Интегрированные в подложку волноводные технологии: теория и применение

Характеристика и принципы работы

Интегрированный в подложку волновод представляет собой инновационное решение для передачи электромагнитного излучения. Данная технология успешно объединяет ключевые преимущества планарных линий передачи — компактность, малый вес, планарную структуру и технологичность изготовления, с достоинствами металлических волноводов, обеспечивающих минимальные потери при передаче энергии и максимальную пропускную способность по мощности.

Технологическая актуальность

Современные системы миллиметрового диапазона, включающие технологии 5G, автомобильные радиолокационные комплексы 77 ГГц и высокоскоростные системы Wi-Fi диапазона 60 ГГц, требуют эффективных волноводных структур для передачи сигналов. Традиционные микрополосковые и копланарные волноводы, несмотря на обеспечение желаемых форм-факторов, не демонстрируют оптимальных характеристик передачи. Металлические волноводы, хотя и обеспечивают эффективную работу на указанных частотах, характеризуются значительными габаритами, высокой стоимостью изготовления и сложностью интеграции с планарными структурами.

История развития и технологическая реализация

Технология SIW, разработанная в 1998 году, входит в семейство интегрированных в подложку схем, включающее также интегрированный щелевой волновод и интегрированный непереизлучающий диэлектрический волновод. Производство компонентов SIW возможно с использованием технологии печатных плат, низкотемпературной совместно обжигаемой керамики и фотолитографических процессов, что обеспечивает гибкость технологического процесса и экономическую эффективность.

Технические особенности и области применения

Существенным преимуществом SIW является поддержка распространения волн ТЕ-типа при отсутствии ТМ-мод, что в сочетании с высокой структурной гибкостью делает технологию особенно перспективной для разработки фильтров. По показателю добротности SIW занимает промежуточное положение между планарными линиями передачи, обеспечивающими добротность 50-100, и металлическими волноводами с добротностью 1000-12000. Технология находит широкое применение в высокоскоростных электронных схемах, антенных системах, направленных ответвителях и делителях мощности.

Проектирование интегрированного в подложку волновода

Особенности конструкции и расчет параметров

Конструкция SIW формируется путем создания двух параллельных рядов металлизированных отверстий в диэлектрической подложке с металлизированными верхней и нижней поверхностями, как показано на рисунке 1. Металлизированные отверстия обеспечивают электрическое соединение верхнего и нижнего слоев металлизации, формируя вертикальные пути протекания тока. Характеристики распространения электромагнитных волн в такой структуре практически идентичны характеристикам традиционных прямоугольных волноводов.

Рисунок 1. Интегрированный в подложку волновод.

Расчет эффективной ширины

Для проектирования SIW критически важным является определение эффективной ширины волновода. Базовое соотношение между параметрами SIW и эффективной шириной прямоугольного волновода с аналогичными характеристиками распространения описывается уравнением:

weff = w – d2/0.95s

где w представляет физическую ширину SIW, d — диаметр металлизированного отверстия, s — расстояние между центрами соседних отверстий (шаг), weff — эффективная ширина волновода.

Физическая ширина w определяется после расчета эффективной ширины по формуле:

weff = c/(2fc√εr)

где c — скорость света, fc — критическая частота основной моды TE10, εr — диэлектрическая проницаемость материала подложки.

Уточненные методы расчета

Для повышения точности проектирования используется модифицированное соотношение, учитывающее влияние отношения d/w:

weff = w − 1.08d2/s + 0.1d2/w

Дополнительно разработано эмпирическое соотношение, основанное на методе линий (MOL):

weff = w × (ξ1 + ξ2/(s/d + (ξ1 + ξ2 − ξ3))/(ξ3 − ξ1))

с коэффициентами:

ξ1 = 1.0198 + (0.3465/(w/s − 1.0684))

ξ2 = −0.1183 + (1.2729/(w/s − 1.2010))

ξ3 = −1.0082 + (0.9163/(w/s + 0.2152))

Проектирование металлизированных отверстий и расчет параметров волновода

Требования к металлизированным отверстиям

Конструкция металлизированных отверстий в SIW должна удовлетворять строгим требованиям для обеспечения эффективной передачи электромагнитной энергии. Диаметр отверстий d должен быть меньше одной пятой длины волны в волноводе (d < λg/5), а расстояние между центрами соседних отверстий s не должно превышать удвоенного диаметра (s < 2d). Для минимизации потерь на излучение расстояние между отверстиями следует выбирать минимально возможным с учетом технологических ограничений.

Конструктивные ограничения

Для исключения эффекта запрещенной зоны и обеспечения необходимой механической прочности конструкции отношение шага металлизированных отверстий к критической длине волны должно находиться в диапазоне:

0.05 < s/λc < 0.25

Расчет основных параметров

Волновое сопротивление SIW является ключевым параметром, определяющим согласование с другими элементами схемы. Расчет выполняется по формуле:

Z0 = (h/weff)(η/√(1−(λ/λc)2))

где h — толщина подложки, η — характеристическое сопротивление среды, определяемое как:

η = 120π/√εr

Постоянная распространения β для диэлектрических материалов с малыми потерями рассчитывается следующим образом:

β = √[(2πf√εr/300)2 – (π/weff)2]

где частота f выражается в гигагерцах, а эффективная ширина weff — в миллиметрах.

Данные соотношения позволяют выполнить полное проектирование интегрированного в подложку волновода с учетом всех конструктивных и электродинамических параметров для обеспечения требуемых характеристик передачи сигнала.

Комплексный анализ интегрированного в подложку волновода: моделирование и характеристики

Исходные параметры моделирования

Проектирование интегрированного в подложку волновода реализовано на основе двухсторонней медной подложки Rogers 6002s. Материал характеризуется тангенсом угла диэлектрических потерь 0,0012 и диэлектрической проницаемостью 2,94. Определение базовых размеров конструкции выполнено с использованием аналитических выражений, представленных уравнениями 1-10. Структурный анализ проведен в среде электродинамического моделирования CST-Microwave Studio. Геометрические параметры волноводной структуры систематизированы в таблице 1.

Рисунок 2. Перспективный вид структуры SIW.

Таблица 1 содержит полный набор конструктивных размеров разработанного волновода. Ширина подложки составляет 15 мм при длине 17,5 мм и высоте 1,6 мм. Металлизированные отверстия имеют диаметр 0,7 мм при шаге 1,05 мм. Физическая ширина волноводной структуры равна 9,3 мм, что соответствует эффективной ширине 8,6 мм.

Таблица 1. Размеры интегрированного в подложку волновода

Анализ характеристик передачи

Электродинамическое моделирование позволило получить частотные зависимости S-параметров волновода, представленные на рисунке 3. Результаты демонстрируют критическую частоту 11 ГГц с минимальными вносимыми потерями в полосе пропускания. Возвратные потери в рабочей полосе частот превышают 10 дБ, что свидетельствует о хорошем согласовании структуры.

Рисунок 3. S-параметры SIW.

Визуализация распределения электромагнитного поля на частотах 11 ГГц и 20 ГГц, показанная на рисунках 4 и 5 соответственно, подтверждает эффективную локализацию поля внутри области, ограниченной металлизированными отверстиями. Данный результат указывает на отсутствие паразитного излучения через боковые стенки волновода.

Рисунок 4. Электрическое поле на частоте 11 ГГц. 

Рисунок 5. Электрическое поле на частоте 20 ГГц.

Импедансные характеристики интегрированного волновода

Волновое сопротивление и постоянную распространения рассчитывали на основе уравнений 11-13. Параметрический анализ волнового сопротивления выполнен для различных значений диэлектрической проницаемости при фиксированной эффективной ширине 8,6 мм. Результаты, представленные на рисунке 6, демонстрируют обратную пропорциональность между импедансом и диэлектрической проницаемостью материала подложки.

Дополнительное исследование зависимости импеданса от эффективной ширины волновода при постоянной диэлектрической проницаемости 2,94 показало аналогичную обратную пропорциональность. Данная характеристика отображена на рисунке 7 и имеет важное значение при проектировании согласующих цепей.

Рисунок 6. Зависимость импеданса SIW от εr. 

Рисунок 7. Зависимость импеданса SIW от weff.

Анализ постоянной распространения

Исследование постоянной распространения проведено для двух конфигураций параметров. В первом случае анализировалось влияние диэлектрической проницаемости при сохранении постоянной эффективной ширины 8,6 мм. Результаты, представленные на рисунке 8, показывают прямую пропорциональность между постоянной распространения и диэлектрической проницаемостью материала подложки.

Во втором случае изучалось влияние эффективной ширины волновода при фиксированной диэлектрической проницаемости 2,94. Графическая зависимость, показанная на рисунке 9, демонстрирует независимость постоянной распространения от эффективной ширины волноводной структуры. Это свойство имеет существенное значение при проектировании волноводных компонентов с различной шириной канала.

Рисунок 8. Зависимость постоянной распространения SIW от εr. 

Рисунок 9. Зависимость постоянной распространения SIW от weff.

Заключение

Разработанная теория проектирования SIW подтверждена результатами моделирования волновода с критической частотой 11 ГГц в среде CST-MWS. S-параметры демонстрируют четкую частоту отсечки на уровне 11 ГГц. Электрическое поле эффективно локализовано внутри области металлизированных отверстий без признаков утечки. Анализ характеристик SIW, выполненный в среде MATLAB, показывает обратную пропорциональность импеданса диэлектрической проницаемости и эффективной ширине эквивалентного волновода. При этом постоянная распространения прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости и не зависит от эффективной ширины. Выявленные характеристики подтверждают перспективность применения SIW для создания миниатюрных планарных компонентов с малыми потерями и высокой пропускной способностью по мощности.