БОКОВЫЕ ЗАЗЕМЛЕННЫЕ ПРОВОДНИКИ, УГЛУБЛЕННЫЕ В ПОДЛОЖКУ МИКРОПОЛОСКОВОЙ ЛИНИИ, КАК СРЕДСТВО КОНТРОЛЯ ЕЁ ХАРАКТЕРИСТИК


Цитировать

Полный текст

Аннотация

Электрическое проектирование бортовой радиоэлектронной аппаратуры является важным этапом созда- ния космических аппаратов. Высокие характеристики печатных плат (ПП) важны для миниатюрных узлов, обладающих надежностью, быстродействием, стабильностью электрофизических параметров, электромаг- нитной совместимостью. Для этого необходимы новые конструкторско-технологические решения, в частно- сти, линии передачи со стабильными характеристиками погонной задержки (τ) и волнового сопротивления (Z). Одной из основных линий, реализуемых на ПП, является микрополосковая линия (МПЛ). В многослойных ПП она часто используется с полигонами. Однако их влияние на стабильность характеристик мало исследовано. Цель статьи - исследовать зависимости τ и Z МПЛ от расстояния между боковыми заземленными про- водниками при их углублении в подложку. В системе TALGAT построена геометрическая модель поперечного сечения линии и методом моментов вы- числены матрицы (порядка 3*3) погонных коэффициентов электростатической индукции с учетом диэлек- трика и без него. Выполнены вычисления при изменении расстояния между боковыми проводниками (s), углуб- ленными в подложку, для разных значений высоты боковых проводников (h1). Выявлено, что при больших зна- чениях s, в отличие от малых, приближение боковых проводников к границе «воздух-подложка» не увеличива- ет, а уменьшает значения τ. При s = 0,38 мм изменение значения h1 во всем диапазоне почти не меняет значе- ния τ, а значит, возможна нулевая чувствительность τ к изменению h1. При этом изменением значения h1 можно получить требуемое значение Z в диапазоне от 48 до 59 Ом. Данные результаты получены для конкретных значений параметров линии. Однако легко получить анало- гичные зависимости при других значениях параметров. Результаты работы могут быть использованы для проектирования линий передачи со стабильным значением задержки при контроле волнового сопротивления.

Полный текст

Introduction. Electrical design of on-board radio- electronic equipment is an important stage in the space- craft design [1]. High characteristics of printed circuit boards (PCBs) are important for miniature units [2; 3] that have reliability [4], speed, stability of electrophysical pa- rameters [5], electromagnetic compatibility [6]. In order to do that, new design and technological solutions are necessary, in particular transmission lines with stable characteristics of per-unit-length delay (τ) and wave im- pedance (Z). Thus the research of these characteristics is relevant [7-10]. One of the main lines, realized on PCB is MSL. Vari- ous modifications of MSL are the most interesting, for example, suspended and inverted strip lines which make it possible to obtain zero sensitivity of the per-unit-length delay and wave impedance to the change in the thickness of dielectric layers [11]. A similar pattern was found in MSL coated with a grounded conductor, shielded MSL [12] and MSL with side grounded conductors placed above [13]. There is a detailed analysis of modifications and variances in such a line and its varieties. Multilayer PCBs use a variety of MSL, for example, MSL with polygons on different layers that allows to obtain a stable value of the per-unit-length delay [14]. Meanwhile, it is useful to study the characteristics of MSL with side con- ductors grounded only on one layer located near the boundary of two environments. The purpose of the work is to investigate the depend- ence of τ and Z of MSL on the distance between the side grounded conductors as they are dipped in a substrate. To achieve the objective, we investigated the structure of MSL with side conductors dipped in the substrate (fig. 1). We chose the following cross-sectional parame- ters (they are close to typical): the width of the signal conductor is w = 0.3 mm, the thickness of the signal and side grounded conductors is t = 18 µm, the width of the side conductors is w1 = 1 mm, the thickness of the dielec- tric substrate is h = 1 mm, the relative permittivity of the substrate is εr = 4.5. w1 Line modeling. In the TALGAT [15] software we built the geometric model of the line cross-section and calculated (using the method of moments) the matrices (3*3) of per-unit-length coefficients of electrostatic induction taking into account the dielectric as well as ignoring it. From the matrices we took the values (hereinafter C and С0) of the diagonal element corresponding to the sig- nal conductor and calculated the values of τ and Z (v0 is the speed of light in vacuum): τ = (C/C0)0.5 /v0, Z = 1/(v0(CC0)0.5). We calculated the values for change of distance be- tween the side conductors s, dipped in a substrate, for the height of the side conductors h1 = 0.1-0.9 mm (fig. 2). Fig. 2 shows that when s increases, the value of τ de- creases smoothly, and Z increases. At small values of h1, the changes of τ and Z are small, but the growth of h1 leads to an increase in the value of τ and a decrease in the value of Z, and at small values of s the changes of τ and Z are more significant. Approaching of the side conductors to the air- substrate boundary has a special effect on the characteris- tics being studied. Therefore, we performed simulation with a smaller step at the air-substrate boundary: at h1 = 0.8; 0.82; 0.84; 0.86; 0.88; 0.9 mm (fig. 3). The analysis of fig. 3 shows a similar behavior of dependen- cies, but it reveals its specificity as well. It is expressed in the amplification of the influence of the side conductors when they approach the air-substrate boundary for small values of s. When s = 0.1 mm, the value of τ increases from 5.56 to 5.82 ns/m. We noticed that for large values of s, approaching of the side conductors to the air- substrate boundary does not increase but it decreases the values of τ. When s = 0.6 mm this decrease is maximal and is from 5.33 ns/m to 5.29 ns/m. When s = 0.38 mm, the change of the value of h1 in the whole range almost doesn’t change the values of τ and, therefore zero sensi- tivity of τ to changes of h1 is possible. Thus we can ob- tain the required Z value in the range from 48 to 59 Ohms by changing the value of h1. w t s w1 h1 h er Fig. 1. Cross-section of MSL with side grounded conductors, dipped in a substrate Рис. 1. Поперечное сечение МПЛ с боковыми заземленными проводниками, углубленными в подложку a b Fig. 2. Dependences of τ (a) and Z (b) on s at h1 = 0.1 (à); 0.2 (ð); 0.3 (∆); 0.4 (×); 0.5 (ð); 0.6 (○); 0.7 (+); 0.8 (-); 0.9(-) mm Рис. 2. Зависимости t (а) и Z (б) от s при h1 = 0,1 (à); 0,2 (ð); 0,3 (∆); 0,4 (×); 0,5 (ð); 0,6 (○); 0,7 (+); 0,8 (-); 0,9(-) мм a b Fig. 3. Dependences of (a) and Z (b) on s at h1 = 0.8 (à); 0.82 (∆); 0.84 (ð); 0.86 (+); 0.88 (-); 0.9 (ð) mm Рис. 3. Зависимости t (а) и Z (б) от s при h1 = 0,8 (à); 0,82 (∆); 0,84 (ð); 0,86 (+); 0,88 (-); 0,9 (ð) мм Conclusion. We modeled MSL with side grounded conductors dipped in a substrate. We calculated the de- pendence of the per-unit-length delay and the wave im- pedance on the distance between the grounded conductors when the depth changes. We found out that zero sensitiv- ity of per-unit-length delay to depth changes is possible while obtaining the required wave impedance. These re- sults are obtained for the particular values of line parame- ters. However it is easy to obtain similar dependencies for other values of parameters. The results can be used to design transmission lines with stable characteristics.
×

Об авторах

И. Е. Сагиева

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

Email: indira_sagieva@mail.ru
Российская Федерация, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 40

Т. Р. Газизов

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

Российская Федерация, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 40

Список литературы

  1. Исследование воздействия электромагнитного излучения на космический аппарат с негерметичным приборным отсеком / С. Г. Кочура [и др.] // Техноло- гии электромагнитной совместимости. 2017. № 3(62). С. 3-10.
  2. Газизов Т. Р., Заболоцкий А. М., Орлов П. Е. Влияние длины и количества витков на задержку микрополосковой линии // Инфокоммуникационные технологии. 2014. Т. 13, № 4. С. 93-96.
  3. Распространение импульса в меандровой линии с неоднородным диэлектрическим заполнением без искажений его формы перекрестными наводками / Р. С. Суровцев [и др.] // Доклады ТУСУРа. 2014. № 4(34). С. 34-38.
  4. Orlov P., Gazizov T., Zabolotsky A. Comparative electromagnetic and quasi-static simulations of a short- pulse propagation along microstrip meander delay lines with design constraints // Journal of ELECTRICAL ENGINEERING. 2016. Vol. 67, no. 5. Р. 387-389. doi: 10.1515/jee-2016-0056.
  5. Газизов Р. Р., Заболоцкий А. М., Газизов Т. Т. Исследование максимума напряжения сверхкороткого импульса в микрополосковой меандровой линии при изменении ее геометрических параметров // Техноло- гии электромагнитной совместимости. 2016. № 3(58). С. 11-17.
  6. Суровцев Р. С., Газизов Т. Р. Оценка целостно- сти сигналов в печатных платах системы автономной навигации космического аппарата [Электронный ресурс] // Труды МАИ. 2015. № 83. URL: https://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=62204 (дата обращения: 5.10.2015).
  7. Hamood M. K. Line thickness for various charac- teristic impedance of microstrip line // Tikrit Journal of Pure Science. 2013. Vol. 18, No. 3. P. 140-144.
  8. Akhunov R. R., Kuksenko S. P., Gazizov T. R. Acceleration of Multiple Iterative Solution of Linear Algebraic Systems in Computing the Capacitance of a Microstrip Line in Wide Ranges of Its Sizes // Journal of mathematical sciences. 2015. Vol. 207, № 5. P. 686-692.
  9. Surovtsev R. S., Kuksenko S. P., Gazizov T. R. Analytic Evaluation of the Computational Costs for Solv- ing Systems of Linear Algebraic Equations in Multiple Computing of the Capacitance Matrix in a Range of the Dielectric Permittivity of Dielectrics // Journal of mathe- matical sciences, 2015. Vol. 207, № 5. P. 795-802.
  10. Gazizov T. R., Kuksenko S. P., Akhunov R. R. Acceleration of Multiple Solution of Linear Systems for Analyses of Microstrip Structures // International journal of mathematical models and methods in applied sciences. 2015. Vol. 9. P. 721-726.
  11. Газизов Т. Р. Характеристики подвешенной и обращенной полосковых линий // Известия вузов. Фи- зика. 1996. Т. 39, № 2. С. 126-128.
  12. Сагиева И. Исследование характеристик эк- ранированной микрополосковой линии // Известия вузов. Физика. 2017. Т. 60, № 12/2. С. 103-107.
  13. Сагиева И. Е. Моделирование характеристик микрополосковой линии с боковыми заземленными проводниками сверху // Электронные средства и сис- темы управления : материалы XIII Междунар. науч.- практ. конф., посвященной 55-летию ТУСУРа (29 нояб.-1 дек. 2017, г. Томск). Томск, 2017. Ч. 2. С. 19-20.
  14. Gazizov T. R., Salov V. K., Kuksenko S. P. Stable delay of microstrip line with side grounded conductors // Wireless Communications and Mobile Computing. 2017. Vol. 2017, Article ID 1965739. 5 p. doi: 10.1155/2017/1965739.
  15. Новые возможности системы моделирова- ния электромагнитной совместимости TALGAT / C. П. Куксенко [и др.] // Докл. Том. гос. ун-та систем управления и радиоэлектроники. 2015. № 2(36). C. 45-50.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML

© Сагиева И.Е., Газизов Т.Р., 2018

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах