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 se adapta bien a 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 (una décima parte se usa a menudo como regla general), estas suposiciones ya no son ciertas y debe usarse la teoría de líneas 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 la longitud) de modo que su comportamiento eléctrico es altamente predecible. A frecuencias más bajas, estas consideraciones solo son necesarias para los cables que conectan diferentes piezas de equipo, pero a frecuencias de microondas la distancia a la que se hace necesaria la teoría de líneas 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 línea de banda y es uno de los cuatro tipos principales en uso moderno, junto con la microbanda , la línea de banda suspendida y la guía de onda 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 de línea de transmisión plana, como la línea de ranura , la línea de aleta y la línea de imagen , transmiten a lo largo de una tira de dieléctrico, y la guía de onda integrada en el sustrato forma una guía de onda 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 señal que los pares de conductores. Sus ventajas dependen de los tipos exactos que se comparen, pero pueden incluir baja pérdida y un mejor rango de impedancia característica .
Las líneas de transmisión planas se pueden utilizar para construir componentes, así como para interconectarlos. En las frecuencias de microondas, a menudo ocurre que los componentes individuales de un circuito son en sí 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 son poco prácticos en las frecuencias de microondas, ya sea por esta razón o porque los valores requeridos son impracticablemente 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 conjunto 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 distinguen entre línea de transmisión , una línea que utiliza un par de conductores, y guía de ondas , una línea que no utiliza ningún conductor o que utiliza un solo conductor para restringir la onda en el dieléctrico. Otros utilizan los términos como sinónimos. Este artículo incluye ambos tipos, siempre que tengan forma plana. Los nombres utilizados son los más comunes y no indican necesariamente el número de conductores. El término guía de ondas , cuando se utiliza sin adornos, significa el tipo de guía de ondas de metal hueco o lleno de dieléctrico , que no tiene forma plana.
Las líneas de transmisión planas son aquellas líneas de transmisión en las que los conductores son esencialmente planos. Los conductores consisten en 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 líneas de transmisión. Estos incluyen filtros , divisores de potencia, acopladores direccionales , redes de adaptación de impedancia y circuitos de estrangulamiento para entregar polarización a los componentes activos. La principal ventaja de los tipos planares es que se pueden fabricar utilizando los mismos procesos que se utilizan para hacer circuitos impresos y circuitos integrados , particularmente a través del proceso de fotolitografía . Por lo tanto, las tecnologías planares son particularmente adecuadas para la producción en masa de tales componentes. [1]
La fabricación de elementos de circuitos a partir de líneas de transmisión es más útil en frecuencias de microondas . En 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 se utilizan en su lugar guías de ondas . Sin embargo, las guías de ondas son más voluminosas y más caras de fabricar. En frecuencias aún más altas, las guías de ondas dieléctricas (como la fibra óptica ) se convierten en la tecnología de elección, pero hay tipos de guías de ondas dieléctricas planas disponibles. [2] Las líneas de transmisión planas más utilizadas (de cualquier tipo) son las líneas de banda , las microbandas , las líneas de banda suspendidas y las guías de ondas coplanares . [3]
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]
El modo que se encuentra en los cables y alambres conductores comunes 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 propagación de la onda y ortogonales entre sí. Una propiedad importante del modo TEM es que se puede utilizar a frecuencias bajas, 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 "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 dispersión, lo que pone un límite al ancho de banda alcanzable. [10]
Algunos tipos planares, en particular los microstrip, no tienen un dieléctrico homogéneo; es diferente por encima y por debajo de la línea. Tales geometrías no pueden soportar un verdadero modo TEM; hay algún componente del campo electromagnético paralelo a la dirección de la línea, aunque la transmisión puede ser casi TEM. Este modo se conoce como 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 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 da como resultado un medio de transmisión más homogéneo y un modo más cercano al TEM. [11]
En las guías de ondas de metal hueco y las guías de ondas ópticas hay un número ilimitado de otros modos transversales que pueden ocurrir. Sin embargo, el modo TEM no puede ser soportado 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 un componente longitudinal de un campo o del otro. El modo exacto se identifica por 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 un 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. [12]
Una característica de los modos TE y TM es que existe una frecuencia de corte definida por debajo de la cual no se produce 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 a frecuencias inferiores al corte del siguiente modo más alto. Solo puede existir un modo, el modo dominante, en esta banda. [13]
Algunos tipos de dispositivos planos 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 las carcasas de protección pueden comportarse como guías de ondas huecas y propagar estos modos. La supresión puede adoptar la forma de tornillos de cortocircuito entre los planos de tierra o de diseñar la carcasa para que sea demasiado pequeña para admitir frecuencias tan bajas como las frecuencias operativas del circuito. De manera similar, el cable coaxial puede admitir los modos TE y TM circulares 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 soportar un modo TE o TM puro, pero sí pueden soportar modos que son una superposición lineal de 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 se presentan 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 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 varias 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 mayor que las líneas anchas. La impedancia más alta alcanzable está limitada por la resolución del proceso de fabricación, que impone un límite a cuán estrechas pueden hacerse las líneas. El límite inferior está determinado por el ancho de la línea en el que pueden surgir modos de resonancia transversal no deseados. [16]
El factor Q (o simplemente Q ) es la relación entre la energía almacenada y la energía disipada por ciclo. Es el parámetro principal que caracteriza la calidad de los resonadores . En los circuitos de líneas de transmisión, los resonadores se construyen con frecuencia a partir de secciones de líneas de transmisión para construir filtros y otros dispositivos. Su factor Q limita la inclinación de las faldas del filtro y su selectividad . Los principales factores que determinan Q de un tipo planar son la permitividad del dieléctrico (una permitividad alta aumenta Q ) y las pérdidas dieléctricas , que disminuyen 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 planares. Para circuitos impresos, se utiliza comúnmente epoxi reforzado con vidrio (grado FR-4 ). Los laminados de cerámica de alta permitividad - PTFE (por ejemplo, la placa Rogers Corporation 6010) están expresamente destinados a aplicaciones de microondas. En las frecuencias de microondas más altas, se puede utilizar un material cerámico como óxido de aluminio (alúmina) 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 zafiro o cuarzo . Los circuitos integrados de microondas monolíticos (MMIC) tendrán sustratos compuestos del 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 que más interés tienen 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 sobre él. Una permitividad alta da como resultado componentes impresos más pequeños, lo que facilita la miniaturización. En los tipos cuasi-TEM, la permitividad determina qué parte del campo estará contenida dentro del sustrato y qué parte estará en el aire por encima de él. La tangente de pérdida es una medida de las pérdidas dieléctricas. Es deseable que sea lo más pequeña posible, especialmente en circuitos que requieren un Q alto . [25]
Las propiedades mecánicas de interés incluyen el espesor y la resistencia mecánica requerida del sustrato. En algunos tipos, como las líneas de tira suspendidas y las líneas de aletas, es ventajoso hacer el sustrato 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 una placa más fácil de mecanizar. En otros tipos, como las líneas de tira homogéneas, puede ser mucho más grueso. Para las antenas impresas , que son conformes a la forma del dispositivo , se requieren sustratos flexibles, por lo tanto muy delgados. 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 causa pérdidas en el conductor (ya que la rugosidad consecuente 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 chapados . [26]
Stripline es un conductor de tira incrustado en un dieléctrico entre dos planos de tierra. Generalmente se construye como dos láminas de dieléctrico unidas con el patrón de stripline 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 soportar los modos TE y TM pero estos no se utilizan generalmente. La principal desventaja es que no es tan fácil como microstrip incorporar componentes discretos . Para cualquiera que se incorpore, se deben proporcionar cortes en el dieléctrico y no son accesibles una vez ensamblados. [28]
La línea de banda suspendida es un tipo de línea de banda de aire en la que el sustrato está suspendido entre los planos de tierra con un espacio de aire por encima y por debajo. La idea es minimizar las pérdidas dieléctricas haciendo que la onda viaje a través del aire. El propósito del dieléctrico es solo el soporte mecánico de la banda conductora. Dado que la onda viaja a través de un medio mixto 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 de microondas medias, donde es superior a la microbanda con respecto a las pérdidas, pero no es tan voluminosa ni costosa como la guía de ondas. [29]
La idea de las líneas de dos conductores es compensar los huecos de aire entre los dos sustratos. Los pequeños huecos de aire son inevitables debido a las tolerancias de fabricación y al grosor del conductor. Estos huecos pueden promover la radiación que se aleja 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 huecos debido a las dos líneas se cancele. Por lo general, una línea se hace ligeramente más pequeña para evitar que pequeñas desalineaciones ensanchen efectivamente la línea y, en consecuencia, reduzcan la impedancia característica. [34]
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 entre sí a intervalos de menos de 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 acoplador direccional y filtro de línea acoplada que no son posibles en la línea de banda estándar. [35]
La microbanda 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, lo que da lugar a una transmisión cuasi-TEM. A pesar de los inconvenientes del modo cuasi-TEM, la microbanda suele ser la opción preferida por su fácil compatibilidad con los circuitos impresos. En cualquier caso, estos efectos no son tan graves en un circuito miniaturizado. [36]
Otro inconveniente de la microbanda es que está más limitada que otros tipos en el rango de impedancias características que puede alcanzar. Algunos diseños de circuitos requieren impedancias características de 150 Ω o más. La microbanda no suele ser capaz de alcanzar ese valor, por lo que o bien esos circuitos no están disponibles para el diseñador o bien se debe prever una transición a otro tipo para el componente que requiere la alta impedancia. [37]
La tendencia de las microbandas a radiar 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 microbanda, y una variante de la de parche, la antena plana de F invertida , es la antena más utilizada en dispositivos móviles. [38]
La microbanda suspendida tiene el mismo objetivo que la línea de tira suspendida: poner el campo en el aire en lugar de en el 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. [44]
La microbanda invertida tiene propiedades similares a la microbanda suspendida con el beneficio adicional de que la mayor parte del campo está contenido en el aire entre el conductor y la placa de tierra. Hay muy poco campo disperso por encima del sustrato disponible para vincular a otros componentes. La microbanda invertida atrapada protege la línea en tres lados, impidiendo algunos modos de orden superior que son posibles con las estructuras más abiertas. Colocar la línea en una caja protegida evita por completo cualquier acoplamiento disperso, pero ahora el sustrato debe cortarse para que encaje en la caja. Fabricar un dispositivo completo en un sustrato grande no es posible utilizando esta estructura. [45]
La guía de ondas coplanar (CPW) tiene los conductores de retorno sobre el 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 como para que se pueda considerar que se extienden hasta el infinito. Al igual que la microbanda, la CPW tiene una propagación cuasi-TEM. [46]
El CPW es más sencillo de fabricar; sólo hay un plano de metalización y los componentes pueden montarse en superficie, ya sea que estén conectados en serie (atravesando una interrupción en la línea) o en derivación (entre la línea y la tierra). Los componentes en derivación en líneas de cinta y microcintas requieren una conexión hasta la parte inferior del sustrato. El 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, el 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 utilizar para montar componentes, aunque es posible en algunos diseños lograr una mayor densidad de componentes que la microbanda. Más grave aún, existe 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 son indeseables, 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. Esto se puede lograr con un plano de tierra inferior (guía de onda coplanar con respaldo de conductor, CBCPW) y orificios pasantes chapados periódicos, o puentes de aire periódicos en la parte superior de la placa. Ambas soluciones restan valor a la simplicidad básica del CPW. [48]
Las tiras coplanares (también llamadas líneas de tiras coplanares [53] o líneas diferenciales [54] ) se utilizan generalmente 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 dispersos son demasiado grandes en las frecuencias de microondas. Por otro lado, la falta de planos de tierra significa que el tipo es apto para su incrustación en estructuras multicapa. [55]
Una línea de ranura es una ranura cortada en la metalización sobre el sustrato. Es el doble de una microbanda, una línea dieléctrica rodeada de un conductor en lugar de una línea conductora rodeada de un dieléctrico. [56] El modo de propagación dominante es híbrido, cuasi-TE con un pequeño componente longitudinal del campo eléctrico. [57]
La línea de ranura es esencialmente una línea balanceada , a diferencia de la línea de tira y la microbanda, que son líneas no balanceadas . Este tipo hace que sea particularmente fácil conectar componentes a la línea en derivación; los componentes de montaje superficial 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 (compara la microbanda donde disminuye con el ancho) por lo que no hay problemas con la resolución de impresión para líneas de alta impedancia. [58]
Una desventaja de la línea de ranura es que tanto la impedancia característica como la velocidad de grupo varían fuertemente con la frecuencia, lo que hace que la línea de ranura sea más dispersiva que la microbanda. La línea de ranura también tiene un Q relativamente bajo . [59]
La línea de ranuras antípoda se utiliza cuando se requieren impedancias características muy bajas. Con líneas dieléctricas, una baja impedancia significa líneas estrechas (lo opuesto al caso de las líneas conductoras) y existe 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 ningún peligro de cortocircuito. La línea de ranuras bilateral tiene ventajas similares a las de la línea de bandas de aire 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 al restringir la onda entre dos filas de postes o agujeros pasantes chapados y planos de tierra por encima y por debajo del sustrato. El modo dominante es un modo cuasi-TE. La SIW está pensada 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 efectivamente cerrada, tiene considerablemente menos pérdida de radiación que la microbanda. No hay acoplamiento no deseado de campos dispersos a otros componentes del circuito. La SIW también tiene un alto Q y un alto manejo de potencia y, como tecnología planar, es más fácil de integrar con otros componentes. [64]
La SIW se puede implementar en placas de circuito impreso o como cerámica cocida a baja temperatura (LTCC). Esta última es particularmente adecuada para implementar SIW. Los circuitos activos no se implementan directamente en SIW: la técnica habitual es implementar la parte activa en línea de banda a través de una transición de línea de banda a SIW. Las antenas se pueden crear directamente en SIW cortando ranuras en los planos de tierra. Se puede hacer una antena de bocina ensanchando las filas de postes en el extremo de una guía de ondas. [65]
Existe una versión SIW de la guía de ondas de cresta. La guía de ondas de cresta es una guía de ondas de metal hueca rectangular con una pared longitudinal interna que atraviesa parcialmente el plano E. La principal ventaja de la guía de ondas de cresta es que tiene un ancho de banda muy amplio. La SIW de cresta 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. [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 cuasiplanar . [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 exponiendo el dieléctrico y es este el que actúa como una línea de transmisión. Por lo tanto, Finline es un tipo de guía de ondas dieléctrica y puede verse como una línea de ranura protegida. [68]
El filtro Finline es similar a la guía de ondas de cresta en que la metalización del sustrato representa la cresta (la "aleta") y el filtro Finline 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 fina de metal con piezas cortadas (normalmente, una serie de agujeros rectangulares) e insertarla en la guía de ondas de la misma manera que el filtro Finline. Un filtro Finline puede implementar patrones de complejidad arbitraria, mientras que el filtro de inserción de metal está limitado por la necesidad de soporte mecánico e integridad. [69]
El 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 onda 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 onda completa para un diseño complejo conserva la baja pérdida del dieléctrico de aire, pero sería mucho más voluminosa que el finline y significativamente más cara de fabricar. Una ventaja adicional del finline es que puede lograr un rango particularmente amplio de impedancias características. La polarización de transistores y diodos no se puede lograr en finline alimentando corriente de polarización por la línea de transmisión principal, como se hace en stripline y microstrip, ya que el finline no es un conductor. Se deben realizar arreglos separados para la polarización en finline. [71]
La línea finline unilateral es el diseño más simple y más fácil de fabricar, pero la línea finline bilateral tiene una pérdida menor, como la línea de banda suspendida bilateral, y por razones similares. La alta Q de la línea finline bilateral a menudo la convierte en la opción para aplicaciones de filtro. La línea 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 finline aislada se utiliza en circuitos que contienen componentes activos que necesitan líneas de polarización. La Q de la línea finline aislada es menor que la de otros tipos de línea finline, por lo que no se suele utilizar de otro modo. [77]
Imageline, también línea de imagen o guía de imagen , es una forma plana de guía de onda de placa dieléctrica . Consiste en una tira de dieléctrico, a menudo alúmina, sobre una lámina de metal. En este tipo, no hay un 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 dando como resultado una línea que es equivalente a una placa 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 parte experimental. Por ejemplo, los factores Q en los miles son teóricamente posibles, pero la radiación de las curvas y las pérdidas en el adhesivo dieléctrico-metal reducen significativamente esta cifra. Una desventaja de imageline es que la impedancia característica está fija en un solo valor 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 producirse la propagación. A medida que la frecuencia se acerca a cero, el componente longitudinal del campo disminuye y el modo se aproxima asintóticamente al modo TEM. Por lo tanto, Imageline comparte la propiedad de poder propagar ondas a frecuencias arbitrariamente bajas con las líneas de tipo TEM, aunque en realidad no puede admitir una onda TEM. A pesar de esto, Imageline no es una tecnología adecuada a 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 el caso de la línea de imagen insular, se deposita una fina capa de aislante de baja permitividad sobre el plano de tierra metálico y la línea de imagen de mayor permitividad se coloca encima de ésta. La capa aislante tiene el efecto de reducir las pérdidas del conductor. 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]
La línea de rib 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 la línea de imagen, 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 la línea de imagen y la línea de rib estándar. La guía dieléctrica de tira invertida tiene menores pérdidas del conductor porque el campo en el sustrato se ha alejado del conductor, pero tiene mayores pérdidas de radiación. [82]
Los circuitos multicapa se pueden construir en circuitos impresos o circuitos integrados monolíticos, pero el 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. [83]
Las distintas partes de un sistema se pueden implementar mejor en distintos tipos. Por lo tanto, se requieren transiciones entre los distintos tipos. Las transiciones entre tipos que utilizan líneas conductoras no balanceadas son sencillas: se trata principalmente de una cuestión de proporcionar continuidad al conductor a través de la transición y asegurar una buena coincidencia de impedancia. Lo mismo puede decirse de las transiciones a tipos no planos, como el coaxial. Una transición entre una línea de cinta y una microcinta debe garantizar que ambos planos de tierra de la línea de cinta estén adecuadamente unidos eléctricamente al plano de tierra de la microcinta. Uno de estos planos de tierra puede ser continuo a través de 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 microcinta 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 onda son más complejas. En estos casos, se requiere un cambio de modo. Las transiciones de este tipo consisten en formar algún tipo de antena en un tipo que actúe como lanzador hacia el nuevo tipo. Ejemplos de esto son las guías de onda coplanares (CPW) o las microbandas convertidas a líneas de ranura o guías de onda integradas en sustrato (SIW). Para dispositivos inalámbricos, también se requieren transiciones a las antenas externas. [89]
Las transiciones hacia y desde una línea fina se pueden tratar de manera similar a la línea de ranura. Sin embargo, es más natural que las transiciones de línea fina vayan a la guía de ondas; la guía de ondas ya está allí. Una transición simple a la guía de ondas consiste en una disminución exponencial suave ( antena Vivaldi ) de la línea fina desde una línea estrecha hasta la altura completa de la guía de ondas. La primera aplicación de la línea fina fue el lanzamiento a la guía de ondas circular. [90]
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 consta de un extremo radial dieléctrico . El componente que se muestra 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 la cantidad 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 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 puede haber experimentado con líneas coplanares ya en la década de 1930, pero la primera línea de transmisión planar documentada fue stripline, inventada por Robert M. Barrett del Air Force Cambridge Research Center , y publicada por Barrett y Barnes en 1951. Aunque la publicación no se produjo hasta la década de 1950, stripline en realidad se había utilizado durante la Segunda Guerra Mundial . Según Barrett, el primer divisor de potencia stripline fue construido por VH Rumsey y HW Jamieson 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 no era al principio 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 stripline de aire. Microstrip fue fabricado por ITT . Más tarde, Sanders Associates fabricó stripline relleno de dieléctrico bajo la marca triplate . Stripline se convirtió en un término genérico para stripline relleno de dieléctrico y ahora se usa stripline de aire o stripline suspendido para distinguir el tipo original. [93]
Inicialmente, se prefirió el Stripline 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 inclinó la balanza hacia el microstrip. La miniaturización también conduce a favorecer el microstrip porque sus desventajas no son tan graves en un circuito miniaturizado. El Stripline todavía se elige cuando se requiere el funcionamiento en una banda ancha. [94] La primera línea dieléctrica de placa plana, imageline, se debe a King en 1952. [95] King utilizó inicialmente el imageline semicircular, lo que lo hace equivalente al dieléctrico de varilla circular ya bien estudiado. [96] La primera línea dieléctrica plana impresa, Slotline, se debe a Cohn en 1968. [97] La guía de ondas coplanar se debe a Wen en 1969. [98] La tecnología impresa Finline se debe a Meier en 1972, [99] aunque Robertson creó estructuras similares a finline mucho antes (1955-56) con insertos metálicos. 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 planares se hacían como piezas discretas conectadas entre sí, normalmente con líneas coaxiales y conectores. Rápidamente se comprendió que el tamaño de los circuitos podía reducirse enormemente conectando directamente los componentes entre sí con líneas planares dentro de la misma carcasa. Esto condujo al concepto de MIC híbridos : híbridos porque se incluían componentes concentrados en los diseños conectados entre sí con líneas planares. Desde la década de 1970, ha habido una gran proliferación de nuevas variaciones de los tipos planares básicos para ayudar a la miniaturización y la producción en masa. Una mayor miniaturización se hizo posible con la introducción de los MMIC . En esta tecnología, las líneas de transmisión planares se incorporan directamente en la placa 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. Dichos circuitos son una clase de circuitos de elementos distribuidos . Los acopladores direccionales de tipo microstrip y de tipo 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 línea dieléctrica como slotline o finline con los roles del conductor y el aislante invertidos. Los anchos de línea de los dos tipos están inversamente relacionados ; las líneas conductoras estrechas dan como resultado una alta impedancia, pero en líneas dieléctricas, el resultado es una baja impedancia. Otro ejemplo de circuitos duales es el filtro de paso de banda que consiste en líneas acopladas que se muestran en C en forma de conductor y en D en forma dieléctrica. [104]
Cada sección de línea actúa como un 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 de ranura que presenta una mezcla de alimentaciones CPW y de línea de ranura en sus puertos . La versión de microbanda de este circuito requiere que una sección del anillo tenga una longitud de onda de tres cuartos. En la versión de línea de ranura/CPW, todas las secciones tienen una longitud de onda de un cuarto porque hay una inversión de fase de 180° en la unión de la línea de ranura. [106]