Línea de franjas

Medio de transmisión de línea electrónica temprana

Diagrama de sección transversal de la geometría de la línea de cinta. El conductor central (A) está intercalado entre los planos de tierra (B y D). La estructura está sostenida por un dieléctrico (C).

En electrónica , una línea de banda es un medio de transmisión electromagnético transversal (TEM) inventado por Robert M. Barrett del Centro de Investigación de la Fuerza Aérea de Cambridge en la década de 1950. Una línea de banda es la forma más antigua de línea de transmisión planar .

Descripción

Un circuito de línea de banda utiliza una tira plana de metal que se intercala entre dos planos de tierra paralelos . El material aislante del sustrato forma un dieléctrico . El ancho de la tira, el espesor del sustrato y la permitividad relativa del sustrato determinan la impedancia característica de la tira, que es una línea de transmisión . Como se muestra en el diagrama, el conductor central no necesita estar espaciado de manera uniforme entre los planos de tierra. En el caso general, el material dieléctrico puede ser diferente por encima y por debajo del conductor central. Una línea de banda que utiliza aire como material dieléctrico se conoce como línea de banda de aire .

Para evitar la propagación de modos no deseados, los dos planos de tierra deben estar en cortocircuito. Esto se logra generalmente mediante una fila de vías que corren paralelas a la tira en cada lado.

Al igual que el cable coaxial , el cable de cinta no es dispersivo y no tiene frecuencia de corte . Se puede lograr un buen aislamiento entre trazas adyacentes con mayor facilidad que con microcinta . El cable de cinta proporciona una inmunidad al ruido mejorada contra la propagación de emisiones de RF radiadas, a expensas de velocidades de propagación más lentas en comparación con las líneas de microcinta. La permitividad efectiva de los cables de cinta es igual a la permitividad relativa del sustrato dieléctrico debido a que la propagación de las ondas solo se produce en el sustrato. Por lo tanto, los cables de cinta tienen una permitividad efectiva más alta en comparación con las líneas de microcinta, lo que a su vez reduce la velocidad de propagación de las ondas (consulte también el factor de velocidad ) de acuerdo con

${\displaystyle v_{\mathrm {p} }={\frac {c_{0}}{\sqrt {\epsilon _{\mathrm {r,eff} }}}}.}$

Historia

Stripline , que ahora se utiliza como término genérico, era originalmente una marca registrada de Airborne Instruments Laboratory Inc. (AIL). La versión producida por AIL estaba esencialmente aislada por aire ( air stripline ) con solo una fina capa de material dieléctrico, lo suficiente para soportar la tira conductora. El conductor estaba impreso en ambos lados del dieléctrico. La versión más conocida con el espacio entre las dos placas completamente lleno de dieléctrico fue producida originalmente por Sanders Associates, que la comercializó bajo la marca de triplate . ^[1]

En un principio, se prefirió la línea de banda ancha a su rival, la microbanda, fabricada por ITT . La transmisión en línea de banda ancha es puramente en modo TEM y, en consecuencia, no hay dispersión (siempre que el dieléctrico del sustrato no sea dispersivo en sí mismo). Además, los elementos de discontinuidad en la línea (huecos, stubs , postes, etc.) presentan una impedancia puramente reactiva . Este no es el caso de la microbanda; los diferentes dieléctricos por encima y por debajo de la banda dan como resultado componentes longitudinales no TEM en la onda. Esto da como resultado dispersión y los elementos de discontinuidad tienen un componente resistivo que hace que irradien. En la década de 1950, Eugene Fubini , que en ese momento trabajaba para AIL, sugirió en broma que un dipolo de microbanda sería una buena antena. Esto tenía la intención de resaltar los inconvenientes de la microbanda, pero la antena de parche de microbanda se ha convertido en el diseño de antena más popular en dispositivos móviles. ^[2] La tecnología Stripline siguió ganando terreno por sus ventajas de rendimiento durante los años 1950 y 1960, pero finalmente la tecnología Microstrip triunfó, especialmente en artículos producidos en masa, porque era más fácil de ensamblar y la falta de un dieléctrico superior significaba que los componentes eran más fáciles de acceder y ajustar. A medida que aumentó la complejidad de los circuitos impresos, esta cuestión de conveniencia se volvió más importante hasta que hoy la tecnología Microstrip es la tecnología planar dominante. La miniaturización también lleva a favorecer la tecnología Microstrip porque sus desventajas no son tan severas en un circuito miniaturizado. Sin embargo, la tecnología Stripline todavía se elige cuando se requiere operar en una banda ancha. ^[3]

Comparación con la microbanda

La microcinta es similar a la línea de transmisión stripline, excepto que la microcinta no está intercalada, sino sobre una capa superficial, encima de un plano de tierra. La línea stripline es más cara de fabricar que la microcinta y, debido al segundo plano de tierra, los anchos de las tiras son mucho más angostos para una determinada impedancia y espesor de placa que para la microcinta.

Impedancia característica

Se ha informado de una ecuación precisa en forma cerrada para la impedancia característica de una línea de banda con un conductor centrado delgado como ^[4].

${\displaystyle {\begin{aligned}Z_{stripline}&={\frac {30\pi }{\sqrt {E_{r}}}}{\frac {1-T}{W_{eff}+C_{f}}}\\C_{f}&={\frac {2}{\pi }}ln{\biggr (}{\frac {1}{1-T}}+1{\biggr )}-{\frac {T}{\pi }}ln{\biggr (}{\frac {1}{(1-T)^{2}}}-1{\biggr )}\\\end{aligned}}}$

Dónde:

${\displaystyle {\begin{aligned}W_{eff}&={\begin{cases}W-{\frac {(0.35-W)^{2}}{1+12T}},&W<0.35\\W,&W\geq 0.35\end{cases}}\\T&={\frac {t}{h}}\\W&={\frac {w}{h}}\\w&={\text{width of the stripline conductor}}\\t&={\text{thickness of the stripline conductor}}\\h&={\text{thickness of the substrate from the top ground plate to the bottom ground plate}}\\E_{r}&={\text{dielectric constant of the substrate dielectric material}}\end{aligned}}}$

Téngase en cuenta que cuando el espesor del conductor es pequeño, T<<1 o t<<h, las ecuaciones se simplifican significativamente.

${\displaystyle {\begin{aligned}Z_{stripline}&={\frac {30\pi }{\sqrt {Er}}}{\frac {1}{W_{eff}+0.441271}}\\\end{aligned}}}$

Dónde:

${\displaystyle {\begin{aligned}W_{eff}&={\begin{cases}W-(0.35-W)^{2},&W<0.35\\W,&W\geq 0.35\end{cases}}\\\end{aligned}}}$

Se afirma que la precisión de la fórmula es al menos del 1% para W/(HT) > .05 y T < 0.025.

Para conductores gruesos, Wheeler proporciona las siguientes ecuaciones más precisas ^[5]

${\displaystyle {\begin{aligned}Z_{stripline}={\frac {30}{\sqrt {E_{r}}}}ln{\biggr (}1+{\frac {C}{2}}{\big (}C+{\sqrt {C^{2}+6.27}}{\big )}{\biggr )}\\\end{aligned}}}$

Dónde:

${\displaystyle {\begin{aligned}C&={\frac {8(1-T)}{\pi (W+\Delta W)}}\\\Delta W&={\frac {T}{\pi (1-T)}}{\biggr \{}1-{\frac {1}{2}}ln{\biggr [}{\bigg (}{\frac {T}{2-T}}{\biggr )}^{2}+{\biggr (}{\frac {.0796T}{W+1.1T}}{\biggr )}^{M}{\biggr ]}{\biggr \}}\\M&={\frac {3}{1.5+{\frac {T}{(1-T)}}}}\\\end{aligned}}}$

Donde T y W son como se definen en la expresión anterior.

Se afirma que la precisión es de al menos el 0,5 % para C>0,25.

Conductor no centrado

Para los conductores de línea de cinta que no están centrados, es decir, la distancia al plano de tierra superior no es la misma que al plano de tierra inferior, existen estrategias para estimar la impedancia característica de al menos una de dos maneras.

Estimación de Zo utilizando capacitancia superior e inferior

Si la asimetría de la colocación del conductor no es grande, la capacitancia inferior y superior por unidad de longitud se puede estimar para el plano de tierra superior y el plano de tierra inferior utilizando ecuaciones de línea de banda centrada y ecuaciones de línea de transmisión estándar para líneas homogéneas, y donde es la velocidad de la luz. ${\displaystyle V_{c}^{2}/\varepsilon _{r}=1/LC}$ ${\displaystyle Z_{o}^{2}=L/C}$ ${\displaystyle V_{c}}$

La de cada línea de banda se puede evaluar de forma independiente y los resultados se pueden utilizar para estimar la de la línea de banda asimétrica. Se introducen pequeños errores en la estimación debido a las trayectorias de capacitancia ligeramente diferentes hacia los planos de tierra entre el caso asimétrico que se está estimando y los casos simétricos utilizados para realizar la estimación, por lo que solo se esperará que una pequeña colocación asimétrica de la banda produzca una estimación aceptable para la de la banda colocada asimétricamente. ${\displaystyle Z_{o}}$ ${\displaystyle Z_{o}}$ ${\displaystyle Z_{o}}$ ${\displaystyle Z_{o}}$

Para resumir:

${\displaystyle {\begin{aligned}Z_{oL}&=Z_{o}{\text{ of a stripline of height }}2H_{L}\\Z_{oU}&=Z_{o}{\text{ of a stripline of height }}2H_{U}\\C_{oL}&={\frac {\sqrt {\varepsilon _{r}}}{V_{c}Z_{oL}}}\\C_{oU}&={\frac {\sqrt {\varepsilon _{r}}}{V_{c}Z_{oU}}}\\C_{o}&=C_{oL}/2+C_{oU}/2\\L_{o}&={\frac {\varepsilon _{r}}{C_{o}V_{c}^{2}}}\\Z_{o}&={\sqrt {\frac {L_{o}}{C_{o}}}}\\\end{aligned}}}$.

Dónde:

${\displaystyle V_{c}}$es la velocidad de la luz en el vacío.

${\displaystyle H_{L}}$y se miden desde el centro del conductor hasta el plano de tierra inferior y superior, respectivamente. ${\displaystyle H_{U}}$

Co y Lo son la capacitancia y la inductancia por unidad de longitud de la línea de transmisión asociada.

Estimación de Zo mediante una cubierta metálica de microbanda

Si no hay dieléctrico en la línea de banda asimétrica, entonces la línea de banda se ve como una microbanda con un dieléctrico de aire, , dentro de una carcasa metálica. Esto permite calcular la impedancia característica del aire, , utilizando ecuaciones de carcasa metálica de microbanda . Cuando se conoce, se puede calcular utilizando . La precisión de esta estimación se cuantifica y se enumera en las ecuaciones de carcasa metálica de microbanda. ${\displaystyle \varepsilon =1}$ ${\displaystyle Z_{o}^{a}}$ ${\displaystyle Z_{o}^{a}}$ ${\displaystyle Z_{o}}$ ${\displaystyle Z_{o}=Z_{o}^{a}/{\sqrt {\varepsilon _{r}}}}$ ${\displaystyle Z_{o}}$

Pérdidas

Dado que el cálculo de la pérdida de microbanda no es una función directa de la constante dieléctrica y la geometría o la altura de la cubierta metálica, las ecuaciones de pérdida de microbanda también se pueden utilizar para pérdidas de línea de banda tratando ε _re como una constante igual a ε _{r. ^[6]}

Véase también

• Placa de circuito impreso
• Filtro de elementos distribuidos
• Divisores de potencia y acopladores direccionales
• Microtiras

Referencias

1. Oliner, págs. 556-559
2. Yarman, pág. 67
3. Oliner, págs. 558-562
4. Steer, Michael (21 de octubre de 2020). "3.7: Stripline - Ingeniería LibreTexts". Ingeniería LibreTexts .
5. Rhea, Randall W. (1995). Diseño de filtros de alta frecuencia y simulación por computadora. Nueva York, NY, EE. UU.: McGraw-Hill. pp. 106, 107. ISBN 0-07-052055-0.
6. Garg, Ramesh; Bahl, Inder; Bozzi, Maurizio (2013). Líneas de microcinta y líneas de ranura (3.ª ed.). Boston, Londres: Artech House. págs. 469–473. ISBN 978-1-60807-535-5.{{cite book}}: CS1 maint: date and year (link)

Bibliografía

• Arthur A. Oliner , "La evolución de las guías de ondas electromagnéticas", en el capítulo 16, Sarkar et al. , Historia de la tecnología inalámbrica , John Wiley and Sons, 2006 ISBN 0-471-71814-9 . 
• Yarman, Binboga Siddik, Diseño de redes de adaptación de antenas de banda ultra ancha , Springer, 2008 ISBN 1-4020-8418-8 . 

Enlaces externos

• Línea de banda en la enciclopedia de microondas