5.12: Resumen
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El acoplamiento de una línea de transmisión a un vecino cercano a menudo puede ser indeseable. Sin embargo, el acoplamiento puede controlarse y las líneas acopladas se han convertido en un componente de circuito importante en los circuitos de microondas distribuidos. Un ejemplo es un acoplador direccional, que es poco más que un par de líneas acopladas, y este dispositivo forma la función especial de separar las ondas que viajan hacia adelante y hacia atrás. Otro ejemplo de la aplicación de líneas acopladas es su uso en filtros de microondas. Los filtros de paso de banda son esencialmente resonadores acoplados. En un filtro que utiliza líneas acopladas, cada línea individual se convierte en un resonador y el acoplamiento de los resonadores se controla por lo lejos que están espaciados.
El análisis y modelo de circuito de un par de líneas acopladas se basa en describir los voltajes y corrientes en las líneas como la combinación lineal de un modo par y un modo impar. Cada uno de estos modos tendrá componentes de onda que viajan hacia adelante y hacia atrás. La separación de las señales en un par de líneas acopladas en modos pares e impares facilita la extracción de los parámetros de la línea acoplada de la simulación y la medición. También permite desarrollar un modelo de la línea acoplada que consiste en líneas individuales acopladas por transformadores.
Con los circuitos diferenciales utilizados con los RFIC es más conveniente considerar las señales en un par de líneas acopladas como que comprenden modos común y diferencial. Estos pueden estar directamente relacionados con los modos pares e impares y la diferencia se reduce a las definiciones de voltaje promedio (es decir, los voltajes de modo común y par) y la definición de la tensión de diferencia (es decir, los voltajes de modo diferencial e impar). Hay una diferencia similar para las corrientes.
El conjunto de elementos de microondas que explotan los efectos distribuidos disponibles para un diseñador de microondas es sorprendentemente grande. Las líneas acopladas comprenden una gran proporción de estos elementos. Este capítulo concluye con un ejemplo de la respuesta de banda ancha de un par de líneas de microcinta acopladas.
Entorno de Diseño Archivo de Proyecto: RFDesign Coupled Shorted Microstrip lines.EMP
En este ejemplo se examina un par de líneas de microcinta acopladas en cortocircuito usando análisis EM. La disposición de las líneas acopladas se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\). La caja utilizada en simulación tiene paredes laterales y superiores eléctricas. El fondo de la caja (debajo de las tiras) es una pared eléctrica y forma el plano de tierra. El plano de tierra se especifica como oro y la conductividad finita del oro se utiliza para las bandas y el plano de tierra. Las líneas acopladas aquí están dispuestas como una estructura de dos puertos. Los\((S)\) parámetros de dispersión se utilizan para describir las características de las estructuras de microondas. El coeficiente de transmisión es\(S_{21}\), y para una estructura coincidente\(S_{11}\) es el coeficiente de reflexión. La estructura de línea acoplada es simétrica, ya que los anchos de las tiras son los mismos de manera que\(S_{11} = S_{22}\) y\(S_{12} = S_{21}\). Cada línea de microcinta por sí misma fue diseñada para tener una impedancia característica de\(50\:\Omega\).
Los parámetros S de dos puertos calculados se representan en la Figura\(\PageIndex{2}\). La pérdida de\(0\text{ dB}\) corresponde a un\(S\) parámetro valor absoluto de\(1\). \(S_{21}\)Las respuestas grandes se centran en\(1.5\text{ GHz},\: 7.5\text{ GHz},\)\(13\text{ GHz}\) y se configuran como respuestas de filtro de paso de banda. Esto sugiere que las secciones de línea acopladas podrían usarse como base de filtros de paso de banda de microondas. Las frecuencias de banda de paso están relacionadas con las longitudes de las líneas. La constante dieléctrica efectiva para una de las líneas de microcinta es\(6.5\) (de la Tabla 3.5.1) y así en\(1.5\text{ GHz}\) la longitud de la\(1\text{ cm}\) línea\(7.5\text{ GHz}\) es\(\lambda/8\)\(5\lambda/8\) larga, en es larga y en\(13\text{ GHz}\) ella es\(9\lambda/8\) larga. Las longitudes de ida\(\lambda/4,\: 5\lambda /4,\) y vuelta son y\(9\lambda /4\) largas en las frecuencias respectivas. Así, las longitudes de ida y vuelta están separadas por\(\lambda\) y así la adición de secciones de media longitud de onda de línea sin pérdidas no tiene impacto en la reflexión y amplitudes de respuesta transmitida.
Figura\(\PageIndex{1}\): Disposición de línea de microcinta acoplada: (a) esquema; y (b) disposición en un solucionador de campo EM. Las dimensiones de las líneas acopladas son\(w = 500\:\mu\text{m},\: s = 100\:\mu\text{m},\:\ell = 1\text{ cm},\: W = 6\text{ mm},\: L = 12\text{ mm}\). El metal es oro\(6\:\mu\text{m}\) grueso (conductividad\(\sigma = 42.6\times 10^{6}\)) y la altura del sustrato de alúmina es\(600\:\mu\text{m}\) con permitividad relativa\(\varepsilon_{r} = 9.8\) y una tangente de pérdida de\(0.001\).
Figura\(\PageIndex{2}\): Pérdida de inserción\((S_{21})\) y pérdida\((S_{11})\) de retorno de la línea acoplada de la Figura\(\PageIndex{1}\).