3.3: Estructuras Planas de Línea de Transmisión

Las líneas de transmisión planas son las líneas de transmisión más comunes para circuitos digitales, RF y microondas de alta velocidad. En la Figura 3.2.1 se muestran dos estructuras de líneas de transmisión planas. La razón por la que estos son tan populares es que se pueden producir en masa. Para la línea de microcinta en la Figura 3.2.1 (a) el proceso de fabricación comienza con una lámina dieléctrica con capas de metal sólido en la parte superior e inferior. Uno de estos está cubierto con un material fotosensible, llamado fotorresistente, expuesto a un patrón preparado que define la red de línea de interconexión, luego se desarrolla el fotorresistente y se graba el metal no expuesto (o expuesto, dependiendo de si el fotorresistente es positivo o negativo) en un lado. La línea de cinta en la Figura 3.2.1 (b) se fabrica de manera similar a la microcinta pero seguida de un paso más en el que una lámina dieléctrica con un plano de tierra solo se une en la parte superior.

Hay dos categorías principales de líneas de transmisión planas que se pueden clasificar de acuerdo con la uniformidad del medio que rodea los conductores de la línea de transmisión. Cuando el medio de incrustación es uniforme, las estructuras de la línea de transmisión se denominan homogéneas. Si hay dos o más regiones con diferente permitividad la línea de transmisión se denomina no homogénea. Las estructuras de líneas de transmisión planas más importantes se muestran en la Figura dirección\(\PageIndex{1}\) longitudinal). Líneas de transmisión donde se encuentran los campos longitudinales

Figura\(\PageIndex{1}\): Secciones transversales de varias estructuras de líneas de transmisión planas homogéneas y no homogéneas.

casi insignificantes son referidos como soportar un modo TEM, y se les llama líneas TEM.

Las líneas no homogéneas más importantes se muestran en la Figura\(\PageIndex{1}\) (a—c). La principal diferencia entre los dos conjuntos de configuraciones (homogéneas y no homogéneas) es la variación dependiente de la frecuencia de las distribuciones de campo EM con líneas no homogéneas. Con líneas no homogéneas, los campos EM no se limitan completamente al plano transversal aunque los conductores sean perfectos. Sin embargo, están confinadas en gran medida al plano transversal y por lo tanto estas líneas se denominan líneas cuasi-tem. Las líneas no homogéneas son más sencillas de hacer. Cada estructura de línea de transmisión comprende una combinación de metal (mostrado como negro denso) y dieléctrico (indicado por la región sombreada y que tiene permitividad\(\varepsilon\)). Es común no designar por separado la permeabilidad,\(\mu\) µ, de los materiales porque, a excepción de los materiales magnéticos,\(\mu=\mu_{0}\). La región con permitividad\(\varepsilon_{0}\) es el aire. En la mayoría de los casos, el dieléctrico soporta principalmente el patrón metálico, actuando como sustrato, e influye claramente en la propagación de la onda. La elección real de la estructura depende de varios factores, incluyendo la frecuencia de operación y el tipo de sustrato y sistema de metalización disponible.

3.3.1 Microbanda

Nota

Los circuitos de microondas en sustratos semiconductores compuestos (por ejemplo, GaAs) se denominan circuitos integrados de microondas monolíticos (MMIC). Los circuitos de microondas en sustratos semiconductores de silicio (Si) se denominan circuitos integrados de radiofrecuencia (RFIC) Los circuitos integrados de microondas (MICs) también se denominan MIC híbridos.

Microstrip (Figura\(\PageIndex{1}\) (a)) es la estructura más simple de fabricar comenzando con un sustrato dieléctrico delgado con metal en ambos lados. Una lámina metálica se mantiene como plano de tierra eléctrica mientras que la otra se modela mediante fotolitografía. El metal se graba químicamente para formar una red de transmisión de microcinta. Aunque la microcinta tiene una estructura geométrica muy simple, los campos EM involucrados son complejos y no se pueden determinar analíticamente. Sin embargo, los enfoques simples para los cálculos de campo combinados con expresiones dependientes de la frecuencia producen diseños bastante precisos. Los circuitos integrados de microondas (MICs) que utilizan microcinta se pueden diseñar para frecuencias de hasta varias decenas de gigahercios. A frecuencias más altas, particularmente en los rangos de longitud de onda milimétricos (arriba\(30\text{ GHz}\)), las pérdidas (incluida la radiación) aumentan significativamente, las características de la línea de transmisión varían mucho con la frecuencia (llamada dispersión de frecuencia), las direcciones de campo no pueden ser confinadas al plano transversal, y las tolerancias de fabricación se vuelven extremadamente difíciles de cumplir ya que el grosor requerido del sustrato se vuelve muy delgado. Con CI monolíticos, las tolerancias de fabricación son mucho más finas que con los MICs híbridos y las opciones disponibles tanto para microcinta como para otras estructuras de transmisión se extienden.

3.3.2 Guía de ondas coplanaria

La guía de ondas coplanaria (CPW)\(\PageIndex{1}\) (Figura (b)) [1] soporta un modo de propagación cuasi-tem con la metalización activa y los planos de tierra en el mismo lado del sustrato. Cada conductor de “plano lateral” está conectado a tierra y la tira central lleva la señal, por lo tanto, mucho menos campo ingresa al sustrato en comparación con la microcinta. En los CPW convencionales los planos de tierra se extienden indefinidamente, pero en el CPW de tierra finito (FGCPW), la extensión de los terrenos es limitada. Es importante conectar las tiras de tierra cada décima parte de una longitud de onda más o menos. Esto se hace usando enlaces de alambre, a través de estructuras, o en forma de circuito integrado usando puentes aéreos. CPW hace un buen trabajo al suprimir la radiación, tiene dispersión de baja frecuencia y se prefiere a microstrip para grandes circuitos distribuidos espacialmente a frecuencias superiores\(20\text{ GHz}\) o así. Tiene inconvenientes, incluyendo el aumento del área requerida (en comparación con la microcinta) y la necesidad de usar correas de tierra.

3.3.3 Franja coplanar y Línea Diferencial

Esta estructura de transmisión simple (Figura\(\PageIndex{1}\) (c)) está formada por dos conductores en un mismo plano. Al igual que con la línea diferencial incrustada, la posible existencia de planos de tierra es incidental e idealmente estos no deberían influir en el patrón de campo. En una realización, uno de los conductores está conectado a tierra, y esta forma se denomina línea de cinta coplanar o tira coplanar (CPS) [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12]. En esta configuración, CPS se utiliza como una variación de área eficiente de CPW. Cuando ninguno de los conductores está conectado a tierra y la línea se acciona diferencialmente, la interconexión se llama línea diferencial. Una línea diferencial se usa ampliamente con los RFIC y en redes críticas en CI digitales de alta velocidad. Las dos formas tienen características eléctricas esencialmente idénticas, con diferencias resultantes de la interacción con otras estructuras metálicas como los planos de tierra.

Los RFIC basados en silicio generalmente utilizan señalización diferencial para señales analógicas para superar el problema del acoplamiento de campo en circuitos de alta densidad y problemas debidos a la conductividad finita del sustrato de silicio que da como resultado altos niveles de ruido de circuito en el sustrato. Las corrientes en cada una de las trayectorias de señal diferencial se equilibran entre sí y así cada una proporciona la ruta de retorno de señal para la otra. Esta práctica de diseño elimina efectivamente las corrientes de RF que se producirían en los conductores de tierra.

3.3.4 Stripline

Stripline (Figura\(\PageIndex{1}\) (d)) es una estructura simétrica algo así como una línea coaxial completamente aplanada de manera que el conductor central es una tira metálica rectangular y el metal conectado a tierra externo es una caja rectangular extendida. Toda la estructura está\(100\%\) llena de dieléctrico, y por lo tanto la transmisión es TEM y completamente dependiente de la permitividad relativa,\(\varepsilon_{r}\). Por lo tanto, la longitud de onda es simplemente el valor del espacio libre dividido por la raíz cuadrada de\(\varepsilon_{r}\). Stripline se fabrica de manera similar a la microcinta, pero ahora se coloca un sustrato con un respaldo plano de tierra en la parte superior.

Figura\(\PageIndex{2}\): Una línea de microcinta modelada como una línea de microcinta de espesor cero. También se muestra una estructura simplificada alternativa más precisa.

3.3.5 Línea Diferencial Embedded

Esta estructura de transmisión simple (Figura\(\PageIndex{1}\) (e)) se forma al tener solo dos conductores incrustados en un sustrato sin plano de tierra específico. En esta estructura la posible existencia de planos terrestres es incidental, e idealmente estos no deberían influir en el patrón de campo. Esencialmente, el sustrato actúa como un elemento de soporte mecánico y un modo cuasi-TEM forma la distribución principal del campo de propagación.