Копланарная линия

Копланарная линия — это тип полосковой линии передачи, в которой все проводники (сигнальный проводник и заземляющие плоскости) расположены в одной плоскости на поверхности диэлектрической подложки. Копланарные линии, наряду с микрополосковыми и щелевыми линиями, относятся к классу планарных линий передачи, широко используемых в интегральных схемах сверхвысоких частот (СВЧ), монолитных интегральных схемах (МИС) и печатных платах. Основное отличие копланарной линии от микрополосковой заключается в том, что заземление располагается не с обратной стороны подложки, а по бокам от сигнального проводника на той же стороне.

История

Первые теоретические исследования и практические реализации копланарных линий относятся к концу 1960-х — началу 1970-х годов. В 1969 году американский инженер Чэн П. Вэнь (C. P. Wen) из компании RCA Laboratories опубликовал пионерскую работу «Coplanar Waveguide: A Surface Strip Transmission Line Suitable for Nonreciprocal Gyromagnetic Device Applications», в которой впервые описал конструкцию и основные характеристики линии. В 1970-х годах, с развитием технологий гибридных и монолитных интегральных схем, копланарные линии начали активно применяться в СВЧ-устройствах, особенно в тех случаях, где требовалась низкая дисперсия и возможность простого последовательного монтажа компонентов. В 1980–1990-е годы были разработаны методы точного расчёта волнового сопротивления и потерь, а также созданы коммерческие пакеты электромагнитного моделирования, что позволило широко внедрить копланарные линии в массовое производство.

Устройство и конструкция

Копланарная линия состоит из трёх основных элементов, расположенных на одной стороне диэлектрической подложки:

• Центральный сигнальный проводник — полоска металла (обычно меди, золота или алюминия) шириной \(W\).
• Два боковых заземляющих проводника (земляные плоскости), расположенных симметрично по обе стороны от сигнального проводника. Зазоры между сигнальным проводником и каждым из заземляющих проводников имеют ширину \(S\).
• Диэлектрическая подложка — материал с определённой диэлектрической проницаемостью \(\varepsilon_r\) (например, кварц, поликор, арлон, FR-4, керамика). Обратная сторона подложки обычно не металлизирована, хотя в некоторых модификациях (заземлённая копланарная линия, CPWG) на обратной стороне может быть дополнительный слой металла.

Геометрические параметры

Основными геометрическими параметрами, определяющими волновое сопротивление \(Z_0\) копланарной линии, являются:

• Ширина сигнального проводника \(W\);
• Ширина зазора \(S\);
• Толщина металлизации \(t\);
• Толщина подложки \(h\);
• Относительная диэлектрическая проницаемость подложки \(\varepsilon_r\).

Волновое сопротивление копланарной линии может быть рассчитано с использованием аналитических формул (например, формул Гупты, Кона или Хаммерстада) или с помощью численного моделирования. Для типовых подложек с \(\varepsilon_r = 4.5\) (стеклотекстолит FR-4) и \(h = 1.6\) мм сопротивление 50 Ом достигается при соотношении \(W/(W+2S) \approx 0.5\).

Классификация

Копланарные линии делятся на несколько основных типов:

• Обычная копланарная линия (CPW) — без нижнего заземления. Обратная сторона подложки не металлизирована. Отличается простотой изготовления и возможностью использования толстых подложек.
• Заземлённая копланарная линия (CPWG — Coplanar Waveguide with Ground) — имеет дополнительный слой металла на обратной стороне подложки, который соединяется с боковыми заземляющими плоскостями через переходные отверстия (via). Это улучшает экранировку и снижает потери на излучение, но усложняет конструкцию.
• Копланарная линия с воздушным мостом — используется для подавления паразитных мод высшего порядка, возникающих при больших зазорах. Воздушные мосты (перемычки) соединяют боковые заземляющие плоскости над сигнальным проводником.
• Дифференциальная копланарная линия — содержит два симметричных сигнальных проводника между двумя заземляющими плоскостями. Используется в дифференциальных цепях, например, в высокоскоростных цифровых интерфейсах.

Характеристики

Волновое сопротивление

Волновое сопротивление копланарной линии зависит от геометрии и диэлектрической проницаемости. Для обычной CPW оно может варьироваться от 20 до 150 Ом. Стандартное значение для СВЧ-трактов — 50 Ом, для цифровых цепей — 50 или 75 Ом.

Потери

Основные виды потерь в копланарной линии:

• Омические потери (потери в металле) — зависят от проводимости материала, толщины металлизации и частоты (скин-эффект).
• Диэлектрические потери — зависят от тангенса угла диэлектрических потерь \(\tan \delta\) материала подложки.
• Потери на излучение — особенно значительны в обычной CPW без нижнего заземления на высоких частотах (выше 10–20 ГГц). Для снижения излучения применяют CPWG или воздушные мосты.

Дисперсия

Копланарные линии обладают низкой дисперсией по сравнению с микрополосковыми линиями, особенно в диапазоне до 40–60 ГГц. Это делает их предпочтительными для широкополосных приложений.

Эффективная диэлектрическая проницаемость

Эффективная диэлектрическая проницаемость \(\varepsilon_{eff}\) для копланарной линии обычно ниже, чем для микрополосковой, так как значительная часть электрического поля распространяется в воздухе над подложкой. Для типовых подложек \(\varepsilon_{eff}\) составляет 40–60% от \(\varepsilon_r\).

Применение

Копланарные линии широко используются в различных областях радиоэлектроники и СВЧ-техники:

• Монолитные интегральные схемы (МИС) — в GaAs, InP, SiGe и кремниевых технологиях. Копланарные линии позволяют легко реализовать последовательное включение транзисторов, диодов и других активных элементов без необходимости в переходных отверстиях.
• СВЧ-устройства — усилители, смесители, генераторы, фильтры, направленные ответвители, аттенюаторы. Низкая дисперсия и возможность точного согласования делают их удобными для широкополосных схем.
• Антенные системы — копланарные линии используются для питания печатных антенн (например, патч-антенн, Vivaldi-антенн) и в качестве элементов фазированных антенных решёток.
• Высокоскоростные цифровые интерфейсы — в печатных платах для передачи сигналов со скоростью более 10 Гбит/с (например, PCI Express, USB 3.0, HDMI, Ethernet 10 Гбит/с). Копланарные линии обеспечивают лучшее подавление перекрёстных помех по сравнению с микрополосковыми.
• Измерительная техника — в зондовых станциях для тестирования СВЧ-микросхем (калибровочные стандарты, пробники).
• Квантовые технологии — в сверхпроводниковых цепях для кубитов (например, в процессорах Google Sycamore или IBM Quantum) копланарные резонаторы используются для считывания и управления кубитами.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Простота изготовления — все проводники на одной стороне, не требуется сверление переходных отверстий (для обычной CPW).
• Возможность последовательного монтажа компонентов (транзисторов, резисторов) без разрыва заземляющей плоскости.
• Низкая дисперсия и хорошая широкополосность.
• Возможность реализации как низкоомных, так и высокоомных линий на одной подложке.
• Удобство для зондовых измерений.

Недостатки

• Потери на излучение выше, чем у микрополосковых линий, особенно при больших зазорах и на высоких частотах.
• Чувствительность к паразитным модам высшего порядка (например, модам щелевого типа), которые могут быть подавлены воздушными мостами или переходными отверстиями.
• Более сложный расчёт и моделирование по сравнению с микрополосковыми линиями.
• Занимает больше места на подложке по сравнению с микрополосковой линией той же ширины сигнального проводника.

Интересные факты

• Копланарные линии являются основой для создания планарных резонаторов, используемых в сверхпроводниковых квантовых процессорах. Например, в процессоре Google Sycamore (2019) применялись копланарные резонаторы с добротностью более 10⁶.
• В 1990-х годах копланарные линии начали активно использоваться в технологии LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics) для создания многослойных СВЧ-модулей.
• Существует разновидность копланарной линии — «копланарная линия с заземлением на боковых стенках» (GCPW — Grounded Coplanar Waveguide), которая является гибридом между CPW и микрополосковой линией.

Источники

• Wen, C. P. (1969). Coplanar Waveguide: A Surface Strip Transmission Line Suitable for Nonreciprocal Gyromagnetic Device Applications. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 17(12), 1087–1090.
• Gupta, K. C., Garg, R., Bahl, I. J., & Bhartia, P. (1996). Microstrip Lines and Slotlines. 2nd ed. Artech House.
• Simons, R. N. (2001). Coplanar Waveguide Circuits, Components, and Systems. Wiley.
• Pozar, D. M. (2012). Microwave Engineering. 4th ed. Wiley.
• Bahl, I. J. (2003). Lumped Elements for RF and Microwave Circuits. Artech House.