1.2: Esquema del libro

Las ecuaciones del telegrafista, utilizadas para analizar líneas de transmisión, y sus interpretaciones se presentan en el Capítulo 2 donde se presenta la teoría de líneas de transmisión. Esto lleva al análisis de líneas de transmisión terminadas con resultados clave como estas pueden ser utilizadas como elementos de circuito para realizar inductores y capacitores de banda estrecha. El capítulo concluye desarrollando modelos de circuitos de líneas de transmisión que sean adecuados para su uso en simuladores de circuitos y en el diseño de circuitos utilizando líneas de transmisión.

Los capítulos 2 a 6 describen las líneas de transmisión y la explotación de los efectos de transmisión que se utilizan en la ingeniería de RF y microondas. Uno de los aspectos que distingue el diseño a unas pocas decenas de megahercios e inferiores del diseño por encima de unos pocos megahercios hasta un terahercio es que a bajas frecuencias el diseño procede con la suposición de que los elementos de circuito y, de hecho, circuitos completos existen en un punto y no hay tiempo de vuelo, por ejemplo, velocidad de la luz, limitación a una tensión y corriente en un punto de un circuito impactando instantáneamente el voltaje y la corriente en cualquier otro lugar del circuito. A medida que aumenta la frecuencia de funcionamiento de un circuito, el efecto de la velocidad finita de la luz se vuelve significativo y a menudo es necesario considerar los efectos distribuidos.

El capítulo 3 se centra en una clase de líneas de transmisión llamadas líneas planas que son líneas generalmente fabricadas a partir de un sustrato dieléctrico de baja pérdida con láminas metálicas en ambos lados. La línea de transmisión plana más importante es la línea de microcinta que se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\). Este es el más utilizado

Figura\(\PageIndex{1}\): Línea de transmisión Microstrip.

interconexión a frecuencias de microondas. La tira de la línea se forma modelando el conductor superior y grabando el metal no deseado. La distinción definitoria entre una línea de microcinta, y cualquier línea de transmisión plana, y una traza en una placa de circuito impreso es que a frecuencias de microondas se debe prestar atención a proporcionar una ruta de retorno de señal y mantener un entorno lo más uniforme posible para los campos eléctrico y magnético. Cualquier discontinuidad introducirá reflejos de la energía EM. Esto puede ser realmente deseable cuando se implementan elementos de circuito pero si no es importante que se mantenga la uniformidad geométrica. Considerando la línea de microcinta, ver Figura\(\PageIndex{1}\), el ancho,\(w\), de la tira y el grosor,\(h\), del sustrato definen la relación de las señales de voltaje y corriente que viajan a lo largo de la línea de microcinta. Esta relación se denomina impedancia característica de la línea y es crítico para la transmisión confiable de la señal, es decir, una buena integridad de la señal, que la geometría de la sección transversal sea la misma a lo largo de la línea ya que entonces la impedancia característica de la línea es constante.

Aunque de concepto simple, las líneas de transmisión planas necesitaban ser inventadas. Además de conceptualizar una línea de transmisión que puede realizarse grabando un conductor metálico plano en la placa de circuito impreso, es esencial proporcionar las herramientas analíticas que permitan calcular las características de propagación de la línea y permitir que estructuras como acopladores y filtros sean sintetizado usando líneas de transmisión planas. Los orígenes de la microcinta se remontan a desarrollos a principios de la década de 1940, comenzando con una línea coaxial con un conductor central plano que forma una línea coaxial rectangular [5]. En ese momento se utilizaban placas de circuitos impresos para circuitos de baja frecuencia. En 1949 estos se unieron cuando Barrett razonó que el conductor central grueso de la línea de transmisión coaxial rectangular podría ser muy delgado con poco efecto en las propiedades de la línea. Esto significó entonces que las técnicas de placa de circuito impreso de baja frecuencia podrían emplearse en circuitos de microondas y el sistema de línea de transmisión se conoció como línea de cinta [5, 6].

La evolución conceptual de la línea de cinta se muestra en la Figura\(\PageIndex{2}\). La configuración de línea de cinta se desarrolla intercalando una tira metálica entre dos láminas dieléctricas revestidas de metal. Como se imaginó inicialmente, la tira podría ser estampada o serigrafiada con tinta plateada. Hoy en día es más común comenzar con una lámina metálica continua unida a uno o ambos lados de una lámina dieléctrica. Un patrón de un material resistente al grabado se define fotolitográficamente en la lámina y el patrón de tira aparece después del grabado. El siguiente avance en 1952 cuando Grieg y Engelmann retiraron uno de los planos de tierra de stripline convirtiéndose así en microstrip [7]. Con una invención no basta con describir simplemente una estructura, en este caso se tuvo que proporcionar comprensión como se evidencia al presentar ecuaciones de diseño para las propiedades eléctricas de la línea. Las propiedades eléctricas esenciales de una línea de transmisión son su impedancia característica, la relación de las ondas de voltaje y corriente de desplazamiento en la línea, y su constante de propagación, que se relaciona con la velocidad de propagación de la tensión y la corriente

Figura\(\PageIndex{2}\): Evolución de la línea de transmisión de línea de cinta: (a) línea coaxial con un conductor central redondo; (b) línea coaxial cuadrada con un conductor central plano cuadrado; (c) línea coaxial rectangular con un conductor central plano; y (d) línea de cinta.

ondas en las líneas.

Las líneas planas no son líneas de transmisión ideales y se deben anticipar efectos no deseados y ajustar el diseño para reducir su ocurrencia o impacto. Estos efectos extraordinarios se consideran en el Capítulo 4. Comprender y anticipar estos efectos es realmente donde entra en juego el arte del diseño de microondas. Muchos de los efectos ocurren cuando las dimensiones son demasiado grandes pero al mismo tiempo la capacidad de fabricación mejora cuando las dimensiones son grandes, por lo que se requiere una compensación de diseño. Rara vez es un diseño exitoso en la primera pasada. Por lo tanto, es importante que un ingeniero de microondas interprete resultados indeseables y sepa qué modificar en un diseño. Es difícil hacer mediciones a frecuencias de microondas ya que cualquier cosa que se introduzca en una medición, por ejemplo, una sonda, tendrá un impacto significativo en un circuito. A menudo se requieren algunas mediciones indirectas, algunos análisis y una gran intuición para identificar correctamente y, por lo tanto, resolver problemas de diseño.

El capítulo 4 comienza considerando las características dependientes de la frecuencia de las líneas planas y luego pasa al desarrollo de ecuaciones de análisis y conceptos de diseño para líneas de microcinta a altas frecuencias. A medida que las dimensiones transversales de una línea plana se aproximan a una longitud de onda, digamos mayor que una décima parte de una longitud de onda, es posible que la señal EM viaje por la línea en dos (o más campos) orientaciones llamadas modos y estas viajan a diferentes velocidades y corrompen una señal. El multimodo casi siempre es indeseable, por lo que comprender los orígenes de múltiples modos y diseñar para evitar múltiples modos es una consideración importante. Sin embargo, en algunas situaciones estos modos se explotan, por ejemplo, al realizar un inductor de área pequeña en un RFIC.

Cuando dos líneas planas están cerca una de la otra, los campos de una línea pueden estar cerca de la otra línea y las líneas están acopladas. Una porción de la energía de una señal que viaja en una de las líneas puede aparecer en la otra línea. Muchos elementos de circuito se pueden desarrollar explotando líneas acopladas en paralelo (PCL). El capítulo 5 comienza presentando la física del acoplamiento y luego una generalización de las ecuaciones del telegrafista para líneas de transmisión acopladas. Se desarrollan enfoques de diseño y modelos de circuitos y los modelos de circuitos permiten la síntesis de diseños de microondas utilizando líneas acopladas paralelas Se presentan varios elementos de circuito PCL pero muchos más se describirán en otros volúmenes de esta serie de libros.

El capítulo final de este volumen, Capítulo 6, trata sobre guías de onda rectangulares. En lugar de 'guía de ondas rectangular' solo se usa el término 'guía de ondas' con el entendimiento de que se está haciendo referencia a una guía de ondas rectangular. Esto es un poco confuso porque realmente todas las líneas de transmisión guían las ondas y también lo son las guías de onda. Una guía de onda rectangular es un tipo de línea de transmisión muy diferente que limita los campos EM dentro de una tubería metálica rectangular. Estos son elementos importantes que comienzan en bajas frecuencias de microondas,\(1\text{ GHz}\) y superiores, ya que pueden llevar señales muy potentes con muy poca pérdida. Casi siempre se utilizan en aplicaciones de radar y similares de alta potencia. Las guías de onda también son muy importantes a frecuencias más altas incluso cuando los niveles de potencia son relativamente bajos. A menudo se utilizan en\(15\text{ GHz}\) y por encima ya que tienen muy poca pérdida mientras que la pérdida de líneas coaxiales crece enormemente con la frecuencia. Con las guías de onda es muy difícil utilizar conceptos de voltaje y corriente excepto en anchos de banda fraccionarios muy estrechos, unos pocos por ciento como máximo. Esto significa que es muy difícil hacer el diseño de circuitos usando guías de onda.