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 en 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 voltajes en cada extremo del cable pueden considerarse idénticos. Si el cable es más largo que una gran fracción de una longitud de onda (a menudo se usa una décima parte como regla general), estas suposiciones ya no son ciertas y en su lugar se debe utilizar la teoría de la línea de transmisión . 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 su longitud) de modo que su comportamiento eléctrico es altamente predecible. En frecuencias más bajas, estas consideraciones sólo son necesarias para los cables que conectan diferentes equipos, pero en frecuencias de microondas la distancia a la que se hace necesaria la teoría de la línea de transmisión se mide en milímetros. Por 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 uso moderno, junto con la microstrip , la stripline suspendida y la guía de ondas coplanar . Los cuatro tipos constan de 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 líneas de transmisión, como slotline , finline e imageline , 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 y también para interconectarlos. En frecuencias de microondas suele ocurrir que los componentes individuales de un circuito sean en sí mismos más grandes que una fracción significativa de una longitud de onda. Esto significa que ya no pueden tratarse como componentes agrupados , es decir, tratados como si existieran en un solo punto. Los componentes pasivos agrupados a menudo no son prácticos en frecuencias de microondas, ya sea por esta razón o porque los valores requeridos son imprácticamente pequeños para 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 utiliza 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 ensamblaje simplemente aplicando patrones al sustrato existente. Esto le da a las tecnologías planares 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 o no usa ningún conductor o solo usa un conductor para restringir la onda en el dieléctrico. Otros usan los términos como sinónimos. Este artículo comprende ambas clases, siempre que sean de 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 llena de dieléctrico , que no tiene una forma plana.
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 líneas coaxiales . 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 , redes de adaptación de impedancia y circuitos de estrangulación para entregar polarización a los componentes activos. La principal ventaja de los tipos planos es que pueden fabricarse utilizando los mismos procesos utilizados para fabricar circuitos impresos y circuitos integrados , particularmente mediante el proceso de fotolitografía . Por lo tanto, las tecnologías planas son especialmente adecuadas para la producción en masa de este tipo de componentes. [1]
Hacer 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 generalmente tienen demasiadas pérdidas y en su lugar se utiliza una guía de ondas . La guía de ondas, sin embargo, es más voluminosa y costosa de fabricar. En frecuencias aún más altas, la guía de ondas dieléctrica (como la fibra óptica ) se convierte en la tecnología preferida, pero hay tipos planos de guía de ondas dieléctricas disponibles. [2] Las líneas de transmisión planas (de cualquier tipo) más utilizadas son la línea de banda , la línea de microcinta , la línea de banda suspendida y la guía de ondas coplanar . [3]
Un parámetro importante para las líneas de transmisión es el modo de transmisión empleado. El modo describe los patrones del 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]
El modo que se encuentra en los alambres y cables conductores ordinarios es el modo electromagnético transversal ( modo TEM ). Este es también 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 de 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 dispersión , una forma de distorsión en la que diferentes componentes de frecuencia viajan a diferentes velocidades. La dispersión "borra" 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 pone un límite al ancho de banda alcanzable. [10]
Algunos tipos planos, en particular los microstrip, no tienen un dieléctrico homogéneo; es diferente por encima y por debajo de la línea. Estas geometrías no pueden soportar un modo TEM verdadero; hay alguna componente del campo electromagnético paralela a la dirección de la línea, aunque la transmisión puede ser cercana a 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 puramente reactiva : pueden almacenar energía, pero no disiparla. En la mayoría de las líneas cuasi-TEM, estas estructuras tienen además un componente resistivo en 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 se pueden mitigar utilizando un material de alta permitividad como sustrato , lo que hace 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 a TEM. [11]
En las guías de ondas metálicas huecas y en las guías de ondas ópticas existe un número ilimitado de otros modos transversales que pueden aparecer. Sin embargo, el modo TEM no se puede admitir ya que requiere dos o más conductores separados para propagarse. Los modos transversales se clasifican en eléctricos transversales (modos TE o H) o magnéticos transversales (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 específicas. Estos índices suelen escribirse 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 dirección longitudinal. [12]
Una característica de los modos TE y TM es que existe una frecuencia de corte definida por debajo de la cual no se realizará 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 generalmente no es deseable. Debido a esto, los circuitos a menudo se diseñan para operar en el modo dominante en frecuencias por debajo del corte del siguiente modo más alto. En esta banda sólo puede existir un modo, el modo dominante. [13]
Algunos tipos planos que están diseñados para funcionar como dispositivos TEM también pueden admitir 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 tornillos en cortocircuito 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 se pueden suprimir reduciendo el diámetro del cable. [14]
Algunas estructuras de líneas de transmisión no pueden admitir un modo TE o TM puro, pero pueden admitir modos que son una superposición lineal de los modos TE y TM. En otras palabras, tienen una 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 soportar un modo TE o TM puro, si es que pueden soportar transmisiones, necesariamente deben hacerlo con un modo híbrido. [15]
La impedancia característica de una línea es la impedancia que encuentra 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 con 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 varias impedancias características diferentes, por lo que es una ventaja para una tecnología tener una buena gama de impedancias alcanzables. Las líneas estrechas tienen una impedancia mayor 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 a lo estrechas que se pueden hacer las líneas. El límite inferior está determinado por el ancho de la línea en la que podrían surgir modos de resonancia transversal no deseados. [dieciséis]
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 líneas de transmisión, los resonadores se construyen frecuentemente a partir de secciones de líneas de transmisión para construir filtros y otros dispositivos. Su factor Q limita la inclinación de las faldas filtrantes y su selectividad . Los principales factores que determinan Q de tipo plano son la permitividad del dieléctrico (una permitividad alta aumenta Q ) y las pérdidas dieléctricas , quedisminuyen Q. Otros factores que reducen Q son la resistencia del conductor y las pérdidas por radiación. [17]
• ε r es la permitividad relativa del sustrato.
Existe una amplia gama de sustratos que se utilizan con tecnologías planas. Para los circuitos impresos, se utiliza comúnmente epoxi reforzado con vidrio ( grado FR-4 ). Cerámica de alta permitividad : los laminados de PTFE (por ejemplo, el tablero Rogers Corporation 6010) están expresamente destinados a aplicaciones de microondas. En las frecuencias de microondas más altas, se podría utilizar un material cerámico como el óxido de aluminio (alúmina) para circuitos integrados de microondas (MIC) híbridos. En las frecuencias de microondas más altas, en la banda milimétrica , se podría 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 dióxido de silicio . [24]
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 él. 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 contenida dentro del sustrato y cuánto habrá en el aire sobre él. La tangente de pérdidas es una medida de las pérdidas dieléctricas. Es deseable que sea lo más pequeño posible, especialmente en circuitos que requieren una Q alta . [25]
Las propiedades mecánicas de interés incluyen el espesor y la resistencia mecánica requeridas del sustrato. En algunos tipos, como los stripline suspendidos y los finline, es ventajoso hacer que el sustrato sea lo más delgado posible. Los delicados componentes semiconductores montados sobre un sustrato flexible pueden dañarse. Se podría elegir como sustrato un material duro y rígido como el cuarzo para evitar este problema, en lugar de un tablero más fácil de mecanizar. En otros tipos, como el stripline homogéneo, puede ser mucho más grueso. Para las antenas impresas , que se adaptan a la forma del dispositivo , se requieren sustratos flexibles y, por tanto, muy finos. El espesor requerido para el rendimiento eléctrico depende de la permitividad del material. El acabado de la superficie es un problema; Puede ser necesaria cierta rugosidad para asegurar la adhesión de la metalización, pero demasiada provoca pérdidas en el conductor (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 los orificios pasantes del revestimiento . [26]
Stripline es una tira conductora incrustada en un dieléctrico entre dos planos de tierra. Por lo general, se construye como dos láminas de dieléctrico unidas con el patrón de líneas en un lado de una lámina. La principal ventaja de stripline sobre su principal rival, microstrip, es que la transmisión se realiza 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 generalmente no se utilizan. La principal desventaja es que no es tan fácil como el microstrip incorporar componentes discretos . Para cualquiera que esté incorporado, se deben proporcionar recortes en el dieléctrico y no son accesibles una vez ensamblados. [28]
La línea de franja suspendida es un tipo de línea de franja de aire en la que el sustrato está suspendido entre los planos de tierra 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 únicamente el soporte mecánico de la tira conductora. Dado que la onda viaja a través de una mezcla de aire y dieléctrico, el modo de transmisión no es verdaderamente 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 microcinta con respecto a las pérdidas, pero no es tan voluminosa ni costosa como la guía de ondas. [29]
La idea de una línea de dos conductores es compensar los espacios de aire entre los dos sustratos. Los espacios de aire pequeños son inevitables debido a las tolerancias de fabricación y al espesor del conductor. Estos espacios pueden alejar la radiación 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 ligeramente más pequeña para evitar pequeñas desalineaciones que ensanchen efectivamente la línea y, en consecuencia, reduzcan la impedancia característica. [34]
La línea de franjas 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 franjas suspendida estándar. La desventaja de hacer esto es que las dos líneas deben unirse a intervalos inferiores a un cuarto de longitud de onda. La estructura bilateral también se puede utilizar para acoplar dos líneas independientes a lo largo de su lado ancho. Esto proporciona un acoplamiento mucho más fuerte que el acoplamiento lado a lado y permite realizar circuitos de filtro de línea acoplada y acoplador direccional que no son posibles en una línea de banda estándar. [35]
Microstrip consta de 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 sobre el conductor, lo que da como resultado una transmisión cuasi-TEM. A pesar de los inconvenientes del modo cuasi-TEM, a menudo se prefiere la microcinta por su fácil compatibilidad con los circuitos impresos. En cualquier caso, estos efectos no son tan graves en un circuito miniaturizado. [36]
Otro inconveniente del microstrip es que es más limitado que otros tipos en el rango de impedancias características que puede alcanzar. Algunos diseños de circuitos requieren impedancias características de 150 Ω o más. Microstrip generalmente no es 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 la alta impedancia. [37]
La tendencia de las microstrip a irradiar es generalmente una desventaja del tipo, pero cuando se trata de crear antenas es una ventaja positiva. Es muy fácil hacer una antena de parche en microstrip, y una variante del parche, la antena plana de F invertida , es la antena más utilizada en dispositivos móviles. [38]
La microstrip suspendida tiene el mismo objetivo que la stripline suspendida; poner el campo al 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. Suspender el sustrato aumenta la frecuencia máxima a la que se puede utilizar el tipo. [44]
La microcinta invertida tiene propiedades similares a las 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 perdido sobre el sustrato disponible para unirse a otros componentes. La microcinta 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 ahora se debe cortar el sustrato para que se ajuste a la caja. No es posible fabricar un dispositivo completo sobre un sustrato grande utilizando esta estructura. [45]
La guía de ondas coplanar (CPW) tiene los conductores de retorno encima del sustrato en el mismo plano que la línea principal, a diferencia de la línea stripline y microstrip 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 como para que se pueda considerar que se extienden hasta el infinito. Al igual que la microstrip, CPW tiene una propagación cuasi-TEM. [46]
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 interrupción en la línea) o en derivación (entre la línea y tierra). Los componentes de derivación en stripline y microstrip 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. [47]
A pesar de sus ventajas, CPW no ha resultado 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 microcinta. Más en serio, hay un segundo modo en CPW que tiene un corte de frecuencia cero llamado modo ranura. Dado que este modo no se puede evitar operando debajo de él, y que múltiples modos no son deseables, es necesario suprimirlo. Es un modo impar, lo que significa que los potenciales eléctricos en los dos conductores de retorno son iguales y opuestos. Por lo tanto, se puede suprimir uniendo los dos conductores de retorno entre sí. Esto se puede lograr con un plano de tierra inferior (guía de ondas coplanar respaldada por conductor, CBCPW) y orificios pasantes chapados periódicamente, o puentes de aire periódicos en la parte superior de la placa. Ambas soluciones restan valor a la simplicidad básica de CPW. [48]
Las tiras coplanares (también línea de tira coplanar [53] o línea diferencial [54] ) generalmente se usan solo 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 por campos parásitos son demasiado grandes en las frecuencias de microondas. Por otro lado, la falta de planos de tierra significa que el tipo se puede empotrar en estructuras multicapa. [55]
Una ranura es una ranura cortada en la metalización en la parte superior del sustrato. Es el dual de microstrip, una línea dieléctrica rodeada por un conductor en lugar de una línea conductora rodeada por un dieléctrico. [56] El modo de propagación dominante es híbrido, cuasi-TE con una pequeña componente longitudinal de campo eléctrico. [57]
Slotline es esencialmente una línea balanceada , a diferencia de stripline y microstrip, que son líneas desequilibradas . Este tipo hace que sea particularmente fácil conectar componentes a la línea en derivación; Los componentes de montaje en superficie se pueden montar puenteando la línea. Otra ventaja de la línea ranurada es que las líneas de alta impedancia son más fáciles de lograr. La impedancia característica aumenta con el ancho de la línea (compárese con la microcinta donde disminuye con el ancho), por lo que no hay problemas con la resolución de impresión para líneas de alta impedancia. [58]
Una desventaja del slotline es que tanto la impedancia característica como la velocidad del grupo varían fuertemente con la frecuencia, lo que hace que el slotline sea más dispersivo que el microstrip. Slotline también tiene una Q relativamente baja . [59]
La línea de ranura antípoda se utiliza cuando se requieren impedancias características muy bajas. Con las líneas dieléctricas, la baja impedancia significa líneas estrechas (lo opuesto al caso con las líneas conductoras) y existe un límite en 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 ranurada bilateral tiene ventajas similares a las de la línea aérea bilateral. [63]
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 restringiendo la onda entre dos filas de postes o orificios pasantes chapados y planos de tierra por encima y por debajo del sustrato. El modo dominante es un modo cuasi-TE. SIW pretende ser una alternativa más económica a la guía de ondas de metal hueco y al mismo tiempo conservar muchos de sus beneficios. El mayor beneficio es que, como guía de ondas efectivamente cerrada, tiene una pérdida de radiación considerablemente menor que la microcinta. No hay acoplamiento no deseado de campos parásitos con otros componentes del circuito. SIW también tiene un alto Q y un alto manejo de potencia y, como tecnología plana, es más fácil de integrar con otros componentes. [64]
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 stripline a SIW. Las antenas se pueden crear directamente en SIW cortando ranuras en los planos de tierra. Se puede fabricar una antena de bocina ensanchando las filas de postes al final de una guía de ondas. [sesenta y cinco]
Existe una versión SIW de la guía de ondas Ridge. La guía de ondas Ridge es una guía de ondas de metal hueca rectangular con una pared longitudinal interna a medio camino del plano E. La principal ventaja de la guía de ondas Ridge 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 la mitad de la placa. Pero la estructura se puede crear más fácilmente en LTCC. [66]
Finline consiste en una lámina de dieléctrico metalizado insertada en el plano E de una guía de ondas de metal rectangular. Este formato mixto a veces se denomina cuasiplano . [67] 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 dejando al descubierto el dieléctrico y es este el que actúa como una línea de transmisión. Por tanto, Finline es un tipo de guía de ondas dieléctrica y puede verse como una línea ranurada blindada. [68]
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 aleta 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 lámina delgada de metal con piezas recortadas (generalmente, una serie de orificios rectangulares) e insertarla en la guía de ondas de la misma manera que finline. Un filtro de línea finita es capaz de implementar patrones de complejidad arbitraria, mientras que el filtro de inserción metálica está limitado por la necesidad de soporte mecánico e integridad. [69]
Finline se ha utilizado en frecuencias de hasta 220 GHz y se ha probado experimentalmente hasta al menos 700 GHz . [70] En estas frecuencias tiene una ventaja considerable sobre el microstrip por su baja pérdida y puede fabricarse con técnicas de circuito impreso similares de bajo costo. También está libre de radiación ya que está completamente encerrado en la guía de ondas rectangular. Un dispositivo de inserción metálica tiene una pérdida aún menor porque es dieléctrico del 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 del aire, pero sería mucho más voluminosa que la de línea finita y significativamente más costosa de fabricar. Otra ventaja de finline es que puede alcanzar una gama particularmente amplia de impedancias características. La polarización de transistores y diodos no se puede lograr en línea de fin alimentando corriente de polarización por la línea de transmisión principal, como se hace en línea de banda y microcinta, ya que la línea de fin no es un conductor. Se deben hacer arreglos separados para sesgar en finline. [71]
La línea de aleta unilateral es el diseño más simple y más fácil de fabricar, pero la línea de aleta bilateral tiene menos pérdidas, como ocurre con la línea de tira suspendida bilateral, y por razones similares. El alto Q del finline bilateral a menudo lo convierte en la elección para aplicaciones de filtrado. La línea de aleta 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 de fin aislada se utiliza en circuitos que contienen componentes activos que necesitan líneas de polarización. La Q de la línea de aleta aislada es más baja que la de otros tipos de línea de aleta, por lo que no se suele utilizar. [77]
Imageline, también línea de imagen o guía de imagen , es una forma plana de guía de ondas de losa dieléctrica . Consiste en una tira de dieléctrico, a menudo alúmina, sobre una lámina de metal. En este tipo, no hay sustrato dieléctrico que se extienda en todas las direcciones horizontales, sólo la línea dieléctrica. Se llama así porque el plano de tierra actúa como un espejo dando como resultado una línea que equivale a una losa dieléctrica sin el plano de tierra del doble de altura. Parece prometedor para su uso en las frecuencias de microondas más altas, alrededor de 100 GHz , pero todavía es en gran medida experimental. Por ejemplo , en teoría son posibles factores Q de miles, pero la radiación procedente de curvaturas y pérdidas en el adhesivo dieléctrico-metal reduce significativamente esta cifra. Una desventaja de imageline es que la impedancia característica se fija en un valor único de aproximadamente 26 Ω . [78]
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 de metal hueco cuyos modos TE y TM tienen una frecuencia finita por debajo de la cual no puede ocurrir la propagación. 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 comparte así 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 para frecuencias más bajas. Una desventaja de imageline es que debe mecanizarse con precisión ya que la rugosidad de la superficie aumenta las pérdidas de radiación. [79]
En la línea de imagen insular, se deposita una capa delgada de aislante de baja permitividad sobre el plano de tierra metálico y la línea de imagen de mayor permitividad se coloca encima. La capa aislante tiene el efecto de reducir las pérdidas en los conductores. Este tipo también tiene menores pérdidas de radiación 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 simplicidad a la estructura plana. [81]
Ribline es una línea dieléctrica mecanizada a partir del sustrato como una sola pieza. Tiene propiedades similares a la imageline insular. Al igual que Imageline, debe mecanizarse con precisión. La guía dieléctrica de tira es una tira de baja permitividad (generalmente de plástico) colocada sobre un sustrato de alta permitividad como la alúmina. El campo está contenido en gran medida en el sustrato entre la tira y el plano de tierra. Debido a esto, este tipo no tiene los requisitos de mecanizado precisos de los imageline y ribline estándar. La guía dieléctrica de tira invertida tiene menores pérdidas en el conductor porque el campo en el sustrato se ha alejado del conductor, pero tiene mayores pérdidas por radiación. [82]
Los circuitos multicapa se pueden construir en circuitos impresos o circuitos integrados monolíticos, pero LTCC es la tecnología más adecuada para implementar líneas de transmisión planas como multicapa. 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. [83]
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 del conductor a través de la transición y garantizar una buena coincidencia 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 de tierra puede ser continuo a lo largo de la transición, pero el otro termina en la transición. Existe un problema similar con la transición de microstrip a CPW que se muestra en C en el diagrama. Sólo 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 microstrip y CPW en lados opuestos del sustrato. En este caso, el plano de tierra es continuo en un lado del sustrato pero se requiere una vía en la línea en la transición. [88]
Las transiciones entre líneas conductoras y líneas dieléctricas o guías de ondas son más complejas. En estos casos es necesario un cambio de modo. Las transiciones de este tipo consisten en formar una especie de antena en un tipo que actúa como lanzador hacia el nuevo tipo. Ejemplos de esto son la guía de ondas coplanar (CPW) o la microcinta convertida en ranura o la guía de ondas integrada en sustrato (SIW). Para dispositivos inalámbricos, también se requieren transiciones a antenas externas. [89]
Las transiciones hacia y desde finline se pueden tratar de forma similar a las de slotline. Sin embargo, es más natural que las transiciones de líneas finales vayan a la guía de ondas; la guía de ondas ya está allí. Una transición simple a una guía de ondas consiste en una suave conicidad exponencial ( antena Vivaldi ) de la línea de aleta desde una línea estrecha hasta la altura total de la guía de ondas. La primera aplicación de finline fue lanzarse a una guía de ondas circular. [90]
Una transición de una línea equilibrada a una desequilibrada 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 consta de un trozo radial dieléctrico . El componente mostrado así
En este circuito hay un puente aéreo que une los dos planos de tierra CPW. Todas las transiciones tienen cierta pérdida de inserción y aumentan la complejidad del diseño. A veces es ventajoso diseñar con un único 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. [91]
El desarrollo de tecnologías planares fue impulsado al principio por las necesidades del ejército estadounidense, pero hoy en día se pueden encontrar en artículos domésticos producidos en masa, como teléfonos móviles y receptores de televisión por satélite . [92] 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 lineal, 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 en realidad se había utilizado durante la Segunda Guerra Mundial . Según Barrett, el primer divisor de potencia lineal fue construido por VH Rumsey y HW Jamieson durante este período. Además de otorgar contratos, Barrett fomentó la investigación en otras organizaciones, incluido Airborne Instruments Laboratory Inc. (AIL). Poco después, en 1952, apareció Microstrip, obra de Grieg y Engelmann. Al principio, la calidad de los materiales dieléctricos comunes 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 fabricaba Air Stripline. Microstrip fue fabricado por ITT . Más tarde, Sanders Associates fabricó una línea de tiras llena de dieléctrico bajo la marca triplate . Stripline se convirtió en un término genérico para stripline lleno de dieléctrico y ahora se usa stripline de aire o stripline suspendido para distinguir el tipo original. [93]
Inicialmente se prefirió a Stripline frente a su rival debido al problema de dispersión. En la década de 1960, la necesidad de incorporar componentes de estado sólido en miniatura en los micrófonos hizo que la balanza se inclinara hacia la microcinta. La miniaturización también conduce a favorecer la microcinta porque sus desventajas no son tan graves en un circuito miniaturizado. Todavía se elige Stripline cuando se requiere operación en una banda ancha. [94] La primera línea dieléctrica de losa plana, imageline, se debe a King en 1952. [95] King inicialmente usó imageline semicircular, lo que la hace equivalente al ya bien estudiado dieléctrico de varilla circular. [96] Slotline, el primer tipo de línea dieléctrica plana impresa, se debe a Cohn en 1968. [97] La guía de ondas coplanar se debe a Wen en 1969. [98] Finline, como tecnología impresa, se debe a Meier en 1972, [ 99] aunque Robertson creó estructuras tipo aleta mucho antes (1955-56) con inserciones metálicas. Robertson fabricó circuitos para diplexores y acopladores y acuñó el término finline . [100] La SIW fue descrita por primera vez por Hirokawa y Ando en 1998. [101]
Al principio, los componentes fabricados en tipos planos se fabricaban como piezas discretas conectadas entre sí, generalmente con líneas y conectores coaxiales. Rápidamente se dio cuenta de que el tamaño de los circuitos se podía reducir enormemente conectando componentes directamente con líneas planas dentro de la misma carcasa. Esto llevó al concepto de MIC híbridos : híbridos porque en los diseños se incluían componentes agrupados conectados entre sí mediante 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. Una mayor miniaturización fue posible con la introducción de los 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. [102]
En la figura se muestra una pequeña selección de los muchos circuitos que se pueden construir con líneas de transmisión planas. Estos circuitos son una clase de circuitos de elementos distribuidos . Los tipos de acopladores direccionales Microstrip y Slotline se muestran en A y B respectivamente. [103] Generalmente, una forma de circuito en líneas conductoras como stripline o microstrip tiene una forma dual en una línea dieléctrica como slotline o finline 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 impedancia alta, pero en las líneas dieléctricas, el resultado es una impedancia baja. 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. [104]
Cada tramo 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. [105] El elemento F es un anillo híbrido de línea ranurada que presenta una mezcla de CPW y alimentación de línea ranurada en sus puertos . La versión microstrip de este circuito requiere que una sección del anillo tenga tres cuartos de longitud de onda. En la versión slotline/CPW todas las secciones tienen un cuarto de longitud de onda porque hay una inversión de fase de 180° en la unión de la slotline. [106]