Встроенный в подложку волновод с низкими потерями и высокой мощностью для высокоскоростных цепей

Встроенный в подложку волновод (SIW) представляет собой уникальное решение для распространения электромагнитного излучения. Он объединяет в себе достоинства плоских линий передачи, такие как компактность, малый вес, плоскостность и простота изготовления, с исключительными свойствами металлических волноводов, включая минимальные потери и максимальную управляемость мощностью.

В данной статье мы подробно рассмотрим технологию SIW, предложим пример его конструкции и обсудим ключевые характеристики, которые делают его привлекательным выбором для высокоскоростных систем.

Применение в миллиметровых технологиях.

Технологии миллиметровых волн (mmWave), такие как 5G, автомобильные радары на частоте 77 ГГц и гигабитный Wi-Fi на частоте 60 ГГц, требуют эффективной передачи данных через волноводы. Именно здесь SIW демонстрирует свои преимущества, позволяя передавать сигналы с минимальными потерями и максимальной мощностью, что особенно важно для обеспечения надежной связи.

Микрополосковые и копланарные волноводы, хотя и обеспечивают требуемые формы-факторы, не всегда способны достичь оптимальной производительности. Металлический волновод демонстрирует высокую эффективность в этих частотных диапазонах, однако он имеет значительные размеры, высокую стоимость, сложность в интеграции с плоскими линиями передачи и многомерность.

SIW: Эффективная альтернатива

Структурированный интегральный волновод (SIW) — это передовое решение, разработанное в 1998 году. Он обладает уникальными свойствами, которые обеспечивают эффективную передачу электромагнитных волн.
SIW относится к семейству интегральных схем на подложке (SIC), состоящему из двух основных компонентов:

SISW — плоский волновод, интегрированный в подложку.
SINRD — интегральный неизлучающий диэлектрик на подложке.

Полупроводниковые приборы, разработанные на основе SIC (Silicon Integrated Circuits), нашли широкое применение в высокочастотной электронике. Один из таких приборов — SIW (Silicon Integrated Waveguide), также известный как настенный волновод или ламинированный волновод.

Для изготовления SIW могут быть использованы различные технологии, включая печатные платы, низкотемпературный совместный обжиг керамики (LTCC) и процессы обработки фотографий. Несмотря на свои компактные размеры и малый вес, SIW обладает всеми необходимыми характеристиками, включая низкие потери и низкое энергопотребление, которые присущи обычным металлическим волноводам. Это делает его привлекательным выбором для использования в высокоскоростных схемах, антеннах, соединителях и делителях..

SIW поддерживает только режим TE. Отсутствие режимов TM и высокая структурная гибкость делают его особенно привлекательным для проектирования фильтров.

Коэффициент качества для плоских линий передачи, таких как микрополосковые или ленточнопильные, составляет от 50 до 100. В то же время, для металлических волноводов этот показатель варьируется от 1000 до 12 000. SIW стремится достичь более высоких значений, занимая промежуточное положение.

Конструкция синтетического изотропного волновода (SIW)

Ширина

SIW создается путем интеграции двух рядов металлических переходов в диэлектрическую подложку, окруженную верхней и нижней металлическими оболочками (см. рис. 1). Сквозные отверстия замыкают верхнюю и нижнюю медные оболочки, обеспечивая вертикальный путь для тока. Характеристики распространения SIW практически идентичны характеристикам традиционного волновода.

Рис 1. SIW

Зависимость между параметрами SIW и эффективной шириной прямоугольного волновода с одинаковыми характеристиками распространения составляет:

w_eff = w – d² /0.95 s                                              (1)

В данном тексте:
w — это физическая ширина поверхностного интегрального волновода (SIW);
d — диаметр сквозного отверстия;
s — расстояние между центрами соседних переходных отверстий (шаг);
weff — эффективная ширина SIW.

Ширина (w) SIW рассчитывается по формуле 1 после того, как была вычислена эффективная ширина с помощью формулы 2. В этих формулах c — это скорость света, fc — частота среза доминирующей моды TE₁₀, а er — диэлектрическая проницаемость подложки.

w_eff = c / (2fc sqrt (ε_r)) (2)

Уравнение 1 не учитывает влияние d/w. Следовательно, более точным соотношением является:

w_eff = w − 1.08 d² / s + 0.1 d²/w (3)

Другим эмпирическим соотношением, основанным на методе прямых (MOL), является:

w_eff = w × (ξ₁ + ξ₂/(s / d +(ξ₁ + ξ₂ − ξ₃))/(ξ₃ − ξ₁)) (4)

Где

ξ₁ = 1.0198 + (0.3465/ (w / s − 1.0684)) (5)

ξ₂ = − 0.1183 + (1.2729/ (w / s − 1.2010)) (6)

ξ3 = − 1.0082 + (0.9163/ (w / s+ 0.2152)) (7)

Переходные отверстия

Конструкция сквозных отверстий должна соответствовать следующим требованиям:

d < λ_g/5 (8)

s < 2d; (9)

Шаг должен быть как можно меньше, чтобы минимизировать утечку излучения. Для устранения эффекта запрещённой зоны и обеспечения механической прочности SIW должен соответствовать следующим требованиям:

0.05 < s / λ_c < 0.25 (10)

Параметры SIW

Полное сопротивление Z₀ можно рассчитать по следующей формуле:

Z₀ = (h / w_eff) (η / sqrt (1− (λ/ λc)²)                              (11)

где длина волны в свободном пространстве и длина волны отсечки обозначаются через λ и λc соответственно, и:

η = 120π / sqrt (ε_r)                                                     (12)

Фазовая постоянная β была рассчитана для диэлектрического материала с небольшими потерями на проводимость:

β = sqrt [(2πf sqrt (ε_r)/300)² – (π/ w_eff)²]                (13)

Здесь частота f представлена в ГГц, а эффективная ширина w_eff - в мм.

Симуляция

SIW был изготовлен на двухсторонней медной подложке Rogers 6002s, которая обладает диэлектрическими потерями, равными 0,0012, и диэлектрической проницаемостью 2,94. Основные размеры устройства были рассчитаны на основе уравнений с 1 по 10.

Структура SIW, изображённая на рисунке 2, была смоделирована с помощью CST-Microwave studio. Размеры устройства приведены в таблице 1.

Рис 2. Перспективный взгляд на структуру SIW.

S-параметры SIW, представленные на рисунке 3, демонстрируют частоту среза 11 ГГц, при этом вносимые потери в полосе пропускания минимальны, а обратные потери в этой же полосе превышают 10 дБ.

Рис. 3 S-параметры SIW

На рисунках 4 и 5 представлено распределение электрического поля в структуре на частотах 11 и 20 ГГц, соответственно. Видно, что поле ограничено переходными отверстиями SIW.

Рис. 4. Электронное поле на частоте 11 ГГц.

Рис. 5. Электронное поле на частоте 20 ГГц.

Чтобы рассчитать полное сопротивление и фазовую постоянную системы с избыточной изоляцией (SIW), используются уравнения с 11 по 13. На рисунках 6 и 7 показано, как изменяется импеданс SIW при разных значениях диэлектрической проницаемости (при постоянной эффективной ширине 8,6 мм) и при разных эффективных ширинах (при постоянной диэлектрической проницаемости 2,94).

Из рисунка 6 видно, что импеданс обратно пропорционален диэлектрической проницаемости для постоянного w_eff. Рисунок 7 также демонстрирует обратную зависимость импеданса от эффективной ширины для постоянного ε_r.

Рис. 6. Изменение импеданса SIW для различных ε_r.

Рис. 7. Изменение импеданса SIW для различных w_eff.

На рисунках 8 и 9 представлены результаты анализа фазовой постоянной SIW для различных значений диэлектрической проницаемости при постоянной эффективной ширине 8,6 мм и для различной эффективной ширины при постоянной диэлектрической проницаемости 2,94.

Как видно из рисунка 8, фазовая постоянная SIW увеличивается с ростом диэлектрической проницаемости. На рисунке 9 можно заметить, что фазовая постоянная не зависит от эффективной ширины.

Рис. 8. Изменение фазовой константы SIW для различных ε_r.

Рис. 9. Изменение фазовой константы SIW для различных w_eff.

Заключение

В ходе исследования была разработана теория, которая легла в основу проектирования SIW. С помощью программного обеспечения CST-MWS был создан SIW с частотой среза 11 ГГц. Анализ S-параметров показал, что на этой частоте происходит резкое снижение.

Электрическое поле сосредоточено внутри переходных отверстий SIW, что исключает возможность утечки. Характеристики SIW, такие как импеданс и фазовая постоянная, были проанализированы с помощью MATLAB. Результаты показали, что импеданс обратно пропорционален диэлектрической проницаемости и эффективной ширине эквивалентного волновода. В то же время фазовая постоянная прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости и не зависит от эффективной ширины эквивалентного волновода.

Характеристики SIW делают его привлекательным кандидатом для создания миниатюрных плоских компонентов с низкими потерями и высокой мощностью.

Источники

• H. Uchimura, T. Takenoshita and M. Fujii, “Development of a ‘Laminated Waveguide’," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 46, No.12, December 1998, pp. 2438-2443.
• K. Wu, “Integration and Interconnect Techniques of Planar and Nonplanar Structures for Microwave and Millimeter-Wave Circuits - Current Status and Future Trend,” Proceedings of the Asia–Pacific Microwave-Conference, December 2001, pp. 411-416.
• K.Wu, D.Deslandes and Y.Cassivi, “The Substrate Integrated Circuits – A New Concept for High Frequency Electronics and Optoelectronics,” International Conference on Telecommunications in Modern Satellite, Cable and Broadcasting Service, October 2003.
• Y. J. Cheng, K. Wu and W. Hong, “Power Handling Capability of Substrate Integrated Waveguide Interconnects and Related Transmission Line Systems,” IEEE Transactions on Advanced Packaging, Vol. 31, No. 4, November 2008, pp. 900-909.
• R. R. Mansour, “High-Q Tunable Dielectric Resonator Filters,” IEEE Microwave Magazine, Vol. 10, No. 6, October 2009, pp. 84-98.
• X. P. Chen and K. Wu, “Substrate Integrated Waveguide Filter: Basic Design Rules and Fundamental Structure Features,” I__EEE Microwave Magazine, Vol. 15, No. 5, July 2014, pp. 108-116.
• Y. Cassivi, L. Perregrini, P. Arcioni, M. Bressan and K. Wu, “Dispersion Characteristics of Substrate Integrated Rectangular Waveguide,” IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 12, No. 1, September 2002, pp. 333-335.
• R. E. Collin, “Field Theory of Guided Waves,” IEEE Press, 1991.
• F. Xu and K. Wu, “Guided-Wave and Leakage Characteristics of Substrate Integrated Waveguide,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 53, No. 1, January 2005, pp. 66-73.
• L. Yan, W. Hong, K. Wu and T. J. Cui, “Investigations on the Propagation Characteristics of the Substrate Integrated Wave-Guide Based on the Method of Lines,” IEE _Proceedings—_Microwaves, Antennas and Propagation, Vol. 152, No. 1, February 2005, pp. 35-42.
• L. Yan, W. Hong, G. Hua, J.Chen, K. Wu and T.J.Cui, “Simulation and Experiment on SIW Slot Array Antennas,” IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 14, No. 9, September 2004, pp. 446-448.
• D. Deslandes and K. Wu, “Accurate Modeling, Wave Mechanisms, and Design Considerations of a Substrate Integrated Waveguide,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 54, No. 6, June 2006, pp. 2516-2526