Моделирование микрополосковых линий в СВЧ-диапазоне Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

2012 Серия: Физика Вып. 1 (19)

УДК 669.295.24; 669.788

Моделирование микрополосковых линий в СВЧ - диапазоне

А. П. Семенищев, А. Д. Мамыкин, А. К. Шадт, И. В. Лунегов

Пермский государственный национальный исследовательский университет,

614990, Пермь, ул. Букирева, 15

В настоящее время в качестве проводника высокочастотного поля в интегральной оптике используется микрополосковая линия передачи, и в частности её разновидность - копланарный волновод. Использование копланарных волноводов в СВЧ-устройствах повышает гибкость конструирования, упрощает исполнение при реализации некоторых функций устройств. С помощью программной среды моделирования CST Microwave Studio было изучено влияние геометрических размеров и различных материалов на s-параметры линии. Выбраны наилучшие сочетания для дальнейшего применения.

Ключевые слова: микрополосковая линия, моделирование.

1. Введение

Симметричная полосковая линия (рис. 1,а) является наиболее часто используемой линией передачи СВЧ-диапазона.

и заземленным основанием (экраном), поэтому потери на излучение уменьшаются.

Рис. 1. Полосковая (а) и микрополосковая (б) линии

Основным типом волны симметричной полосковой линии является ТЕМ-волна.

Конфигурация микрополосковой линии (МПЛ) показана на рис. 1,б. Микрополосковая линия является неоднородной линией передачи, так как не все силовые линии поля между полосковым проводником и заземленной пластиной проходят через подложку. Поэтому волна, распространяющаяся вдоль микрополоскового проводника, является не чистой ТЕМ-волной (является “квази - ТЕМ-волной”). Эффективная диэлектрическая проницаемость еэф меньше диэлектрической проницаемости подложки, так как она учитывает поле вне подложки. В отличие от несимметричной полосковой линии с малым значением диэлектрической проницаемости подложки, в МПЛ электромагнитное поле концентрируется между микрополоском

Рис. 2. Распределение в несимметричной полосковой линии электрического поля

Наглядное представление о структуре электромагнитного поля в любой линии передачи дает его графическое изображение. Распределение электромагнитного поля, тока, мощности в поперечном сечении воздушной микрополосковой линии показано на рис. 2 [1].

Копланарные волноводы широко применяются в интегральных СВЧ-схемах. Использование ко-планарных волноводов в СВЧ-устройствах повышает гибкость конструирования, упрощает исполнение при реализации некоторых функциональных устройств. Конфигурация копланарного волновода показана на рис. 3,а. Другая конфигурация (рис. 3,б) называется копланарной полосковой линией. Обе конфигурации относятся к категории “копла-нарных линий”, в которых все проводники расположены в одной плоскости (на одной стороне под-

© Семенищев А. П., Мамыкин А. Д., Шадт А. К., Лунегов И. В., 2012

ложки). Достоинством линий этих типов является возможность более простого монтажа пассивных и активных компонентов последовательно или параллельно с линией. При этом нет необходимости в высверливании отверстий или изготовлении пазов в подложке.

Рис. 3. Копланарный волновод (а) и копланар-ная полосковая линия (б)

В копланарном волноводе и копланарной полосковой линии распространяется волна квази-TEM типа.

Копланарные волноводы используются в оптических модуляторах на основе интерферометра Маха-Цендера. У таких модуляторов существует проблема, связанная с рассинхронизацией скоростей оптической и электромагнитной волн [2]. Одним из решений этой проблемы является внедрение буферного слоя между подложкой и электродами. Одной из задач данного исследования было промоделировать и проанализировать s-параметры линий с различными материалами и толщинами буферного слоя.

2. Методика исследования

Моделирование проводилось программой CST Microwave Studio. Исследовалось влияние геометрических размеров и различных материалов на s-параметры линии. При варьировании размеров и материалов буферного слоя были использованы следующие материалы для буферного слоя: бензоциклобутан (BCB), SiO2, Teflon AF 1600, Teflon AF 2400. Для каждого материала толщина буферного слоя варьировалась в диапазоне 0.5-2 мкм с шагом 0.5 мкм. Для подложки был выбран материал ниобат лития на х срезе. Перечислим следующие характеристики материалов:

• (LiNbO3) ниобат лития: £=(43; 43; 28), tan(5)=(0.004; 0.004; 0.004),

• (BCB) Бензоциклобутан: £=2.7,

tan(5)=0.002,

• SiO2: £=3.9,

• Teflon AF 1600: £=1.92, tan(5)=0.0003,

• Teflon AF 2400: £=1.88, tan(5)=0.0004.

Г еометрические параметры моделируемой линии:

• длина 1.5 см,

• ширина 3.2 мм,

• толщина подложки 500 мкм,

• толщина электродов 10 мкм,

• ширина управляющего электрода 10 мкм,

• ширина зазоров между электродами 25 мкм.

Также была промоделирована топология раІсИ-антенны [3] в виде полуволнового плоского резонатора на рабочую частоту 40 ГГц для дальнейшего объединения с полосковой линией и создания сенсора электрического поля на основе интерферометра Маха-Цендера. В ходе моделирования

Рис. 4. Поперечный срез моделируемой линии

варьировалась ширина антенны (^) и дополнительных patch-элементов ^С) (рис. 5). Расчетная длина антенны составляла 1106 мкм.

I 1

. W .1 GAP

и 5 1 Ци- х

1 1

Рис. 5. Топология patch-антенны

3. Экспериментальные результаты и их обсуждение

Моделирование и анализ производились в полосе частот 30-40 ГГц. Исследование копланарной линии дало следующие результаты:

• чем длиннее линия, тем больше полос “рабочих” частот, но тем они уже;

• наиболее предпочтительно использовать высокие электроды: в этом случае копланарная линия является лучшим проводником электромагнитного излучения;

• при данных геометрических параметрах материал электродов незначительно влияет на графики S-параметров, а значит, и на распространение СВЧ-излучения.

Двойная, или разветвляющаяся, копланарная линия на данный момент является наиболее перспективным вариантом топологии для электрооп-тических модуляторов. Перспективность обусловлена высокой степенью симметричности данной топологии, а также тем, что оптические волноводы в подложке ниобата лития дублируют ход электродов на поверхности. В результате этого достигается высокая степень модуляции, что позволяет

либо снизить управляющее напряжение, либо уменьшить длину электродов, тем самым расширив “рабочую” полосу частот.

Лучшим материалом буферного слоя при х-срезе ЫМЪ03 стал ВСВ. На рис. 6, 7 представлены зависимости 8-параметров от частоты при различных толщинах буферного слоя из ВСВ при х-срезе ЫЫЬОз. ’

pginriB

личных толщинах буферного слоя из BCB при x-

срезе LiNb03

|Щ Г'lili

Рис. 7. Зависимость я21 от частоты при различных толщинах буферного слоя из ВСВ при х-срезе ШЬО3

На рис. 6 видно, что максимальное затухание отраженной волны происходит на частоте 32.8 ГГц при толщине буферного слоя в 2 мкм. Из рис. 7 видим, что на частоте 32.8 ГГц происходит минимальное подавление проходящей волны при толщине буферного слоя в 2 мкм.

В ходе моделирования антенны была получена окончательная топология длиной ¿=1140 мкм, шириной ^=990 мкм. На частоте 39.8 ГГц максимальное затухание отраженной волны составляет 23.9 дБ, ширина полосы на уровне -10дБ равна

0.54 ГГц, что составляет 1.4% от центральной частоты и является типичным значением для полосковой антенны (рис. 8). Минимальное значение КСВн равно 1.13 на частоте 39.8 ГГц. В дальнейшем планируется моделирование объединенной топологии антенны и копланарной линии.

“IT 4SÍT Cr '

\

30 п 34 36 38139.5221 4|«.0?| 42 44 4Й 50

Frequency / (№

Рис. 8. Зависимость sil patch-антенны

4. Заключение

По результатам данного исследования можно сделать следующие выводы. Двойную копланар-ную линию можно использовать в широкополосных электрооптических модуляторах типа Маха-Цендера. Определяющими геометрическими параметрами для такого модулятора будут высота электродов и длина рабочей зоны. Увеличение указанной длины приведёт к увеличению числа резонансных пиков графика Sll-параметра, что не скажется на работе модулятора в целом. Высота же электродов должна быть по возможности большей - порядка 15 мкм. Для x-среза ниобата лития лучшим на полосе 30-40 ГГц является BCB при толщине буферного слоя в 2 мкм.

Работа проведена при финансовой поддержке Министерства Образования и Науки Российской Федерации, Договор № 13.G25.31.0004

Список литературы

1. Проектирование полосковых устройств СВЧ: учеб. пособие. Ульяновск, 2001. 129 с.

2. Удд Э. Волоконно-оптические датчики: ввод. курс для инженеров и науч. работников. М.: Техносфера, 2008. 520 с.

3. Панченко Б.А., Нефедов Е.И. Микрополоско-вые антенны. М.: Радио и связь, 1986. 144 с.

Modeling of microstrip lines in the microwave range

A. P. Semenishchev, A. D. Mamykin, A. K. Shadt, I. V. Lunegov

Perm State University, Bukirev St., 15, 614990, Perm

At the present time as a conductor of high-frequency fields in integrated optics research, uses microstrip transmission line. In particular, its variety - coplanar waveguide. The use of coplanar waveguide in microwave devices, increases the flexibility of constructions simplifies the execution of the implementation of certain features. With the help of simulation software environment CST Microwave Studio has been studied the influence of geometrical dimensions and different materials on the s-parameters of the line. Selected the best combination for future use.

Keywords: microstrip lines, modeling.