Полосковые (или ленточные) линии получили широкое распространение в связи с (внедрением технику свч технологии печатных схем . Они используются преимущественно в сантиметровом и дециметровом диапазонах. Их изготавливают на основе диэлектрических пластин, покрытых металлической фольгой толщиной
Используются высокочастотные диэлектрики: фторопласт, полистирол, полиолефины, стеклоткань, пропитанная фторопластом или мремииеарганичеокой смолой.
Несимметричная линия (рис, 10.14а) конструктивно наиболее проста, однако имеет существенный недостаток: часть волны распространяется в воздухе и вызывает нежелательные связи с другими элементами схемы. Симметричная линия (рис. 10.146) «диэлектрический сэндвич» - практически полностью экранирован а. При ширине внешних пластин толе на их краях практически отсутствует; этом случае полосковая линия эквивалентна коаксиальной с очень узкими щелями во внешнем проводнике.
Коэффициент затухания линии со оплошным диэлектриком определяется в основном потерями в диэлектрике. Этот источник потерь почти полностью устраняется в (воздушной линии (рис. 10.14в), у которого проводящие ленты расположены по обе стороны тонкого диэлектрического листа и соединены (между собой; опоры этого листа удалены в область, где поле практически отсутствует. Широкие пластины линий заземляются и соединяются между собой.
ТИПЫ ВОЛН
Основной в полосковой линии является волна типа ТЕМ. Диэлектрический слой имеет конечные размеры, поэтому у его границы в воздухе образуется (поверхностная волна. Однако поле этой волны столь мало по сравнению с полем в диэлектрике, что отличие структуры водны в линии от поперечной, особенно у симметричных конструкций, может не учитываться.
Возникновение (волн высшего порядка (исключается, если эквивалентная ширина ленты и расстояние между внешними пластинами меньше половины длины волны в диэлектрике линии: выполнение этих условий на максимальной частоте обеспечивает одномодовость линии в рабочем диапазоне.
Эквивалентная ширина ленты (больше геометрической за счет краевого эффекта. Величина эквивалентного расширения рассчитывается по формуле
Приближенная формула для дает погрешность не более 2% при
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
Характеристике с кое сопротивление симметричной линии определяется емкостью С, единицы ее длины. Последняя определяется по формуле для плоского конденсатора из трех пластин с учетам дополнительной емкости, вызванной краевым эффектом. Эквивалентная ленты единичной длины расстояние между ней и пластинами два конденсатора включены параллельно. Поэтому откуда по ф-ле (10.9)
Эта формула справедлива три При полученный (результат следует увеличить на 4%.
Характеристическое сопротивление несимметричной линии сплошным диэлектриком примерно два раза больше, чем найденное по так как оно определяется емкостью между лентой и одной пластиной: Поле несимметричной линии шире, чем у симметричной: и определяется приближенным соотношением Точность 2-5% дают формулы для симметричных и несимметричных линий с воздушным заполнением, полученные И. С. Ковалевым .
Коэффициент затухания Составляющая определяется универсальной ф-лой (8.43). Анализ потерь в проводниках представляет сложную задачу из-за неравномерного распределения поля вдоль их поверхности. В первом приближении будем ючитать, что плотность тока по периметру ленты одинакова, а сопротивление пластин такое же, как ленты. Тогда суммарное сопротивление, приходящееся на единицу длины линии, и коэффициент затухания в соответствии с ф-лами (10.11) определяется как
При обычных соотношениях размеров линии потери в пластинах несколько меньше, а в ленте больше, чем при сделанных допущениях.
Предельная мощность симметричной полосковой линии, определяемая пробоем, в 1,5-2 раза (меньше, чем у прямоугольного волновода с теми же поперечными размерами. При передаче непрерывных сигналов допустимая мощность ограничивается нагревам диэлектрика. Симметричная линия может пропустить мощность, в 1,5 раза большую, чем несимметричная или коаксиальная линии.
ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛОСКОВЫХ ЛИНИЙ
Полосковые линии используются преимущественно в диапазоне для передачи (небольших (мощностей. Их преимущество по сравнению с полыми волноводами состоит в простоте изготовления, (компактности и малой стоимости. Короткие отрезки линий можно построить и для более высоких частот, если приемлем коэффициент затухания порядка (нескольких децибел на метр.
Особенно шелики преимущества полосковых линий, изготавливаемых методом печатных схем, при построении малогабаритных функциональных узлов ((например, частотных фильтров) на свч. С этой целью такие линии успешно применяются, начиная с сотен мегагерц.
В миниатщрных интепралыных схемах свч используются как более технологичные (несимметричные микрополосковые линии. Ширина ленты обычно составляет Чтобы уменьшить проникновение поля в воздух применяют диэлектрик с высоким значением
Несимметричная полосковая линия передачи
Несимметричная полосковая линия передачи или микрополосковая линия (рис. 12,3, 12.4, а) представляет собой полосковую линию, у которой проводник (1) отделен от общей металлизации (3) слоем диэлектрика (2). Такая линия легко изготавливается c использованием современных технологических процессов, имеет малые габариты, низкую стоимость при серийном производстве, высокую надежность. Распределение линий напряженности электрического и магнитного полей показано на рис. 12.4, б. Несмотря на очевидную простоту конструкции, точный анализ характеристик микрополосковой линии, имеющей неоднородную диэлектрическую среду, достаточно сложен. Характеристики линии рассчитываются, как правило, в предположении о распространении квази Т-волны. Строго говоря, в линии распространяется смешанная волна, обладающая заметной дисперсией, что обусловливает изменение ее параметров от частоты. Точное определение частотно-зависимых параметров возможно при решении краевой задачи численными методами на ЭВМ.
Рис. 12.3. Конструкция несимметричной полосковой линии передачи
Рис. 12.4. Конструкция несимметричной полосковой линии передачи (а) и распределение линий напряженности электрического и магнитного поля (б).
Для НПЛ расчет волнового сопротивления и других параметров представляет собой более сложную задачу, чем для СПЛ. Основное отличие состоит в том, что НПЛ представляет собой открытую структуру, и построение ее строгой теории оказалось связанным с решением ряда сложных проблем математической теории дифракции и вычислительной электродинамики. Вместе с тем для целого ряда приложений оказались весьма полезными различные приближенные результаты. Один таких подходов связан с использованием так называемой модели Олинера. Эта модель основана на сравнении волновых сопротивлений реальной линии, имеющую относительную диэлектрическую проницаемость материала подложки ε r и однородно заполненного волновода с магнитными боковыми стенками. Причем заполнение этого волновода имеет величину ε эфф – эффективную относительную диэлектрическую проницаемость отличную от ε r .Величина ε эфф определяет равенство фазовых скоростей в обеих линиях. Эффективная ширина W эфф НПЛ для модели Олинера определяется из равенства волновых сопротивлений исходной линии и модели.
Получен ряд приближенных соотношений для определения волнового сопротивления Z В и эффективной относительной диэлектрической проницаемости ε эфф в квазистатическом приближении. Так, волновое сопротивление Z В можно рассчитать с низкой погрешностью (±1%) для 1 ε r 16 и геометрических размеров в области .
Для широких проводников ()
и для узких проводников ()
, (12.8)
где параметр ε эфф равен:
Потери в МПЛ принято делить на потери в диэлектрике подложки, в металлических элементах линии и на излучение в окружающее пространство за счет поверхностных и пространственных типов волн. Для расчета потерь в металле и диэлектрике подложки известны достаточно простые расчетные соотношения. Потери на излучение связаны обычно с наличием разного рода неоднородностей в ПЛП. Так, это может быть обрыв линии, или ёё изгиб; отверстие в центральном проводнике; расположенная рядом другая линия (в этом случае говорят о связанных ПЛП).
Коэффициент затухания обусловленный потерями в диэлектрике определяется по следующим формулам:
; [дБ/м] (12.11)
где
,
где
-
частота [ГГц].
При учете конечной толщины проводника вместо отношения W / D надо подставлять величину W * / D :
, (12.12)
. (12.13)
Зависимость Z В от отношения при разных значениях ε r (кривая 1 соответствует ε r = 2,2; кривая 2 - ε r = 4,0; кривая 3 - ε r =6,0; кривая 4 - ε r = 9,6) можно показать кривыми, изображенными на рис. 12.5. Анализ этих кривых показывает, что величина Z В в МПЛ уменьшается при увеличении W , ε r и при уменьшении толщины подложки D .
Расчёты показывают, что при значениях параметров МПЛ W = 1 мм, D = 1 мм, изготовленной на базе поликора с ε r = 9,6, ёе волновое сопротивление составляет приблизительно 50 Ом.
Более строгий анализ показывает, что в МПЛ распространяется не чистая Т-волна, поэтому волновое сопротивление и эффективная диэлектрическая проницаемость зависит от рабочей частоты. Такая зависимость называется дисперсией. В расчетных соотношениях, представленных выше, при учете дисперсии необходимо произвести замену на .
Рис. 12.5. Зависимость величины волнового сопротивления от конструктивных параметров и размеров.
На основе обобщения многочисленных экспериментальных данных получена следующая эмпирическая формула, позволяющая учесть зависимость от частоты:
, (12.14)
, (12.15)
где f - рабочая частота [размерность в ГГц], размерность W и D в соизмеримых величинах.
Точность расчётов по формулам (12.14) и (12.15) не хуже 2% при и мм.
Коэффициент затухания м в металле определяется по следующим приближенным формулам:
(12.17)
где , а - проводимость материала, используемого для изготовления проводников микрополосковой линии, - проводимость меди.
(12.18)
где
;
;
;
;
.
На рис. 12.6 представлены зависимости коэффициента затухания микрополосковой линии передачи от частоты при значениях параметров r = 9,6, D = l мм, = 75 Ом (кривая 1) и = 50 Ом (кривая 2.) Видно, что с ростом частоты коэффициент затухания возрастает по закону f . С ростом волнового сопротивления потери также возрастают при равенстве всех остальных параметров. Реальные микрополосковые схемы размещаются в экранирующем корпусе. При этом идеализированное представление о проводящих границах, расположенных на бесконечном расстоянии от полоски, в ряде случаев оказывается неточным. Однако считается, что если экранирующий корпус располагается на расстоянии больше, чем 10 W , тогда параметры такой линии передачи можно определять по представленным выше формулам для линий без экранирования.
В реальных микрополосковых линиях затухание повышается из-за шероховатости подложки, конечной толщины адгезионного подслоя между проводником и подложкой, а также из-за ряда других факторов неучтенных выше.
Рис. 12.6. Зависимость затухания микрополосковой линии передачи от частоты.
где величина f кр выражена в ГГц, а D - в мм.
В режиме непрерывных колебаний потери в микрополосковой линии, а также интенсивность отвода тепла от подложки, определяют электрическую прочность. Ориентировочные значения предельной средней мощности для линии с сапфировой подложкой составляют 80 - 100Вт, а предельной импульсной мощности (при скважности сигнала более 50) - несколько киловатт.
Из вышесказанного ясно, что электрические характеристики микрополосковой линии определяются ее геометрическими размерами. Уменьшение толщины подложки обеспечивает: малые потери на излучение, снижение вероятности возбуждения поверхностных волн, увеличение плотности монтажа. Однако при прочих равных условиях для сохранения постоянного волнового сопротивления необходимо уменьшать W , что, в свою очередь, приводит к увеличению потерь в проводниках. Кроме того, при малых значениях параметров D и W требуемые технологические допуски для обеспечения удовлетворительных электрических характеристик могут оказаться трудно реализуемыми. Компромиссным решением при выборе D является принятый ряд стандартных значений толщины подложки для микрополосковых линий: D = 0,25; 0,5; 1 мм.
Остановимся на определении еще одного геометрического размера микрополосковой линии - толщины проводника. Ток в проводнике микрополосковой линии протекает в основном по стороне проводника, обращенной к подложке, и концентрируется в слое, толщина которого равна примерно толщине скин-слоя . Для обеспечения малых потерь в проводнике необходимо, чтобы толщина проводника и заземленной пластины составляла примерно 3 -5 толщин скин-слоя.
Передача сигналов по линиям связи.
Особенное значение имеют электрические цепи, по которым передаются сигналы как между входами и выходами микросхем на печатной плате, так и между различными устройствами ЭВМ, находящимися на разных платах и в разных корпусах.
Такие электрические цепи будем называть линиями связи. Большинство линий связи относятся к несимметричным.
На рис.105 показаны разновидности несимметричных линий связи: а - одиночный проводник, б - витая пара, в - коаксиальный кабель
Рис.105. Несимметричные линии связи.
Одиночный проводник - обычная линия связи, широко используемая на печатных платах, выход передатчика и вход приемника связываются одиночным проводником, а электрическое замыкание цепи осуществляется через общий проводник печатной платы. Преимущество однопроводной линии связи - простота, а недостаток - большое количество помех, возникающих в общем проводнике печатной платы и воздействующих на передаваемый сигнал.
Витая пара - два изолированных проводника свитые между собой, один из них связывает передатчик и приемник сигналов, а второй используется для замыкания электрической цепи. При использовании витой пары в пределах печатной платы существенно повышается помехоустойчивость передачи информации, но стоимость такой конструкции выше, чем одиночного проводника.
Коаксиальный кабель - специальная конструкция, состоящая из центрального проводника, находящегося в изоляционной оболочке, поверх которой расположен цилиндрический экранирующий проводник.
Имеет смысл рассматривать влияние отражения сигналов, если линия связи работает как длинная линия, а это определяется выполнением условия
Где - время распространения сигнала по линии связи, - длительность импульсного сигнала.
При выполнении этого неравенства отраженные сигналы от концов линии не оказывают влияния на форму импульса, т.е. такую линию не имеет смысла рассматривать как длинную линию. Учитывая, что скорость распространения сигналов в соединительных линиях около 25 см/нс, а длительность фронтов формируемых на выходах элементов ТТЛ серий от 2 до 20 нс можно определить длину соединительных проводников, у которых выполняется указанное неравенство. Данные по ТТЛ сериям приведены в таблице16.
Таблица.16
Если принять, что - выходное сопротивление источника сигнала, - волновое сопротивление линии связи, - сопротивление нагрузки, подключенное к выходу линии, то напряжение на входе линии (в точке А) можно определить по формуле , где - выходное напряжение элемента передатчика. В процессе передачи сигналов по длинной линии наблюдается отражение сигналов от концов линии связи и неоднородностей по ее длине. Коэффициент отражения на входе линии (в точке А) может быть оценен соотношением
а на выходе линии (в точке В) -
Величина отраженной волны определяется как произведение величины падающей волны на коэффициент отражения.
Рассмотрим на примере влияние отражения на качество передачи сигнала по линии связи между двумя логическими элементами со следующими параметрами: , , , логический элемент - передатчик изменяет состояние выхода с нулевого на единичное с уровнем напряжения 4В. Коэффициенты отражения примут значения и .
При переключении элемента на входе линии (в точке А) имеем
Этот сигнал приходит в конец линии и отражается, в конце линии (в точке В) будем иметь , причем произведение - это отраженная волна, которая приходит в начало линии и вновь отражается. При этом на входе линии получаем
Результаты расчетов в виде графиков приведены на рисунке 106.
Как видно из графика сигнал на входе и выходе линии является плавно нарастающим напряжением, вид которого приводит только к задержке сигнала во времени. Однако при других соотношениях сопротивлений форма сигнала претерпевает более серьезные изменения, которые могут привести к нарушению работоспособности. Рассмотрим работу линии при: , остальные параметры как в предыдущем примере. Коэффициенты отражения примут значения и .
Рис.106. График изменения напряжения на концах
Самое нехорошее соотношение будет тогда, когда на обоих концах линии коэффициенты отражения будут единичными и с разными знаками, возможна полная потеря информации.
Рис.107. График передачи сигнала по линии связи.
Подобные искажения сигналов при передаче их по длинным линиям приводят к снижению надежности работы всего вычислительного устройства. Для уменьшения искажений длинными линиями необходимо выполнять их согласование с передатчиками и приемниками сигналов.
Наиболее надежные несимметричные линии связи выполняются с использованием коаксиального кабеля, но они дороги. Другой недостаток несимметричных линии - высокий уровень помех, имеющихся в общем проводнике. Эти недостатки практически отсутствуют у симметричных линий связи.
Симметричные линии - это два проводника изолированные от общего проводника. Как на входе, так и на выходе симметричная линия нагружается на характеристическое сопротивление, причем нагрузка подключается симметрично относительно общего проводника.
Обычно симметричные линии выполняются в виде витой пары (см. рис.114), характеристическое (волновое) сопротивление которой обычно около 130 омов.
Рис.114. Симметричная линия связи.
Симметричная линия имеет повышенную помехоустойчивость за счет того, что оба проводника линии подключены к общему проводнику схемы через одинаковые сопротивления. Для организации нормальной работы линии необходимо в обоих проводниках линии сигнал передавать в противофазе, это означает, что если на входе одного проводника линии сигнал имеет высокий уровень, то на входе другого проводника сигнал должен иметь низкий уровень.
Это можно осуществить с использованием двух инверторов при передаче и соответственно RS триггера при приеме (рис.115).
Рис.115. Симметричная линия связи с ТТЛ элементами.
Логические элементы, используемые в качестве передатчиков должны иметь повышенную нагрузочную способность, например 155ЛА6 или транзисторные каскады, построенные на базе микросхемы 155ЛП7 (рис.116).
Рис.116. Передатчик на микросхеме 155ЛП7.
На рисунке приняты обозначения: D - вход данных, С - вход синхронизации, А - вход линии связи. Так как для нормальной работы симметричной линии связи на проводники линии сигналы должны подаваться в парафазном коде, в левой схеме транзисторы включены эмиттерными повторителями, а инверсия осуществляется нижним элементом 2И-НЕ. В правой схеме один транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя (инверсия отсутствует), а другой включен ключом (инверсия присутствует). Для согласования в качестве нагрузок в обеих схемах используют резисторы равные половине волнового сопротивления .
В качестве приемников симметричных линий связи необходимо использовать устройства, рассчитанные на парафазное представление информации и с гистерезисом на входе.
Лекция 35.
Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи.
Электронные устройства предназначенные для изменения формы представления значений переменных. Существуют аналоговая и цифровая формы представления информации. Аналоговая форма представления состоит в том, что любая переменная представляется непрерывно изменяющейся величиной. Примером может служить электрическое напряжение или ток в любой электрической цепи. Действительно, ток в электрической цепи может принимать значение определяемое параметрами цепи, но количество этих значений бесконечно большое. Цифровая форма представления состоит в том, что значение переменной представляется многоразрядным числом позиционной системы счисления. Количество значений переменной при этом определяется погрешностью представления переменной. Так если переменная представляется четырехразрядным десятичным целым числом, то погрешность представления - единица младшего разряда, а количество значений переменной 10000.
