Línea de transmisión plana

Transmission lines with flat ribbon-like conducting or dielectric lines

Líneas de transmisión planas de circuito impreso utilizadas para crear filtros en un analizador de espectro de 20 GHz . La estructura de la izquierda se llama filtro de horquilla y es un ejemplo de filtro de paso de banda . La estructura de la derecha es un filtro stub y es un filtro de paso bajo . Las regiones perforadas arriba y abajo no son líneas de transmisión, sino blindaje electromagnético para el circuito.

Las líneas de transmisión planas son líneas de transmisión con conductores , o en algunos casos tiras dieléctricas (aislantes), que son líneas planas en forma de cinta. Se utilizan para interconectar componentes en circuitos impresos y circuitos integrados que funcionan a frecuencias de microondas porque el tipo plano encaja bien con los métodos de fabricación de estos componentes. Las líneas de transmisión son más que simples interconexiones . Con interconexiones simples, la propagación de la onda electromagnética a lo largo del cable es lo suficientemente rápida como para considerarse instantánea, y los voltajesen cada extremo del cable se puede considerar idéntico. Si el cable es más largo que una gran fracción de longitud de onda (una décima parte se usa a menudo como regla general), estas suposiciones ya no son ciertas y se debe usar la teoría de la línea de transmisión en su lugar. Con las líneas de transmisión, la geometría de la línea se controla con precisión (en la mayoría de los casos, la sección transversal se mantiene constante a lo largo de la longitud) para que su comportamiento eléctrico sea altamente predecible. A frecuencias más bajas, estas consideraciones solo son necesarias para los cables que conectan diferentes equipos, pero a frecuencias de microondas, la distancia a la que se hace necesaria la teoría de la línea de transmisión se mide en milímetros. Por lo tanto, se necesitan líneas de transmisión dentro de los circuitos.

El primer tipo de línea de transmisión plana fue concebido durante la Segunda Guerra Mundial por Robert M. Barrett. Se conoce como stripline y es uno de los cuatro tipos principales en el uso moderno, junto con microstrip , stripline suspendido y guía de ondas coplanar . Los cuatro de estos tipos consisten en un par de conductores (aunque en tres de ellos, uno de estos conductores es el plano de tierra ). En consecuencia, tienen un modo de transmisión dominante (el modo es el patrón de campo de la onda electromagnética) que es idéntico, o casi idéntico, al modo que se encuentra en un par de cables. Otros tipos planos de línea de transmisión, comolínea de ranura , línea de fin y línea de imagen , se transmiten a lo largo de una tira de dieléctrico, y la guía de ondas integrada en el sustrato forma una guía de ondas dieléctrica dentro del sustrato con filas de postes. Estos tipos no pueden admitir el mismo modo que un par de cables y, en consecuencia, tienen diferentes propiedades de transmisión. Muchos de estos tipos tienen un ancho de banda más estrecho y, en general, producen más distorsión de la señal que los pares de conductores. Sus ventajas dependen de los tipos exactos que se comparan, pero pueden incluir bajas pérdidas y un mejor rango de impedancia característica .

Las líneas de transmisión planas se pueden utilizar para construir componentes así como para interconectarlos. A frecuencias de microondas, a menudo ocurre que los componentes individuales de un circuito son ellos mismos más grandes que una fracción significativa de una longitud de onda. Esto significa que ya no se pueden tratar como componentes agrupados , es decir, como si existieran en un solo punto. Los componentes pasivos agrupados a menudo no son prácticos a frecuencias de microondas, ya sea por esta razón o porque los valores requeridos son imprácticamente pequeños de fabricar. Se puede utilizar un patrón de líneas de transmisión para la misma función que estos componentes. De esta manera se pueden construir circuitos completos, llamados circuitos de elementos distribuidos . El método se usa a menudo para filtros.. Este método es particularmente atractivo para su uso con circuitos impresos e integrados porque estas estructuras se pueden fabricar con los mismos procesos que el resto del conjunto simplemente aplicando patrones al sustrato existente. Esto le da a las tecnologías planas una gran ventaja económica sobre otros tipos, como la línea coaxial .

Algunos autores hacen una distinción entre línea de transmisión , una línea que usa un par de conductores, y guía de ondas , una línea que no usa conductores en absoluto, o simplemente usa un conductor para restringir la onda en el dieléctrico. Otros usan los términos como sinónimos. Este artículo incluye ambos tipos, siempre que estén en forma plana. Los nombres utilizados son los comunes y no necesariamente indican el número de conductores. El término guía de ondas, cuando se usa sin adornos, significa el tipo de guía de ondas metálica hueca o con relleno dieléctrico , que no es una forma plana.

Propiedades generales

Un amplificador de potencia de RF que incorpora estructuras de circuito planas. El amplificador de la izquierda alimenta su salida a un conjunto de filtros de línea de transmisión plana en el centro. El tercer bloque de circuito a la derecha es un circulador para proteger el amplificador de reflejos accidentales de la energía que proviene de la antena.

Las líneas de transmisión planas son aquellas líneas de transmisión en las que los conductores son esencialmente planos. Los conductores constan de tiras planas y normalmente hay uno o más planos de tierra paralelos a la superficie plana de los conductores. Los conductores están separados de los planos de tierra, a veces con aire entre ellos, pero más a menudo con un material dieléctrico sólido . Las líneas de transmisión también se pueden construir en formatos no planos como cables o línea coaxial . Además de las interconexiones, existe una amplia gama de circuitos que se pueden implementar en las líneas de transmisión. Estos incluyen filtros , divisores de potencia, acopladores direccionales , adaptación de impedanciaredes y circuitos de estrangulamiento para proporcionar polarización a los componentes activos. La principal ventaja de los tipos planos es que se pueden fabricar utilizando los mismos procesos utilizados para hacer circuitos impresos y circuitos integrados , en particular mediante el proceso de fotolitografía . Por tanto, las tecnologías planas son especialmente adecuadas para la producción en masa de dichos componentes. ^[1]

La fabricación de elementos de circuito a partir de líneas de transmisión es más útil en frecuencias de microondas . A frecuencias más bajas, la longitud de onda más larga hace que estos componentes sean demasiado voluminosos. En las frecuencias de microondas más altas, los tipos de líneas de transmisión planas suelen tener demasiadas pérdidas y, en su lugar, se utilizan guías de ondas . Sin embargo, la guía de ondas es más voluminosa y más cara de fabricar. A frecuencias aún más altas, la guía de ondas dieléctrica (como la fibra óptica ) se convierte en la tecnología de elección, pero hay tipos planos de guías de ondas dieléctricas disponibles. ^[2] Las líneas de transmisión planas más utilizadas (de cualquier tipo) son stripline , microtrip, línea de banda suspendida y guía de ondas coplanar . ^[3]

Modos

Patrones de campo para los modos seleccionados: A, cuasi-TEM en microcinta, ^[4] B, cuasi-TEM en CPW (modo par), C, modo de línea de ranura en CPW (modo impar) ^[5]

Un parámetro importante para las líneas de transmisión es el modo de transmisión empleado. El modo describe los patrones de campo electromagnético causados ​​por la geometría de la estructura de transmisión. ^[6] Es posible que exista más de un modo simultáneamente en la misma línea. Por lo general, se toman medidas para suprimir todos los modos excepto el deseado. ^[7] Pero algunos dispositivos, como el filtro de modo dual , dependen de la transmisión de más de un modo. ^[8]

Modo TEM

El modo que se encuentra en alambres y cables conductores ordinarios es el modo electromagnético transversal ( modo TEM ). Este también es el modo dominante en algunas líneas de transmisión planas. En el modo TEM, los vectores de intensidad de campo para el campo eléctrico y magnético son transversales a la dirección de viaje de la onda y ortogonales entre sí. Una propiedad importante del modo TEM es que se puede utilizar a bajas frecuencias, hasta cero (es decir, CC ). ^[9]

Otra característica del modo TEM es que en una línea de transmisión ideal (una que cumple con la condición Heaviside ) no hay cambios en los parámetros de transmisión de la línea ( impedancia característica y velocidad del grupo de señales ) con la frecuencia de transmisión. Debido a esto, las líneas de transmisión TEM ideales no sufren de dispersión , una forma de distorsión en la que diferentes componentes de frecuencia viajan a diferentes velocidades. La dispersión "difumina" la forma de onda (que puede representar la información transmitida) en la dirección de la longitud de la línea. Todos los demás modos sufren de dispersión, lo que limita el ancho de banda alcanzable. ^[9]

Modos cuasi-TEM

Algunos tipos planos, especialmente microcinta, no tienen un dieléctrico homogéneo; es diferente por encima y por debajo de la línea. Tales geometrías no pueden soportar un modo TEM verdadero; hay algún componente del campo electromagnético paralelo a la dirección de la línea, aunque la transmisión puede ser casi TEM. Este modo se denomina cuasi-TEM. En una línea TEM, las discontinuidades como los huecos y los postes (utilizados para construir filtros y otros dispositivos) tienen una impedancia que es puramente reactiva : pueden almacenar energía, pero no la disipan. En la mayoría de las líneas cuasi-TEM, estas estructuras tienen además un componente resistivo a la impedancia. Esta resistencia es el resultado de la radiación.de la estructura y hace que el circuito tenga pérdidas. El mismo problema ocurre en las curvas y esquinas de la línea. Estos problemas pueden mitigarse utilizando un material de alta permitividad como sustrato , lo que provoca que una mayor proporción de la onda esté contenida en el dieléctrico, lo que genera un medio de transmisión más homogéneo y un modo más cercano al TEM. ^[10]

Modos transversales

Artículo principal: modo transversal

En guías de ondas de metal hueco y guías de ondas ópticas hay un número ilimitado de otros modos transversales que pueden ocurrir. Sin embargo, el modo TEM no se puede admitir ya que requiere dos o más conductores separados para propagarse. Los modos transversales se clasifican como transversales eléctricos (modos TE o H) o transversales magnéticos.(Modos TM, o E) según si, respectivamente, todo el campo eléctrico o todo el campo magnético es transversal. Siempre hay una componente longitudinal de un campo u otro. El modo exacto se identifica mediante un par de índices que cuentan el número de longitudes de onda o medias longitudes de onda a lo largo de dimensiones transversales especificadas. Estos índices generalmente se escriben sin separador: por ejemplo, TE ₁₀ . La definición exacta depende de si la guía de ondas es rectangular, circular o elíptica. Para los resonadores de guía de ondas se introduce un tercer índice en el modo para medias longitudes de onda en la dirección longitudinal. ^[11]

Una característica de los modos TE y TM es que hay una frecuencia de corte definida por debajo de la cual no se producirá la transmisión. La frecuencia de corte depende del modo y el modo con la frecuencia de corte más baja se denomina modo dominante . La propagación multimodo es generalmente indeseable. Debido a esto, los circuitos a menudo están diseñados para operar en el modo dominante a frecuencias por debajo del límite del siguiente modo más alto. Solo un modo, el modo dominante, puede existir en esta banda. ^[12]

Algunos tipos planos que están diseñados para funcionar como dispositivos TEM también pueden admitir los modos TE y TM a menos que se tomen medidas para suprimirlos. Los planos de tierra o los recintos de blindaje pueden comportarse como guías de ondas huecas y propagar estos modos. La supresión puede tomar la forma de acortar tornillos entre los planos de tierra o diseñar el gabinete para que sea demasiado pequeño para soportar frecuencias tan bajas como las frecuencias operativas del circuito. De manera similar, el cable coaxial puede admitir modos circulares TE y TM que no requieren que el conductor central se propague, y estos modos pueden suprimirse reduciendo el diámetro del cable. ^[13]

Modos de sección longitudinal

Artículo principal: modo de sección longitudinal

Algunas estructuras de líneas de transmisión no pueden admitir un modo TE o TM puro, pero pueden admitir modos que son una superposición linealde los modos TE y TM. En otras palabras, tienen un componente longitudinal de campo eléctrico y magnético. Estos modos se denominan modos electromagnéticos híbridos (HEM). Un subconjunto de los modos HEM son los modos de sección longitudinal. Estos vienen en dos variedades; modos eléctricos de sección longitudinal (LSE) y modos magnéticos de sección longitudinal (LSM). Los modos LSE tienen un campo eléctrico que es cero en una dirección transversal y los modos LSM tienen un campo magnético que es cero en una dirección transversal. Los modos LSE y LSM pueden ocurrir en tipos de líneas de transmisión planas con medios de transmisión no homogéneos. Las estructuras que no pueden admitir un modo TE o TM puro, si son capaces de admitir transmisiones, deben hacerlo necesariamente con un modo híbrido. ^[14]

Otros parámetros importantes

La impedancia característicade una línea es la impedancia encontrada por una onda que viaja a lo largo de la línea; depende únicamente de la geometría y los materiales de la línea y no se modifica por la terminación de la línea. Es necesario hacer coincidir la impedancia característica de la línea plana con la impedancia de los sistemas a los que está conectada. Muchos diseños de filtros requieren líneas con una serie de impedancias características diferentes, por lo que es una ventaja para una tecnología tener un buen rango de impedancias alcanzables. Las líneas estrechas tienen una impedancia más alta que las líneas anchas. La impedancia más alta que se puede lograr está limitada por la resolución del proceso de fabricación, que impone un límite en la forma en que se pueden hacer las líneas estrechas. El límite inferior está determinado por la anchura de la línea en la que pueden surgir modos de resonancia transversal no deseados. ^[15]

El factor Q (o simplemente Q ) es la relación entre la energía almacenada y la energía disipada por ciclo. Es el principal parámetro que caracteriza la calidad de los resonadores . En los circuitos de la línea de transmisión, los resonadores se construyen con frecuencia a partir de secciones de la línea de transmisión para construir filtros y otros dispositivos. Sufactor Q limita la inclinación de las faldas del filtroy su selectividad . Los principales factores que determinan Q de un tipo planar son la permitividad del dieléctrico (alta permitividad aumenta Q ) y las pérdidas dieléctricas , que disminuyen Q . Otros factores que reducen Qson la resistencia del conductor y las pérdidas por radiación. ^[dieciséis]

Resumen de las principales características de los tipos planos

Tipo de línea	Modo dominante	Frecuencia máxima típica	Impedancia característica	Factor Q descargado
Stripline	TEM	60 GHz [17]	30–250 Ω [18] en ε r = 4,3 [19]	400 [20]
Línea de banda suspendida	TEM, cuasi-TEM	220 GHz [17]	40-150 Ω en ε r = 10 [15]	600 a 30 GHz, ε r = 10 [15]
Microstrip	Cuasi-TEM	110 GHz [17]	10-110 Ω en ε r = 10 [15]	250 a 30 GHz, ε r = 10 [15]
Guía de ondas coplanar	Cuasi-TEM	110 GHz [17]	40-110 Ω en ε r = 10 [15]	200 a 30 GHz, ε r = 10 [15]
Tragamonedas	Cuasi-TE	110 GHz [17]	35–250 Ω en ε r = 10 [15]	200 a 30 GHz, ε r = 10 [15]
Finline	LSE, LSM	220 GHz [17]	10–400 Ω en ε r = 10 [15]	550 a 30 GHz, ε r = 10 [15]
Imageline	TE, TM	> 100 GHz [21]	≈26 Ω en ε r = 10 [15]	2500 a 30 GHz, ε r = 10 [15]

 • ε _r es la permitividad relativa del sustrato

Sustratos

Existe una amplia gama de sustratos que se utilizan con tecnologías planas. Para circuitos impresos, se usa comúnmente epoxi reforzado con vidrio ( grado FR-4 ). De alta permitividad de cerámica - PTFE laminados (por ejemplo Rogers Corporación 6010 bordo) están destinados expresamente para aplicaciones de microondas. En las frecuencias de microondas más altas, un material cerámico como el óxido de aluminio (alúmina) podría usarse para circuitos integrados de microondas híbridos (MIC). En las frecuencias de microondas más altas, en la banda milimétrica , se puede utilizar un sustrato cristalino como el zafiro o el cuarzo . Los circuitos integrados de microondas monolíticos (MMIC) tendrán sustratos compuestos por el material semiconductor del que está construido el chip, como silicio o arseniuro de galio , o un óxido depositado en el chip como el dióxido de silicio . ^[19]

Las propiedades eléctricas del sustrato de mayor interés son la permitividad relativa (ε _r ) y la tangente de pérdida ( δ ). La permitividad relativa determina la impedancia característica de un ancho de línea dado y la velocidad de grupo de las señales que viajan por ella. La alta permitividad da como resultado componentes impresos más pequeños, lo que ayuda a la miniaturización. En los tipos cuasi-TEM, la permitividad determina qué parte del campo estará contenido dentro del sustrato y cuánto habrá en el aire por encima de él. La tangente de pérdidas es una medida de las pérdidas dieléctricas. Es deseable tener esto lo más pequeño posible, especialmente en circuitos que requieren un Q alto . ^[22]

Las propiedades mecánicas de interés incluyen el espesor y la resistencia mecánica requeridos del sustrato. En algunos tipos, como la línea de bandas suspendida y la línea de aletas, es ventajoso hacer que el sustrato sea lo más delgado posible. Los componentes semiconductores delicados montados sobre un sustrato flexible pueden dañarse. Se puede elegir un material duro y rígido como el cuarzo como sustrato para evitar este problema, en lugar de un tablero más fácil de mecanizar. En otros tipos, como la línea de banda homogénea, puede ser mucho más gruesa. Para antenas impresas , que se ajustan a la forma del dispositivo, se requieren sustratos flexibles y, por lo tanto, muy delgados. El espesor requerido para el desempeño eléctrico depende de la permitividad del material. El acabado de la superficie es un problema; Es posible que se requiera cierta rugosidad para asegurar la adhesión de la metalización, pero demasiada causa pérdidas en los conductores (ya que la consiguiente rugosidad de la metalización se vuelve significativa en comparación con la profundidad de la piel ). Las propiedades térmicas pueden ser importantes. La expansión térmica cambia las propiedades eléctricas de las líneas y puede romper la placa a través de los orificios . ^[23]

Propiedades de los materiales de sustrato comunes ^[19]

Sustrato	ε r	δ
Silicio	11,9	0,015
Arseniuro de galio	12,9	0,002
FR-4	4.3	0.022
6010	10,2	0,002
Alúmina	9,8	0,0001
Zafiro	9.4	0,0001
Cuarzo	3.8	0,0001

Tipos

Stripline

Stripline

Artículo principal: Stripline

Stripline es un conductor de banda incrustado en un dieléctrico entre dos planos de tierra. Por lo general, se construye como dos láminas de dieléctrico unidas con el patrón de líneas de bandas en un lado de una lámina. La principal ventaja de stripline sobre su principal rival, microstrip, es que la transmisión es puramente en el modo TEM y está libre de dispersión, al menos en las distancias encontradas en aplicaciones de stripline. Stripline es capaz de admitir los modos TE y TM, pero estos no se utilizan generalmente. La principal desventaja es que no es tan fácil como la microcinta incorporar componentes discretos . Para cualquiera que se incorpore, se deben proporcionar cortes en el dieléctrico y no son accesibles una vez ensamblados. ^[24]

Línea de banda suspendida

Línea de banda suspendida

Artículo principal: Air stripline

La línea de banda suspendida es un tipo de línea de banda de aire en la que el sustrato se suspende entre los planos del suelo con un espacio de aire arriba y abajo. La idea es minimizar las pérdidas dieléctricas haciendo que la onda viaje a través del aire. El propósito del dieléctrico es solo para el soporte mecánico de la tira conductora. Dado que la onda viaja a través de medios mixtos de aire y dieléctrico, el modo de transmisión no es realmente TEM, pero un dieléctrico delgado hace que este efecto sea insignificante. La línea de banda suspendida se utiliza en las frecuencias medias de microondas donde es superior a la microbanda con respecto a las pérdidas, pero no es tan voluminosa o cara como la guía de ondas. ^[25]

Otras variantes de stripline

Variantes de línea de banda: A, estándar, ^[26] B, suspendida, ^[27] C, bilateral suspendida, ^[28] D, dos conductores ^[29]

La idea de una línea de tira de dos conductores es compensar los espacios de aire entre los dos sustratos. Los pequeños espacios de aire son inevitables debido a las tolerancias de fabricación y al grosor del conductor. Estos espacios pueden promover la radiación lejos de la línea entre los planos de tierra. La impresión de conductores idénticos en ambas placas garantiza que los campos sean iguales en ambos sustratos y que el campo eléctrico en los espacios debido a las dos líneas se cancele. Por lo general, una línea se hace un poco más pequeña para evitar pequeñas desalineaciones que ensanchan efectivamente la línea y, en consecuencia, reducen la impedancia característica. ^[20]

La línea de banda suspendida bilateral tiene más campo en el aire y casi nada en el sustrato, lo que genera un Q más alto , en comparación con la línea de banda suspendida estándar. La desventaja de hacer esto es que las dos líneas deben unirse a intervalos de menos de un cuarto de longitud de onda. La estructura bilateral también se puede utilizar para acoplar dos líneas independientes en su lado ancho. Esto proporciona un acoplamiento mucho más fuerte que el acoplamiento de lado a lado y permite realizar circuitos de acoplador direccional y filtro de línea acoplada que no son posibles en la línea de banda estándar. ^[30]

Microstrip

Microstrip

Artículo principal: Microstrip

Microstrip consiste en una tira conductora en la superficie superior de una capa dieléctrica y un plano de tierra en la superficie inferior del dieléctrico. La onda electromagnética viaja en parte en el dieléctrico y en parte en el aire por encima del conductor dando como resultado una transmisión cuasi-TEM. A pesar de los inconvenientes del modo cuasi-TEM, a menudo se prefiere la microbanda por su fácil compatibilidad con los circuitos impresos. En cualquier caso, estos efectos no son tan graves en un circuito miniaturizado. ^[31]

Otro inconveniente del microcinta es que es más limitado que otros tipos en el rango de impedancias características que puede lograr. Algunos diseños de circuitos requieren impedancias características de 150 Ω o más. Microstrip no suele ser capaz de llegar tan alto, por lo que esos circuitos no están disponibles para el diseñador o se debe proporcionar una transición a otro tipo para el componente que requiere alta impedancia. ^[15]

Antena de microbanda F invertida

La tendencia de las microbandas a irradiar es generalmente una desventaja del tipo, pero cuando se trata de crear antenas , es una ventaja positiva. Es muy fácil hacer un parche de antena en microstrip, y una variante del parche, la antena plana F invertida , es la antena más utilizada en dispositivos móviles. ^[32]

Variantes de microstrip

Variantes de microbanda: A, estándar, ^[26] B, suspendida, ^[33] C, invertida, ^[33] D, en caja, ^[29] E, atrapada invertida ^[34]

La microbanda suspendida tiene el mismo objetivo que la línea de tira suspendida; poner el campo en el aire en lugar del dieléctrico para reducir las pérdidas y la dispersión. La permitividad reducida da como resultado componentes impresos más grandes, lo que limita la miniaturización, pero hace que los componentes sean más fáciles de fabricar. La suspensión del sustrato aumenta la frecuencia máxima a la que se puede utilizar el tipo. ^[35]

La microcinta invertida tiene propiedades similares a la microcinta suspendida con el beneficio adicional de que la mayor parte del campo está contenido en el aire entre el conductor y el plano de tierra. Hay muy poco campo disperso sobre el sustrato disponible para enlazar con otros componentes. La microbanda invertida atrapada protege la línea en tres lados evitando algunos modos de orden superior que son posibles con las estructuras más abiertas. Colocar la línea en una caja blindada evita por completo cualquier acoplamiento perdido, pero el sustrato ahora debe cortarse para que encaje en la caja. Con esta estructura no es posible fabricar un dispositivo completo sobre un sustrato grande. ^[36]

Guía de ondas coplanar y tiras coplanarias

Guía de ondas coplanar

Artículo principal: guía de ondas coplanar

La guía de ondas coplanar (CPW) tiene los conductores de retorno en la parte superior del sustrato en el mismo plano que la línea principal, a diferencia de la línea de banda y la microbanda donde los conductores de retorno son planos de tierra por encima o por debajo del sustrato. Los conductores de retorno se colocan a ambos lados de la línea principal y se hacen lo suficientemente anchos para que se pueda considerar que se extienden hasta el infinito. Como microstrip, CPW tiene propagación cuasi-TEM. ^[37]

CPW es más sencillo de fabricar; solo hay un plano de metalización y los componentes se pueden montar en superficie, ya sea que estén conectados en serie (abarcando una ruptura en la línea) o en derivación (entre la línea y el suelo). Los componentes de derivación en stripline y microtrip requieren una conexión hasta la parte inferior del sustrato. CPW también es más fácil de miniaturizar; su impedancia característica depende de la relación entre el ancho de la línea y la distancia entre los conductores de retorno en lugar del valor absoluto del ancho de la línea. ^[38]

A pesar de sus ventajas, CPW no ha demostrado ser popular. Una desventaja es que los conductores de retorno ocupan una gran cantidad de área de la placa que no se puede usar para montar componentes, aunque en algunos diseños es posible lograr una mayor densidad de componentes que la microbanda. Más en serio, hay un segundo modo en CPW que tiene un corte de frecuencia cero llamado modo de línea de ranura. Dado que este modo no se puede evitar operando por debajo de él, y los modos múltiples no son deseables, debe suprimirse. Es un modo extraño, lo que significa que los potenciales eléctricosen los dos conductores de retorno son iguales y opuestos. Por lo tanto, se puede suprimir uniendo los dos conductores de retorno. Esto se puede lograr con un plano de tierra inferior (guía de ondas coplanar con respaldo de conductor, CBCPW) y orificios pasantes chapados periódicamente, o puentes de aire periódicos en la parte superior de la placa. Ambas soluciones restan mérito a la simplicidad básica de CPW. ^[39]

Variantes coplanares

Variantes de CPW: A, estándar, ^[40] B, CBCPW, ^[41] C, tiras coplanares, ^[27] D, tiras coplanares incrustadas ^[34]

Las tiras coplanarias (también la línea de tira coplanar ^[42] o la línea diferencial ^[34] ) se utilizan normalmente sólo para aplicaciones de RF por debajo de la banda de microondas. La falta de un plano de tierra conduce a un patrón de campo mal definido y las pérdidas de los campos perdidos son demasiado grandes en las frecuencias de microondas. Por otro lado, la falta de planos de tierra significa que el tipo se puede incrustar en estructuras de múltiples capas. ^[43]

Tragamonedas

Tragamonedas

Una línea de ranura es un corte de ranura en la metalización en la parte superior del sustrato. Es el dual de microcinta, una línea dieléctrica rodeada por un conductor en lugar de una línea conductora rodeada por un dieléctrico. ^[44] El modo de propagación dominante es híbrido, cuasi-TE con una pequeña componente longitudinal de campo eléctrico. ^[45]

Slotline es esencialmente una línea balanceada , a diferencia de stripline y microtrip, que son líneas no balanceadas . Este tipo hace que sea particularmente fácil conectar componentes a la línea en derivación; Los componentes de montaje en superficie se pueden montar en puente a través de la línea. Otra ventaja de la línea de ranura es que las líneas de alta impedancia son más fáciles de lograr. La impedancia característica aumenta con el ancho de la línea (compare la microbanda donde disminuye con el ancho), por lo que no hay problemas con la resolución de impresión para líneas de alta impedancia. ^[45]

Una desventaja de la línea de ranura es que tanto la impedancia característica como la velocidad del grupo varían mucho con la frecuencia, lo que hace que la línea de ranura sea más dispersiva que la microcinta. La línea de tragamonedas también tiene una Q relativamente baja . ^[46]

Variantes de tragamonedas

Variantes de tragamonedas: A, estándar, ^[47] B, antípoda, ^[29] C, bilateral ^[29]

La ranura antípoda se utiliza cuando se requieren impedancias características muy bajas. Con líneas dieléctricas, baja impedancia significa líneas estrechas (lo opuesto al caso con líneas conductoras) y hay un límite para la delgadez de la línea que se puede lograr debido a la resolución de impresión. Con la estructura antípoda, los conductores pueden incluso superponerse sin peligro de cortocircuito. La línea de ranura bilateral tiene ventajas similares a las de la línea de banda aérea bilateral. ^[48]

Guía de ondas integrado en sustrato

Guía de ondas integrado en sustrato

Artículo principal: guía de ondas integrada en sustrato

La guía de ondas integrada en el sustrato (SIW), también llamada guía de ondas laminada o guía de ondas de pared posterior , es una guía de ondas formada en el dieléctrico del sustrato al restringir la onda entre dos filas de postes o orificios pasantes enchapados y planos de tierra por encima y por debajo del sustrato. El modo dominante es un modo cuasi-TE. SIW está diseñado como una alternativa más económica a la guía de ondas de metal hueco, al tiempo que conserva muchos de sus beneficios. El mayor beneficio es que, como guía de ondas encerrada de forma eficaz, tiene una pérdida de radiación considerablemente menor que la microcinta. No hay ningún acoplamiento no deseado de campos parásitos con otros componentes del circuito. SIW también tiene alta Q y manejo de alta potencia y, como tecnología plana, es más fácil de integrar con otros componentes. ^[49]

SIW se puede implementar en placas de circuito impreso o como cerámica cocida a baja temperatura (LTCC). Este último es particularmente adecuado para implementar SIW. Los circuitos activos no se implementan directamente en SIW: la técnica habitual es implementar la parte activa en stripline a través de una transición de stripline a SIW. Las antenas se pueden crear directamente en SIW cortando ranuras en los planos de tierra. Se puede hacer una antena de cuerno ensanchando las filas de postes al final de una guía de ondas. ^[50]

Variantes SIW

Hay una versión SIW de guía de ondas de cresta . La guía de ondas de cresta es una guía de ondas de metal hueco rectangular con una pared longitudinal interna parcialmente a través del plano E. La principal ventaja de la guía de ondas de cresta es que tiene un ancho de banda muy amplio. Ridge SIW no es muy fácil de implementar en placas de circuito impreso porque el equivalente de la cresta es una fila de postes que solo atraviesan parcialmente la placa. Pero la estructura se puede crear más fácilmente en LTCC. ^[51]

Finline

Finline

Finline consiste en una hoja de dieléctrico metalizado insertada en el plano E de una guía de ondas de metal rectangular. Este formato mixto a veces se denomina cuasiplanar . ^[52] El diseño no pretende generar modos de guía de ondas en la guía de ondas rectangular como tal: en cambio, se corta una línea en la metalización exponiendo el dieléctrico y es esta la que actúa como línea de transmisión. Finline es, por tanto, un tipo de guía de ondas dieléctrica y puede verse como una línea de ranura blindada. ^[53]

Finline es similar a la guía de ondas de cresta en que la metalización del sustrato representa la cresta (la "aleta") y la línea de fin representa el espacio. Los filtros se pueden construir en una guía de ondas de cresta variando la altura de la cresta en un patrón. Una forma común de fabricarlos es tomar una hoja delgada de metal con piezas recortadas (generalmente, una serie de orificios rectangulares) e insertarla en la guía de ondas de la misma manera que la línea finline. Un filtro de línea fina puede implementar patrones de complejidad arbitraria, mientras que el filtro de inserción de metal está limitado por la necesidad de soporte mecánico e integridad. ^[54]

Finline se ha utilizado en frecuencias de hasta 220 GHz y se ha probado experimentalmente hasta al menos 700 GHz . ^[55] A estas frecuencias tiene una ventaja considerable sobre las microbandas por su baja pérdida y puede fabricarse con técnicas similares de circuitos impresos de bajo costo. También está libre de radiación ya que está completamente encerrado en la guía de ondas rectangular. Un dispositivo de inserción de metal tiene una pérdida aún menor porque es dieléctrico de aire, pero tiene una complejidad de circuito muy limitada. Una solución de guía de ondas completa para un diseño complejo conserva la baja pérdida de dieléctrico de aire, pero sería mucho más voluminosa que la línea fina y significativamente más cara de fabricar. Otra ventaja de finline es que puede lograr una gama particularmente amplia de impedancias características. Polarización de transistores y diodosno se puede lograr en la línea fina alimentando la corriente de polarización a lo largo de la línea de transmisión principal, como se hace en la línea de banda y la microbanda, ya que la línea de la línea fina no es un conductor. Deben hacerse arreglos separados para la polarización en la línea final. ^[56]

Variantes de finline

Variantes finline: A, estándar (unilateral), ^[57] B, bilateral, ^[58] C, antípoda, ^[58] D, antípoda fuertemente acoplada ^[29] E, aislada ^[59]

La línea de aleta unilateral es el diseño más simple y más fácil de fabricar, pero la línea de aleta bilateral tiene una pérdida menor, como con la línea de banda suspendida bilateral, y por razones similares. El alto Q de la línea fina bilateral a menudo lo convierte en la opción para aplicaciones de filtro. La finline antípoda se utiliza cuando se requiere una impedancia característica muy baja. Cuanto más fuerte sea el acoplamiento entre los dos planos, menor será la impedancia. La línea fina aislada se utiliza en circuitos que contienen componentes activos que necesitan líneas de polarización. El Q de finline aislado es más bajo que otros tipos de finline, por lo que no se suele utilizar de otro modo. ^[60]

Imageline

Imageline

Imageline, también línea de imagen o guía de imagen , es una forma plana de guía de ondas de placa dieléctrica . Consiste en una tira de dieléctrico, a menudo alúmina, sobre una hoja de metal. En este tipo, no hay sustrato dieléctrico que se extienda en todas las direcciones horizontales, solo la línea dieléctrica. Se llama así porque el plano de tierra actúa como un espejo que da como resultado una línea que es equivalente a una losa dieléctrica sin el plano de tierra del doble de altura. Se muestra prometedor para su uso en las frecuencias de microondas más altas, alrededor de 100 GHz , pero aún es en gran parte experimental. Por ejemplo Qfactores de miles son teóricamente posibles, pero la radiación de las curvas y las pérdidas en el adhesivo de metal dieléctrico reducen significativamente esta cifra. Una desventaja de imageline es que la impedancia característica se fija en un valor único de aproximadamente 26 Ω . ^[61]

Imageline admite los modos TE y TM. Los modos TE y TM dominantes tienen una frecuencia de corte de cero, a diferencia de las guías de ondas metálicas huecas cuyos modos TE y TM tienen todos una frecuencia finita por debajo de la cual la propagación no puede ocurrir. A medida que la frecuencia se acerca a cero, la componente longitudinal del campo disminuye y el modo se acerca asintóticamente al modo TEM. Imageline, por tanto, comparte la propiedad de poder propagar ondas a frecuencias arbitrariamente bajas con las líneas de tipo TEM, aunque en realidad no puede soportar una onda TEM. A pesar de esto, imageline no es una tecnología adecuada a frecuencias más bajas. Un inconveniente de imageline es que debe mecanizarse con precisión ya que la rugosidad de la superficie aumenta las pérdidas por radiación. ^[62]

Variantes de línea de imagen y otras líneas dieléctricas

Variantes de línea de imagen: A, estándar, B, insular, C, atrapado; otras líneas dieléctricas: D, ribline, E, guía dieléctrica de banda, F, guía dieléctrica de banda invertida ^[63]

En la línea de imagen insular, una capa delgada de aislante de baja permitividad se deposita sobre el plano de tierra del metal y la línea de imagen de mayor permitividad se coloca encima de esta. La capa aislante tiene el efecto de reducir las pérdidas de los conductores. Este tipo también tiene pérdidas de radiación más bajas en secciones rectas, pero al igual que la línea de imagen estándar, las pérdidas de radiación son altas en curvas y esquinas. La línea de imagen atrapada supera este inconveniente, pero es más compleja de fabricar ya que resta valor a la simplicidad de la estructura plana. ^[63]

Ribline es una línea dieléctrica mecanizada a partir del sustrato como una sola pieza. Tiene propiedades similares a la línea de imagen insular. Al igual que imageline, debe mecanizarse con precisión. La guía dieléctrica de tira es una tira de baja permitividad (generalmente plástico) colocada sobre un sustrato de alta permitividad como la alúmina. El campo está contenido en gran parte en el sustrato entre la tira y el plano de tierra. Debido a esto, este tipo no tiene los requisitos de mecanizado precisos de la línea de imagen estándar y la línea de nervadura. La guía dieléctrica de tira invertida tiene pérdidas de conductor más bajas porque el campo en el sustrato se ha alejado del conductor, pero tiene pérdidas de radiación más altas. ^[64]

Varias capas

Los circuitos multicapa se pueden construir en circuitos impresos o en circuitos integrados monolíticos, pero LTCC es la tecnología más adecuada para implementar líneas de transmisión planas como multicapas. En un circuito multicapa, al menos algunas de las líneas estarán enterradas, completamente encerradas por dieléctrico. Por lo tanto, las pérdidas no serán tan bajas como con una tecnología más abierta, pero se pueden lograr circuitos muy compactos con LTCC multicapa. ^{[sesenta y cinco]}

Transiciones

Transiciones: A, microbanda a SIW, ^[66] B, CPW a SIW, ^[66] C, microcinta a CPW, la línea de puntos marca el límite del plano de tierra de microcinta, ^[67] D, CPW a línea de ranuras ^[68]

Las diferentes partes de un sistema pueden implementarse mejor en diferentes tipos. Por tanto, se requieren transiciones entre los distintos tipos. Las transiciones entre tipos que utilizan líneas conductoras no balanceadas son sencillas: se trata principalmente de proporcionar continuidad al conductor a través de la transición y garantizar una buena adaptación de impedancia. Lo mismo puede decirse de las transiciones a tipos no planos como el coaxial. Una transición entre la línea de banda y la microcinta debe garantizar que ambos planos de tierra de la línea de banda estén conectados eléctricamente de manera adecuada al plano de tierra de la microcinta. Uno de estos planos terrestres puede ser continuo durante la transición, pero el otro termina en la transición. Existe un problema similar con la transición de microcinta a CPW que se muestra en C en el diagrama.Solo hay un plano de tierra en cada tipo, pero cambia de un lado del sustrato al otro en la transición. Esto se puede evitar imprimiendo las líneas de microbanda y CPW en lados opuestos del sustrato. En este caso, el plano de tierra es continuo en un lado del sustrato pero unSe requiere vía en la línea en la transición. ^[69]

Las transiciones entre líneas conductoras y líneas dieléctricas o guías de ondas son más complejas. En estos casos, se requiere un cambio de modo. Las transiciones de este tipo consisten en formar una especie de antena en un tipo que actúa como un lanzador en el nuevo tipo. Ejemplos de esto son la guía de ondas coplanar (CPW) o microcinta convertida en línea de ranura o guía de onda integrada en el sustrato (SIW). Para los dispositivos inalámbricos, también se requieren transiciones a las antenas externas. ^[70]

Las transiciones desde y hacia finline se pueden tratar de manera similar a la línea de ranura. Sin embargo, es más natural que las transiciones de la línea final se conviertan en guía de ondas; la guía de ondas ya está ahí. Una transición simple a la guía de ondas consiste en un estrechamiento exponencial suave ( antena de Vivaldi ) de la línea de fin desde una línea estrecha hasta la altura completa de la guía de ondas. La primera aplicación de finline fue lanzarse a una guía de ondas circular. ^[71]

Una transición de una línea balanceada a una no balanceada requiere un circuito balun . Un ejemplo de esto es CPW a slotline. El ejemplo D en el diagrama muestra este tipo de transición y presenta un balun que consiste en un talón radial dieléctrico . El componente que se muestra así en este circuito es un puente aéreo que une los dos planos de tierra del CPW. Todas las transiciones tienen alguna pérdida de inserción y aumentan la complejidad del diseño. A veces es ventajoso diseñar con un solo tipo integrado para todo el dispositivo para minimizar el número de transiciones incluso cuando el tipo de compromiso no es óptimo para cada uno de los circuitos componentes. ^[72]

Historia

El desarrollo de tecnologías planas fue impulsado al principio por las necesidades del ejército de los EE. UU., Pero hoy en día se pueden encontrar en artículos para el hogar producidos en masa, como teléfonos móviles y receptores de televisión por satélite . ^[73] Según Thomas H. Lee , Harold A. Wheeler pudo haber experimentado con líneas coplanares ya en la década de 1930, pero la primera línea de transmisión plana documentada fue la línea de bandas, inventada por Robert M. Barrett del Centro de Investigación de Cambridge de la Fuerza Aérea . y publicado por Barrett y Barnes en 1951. Aunque la publicación no se produjo hasta la década de 1950, el stripline se había utilizado durante la Segunda Guerra Mundial. Según Barrett, VH Rumsey y HW Jamieson construyeron el primer divisor de potencia en línea durante este período. Además de emitir contratos, Barrett fomentó la investigación en otras organizaciones, incluido Airborne Instruments Laboratory Inc. (AIL). Microstrip siguió poco después en 1952 y se debe a Grieg y Engelmann. La calidad de los materiales dieléctricos comunes al principio no era lo suficientemente buena para los circuitos de microondas y, en consecuencia, su uso no se generalizó hasta la década de 1960. Stripline y microstrip eran rivales comerciales. Stripline era la marca de AIL que hizo air stripline. Microstrip fue fabricado por ITT . Más tarde, Sanders Associates fabricó una línea de banda llena de dieléctrico con el nombre de marca triplate.. Stripline se convirtió en un término genérico para stripline con relleno dieléctrico y ahora se usa stripline o línea de banda suspendida para distinguir el tipo original. ^[74]

Stripline se prefirió inicialmente a su rival debido al problema de la dispersión. En la década de 1960, la necesidad de incorporar componentes de estado sólido en miniatura en los MIC hizo que la balanza se volviera microcinta. La miniaturización también conduce a favorecer la microcinta porque sus desventajas no son tan graves en un circuito miniaturizado. La línea de banda se sigue eligiendo cuando se requiere la operación en una banda ancha. ^[75] La primera línea dieléctrica de la losa plana, imageline, se debe a King en 1952. ^[76] King usó inicialmente una línea de imagen semicircular, haciéndola equivalente al ya bien estudiado dieléctrico de varilla circular. ^[77] Slotline, el primer tipo de línea dieléctrica plana impresa, se debe a Cohn en 1968. ^{[78] La} guía de ondas coplanar se debe a Wen en 1969. ^[38] Finline, como tecnología impresa, se debe a Meier en 1972, ^[79] aunque Robertson creó estructuras similares a finline mucho antes (1955-1956) con inserciones de metal. Robertson fabricó circuitos para diplexores y acopladores y acuñó el término finline . ^[80] La SIW fue descrita por primera vez por Hirokawa y Ando en 1998. ^[81]

Al principio, los componentes fabricados en tipos planos se fabricaban como partes discretas conectadas entre sí, generalmente con líneas y conectores coaxiales. Rápidamente se advirtió que el tamaño de los circuitos se podía reducir enormemente conectando directamente los componentes con líneas planas dentro de la misma carcasa. Esto llevó al concepto de MIC híbridos : híbridos porque los componentes agrupados se incluyeron en los diseños conectados entre sí con líneas planas. Desde la década de 1970, ha habido una gran proliferación de nuevas variaciones de los tipos planos básicos para ayudar a la miniaturización y la producción en masa. Se hizo posible una mayor miniaturización con la introducción de MMIC. En esta tecnología, las líneas de transmisión planas se incorporan directamente en la losa semiconductora en la que se han fabricado los componentes del circuito integrado. El primer MMIC, un amplificador de banda X , se debe a Pengelly y Turner de Plessey en 1976. ^[82]

Galería de circuitos

Circuitos planos

En la figura se muestra una pequeña selección de los muchos circuitos que se pueden construir con líneas de transmisión planas. Dichos circuitos son una clase de circuitos de elementos distribuidos . Los tipos de acopladores direccionales de microbanda y línea de ranura se muestran en A y B respectivamente. ^[83] Generalmente, una forma de circuito en líneas conductoras como la línea de banda o la microcinta tiene una forma dual en la línea dieléctrica, como la línea de ranura o la línea de fin, con las funciones del conductor y el aislante invertidas. Los anchos de línea de los dos tipos están inversamente relacionados ; Las líneas conductoras estrechas dan como resultado una alta impedancia, pero en las líneas dieléctricas, el resultado es una baja impedancia. Otro ejemplo de circuitos duales es el filtro de paso de banda.que consta de líneas acopladas que se muestran en C en forma de conductor y en D en forma dieléctrica. ^[84]

Cada sección de línea actúa como resonador en los filtros de líneas acopladas. Otro tipo de resonador se muestra en el filtro de paso de banda SIW en E. Aquí los postes colocados en el centro de la guía de ondas actúan como resonadores. ^{[85] El} elemento F es un anillo híbrido de tragamonedas que presenta una mezcla de alimentación de CPW y tragamonedas en sus puertos . La versión de microbanda de este circuito requiere que una sección del anillo tenga tres cuartos de longitud de onda. En la versión de línea de ranura / CPW, todas las secciones tienen un cuarto de longitud de onda porque hay una inversión de fase de 180 ° en la unión de la línea de ranura. ^[86]

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