Интегрированный в подложку волновод - Substrate integrated waveguide

Интегрированный в подложку волновод. Распространяющиеся электромагнитные волны ограничиваются внутри подложки металлическими слоями на каждой из двух сторон подложки и между двумя рядами металлических переходных отверстий, соединяющих их.

А Интегрированный в подложку волновод (SIW) (также известен как стоечный волновод или ламинированный волновод) является синтетическим прямоугольный электромагнитный волновод сформированный в диэлектрик подложку, плотно уложив металлизированные штыри или сквозные отверстия которые соединяют верхнюю и нижнюю металлические пластины подложки. Волновод может быть легко изготовлен при недорогом массовом производстве с использованием сквозные методы где почтовые стены состоят из через заборы. Известно, что SIW имеет характеристики волноводной волны и моды, аналогичные характеристикам обычного прямоугольного волновода с эквивалентными длина волны проводника.

С появлением новых коммуникационных технологий в 1990-х годах потребность в высокопроизводительных системах миллиметрового диапазона возросла. Они должны быть надежными, недорогими, компактными и совместимыми с высокими частотами. К сожалению, выше 10 ГГц хорошо известный микрополоска и копланарные линии технологии не могут быть использованы, поскольку они имеют высокие вносимые и радиационные потери на этих частотах. В прямоугольный волновод Топология может решить эти проблемы, поскольку она обеспечивает отличную защиту от радиационных потерь и низкие вносимые потери. Но в своей классической форме прямоугольный волновод несовместим с миниатюризацией, необходимой для современных приложений.[1]

Концепция SIW была разработана в начале 2000-х гг. Кэ Ву чтобы согласовать эти требования.[1][2] Авторы представили платформу для объединения всех компонентов СВЧ-цепи внутри единой подложки с прямоугольным поперечным сечением. Использование единственной подложки гарантирует ограниченный объем и простоту изготовления, а прямоугольное поперечное сечение линии обеспечивает преимущества волноводной топологии с точки зрения потерь.

Принципы SIW

Горизонтальный разрез классического интегрированного волновода на подложке.
Горизонтальный разрез интегрированного волновода в подложку. Расстояние между центрами двух последовательных переходных отверстий равно , их диаметр а межцентровое расстояние между двумя рядами переходных отверстий равно . Эффективная ширина , рассчитывается из , и также показано.

Геометрия

SIW состоит из тонкой диэлектрической подложки, покрытой с обеих сторон металлическим слоем. В подложку заделаны два параллельных ряда металлических сквозные отверстия разграничение области распространения волны. Организация переходных отверстий и геометрические параметры описаны на прилагаемом рисунке.

Ширина SIW - это расстояние между двумя рядами переходных отверстий, который определяется от центра к центру. An эффективная ширина может использоваться для более точной характеристики распространения волн. Расстояние между двумя последовательными переходными отверстиями одного ряда равно , а диаметр переходного отверстия обозначен .

Поперечные моды распространения магнитного поля

В классическом прямоугольном волноводе с твердыми стенками общая формулировка распространения включает суперпозицию поперечный электрический (TE) и поперечный магнитный (TM) режимы. Каждый из них связан с определенными полями и токами. В случае TM-мод ток в вертикальных стенках продольный, т.е. параллельный оси распространения, обычно обозначаемый как . Тогда, учитывая вертикальную геометрию переходных отверстий, такие моды не могут появиться в SIW: электрический ток не может распространяться от сквозного отверстия к переходному отверстию. Только моды TE могут распространяться через SIW.

Каждая мода появляется выше точной частоты отсечки, определяемой размерами волновода и заполняющей средой. Для TM-мод уменьшение толщины волновода (обычно обозначается как ) увеличивает частоту среза с . В случае SIW толщина настолько мала, что частота отсечки TM-мод намного выше, чем у доминирующей моды.

Эффективная ширина

Одна из задач геометрии SIW - воспроизвести характерные моды распространения прямоугольных волноводов внутри тонкого шаблона. Ширина волновода является важным параметром этих режимов. В типичной геометрии SIW, - расстояние между двумя рядами переходных отверстий от центра к центру (см. рисунок). Из-за геометрии переходных отверстий это расстояние нельзя использовать напрямую; из-за промежутка между последовательными переходными отверстиями и их круглой формы сигнал внутри световода не ведет себя точно так же, как в совершенно прямоугольном волноводе той же ширины.

Чтобы применить теорию волноводов к SIW, эффективная ширина может быть использован. При этом учитывается форма переходных отверстий и расстояние между ними. Его ценность находится между и .

Обычное простое определение:[3][4]

и более точное определение, используемое для больших значений является[5]

Используя эту эффективную ширину, постоянная распространения СИВ будет аналогична постоянной распространения классического прямоугольного волновода, ширина которого равна . Приведенные выше формулы являются эмпирическими: они были получены при сравнении дисперсионных характеристик различных СИВ с характеристиками прямоугольного волновода, заполненного тем же диэлектрическим материалом.[4]

Переходы

SIW являются многообещающими структурами, которые могут использоваться в сложных микроволновых системах в качестве межсоединений, фильтров и т. Д. Однако может возникнуть проблема: соединение SIW с другими типами линии передачи (ЛЛ), в основном микрополоска, копланарный и коаксиальный кабель. Целью таких переходов между двумя различными топологиями TL является возбуждение правильного режима передачи в резонаторе SIW с минимальными потерями мощности и в максимально широком диапазоне частот.

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

Эти два типа переходов включают линии, встроенные в одну и ту же подложку, что не относится к коаксиальные линии. Прямого перехода между коаксиальной линией и SIW не существует: другой плоская линия должны использоваться для правильного преобразования коаксиального Режимы распространения ТЕМ к режимам TE в SIW.

Было проведено несколько исследований для оптимизации перехода между топологиями без возможности определения универсального правила, позволяющего провести абсолютный переход. Архитектура, частотный диапазон, используемые материалы и т. Д. Являются примерами параметров, определяющих процедуру проектирования.[3][8][9][10]

Переход от микрополосковой к SIW
Переход от компланарной линии к SIW
Примеры переходов от копланарных и микрополосковых линий к SIW. Красным цветом: переходные отверстия. Серым цветом: верхний металлический слой.

Потери в СИВ

В постоянная распространения линии передачи часто разлагают следующим образом:

и колеблющиеся электрический и магнитный поля в справочнике имеют вид[11]

Тогда ясно, что, хотя мнимая часть обозначает распространяющийся компонент, реальный компонент описывает потерю интенсивности во время распространения. Эта потеря вызвана различными явлениями, и каждое из них представлено термином . Наиболее распространены следующие термины:[11][12]

  • : потери из-за внешней проводимости металла
  • : потери из-за тангенса угла потерь диэлектрической среды, заполняющей волновод.
  • : потери из-за проводимости диэлектрической среды, заполняющей волновод.
  • : потеря из-за излучения.

Это разложение справедливо для всех видов линии передачи. Однако для прямоугольные волноводы, затухание из-за излучения и подложки проводимость незначительно. Действительно, обычно подложка представляет собой такой изолятор, что . Таким же образом, если толщина стенки намного больше глубины скин-слоя сигнала, излучение не появится. Фактически, это одно из преимуществ закрытых волноводов по сравнению с открытыми линиями, такими как микрополоски.

SIW показывает сравнимые или меньшие потери по сравнению с другими традиционными планарными структурами, такими как микрополосковые или копланарные линии, особенно на высоких частотах.[3] Если подложка достаточно толстая, потери в основном зависят от диэлектрических свойств подложки.[13]

Затухание из-за токов проводимости

Частично ослабление сигнала связано с плотность поверхностного тока протекает через металлические стенки волновода. Эти токи индуцируются распространяющимися электромагнитные поля. Эти потери также можно назвать омическими потерями по понятным причинам. Они связаны с конечной проводимостью металлов: чем лучше проводимость, тем меньше потери. Потери мощности на единицу длины можно рассчитать путем интегрирования плотности тока на пути ограждающие стенки волновода:[11]

Можно показать, что в классическом прямоугольном волноводе затухание доминирующей моды из-за токов проводимости дается, в Неперс на метр, от

где

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

На верхней и нижней горизонтальных металлических пластинах ток измеряется с помощью , из-за модификации напряженности поля на этих пластинах: когда увеличивается, напряженность поля уменьшается, а также токи. В вертикальных стенах эта вариация компенсируется удлинением пути интегрирования . В результате вклад вертикальных переходных отверстий в потери в проводнике не меняется с .[14] По этой причине в выражении : первый не зависит от а второй зависит от .

Другой ключевой момент потерь проводимости, испытываемых СИВ, связан с грубость поверхностей, которые могут появиться в результате процессов синтеза. Эта шероховатость снижает эффективную проводимость металлических стенок и, следовательно, увеличивает потери. Это наблюдение имеет решающее значение для проектирования SIW, поскольку они интегрированы на очень тонкие подложки. В этом случае преобладает вклад потерь проводимости в глобальное затухание.[3][15][13]

Затухание за счет диэлектрической подложки

Затухание из-за диэлектрик поведение наполнителя можно определить непосредственно по постоянная распространения.[11] Действительно, можно доказать, что, используя Расширение Тейлора функции для , постоянная распространения равна

где это тангенс угла потерь диэлектрической подложки. Это приближение верно, если что обычно имеет место в СВЧ-электронике (на частоте 10 ГГц, в воздухе, в тефлоне и в насыпном глиноземе). Тогда может быть произведена следующая идентификация:
Это соотношение верно 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. Выясняется, что единственный способ уменьшить заключается в выборе шаблона с лучшими диэлектрическими свойствами: чем меньше тангенс угла потерь , тем меньше затухание.

Затухание из-за излучения

Поскольку вертикальные стенки SIW не являются непрерывными, утечки излучения могут протекать между переходными отверстиями. Эти утечки могут значительно 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 нескольким простым геометрическим правилам, которые необходимо соблюдать, чтобы уменьшить потери на излучение.[1][5][14][16][17]

Интересующие геометрические параметры - диаметр , интервал и межцентровое расстояние между переходными отверстиями . Они должны быть настроены таким образом, чтобы приблизиться к поведению сплошной металлической стенки: расстояние между переходными отверстиями должно оставаться небольшим по сравнению с их диаметром, в то время как диаметр должен быть малым по сравнению с шириной волновода (или длиной волны волновода). Чтобы радиационные потери были достаточно низкими, рекомендуются следующие значения:

Для конкретного бегущего режима утечки уменьшаются с увеличением частоты и максимальны на частоте отсечки режима. Фактор утечки излучения не зависит от свойств основы и высоты направляющей.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б c d Кэ Ву; Desiandes, D .; Кассиви, Ю. (2003). «Подложка интегральных схем - новая концепция для высокочастотной электроники и оптоэлектроники». 6-я Международная конференция по телекоммуникациям в современной спутниковой, кабельной и радиовещательной службе, 2003 г. ТЕЛСИКС 2003 г.. Сербия, Черногория, Ниш: IEEE. 1: P – III – P-X. Дои:10.1109 / TELSKS.2003.1246173. ISBN  978-0-7803-7963-3.
  2. ^ а б Deslandes, D .; Кэ Ву (2001). «Интегрированный переход копланарных волноводов в прямоугольные». 2001 IEEE MTT-S International Microwave Sympsoium Digest (Номер по каталогу 01CH37157). Феникс, Аризона, США: IEEE. 2: 619–622. Дои:10.1109 / MWSYM.2001.966971. ISBN  978-0-7803-6538-4.
  3. ^ а б c d Bozzi, M .; Георгиадис, А .; Ву, К. (2011). «Обзор интегрированных в подложку волноводных схем и антенн». IET Микроволны, антенны и распространение. 5 (8): 909. Дои:10.1049 / iet-map.2010.0463.
  4. ^ а б Cassivi, Y .; Perregrini, L .; Arcioni, P .; Bressan, M .; Wu, K .; Кончауро, Г. (сентябрь 2002 г.). «Дисперсионные характеристики интегрального прямоугольного волновода в подложке». Письма IEEE о микроволновых и беспроводных компонентах. 12 (9): 333–335. Дои:10.1109 / LMWC.2002.803188. ISSN  1531-1309.
  5. ^ а б Фэн Сюй; Кэ Ву (январь 2005 г.). «Волноводные характеристики и характеристики утечки интегрированного волновода в подложку». Протоколы IEEE по теории и методам микроволнового излучения. 53 (1): 66–73. Дои:10.1109 / TMTT.2004.839303. ISSN  0018-9480.
  6. ^ Rayas-Sanchez, Jose E .; Гутьеррес-Аяла, Владимир (2008). «Общая процедура проектирования на основе ЭМ для межсоединений интегрированных волноводов с однослойной подложкой и микрополосковыми переходами». Дайджест Международного микроволнового симпозиума IEEE MTT-S 2008 г.: 983–986. Дои:10.1109 / MWSYM.2008.4632999.
  7. ^ Десландес, Доминик (2010). «Расчетные уравнения для переходов сужающегося микрополоскового интегрированного волновода на подложку». 2010 Международный симпозиум по СВЧ IEEE MTT-S: 704–707. Дои:10.1109 / MWSYM.2010.5517884.
  8. ^ Чен, Сяо-Пин; Ву, Кэ (2009). «Сверхширокополосный переход с низкими потерями между копланарным волноводом с проводником и интегрированным в подложку волноводом». Дайджест Международного симпозиума по микроволновой связи 2009 IEEE MTT-S: 349–352. Дои:10.1109 / MWSYM.2009.5165705.
  9. ^ Ли, Сунхо; Чон, Сангун; Ли, Хай-Ён (2008). «Сверхширокополосный переход интегрированного волновода от CPW к подложке с использованием секции с приподнятым CPW». Письма IEEE о микроволновых и беспроводных компонентах. 18 (11): 746–748. Дои:10.1109 / LMWC.2008.2005230. ISSN  1531-1309.
  10. ^ Тарингу, Фарзане; Борнеманн, Йенс (2011). «Новый переход с интегрированной подложки в копланарный волновод». 2011 41-я Европейская микроволновая конференция: 428–431. Дои:10.23919 / EuMC.2011.6101767.
  11. ^ а б c d Позар, Дэвид М. СВЧ-техника. ISBN  978-81-265-4190-4. OCLC  884711361.
  12. ^ "Микроволны101 | Потери в волноводе". www.microwaves101.com. Получено 2020-04-20.
  13. ^ а б Ван Керкховен, Вивьен (2019). Микроволновые устройства на основе нанопроволок в топологии интегрированного волновода с подложкой с использованием процесса изготовления с помощью лазера (Тезис). UCL - Католический университет Лувена.
  14. ^ а б Bozzi, M .; Perregrini, L .; Кэ Ву (2008). «Моделирование потерь проводника, диэлектрика и излучения в волноводе, интегрированном с подложкой, методом расширения граничных интегрально-резонансных мод». Протоколы IEEE по теории и методам микроволнового излучения. 56 (12): 3153–3161. Дои:10.1109 / TMTT.2008.2007140. ISSN  0018-9480.
  15. ^ Ломакин, Константин; Золото, Джеральд; Хельмрайх, Клаус (2018). «Аналитическая модель волновода, точно предсказывающая потери и задержку, включая шероховатость поверхности». Протоколы IEEE по теории и методам микроволнового излучения. 66 (6): 2649–2662. Дои:10.1109 / TMTT.2018.2827383. ISSN  0018-9480.
  16. ^ Боцци, Маурицио; Пазиан, 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.
  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». Радио Наука. 42 (5): н / д – н / д. Дои:10.1029 / 2007RS003621.

внешние ссылки