеет характеристики направленной волны и моды, аналогичные характеристикам обычного прямоугольного волновода с эквивалентной длиной волны волновода .

С появлением новых коммуникационных технологий в 1990-х годах возросла потребность в высокопроизводительных системах миллиметрового диапазона. Они должны быть надежными, недорогими, компактными и совместимыми с высокими частотами. К сожалению, на частотах выше 10 ГГц хорошо известные технологии микрополосковых и копланарных линий не могут быть использованы, поскольку они имеют высокие вносимые и радиационные потери на этих частотах. Топология прямоугольного волновода позволяет решить эти проблемы, поскольку она обеспечивает отличную устойчивость к потерям излучения и низкие вносимые потери. Но в своей классической форме прямоугольный волновод несовместим с миниатюризацией, необходимой современным приложениям. [ 1 ]

Концепция SIW была разработана в начале 2000-х годов Кэ Ву для согласования этих требований. [ 1 ] [ 2 ] Авторы представили платформу для интеграции всех компонентов СВЧ-схемы внутри одной подложки прямоугольного сечения. Использование одной подложки гарантирует ограниченный объем и простоту изготовления, а прямоугольное сечение линии обеспечивает преимущества волноводной топологии по потерям.

Принципы СИВ

[ редактировать ]
Горизонтальное сечение классического волновода, интегрированного в подложку.
Горизонтальное сечение волновода, интегрированного в подложку. Межцентровое расстояние двух последовательных переходов равно , их диаметр а межцентровое расстояние между двумя рядами переходных отверстий равно . Эффективная ширина , рассчитанный по , и также показано.

Геометрия

[ редактировать ]

SIW состоит из тонкой диэлектрической подложки, покрытой с обеих сторон металлическим слоем. В подложку встроены два параллельных ряда металлических сквозных отверстий, ограничивающих область распространения волны. Организация переходных отверстий и геометрические параметры описаны на прилагаемом рисунке.

Ширина SIW — это расстояние между двумя рядами переходных отверстий, что определяется от центра к центру. Эффективная ширина может быть использован для более точной характеристики распространения волн. Расстояние между двумя последовательными переходными отверстиями одного ряда равно , а диаметр переходного отверстия обозначается .

Поперечные магнитные моды распространения

[ редактировать ]

В классическом прямоугольном волноводе со сплошными стенками общая формулировка распространения включает суперпозицию поперечных электрических (TE) и поперечных магнитных (TM) мод. Каждый из них связан с определенными полями и токами. В случае ТМ-мод ток в вертикальных стенках продольный, т.е. параллельный оси распространения, обычно обозначаемой как . Тогда, учитывая вертикальную геометрию переходных отверстий, возникновение таких мод в СИП невозможно: электрический ток не может распространяться от перехода к переходу. Через SIW могут распространяться только моды TE.

Каждая мода появляется выше точной частоты среза, определяемой размерами волновода и наполняющей средой. Для мод ТМ уменьшение толщины волновода (обычно обозначаемой как ) увеличивает частоту среза с . В случае SIW толщина настолько мала, что частота среза ТМ-мод значительно превышает частоту доминирующей моды.

Эффективная ширина

[ редактировать ]

Одной из целей геометрии SIW является воспроизведение характерных мод распространения прямоугольных волноводов внутри тонкого шаблона. Ширина волновода является важным параметром этих мод. В типичной геометрии SIW — расстояние между двумя рядами переходных отверстий от центра к центру (см. рисунок). Из-за геометрии переходного отверстия это расстояние нельзя использовать напрямую; из-за пространства между последовательными переходными отверстиями и их круглой формы сигнал внутри проводника не ведет себя точно так, как в идеально прямоугольном волноводе той же ширины.

Чтобы применить теорию волноводов к SIW, эффективная ширина можно использовать. При этом учитывается форма переходных отверстий и пространство между ними. Его значение лежит между и . [ 3 ]

Распространенное простое определение: [ 4 ] [ 5 ]

и более уточненное определение, используемое для больших значений является [ 3 ]

При такой эффективной ширине постоянная распространения SIW аналогична константе распространения классического прямоугольного волновода, ширина которого равна . Приведенные выше формулы являются эмпирическими: они получены путем сравнения дисперсионных характеристик различных СИВ с характеристиками прямоугольного волновода, заполненного тем же диэлектрическим материалом. [ 5 ]

Переходы

[ редактировать ]

СИВ являются перспективными конструкциями, которые могут быть использованы в сложных системах СВЧ в качестве межсоединений, фильтров и т.п. Однако может возникнуть проблема: соединение СИВ с другими видами линий передачи (ЛП), главным образом микрополосковыми , копланарными и коаксиальными кабелями . Целью таких переходов между двумя различными топологиями ЛЭП является возбуждение правильного режима передачи в резонаторе СИВ с минимальными потерями мощности и в максимально широком диапазоне частот.

концепции SIW Вскоре после представления Кэ Ву в основном использовались два разных перехода. [ 1 ] [ 2 ] Во-первых, конусный переход, позволяющий преобразовать микрополосковую линию в СИВ, а во-вторых, переход между копланарной линией и СИВ (см. прилагаемый рисунок). Конический переход от микрополоскового к SIW полезен для тонких подложек. В этом случае потери излучения, связанные с микрополосковыми линиями, не слишком значительны. Этот переход широко используется, и были предложены различные процессы оптимизации. [ 6 ] [ 7 ] Но это неприменимо к толстым подложкам, где важны утечки. В этой ситуации рекомендуется компланарное возбуждение СИВ. Недостатком компланарного перехода является более узкая полоса пропускания.

Эти два типа переходов включают линии, встроенные в одну и ту же подложку, чего нельзя сказать о коаксиальных линиях . Прямого перехода между коаксиальной линией и SIW не существует: другую плоскую линию необходимо использовать для правильного преобразования коаксиальных мод распространения TEM в моды TE в SIW.

Было проведено несколько исследований по оптимизации перехода между топологиями, но при этом не удалось определить универсальное правило, позволяющее провести абсолютный переход. Архитектура, частотный диапазон, используемые материалы и т. д. являются примерами параметров, которые определяют процедуру проектирования. [ 4 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]

Переход от микрополоскового к SIW
Переход от копланарной линии к СИВ
Примеры перехода от компланарных и микрополосковых линий к СИВ. Переходные отверстия красного цвета, верхний металлический слой серого цвета.

Потери в СИВ

[ редактировать ]

Постоянная распространения линии передачи часто разлагается следующим образом:

а колеблющиеся электрическое и магнитное поля в направляющей имеют вид [ 11 ] Тогда ясно, что, хотя мнимая часть обозначает распространяющийся компонент, реальный компонент описывает потерю интенсивности во время распространения. Эта потеря порождается разными явлениями, и каждое из них представлено термином . Наиболее распространенными терминами являются следующие: [ 11 ] [ 12 ]

– потери из-за внешней проводимости металла,
– потери, обусловленные тангенса угла потерь диэлектрической среды, заполняющей волновод,
– потери из-за проводимости диэлектрической среды, заполняющей волновод,
– потери из-за радиации.

Это разложение справедливо для всех видов линий электропередачи . Однако для прямоугольных волноводов затухание из-за излучения и проводимости подложки незначительно. Действительно, обычно подложка представляет собой такой изолятор, что . Точно так же, если толщина стенки намного больше толщины скин-слоя сигнала, излучение не появится. Фактически это одно из преимуществ закрытых волноводов по сравнению с открытыми линиями, такими как микрополосковые.

SIW демонстрируют сопоставимые или меньшие потери по сравнению с другими традиционными планарными структурами, такими как микрополосковые или копланарные линии, особенно на высоких частотах. [ 4 ] Если подложка достаточно толстая, в потерях преобладает диэлектрическое поведение подложки. [ 13 ]

Затухание из-за токов проводимости

[ редактировать ]

Частично затухание сигнала происходит из-за поверхностной плотности тока, протекающего через металлические стенки волновода. Эти токи индуцируются распространяющимися электромагнитными полями . Эти потери по понятным причинам можно также назвать омическими потерями. Они связаны с конечной проводимостью металлов: чем лучше проводимость, тем меньше потери. Потеря мощности на единицу длины можно рассчитать путем интегрирования плотностей тока на пути охватывающие стенки волновода: [ 11 ]

Можно показать, что в классическом прямоугольном волноводе затухание доминирующей моды из-за токов проводимости определяется в неперах на метр по формуле где

- ширина волновода,
его высота,
волновое сопротивление ,
волновой вектор ,
толщина скин-слоя в проводнике,
- поверхностное сопротивление (поверхностного импеданса).

Заметно, что напрямую зависит от толщины подложки : чем тоньше подложка, тем выше потери проводимости. Это можно объяснить, если учесть, что эти омические потери определяются путем интегрирования плотности тока на пути, охватывающем стенки волновода.

На верхней и нижней горизонтальных металлических пластинах ток масштабируется с помощью , из-за изменения напряженности поля на этих пластинах: когда увеличивается, напряженность поля уменьшается, как и токи. В вертикальных стенах этот вариант компенсируется удлинением пути интегрирования . В результате вклад вертикальных переходных отверстий в потери в проводнике не меняется с увеличением . [ 14 ] Вот почему в выражении есть два термина. : первый не зависит от , а второй меняется в зависимости от .

Еще один ключевой момент потерь проводимости, которые испытывают SIW, связан с шероховатостью поверхностей , которая может возникнуть в результате процессов синтеза. Эта шероховатость снижает эффективную проводимость металлических стенок и, как следствие, увеличивает потери. Это наблюдение имеет решающее значение для проектирования SIW, поскольку они встроены в очень тонкие подложки. В этом случае вклад потерь проводимости в общее затухание является преобладающим. [ 4 ] [ 15 ] [ 13 ]

Затухание из-за диэлектрической подложки

[ редактировать ]

Затухание, обусловленное диэлектрическими свойствами наполняющей среды, можно определить непосредственно по константе распространения . [ 11 ] Действительно, можно доказать, что, используя разложение Тейлора функции для , константа распространения равна где тангенс потерь диэлектрической подложки. Это приближение верно, если , что обычно имеет место в СВЧ-электронике (на частоте 10 ГГц, в воздухе, в тефлоне и в массе глинозема). Тогда можно провести следующую идентификацию: Это соотношение справедливо как для электрических, так и для магнитных поперечных мод.

Диэлектрические потери зависят только от подложки, а не от геометрии: в отличие от потерь проводимости, не зависит от толщины подложки. Оказывается, единственный способ уменьшить заключается в выборе шаблона с лучшими диэлектрическими свойствами: чем меньше тангенс потерь , тем ниже затухание.

Ослабление из-за радиации

[ редактировать ]

Поскольку вертикальные стенки SIW не являются сплошными, между переходными отверстиями могут возникать утечки излучения. Эти утечки могут существенно повлиять на общее качество передачи, если геометрия переходных отверстий не выбрана тщательно. Некоторые исследования были проведены для описания, прогнозирования и уменьшения радиационных потерь. Они привели к некоторым простым геометрическим правилам, которые необходимо соблюдать, чтобы уменьшить потери радиации. [ 1 ] [ 3 ] [ 14 ] [ 16 ] [ 17 ]

Интересующие геометрические параметры — диаметр , ширина СИП и межцентровое расстояние между переходными отверстиями . Они должны быть настроены таким образом, чтобы аппроксимировать поведение сплошной металлической стенки: расстояние между переходными отверстиями должно оставаться небольшим по сравнению с их диаметром, а диаметр должен быть небольшим по сравнению с длиной волны, направляемой волноводом ( ). Чтобы потери на излучение были достаточно небольшими, рекомендуемые значения: Для конкретного режима движения утечки уменьшаются с ростом частоты и максимальны на частоте среза режима. Коэффициент утечки радиации не зависит от свойств подложки и высоты направляющей.

Ассистент дизайнера

[ редактировать ]

Существует несколько приложений, упрощающих проектирование SIW и переходов от микрополосковых к SIW. Например, приложение SIW Cal на базе iOS может предоставить начальные параметры для микрополосковых переходов, SIW и переходов от микрополосковых к SIW.

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Jump up to: а б с д Кэ Ву; Дезиандес, Д.; Кассиви, Ю. (2003). «Подложка интегральной схемы — новая концепция высокочастотной электроники и оптоэлектроники» . 6-я Международная конференция по телекоммуникациям в современных спутниковых, кабельных и радиовещательных службах, 2003 г. ТЕЛСИКС 2003 г. Том. 1. Сербия, Черногория, Ниш: IEEE. стр. P-III–PX. дои : 10.1109/TELSKS.2003.1246173 . ISBN  978-0-7803-7963-3 . S2CID   17010281 .
  2. ^ Jump up to: а б Десландес, Д.; Ке Ву (2001). «Комплексный переход от копланарных волноводов к прямоугольным» . Дайджест Международного симпозиума по микроволновым технологиям IEEE MTT-S, 2001 г. (кат. № 01CH37157) . Том. 2. Финикс, Аризона, США: IEEE. стр. 619–622. дои : 10.1109/MWSYM.2001.966971 . ISBN  978-0-7803-6538-4 . S2CID   34119831 .
  3. ^ Jump up to: а б с Фэн Сюй; Кэ Ву (январь 2005 г.). «Характеристики волноводных волн и рассеяния интегрированного в подложку волновода» . Транзакции IEEE по теории и технике микроволнового излучения . 53 (1): 66–73. Бибкод : 2005ITMTT..53...66X . дои : 10.1109/TMTT.2004.839303 . ISSN   0018-9480 . S2CID   15796779 .
  4. ^ Jump up to: а б с д Боззи, М.; Георгиадис, А.; Ву, К. (2011). «Обзор волноводных схем и антенн, интегрированных в подложку» . IET Микроволновые печи, антенны и распространение . 5 (8): 909. doi : 10.1049/iet-map.2010.0463 .
  5. ^ Jump up to: а б Кассиви, Ю.; Перрегрини, Л .; Арчиони, П.; Брессан, М.; Ву, К.; Кончауро, Г. (сентябрь 2002 г.). «Дисперсионные характеристики интегрированного в подложку прямоугольного волновода» . Письма IEEE о микроволновых и беспроводных компонентах . 12 (9): 333–335. дои : 10.1109/LMWC.2002.803188 . ISSN   1531-1309 . S2CID   8072549 .
  6. ^ Райас-Санчес, Хосе Э.; Гутьеррес-Аяла, Владимир (2008). «Общая процедура проектирования на основе ЭМ однослойных интегрированных волноводных межсоединений с микрополосковыми переходами» . Дайджест Международного симпозиума по микроволновому оборудованию IEEE MTT-S, 2008 г. стр. 983–986. дои : 10.1109/MWSYM.2008.4632999 . ISBN  978-1-4244-1780-3 . S2CID   45107165 .
  7. ^ Десландес, Доминик (2010). «Уравнения расчета для переходов конической микрополоски-подложки интегрированного волновода» . 2010 Международный симпозиум по микроволновому оборудованию IEEE MTT-S . стр. 704–707. дои : 10.1109/MWSYM.2010.5517884 . ISBN  978-1-4244-6056-4 . S2CID   31706485 .
  8. ^ Чен, Сяо-Пин; Ву, Кэ (2009). «Сверхширокополосный переход с малыми потерями между копланарным волноводом с проводником и волноводом, интегрированным в подложку» . Дайджест Международного симпозиума по микроволновому оборудованию IEEE MTT-S, 2009 г. стр. 349–352. дои : 10.1109/MWSYM.2009.5165705 . ISBN  978-1-4244-2803-8 . S2CID   44791457 .
  9. ^ Ли, Сунхо; Юнг, Санун; Ли, Хай-Янг (2008). «Сверхширокополосный переход интегрированного волновода от CPW к подложке с использованием секции повышенного CPW» . Письма IEEE о микроволновых и беспроводных компонентах . 18 (11): 746–748. дои : 10.1109/LMWC.2008.2005230 . ISSN   1531-1309 . S2CID   45443859 .
  10. ^ Тарингу, Фарзане; Борнеманн, Йенс (2011). «Переход от новой подложки к копланарному волноводу» . 2011 41-я Европейская микроволновая конференция : 428–431. doi : 10.23919/EuMC.2011.6101767 (неактивен 31 января 2024 г.). {{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на январь 2024 г. ( ссылка )
  11. ^ Jump up to: а б с д Позар, Дэвид М. (2012). Микроволновая техника . Джон Уайли и сыновья. ISBN  978-81-265-4190-4 . OCLC   884711361 .
  12. ^ «Потери в волноводе» . Микроволновые печи101 . Проверено 20 апреля 2020 г.
  13. ^ Jump up to: а б Ван Керкховен, Вивьен (2019). СВЧ-устройства на основе нанопроводов в волноводной топологии с интегрированной подложкой с использованием лазерного процесса изготовления (Диссертация). Католический университет Лувена.
  14. ^ Jump up to: а б Боззи, М.; Перрегрини, Л.; Ке Ву (2008). «Моделирование проводниковых, диэлектрических и радиационных потерь в интегрированном волноводе с подложкой методом граничного интегрально-резонансного расширения мод» . Транзакции IEEE по теории и технике микроволнового излучения . 56 (12): 3153–3161. Бибкод : 2008ITMTT..56.3153B . дои : 10.1109/TMTT.2008.2007140 . ISSN   0018-9480 . S2CID   18489048 .
  15. ^ Ломакин Константин; Голд, Джеральд; Хельмрайх, Клаус (2018). «Аналитическая модель волновода, точно прогнозирующая потери и задержки, включая шероховатость поверхности» . Транзакции IEEE по теории и технике микроволнового излучения . 66 (6): 2649–2662. Бибкод : 2018ITMTT..66.2649L . дои : 10.1109/TMTT.2018.2827383 . ISSN   0018-9480 . S2CID   46958008 .
  16. ^ Боцци, Маурицио; Пасиан, Марко; Перрегрини, Лука; Ву, Кэ (октябрь 2009 г.). «О потерях в интегрированных в подложку волноводах и резонаторах» . Международный журнал микроволновых и беспроводных технологий . 1 (5): 395–401. дои : 10.1017/S1759078709990493 . ISSN   1759-0787 . S2CID   109573716 .
  17. ^ Че, Вэньцюань; Ван, Дапенг; Дэн, Куан; Чоу, Ю.Л. (октябрь 2007 г.). «Исследование утечки и омических потерь в волноводе, интегрированном в подложку: ВОЛНОВОД, ИНТЕГРИРОВАННЫЙ В ПОДЛОЖКУ» . Радионаука . 42 (5): н/д. дои : 10.1029/2007RS003621 . S2CID   117881296 .
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 79e7d37547184f5cee6fcab8202a03b5__1721649840
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/79/b5/79e7d37547184f5cee6fcab8202a03b5.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Substrate-integrated waveguide - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)