Guía de ondas coplanar

La guía de ondas coplanar es un tipo de línea de transmisión eléctrica planar que se puede fabricar mediante tecnología de circuitos impresos y se utiliza para transmitir señales de frecuencia de microondas. A menor escala, las líneas de transmisión de guía de ondas coplanares también se integran en circuitos integrados monolíticos de microondas .

Una guía de onda coplanar convencional ( CPW ) consta de una única pista conductora impresa sobre un sustrato dieléctrico , junto con un par de conductores de retorno, uno a cada lado de la pista. Los tres conductores se encuentran en la misma cara del sustrato y, por lo tanto, son coplanares . Los conductores de retorno están separados de la pista central por un pequeño espacio, cuyo ancho es constante a lo largo de la línea. Alejándose del conductor central, los conductores de retorno suelen extenderse a una distancia considerable, de modo que cada uno constituye, conceptualmente, un plano semiinfinito.

La guía de onda coplanar con respaldo conductor ( CBCPW ), también conocida como guía de onda coplanar con tierra ( CPWG ), es una variante común que tiene un plano de tierra que cubre toda la cara posterior del sustrato. ^{[ 2 ] [ 3 ]} El plano de tierra sirve como un tercer conductor de retorno.

La guía de ondas coplanar fue inventada en 1969 por Cheng P. Wen, principalmente como un medio para incorporar componentes no recíprocos , como giradores y aisladores, en circuitos de líneas de transmisión planares. ^{[ 4 ]}

La onda electromagnética transportada por una guía de onda coplanar existe parcialmente en el sustrato dieléctrico y parcialmente en el aire que lo rodea. En general, la constante dieléctrica del sustrato será diferente (y mayor) que la del aire, por lo que la onda se propaga en un medio no homogéneo. En consecuencia, la guía de onda coplanar no soporta una verdadera onda TEM ; a frecuencias distintas de cero, tanto el campo E como el campo H tendrán componentes longitudinales (un modo híbrido ). Sin embargo, estas componentes longitudinales suelen ser pequeñas y el modo se describe mejor como cuasi-TEM. ^{[ 5 ]}

Los dispositivos giromagnéticos no recíprocos , como los aisladores resonantes y los desfasadores diferenciales ^{[ 6 ],} dependen de una señal de microondas que presenta un campo magnético giratorio (polarizado circularmente) a un cuerpo de ferrita magnetizado estáticamente . La línea de transmisión coplanar (CPW) puede diseñarse para producir precisamente dicho campo magnético giratorio en las dos ranuras entre los conductores central y lateral.

El sustrato dieléctrico no tiene efecto directo sobre el campo magnético de una señal de microondas que viaja a lo largo de la línea CPW. En cuanto al campo magnético, la CPW es simétrica en el plano de la metalización , entre el lado del sustrato y el lado del aire. Por consiguiente, las corrientes que fluyen por trayectorias paralelas en caras opuestas de cada conductor (en el lado del aire y en el lado del sustrato) están sujetas a la misma inductancia, y la corriente total tiende a dividirse equitativamente entre ambas caras.

Por el contrario, el sustrato sí afecta al campo eléctrico, de modo que la cara del sustrato aporta una capacitancia mayor a través de las ranuras que la cara de aire. La carga eléctrica se acumula o se descarga con mayor facilidad en la cara del sustrato de los conductores que en la cara de aire. Como resultado, en los puntos de la onda donde la corriente invierte su dirección, la carga se derrama sobre los bordes de la metalización entre la cara de aire y la cara del sustrato. Esta corriente secundaria sobre los bordes genera un campo magnético longitudinal (paralelo a la línea) en cada una de las ranuras, que está en cuadratura con el campo magnético vertical (normal a la superficie del sustrato) asociado a la corriente principal a lo largo de los conductores.

Si la constante dieléctrica del sustrato es mucho mayor que la unidad, entonces la magnitud del campo magnético longitudinal se aproxima a la del campo vertical, de modo que el campo magnético combinado en las ranuras se aproxima a la polarización circular. ^{[ 4 ]}

Las guías de onda coplanares desempeñan un papel importante en el campo de la computación cuántica de estado sólido , por ejemplo, para el acoplamiento de fotones de microondas a un cúbit superconductor. En particular, el campo de investigación de la electrodinámica cuántica de circuitos se inició con resonadores de guía de onda coplanares como elementos cruciales que permiten una alta intensidad de campo y, por lo tanto, un fuerte acoplamiento a un cúbit superconductor al confinar un fotón de microondas a un volumen mucho menor que el cubo de la longitud de onda. Para mejorar aún más este acoplamiento, se aplicaron resonadores de guía de onda coplanares superconductores con pérdidas extremadamente bajas. ^{[ 7 ] [ 8 ]} (Los factores de calidad de dichos resonadores coplanares superconductores a bajas temperaturas pueden superar 10 ⁶ incluso en el límite de baja potencia. ^{[ 9 ]} ) Los resonadores coplanares también pueden emplearse como buses cuánticos para acoplar múltiples cúbits entre sí. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

Otra aplicación de las guías de onda coplanares en la investigación del estado sólido es para estudios que involucran resonancia magnética, por ejemplo para espectroscopia de resonancia de espín electrónico ^{[ 12 ]} o para magnónica . ^{[ 13 ]}

También se han empleado resonadores de guía de onda coplanares para caracterizar las propiedades del material de películas delgadas superconductoras ( de alta T _{c ).} ^{[ 14 ] [ 15 ]}

• Guía de ondas (electromagnetismo)
• Microtira
• Línea de producción
• Guía de ondas posterior a la pared
• Ecuaciones del telegrafista
• A través de la valla