Перекос земляных полос превращает линию передачи в антенну

Копланарный волновод подкупает простотой: центральный проводник и две земляные полосы лежат на одной стороне подложки, без сквозных отверстий и металлизации обратной стороны. Сигнал и земля рядом, монтаж навесных элементов удобен, заземление не требует переходных отверстий. Но эта открытая конструкция таит изъян, обостряющийся с частотой. Энергия, которая должна бежать вдоль линии, начинает утекать в стороны, в подложку и в эфир, и линия передачи незаметно превращается в посредственную антенну, теряющую мощность на каждом миллиметре.

Особенно коварна асимметрия. В идеальном копланарном волноводе две земляные полосы одинаковы, их потенциалы уравновешены, и поле распределено симметрично. Стоит полосам стать разными по ширине, или потенциалам разойтись, как симметрия рушится, и пробуждается паразитная мода, уносящая энергию. На миллиметровых волнах, где длина волны сопоставима с размерами линии, эти потери на излучение становятся главным ограничителем. Разберём механизмы утечки, роль асимметрии и геометрии, и покажем, как удержать энергию внутри линии.

Симметричное и несимметричное возбуждение двух земляных полос

Копланарный волновод имеет три проводника на одной плоскости: центральную сигнальную полосу и две земляные по бокам от неё, отделённые щелями. Основная рабочая мода это нечётная, или копланарная мода, в которой обе земляные полосы находятся под одним потенциалом, а сигнал течёт по центральному проводнику. Электрическое поле в этой моде симметрично: оно одинаково тянется через левую и правую щели от центра к земле. Пока симметрия соблюдена, поле заперто вблизи щелей, и линия ведёт себя как чистая линия передачи.

Проблема рождается, когда возбуждается вторая мода, чётная, при которой две земляные полосы оказываются под разными потенциалами. Эта мода напоминает микрополосковую и переносит энергию иначе, чем основная. В идеально симметричной линии чётная мода не возбуждается, потому что её не порождает симметричный источник. Но любая асимметрия, разная ширина полос, неодинаковые щели, несимметричный переход или изгиб, подмешивает чётную моду к основной, и часть энергии уходит в неё.

Беда чётной моды в том, что её трудно контролировать и легко излучить. Если основная мода привязана к щелям, то чётная распространяется шире и охотнее связывается с паразитными волнами в подложке и пространстве. Короткое замыкание, разрыв и прочие неоднородности возбуждают паразитные моды, такие как пространственные и поверхностные волны. Чтобы основная мода оставалась чистой, малой по отклонению от идеальной нечётной волны, в случае конечных земляных полос их размеры и расстояния выдерживают так, чтобы не пробудить микрополосковую моду и связанную с ней утечку.

Утечка через вытекающую моду при превышении скорости подложки

Главный механизм потерь на излучение это вытекающая, или дырявая, мода. Она возникает, когда фазовая скорость волны в линии превышает фазовую скорость волны в подложке. Тогда волна линии не может остаться связанной, она как бы обгоняет волну в диэлектрике и сбрасывает излишек энергии в подложку под углом, образуя излучение. Это явление называют утечкой основной моды, и на высоких частотах основная мода копланарного волновода становится вытекающей именно по этой причине.

Физику удобно представить через сравнение скоростей. Пока фазовая скорость в линии меньше скорости в подложке, волна заперта и не излучает. На некоторой критической частоте фазовая постоянная основной моды сравнивается с модальной постоянной поверхностной волны в диэлектрической пластине, и с этого момента начинается утечка. Чем выше частота над критической, тем сильнее утечка, и тем больше энергии теряется на единицу длины. Поле основной моды при этом перестаёт быть чисто связанным и распадается на непрерывный спектр волн, часть которого уходит в излучение.

Утечка зависит от частоты характерным образом. Когда вытекающая волна появляется, на высокой частоте угол между двумя главными лепестками излучения сужается, и направление утечки меняется. Это позволяет, в принципе, сосуществовать на одной подложке невытекающим и вытекающим участкам, осознанно используя или подавляя утечку. Для линии передачи, однако, утечка вредна, и её стремятся отодвинуть за рабочий диапазон, удерживая фазовую скорость линии ниже скорости подложки. В сверхпроводящих линиях этого добиваются кинетической индуктивностью, замедляющей волну, что в принципе устраняет излучение вытекающей моды и позволяет создавать линии с малыми потерями выше сотен гигагерц.

Металлизация обратной стороны и утечка в параллельные пластины

Иногда обратную сторону подложки металлизируют, получая копланарный волновод с проводящей подложкой. Это даёт механическую прочность и улучшает отвод тепла, но открывает новый канал утечки. Между верхними проводниками и нижней металлизацией образуется структура параллельных пластин, заполненных диэлектриком, и в ней может распространяться мода параллельных пластин, она же микрополосковая мода. Эта мода особенно опасна тем, что не имеет частоты отсечки и существует на всех частотах, перехватывая энергию основной копланарной моды.

Наличие нижней земляной плоскости порождает дополнительную моду линии параллельных пластин типа TEM без всякой частоты отсечки, и она сильно влияет на работу схем с проводящей подложкой. Помимо паразитного излучения проводящая подложка ведёт к утечке мощности в заполненные диэлектриком параллельные пластины на всех частотах. На металлизированной обратной стороне могут жить сразу несколько мод: сама копланарная, микрополосковая, высшие микрополосковые, и энергия перетекает между ними на неоднородностях.

Толщину подложки нельзя увеличивать произвольно, чтобы ослабить влияние нижней металлизации. В технологии монолитных схем толщину ограничивает процесс, а в гибридных схемах механическая прочность. Влияние земляной плоскости на характеристики распространения становится значительным, когда толщина подложки сопоставима с шириной щели. Тогда близкая нижняя металлизация сильно искажает поле и усиливает утечку в параллельные пластины. Бороться с модой параллельных пластин помогают сквозные отверстия, соединяющие верхнюю и нижнюю землю, но в копланарной линии их требуется много, и они вносят собственные паразитные эффекты, усложняя схему.

Расстояние между землями как главный геометрический рычаг

Главный параметр, управляющий и дисперсией, и излучением копланарного волновода, это расстояние между земляными полосами, то есть суммарная ширина центрального проводника и двух щелей. Этот размер, обозначаемый как W плюс два G, где W ширина центрального проводника, G ширина щели, определяет, насколько сильно поле линии связывается с паразитными модами подложки. Чем меньше это расстояние, тем плотнее поле прижато к щелям и тем слабее утечка.

Зависимость прямая и сильная. Дисперсия из-за взаимодействия с поверхностными модами параллельных пластин в подложке сильно зависит от расстояния между землями. Если это расстояние мало по сравнению с длиной волны в диэлектрике и с толщиной подложки, то и дисперсия, и потери на излучение минимизируются. То есть узкая компактная линия с близко расположенными землями держит энергию при себе, а широкая разнесённая линия охотно излучает. В случае конечных земляных полос малое расстояние между землями по сравнению с толщиной подложки необходимо, чтобы не возбудить микрополосковую моду и удержать основную моду близкой к идеальной.

Но уменьшать расстояние бесконечно нельзя, и здесь вступает ограничение снизу. Сужение линии повышает потери в проводниках, потому что ток концентрируется в узком центральном проводнике, и его сопротивление растёт. Ограничение на уменьшение расстояния между землями накладывают именно потери в проводниках, требующие минимальной ширины центрального проводника. Получается зажатый коридор: широкая линия излучает и дисперсна, узкая греется омическими потерями, и оптимум лежит между ними, где сумма потерь на излучение и в проводниках минимальна для рабочей частоты.

Сравнение с микрополоском и выбор линии для миллиметровых волн

Копланарный волновод не единственный выбор, и его часто сравнивают с микрополосковой линией, у которой земля целиком на обратной стороне. У каждой линии свои сильные и слабые стороны по трём ключевым параметрам: потерям в проводниках, дисперсии и излучению в паразитные моды. Полноволновой анализ позволяет сопоставить их честно. Для стандартной полупроводниковой подложки толщиной 0.1 миллиметра на частоте 60 гигагерц сравнение показывает, у какой линии меньше суммарные потери в конкретных условиях.

Копланарный волновод выигрывает у микрополоска по части заземления навесных элементов и отсутствия сквозных отверстий, но проигрывает по излучению на высоких частотах из-за открытой структуры. Микрополосок с его сплошной нижней землёй меньше излучает в эфир, но требует сквозных отверстий для заземления и возбуждает моды параллельных пластин при наличии обратной металлизации. Вариант с проводящей подложкой объединяет копланарную верхнюю структуру с нижней землёй, давая прочность и теплоотвод, но ценой моды параллельных пластин.

Для миллиметровых волн выбор особенно тонок. Копланарную структуру разбивают на несколько классов по толщине подложки, наличию нижней металлизации и ширине земляных полос, и в каждом классе изучают излучательные и связанные моды и их влияние на потери и дисперсию. На частотах в десятки и сотни гигагерц утечка через вытекающую моду и моду параллельных пластин нарастает, и удержать линию невытекающей всё труднее. Поэтому при проектировании миллиметрового тракта тип линии и её геометрию подбирают совместно, исходя из конкретной частоты, толщины и проницаемости подложки.

Подавление утечки сквозными отверстиями и экранированием

Когда утечку нужно подавить активно, в ход идут конструктивные меры. Главная из них для линии с проводящей подложкой это плотный ряд сквозных отверстий вдоль центрального проводника, соединяющих верхнюю и нижнюю земляные плоскости. Отверстия выравнивают потенциалы двух земель и не дают развиться моде параллельных пластин. Плотный ряд отверстий вдоль центрального проводника снижает потери на излучение и обеспечивает достаточно хорошее заземление, что помогает расширить полосу линии.

Однако сквозные отверстия не идеальны и вносят свои паразитные эффекты. Ток, текущий через отверстие, создаёт магнитное поле, а паразитная индуктивность отверстия порождает разность потенциалов между верхней и нижней землёй. Эта разность потенциалов из-за паразитной индуктивности отверстия как раз и приводит к излучению и к распространению высших мод. Поэтому число и расположение отверстий тщательно подбирают: достаточно частый ряд уравновешивает потенциалы и подавляет высшие моды, меняет резонансную частоту и снижает утечку энергии, но избыточная индуктивность отдельных отверстий способна свести выигрыш на нет.

Радикальный путь это микроэкранирование сечения линии. В подложке вытравливают канавки V-образной или трапециевидной формы, покрывают их металлом и заполняют малопотерьным диэлектриком, отделяя сигнальный проводник от потерь подложки. Такая экранированная линия совместима с планарными полупроводниковыми компонентами и сочетает достоинства микрополоска и копланарной линии при сниженных потерях и паразитной связи. Микрообработка позволяет изолировать проводник от лоссы подложки, что особенно ценно на миллиметровых волнах, где обычные линии излучают слишком сильно.

Сведение мер против излучения в единую стратегию

Соберём борьбу с потерями на излучение воедино. Источник утечки двоякий: вытекающая мода, появляющаяся при превышении фазовой скоростью линии скорости подложки, и мода параллельных пластин при металлизированной обратной стороне, существующая без отсечки на всех частотах. Асимметрия земляных полос подмешивает к рабочей нечётной моде паразитную чётную, которая излучает охотнее. Главный геометрический рычаг это расстояние между землями W плюс два G: его уменьшение давит и дисперсию, и излучение, но ограничено снизу ростом потерь в проводниках.

Практические ориентиры расставляют приоритеты. Малое расстояние между землями по сравнению с длиной волны в диэлектрике и толщиной подложки минимизирует дисперсию и излучение. Симметрию полос выдерживают, чтобы не пробудить чётную моду. Фазовую скорость линии удерживают ниже скорости подложки, отодвигая вытекающую моду за рабочую полосу. Для линии с проводящей подложкой ставят плотный ряд сквозных отверстий, балансируя их число против паразитной индуктивности. При самых жёстких требованиях прибегают к микроэкранированию сечения.

Грамотное проектирование копланарной линии для высоких частот это всегда баланс между удержанием энергии и сопутствующими издержками. Узкая линия не излучает, но греется в проводниках. Симметрия гасит чётную моду, но требует точности изготовления. Сквозные отверстия давят моду параллельных пластин, но вносят индуктивность. Микроэкранирование почти устраняет утечку, но усложняет технологию. Опытный разработчик сводит расстояние между землями, симметрию полос, фазовую скорость линии и конструктивные меры подавления в одно решение, где основная мода остаётся связанной во всей рабочей полосе, потери на излучение и в проводниках сбалансированы, а линия передаёт энергию, а не рассеивает её в эфир.