La guía de ondas coplanar es un tipo de línea de transmisión eléctrica plana que se puede fabricar utilizando tecnología de placa de circuito impreso y se utiliza para transmitir señales de frecuencia de microondas. A menor escala, las líneas de transmisión de guías de ondas coplanares también se integran en circuitos integrados monolíticos de microondas .
La guía de ondas coplanar convencional ( CPW ) consta de una única pista conductora impresa sobre un sustrato dieléctrico , junto con un par de conductores de retorno, uno a cada lado de la pista. Los tres conductores están en el mismo lado del sustrato y, por tanto, son coplanares . Los conductores de retorno están separados de la vía central por un pequeño espacio, que tiene un ancho invariable a lo largo de la línea. Lejos del conductor central, los conductores de retorno normalmente se extienden a una distancia indefinida pero grande, de modo que cada uno es teóricamente un plano semiinfinito.
La guía de ondas coplanar respaldada por un conductor ( CBCPW ), también conocida como guía de ondas coplanar con tierra ( CPWG ), es una variante común que tiene un plano de tierra que cubre toda la cara posterior del sustrato. [2] [3] El plano de tierra sirve como tercer conductor de retorno.
La guía de ondas coplanar fue inventada en 1969 por Cheng P. Wen, principalmente como un medio por el cual se podían incorporar componentes no recíprocos , como giradores y aisladores , en circuitos de líneas de transmisión planas. [4]
La onda electromagnética transportada por una guía de ondas coplanar existe en parte en el sustrato dieléctrico y en parte en el aire sobre él. En general, la constante dieléctrica del sustrato será diferente (y mayor) que la del aire, de modo que la onda viaja en un medio no homogéneo. En consecuencia, CPW no apoyará una verdadera onda TEM ; en frecuencias distintas de cero, tanto el campo E como el H tendrán componentes longitudinales (un modo híbrido ). Sin embargo, estos componentes longitudinales suelen ser pequeños y el modo se describe mejor como cuasi-TEM. [5]
Los dispositivos giromagnéticos no recíprocos , como los aisladores resonantes y los desfasadores diferenciales [6], dependen de una señal de microondas que presenta un campo magnético giratorio (polarizado circularmente) a un cuerpo de ferrita magnetizado estáticamente . CPW se puede diseñar para producir precisamente ese campo magnético giratorio en las dos ranuras entre los conductores central y lateral.
El sustrato dieléctrico no tiene ningún efecto directo sobre el campo magnético de una señal de microondas que viaja a lo largo de la línea CPW. Para el campo magnético, el CPW es entonces simétrico en el plano de metalización , entre el lado del sustrato y el lado del aire. En consecuencia, las corrientes que fluyen a lo largo de trayectorias paralelas en caras opuestas de cada conductor (en el lado del aire y en el lado del sustrato) están sujetas a la misma inductancia y la corriente total tiende a dividirse equitativamente entre las dos caras.
Por el contrario, el sustrato sí afecta el campo eléctrico, de modo que el lado del sustrato aporta una capacitancia mayor a través de las ranuras que el lado del aire. La carga eléctrica puede acumularse o agotarse más fácilmente en la cara del sustrato de los conductores que en la cara del aire. Como resultado, en aquellos puntos de la onda donde la corriente invierte la dirección, la carga se derramará sobre los bordes de la metalización entre la cara de aire y la cara del sustrato. Esta corriente secundaria sobre los bordes da lugar a un campo magnético longitudinal (paralelo a la línea) en cada una de las ranuras, que está en cuadratura con el campo magnético vertical (normal a la superficie del sustrato) asociado con la corriente principal a lo largo de los conductores. .
Si la constante dieléctrica del sustrato es mucho mayor que la unidad, entonces la magnitud del campo magnético longitudinal se aproxima a la del campo vertical, de modo que el campo magnético combinado en las ranuras se aproxima a la polarización circular. [4]
Las guías de ondas coplanares desempeñan un papel importante en el campo de la computación cuántica de estado sólido , p. ej. para el acoplamiento de fotones de microondas a un qubit superconductor. En particular, el campo de investigación de la electrodinámica cuántica de circuitos se inició con resonadores de guía de ondas coplanares como elementos cruciales que permiten una alta intensidad de campo y, por lo tanto, un fuerte acoplamiento a un qubit superconductor al confinar un fotón de microondas a un volumen mucho más pequeño que el cubo de la longitud de onda. . Para mejorar aún más este acoplamiento, se aplicaron resonadores de guía de ondas coplanares superconductores con pérdidas extremadamente bajas. [7] [8] (Los factores de calidad de tales resonadores coplanares superconductores a bajas temperaturas pueden exceder 10 6 incluso en el límite de baja potencia. [9] ) Los resonadores coplanares también se pueden emplear como buses cuánticos para acoplar múltiples qubits entre sí. . [10] [11]
Otra aplicación de las guías de ondas coplanares en la investigación del estado sólido es para estudios que implican resonancia magnética, por ejemplo, para espectroscopia de resonancia de espín electrónico [12] o para magnónica . [13]
También se han empleado resonadores de guía de ondas coplanares para caracterizar las propiedades materiales de películas delgadas superconductoras ( de alta Tc ) . [14] [15]