ד”ר ג’יימס ס. ראוטיו
חברת Sonnet Software, Inc
התחלתי לתכנן מסנני מיקרוגל בסוף שנות השבעים. בימים ההם תמיד השתמשתי בערך אחד בשביל הקבוע הדיאלקטרי של המצע. לא הייתה תוכנה לאנליזה א”מ. השתמשנו בספר “מסנני מיקרוגל, רשתות עם עכבות מתואמות ומבני צימוד” מאת מתאי, יאנג וג’ונס… ובסרגל חישוב. היינו בונים את המסנן הראשון ואז מכווננים את המידות, ואחרי עוד כמה אבות טיפוס היינו עשויים לקבל מסנן שענה על הדרישות שלנו.
כיום, עם אנליזה א”מ, אנחנו מקווים לקבל את המסנן הנכון כבר בפעם הראשונה. לפעמים זה אפילו קורה. בדרך כלל אנחנו עדיין קצת ליד. נחוץ עוד אב טיפוס. משתמשים מנוסים מציעים כללים אמפיריים כגון: “תכנן את המסנן לרוחב פס קצת יותר רחב והשתמש בקבוע דיאלקטרי שכוונן במיוחד, ואז כשנבנה אותו הוא יהיה די קרוב”.
אנליזה אלקטרומגנטית צריכה להתכנס לתשובה המדויקת ככל שהרשת נעשית יותר צפופה. אבל פעמים רבות כל כך זה לא קורה. למה? אחת הסיבות היא שהשימוש בערך אחד בשביל הקבוע הדיאלקטרי – זה של דיאלקטרן “איזוטרופי” – שגוי. שני מספרים פועלים טוב יותר.
רוב המצעים הם “אנאיזוטרופיים”. הקבוע הדיאלקטרי תלוי בכיוון. תיאור מלא של אנאיזוטרופיה (כשאין סיבוכים מגנטיים) מצריך תשעה מספרים, הממלאים מטריצה 3 × 3. נושא טוב לתזה של דוקטורט.
במצעים פרקטיים רבים, שימוש בשני מספרים יכול לתת תשובות ממש טובות. אנו משתמשים בקבוע דיאלקטרי אחד לשדה החשמלי האנכי (דמיינו את המצע שטוח על שולחן הבדיקה). הקבוע הדיאלקטרי השני הוא לשדה המגנטי האופקי. אנאיזוטרופיה מסוג זה נקראת “חד צירית.”
מה קורה כשאנו מוגבלים לקבוע דיאלקטרי אחד בלבד? ברוב המקרים, אנו מתאימים את הקבוע הדיאלקטרי הזה באנליזה שלנו כך שתוצאת הא”מ מראה את אותה תדירות מרכזית כשאנו מודדים. התדירות המרכזית של המסנן נקבעת במידה רבה על ידי הקבוע הדיאלקטרי האנכי. אבל אם האנליזה הא”מ שלנו מגבילה אותנו לאיזוטרופיה, אז האנליזה הא”מ משתמשת באותו ערך לקבוע הדיאלקטרי האופקי. לקבוע הדיאלקטרי האופקי יש השפעה חזקה על הצימוד בין מהודים (רזונטורים) (השדה החשמלי האופקי הוא זה שמצמיד מהודים). זה קובע את רוחב הפס של המסנן. אם אנו נאלצים להשתמש בקבוע הדיאלקטרי האופקי הלא נכון, אנו מקבלים את רוחב הפס הלא נכון. לכן אנו צריכים לתכנן את המסנן לרוחב פס יותר רחב (או צר) מזה שנקבל כשנבנה את המסנן. כשאנחנו לא רוצים לנחש איזה רוחב פס עלינו לתכנן, חשוב לכלול אנאיזוטרופיה.
אז איזה מצעים הם אנאיזוטרופיים? מסתבר שכמעט כולם. למצעים מרוכבים,לדוגמה, יש מאגר סיבים, בדרך כלל זכוכית, מוטבע באפוקסי. היות שקשה מדי לכלול את מאגר הסיבים האמיתי באנליזה הא”מ, אנו יכולים להעריך בקירוב את ההשפעה שלו באמצעות אנאיזוטרופיה. לזכוכית יש קבוע דיאלקטרי גבוה, ולאפוקסי יש מקדם דיאלקטרי נמוך. השדה החשמלי האופקי, שמקביל בערך למחצית מסיבי הזכוכית, בדרך כלל חווה את הקבוע הדיאלקטרי הגבוה יותר של הזכוכית. השדה החשמלי האנכי, שהוא ניצב לסיבי הזכוכית, חווה מקדם דיאלקטרי נמוך יותר.
קשה למצוא קבועים דיאלקטרים אנאיזוטרופיים ברוב המצעים הנפוצים. לכן, פיתחנו טכניקה למדוד את הקבועים הדיאלקטרים. משתמשים בה במהוד מיקרוסטריפ קו צמוד. לקו צמוד יש שני מצבים: זוגי ואי זוגי. אנו מודדים את התדירויות הקבועות של שני המצבים. משתי תדירויות התהודה האלה אנו קובעים שני קבועים דיאלקטרים. הזוג הראשון של תדירויות מצב זוגי/ אי זוגי מתרחש כשהמהוד הוא באורך של חצי אורך גל. מזה אנו קובעים את הזוג הראשון של הקבועים הדיאלקטרים שלנו. בתדירות כפולה, המהוד הוא באורך של אורך גל אחד, ואנו מקבלים עוד זוג של תהודות ועוד זוג של קבועים דיאלקטרים. מהודי הקו הצמוד שאנו מודדים בדרך כלל הם באורך של כמעט 25 אורכי גל.
מצאנו שהקבוע הדיאלקטרי האופקי של לוח מרוכב נמוך יותר, לא גבוה יותר, מהקבוע הדיאלקטרי האנכי. אחר כך קבענו שזה בגלל שבלוחות מרוכבים יש “ציפוי חמאה” (יותר שרף מהרגיל בפני השטח) בלי סיבי זכוכית. השדה המגנטי האופקי של המצב האי זוגי של המיקרוסטריפ מתרכז בפני השטח, בציפוי החמאה. לכן זאת הסיבה שהקבוע הדיאלקטרי האופקי נמוך יותר.
גם מצעים עם הרבה חלקיקים קראמיים הם אנאיזוטרופיים. כשהחלקיקים הקראמיים אינם כדוריים, הם נוטים להיות מונחים במקביל לשדה המגנטי האופקי. הקבוע הדיאלקטרי האופקי גבוה יותר. באלומינה (תחמוצת אלומיניום), חומר קראמי העשוי מחלקיקים של ספיר, טכניקות ייצור מסוימות משאירות את הגרגירים זקופים, והקבוע הדיאלקטרי האנכי גבוה יותר. מדידות של אנאיזוטרופיה הניבו הפתעות רבות.
במצעים שמדדנו, ההבדלים הטיפוסיים בין הקבוע הדיאלקטרי האופקי והאנכי הם 10 עד 15 אחוז. פרסמנו הרבה מאמרים עם הרבה פרטים על התוצאות שלנו. פרסמנו גם את כל הפרטים המתמטיים והניסויים כך שפשוט לשכפל את העבודה שלנו. פשוט גשו אל www.sonnetsoftware.com/resources/technical-references-sonnet.html, או אל IEEE Xplore וחפשו “Rautio”.
לסיכום, שני מספרים טובים מאחד!
(נלקח מאתר:http://www.rfglobalnet.com)
