Línea de transmisión planar

Las líneas de transmisión planares 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 operan a frecuencias de microondas , ya que el tipo planar se adapta bien a los métodos de fabricación de estos componentes. Las líneas de transmisión son más que simples interconexiones . En las 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 fracción considerable de la longitud de onda (a menudo se utiliza una décima parte como regla general), estas suposiciones ya no son válidas y debe utilizarse 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) para que su comportamiento eléctrico sea altamente predecible. A frecuencias más bajas, estas consideraciones solo son necesarias para los cables que conectan diferentes equipos, pero a frecuencias de microondas, la distancia a partir de la cual la teoría de líneas de transmisión se vuelve necesaria se mide en milímetros. Por lo tanto, se necesitan líneas de transmisión dentro de los circuitos.

El primer tipo de línea de transmisión planar fue concebido durante la Segunda Guerra Mundial por Robert M. Barrett. Se conoce como línea de tira y es uno de los cuatro tipos principales en uso moderno, junto con la microcinta , la línea de tira 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 líneas de transmisión planares, 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 soportar el mismo modo que un par de cables y, en consecuencia, tienen propiedades de transmisión diferentes. Muchos de estos tipos tienen un ancho de banda más estrecho y, en general, producen más distorsión de la señal que los pares de conductores. Sus ventajas dependen de los tipos exactos que se comparen, pero pueden incluir bajas pérdidas y un mejor rango de impedancia característica .

Las líneas de transmisión planares se pueden utilizar tanto para construir componentes como para interconectarlos. A frecuencias de microondas, los componentes individuales de un circuito suelen ser mayores que una fracción significativa de la longitud de onda. Esto significa que ya no se pueden tratar como componentes concentrados , es decir, como si existieran en un solo punto. Los componentes pasivos concentrados suelen ser poco prácticos a frecuencias de microondas, ya sea por esta razón o porque los valores requeridos son demasiado pequeños para su fabricación. Un patrón de líneas de transmisión puede utilizarse para la misma función que estos componentes. De esta forma, se pueden construir circuitos completos, denominados circuitos de elementos distribuidos . Este método se utiliza a menudo para filtros . Resulta especialmente atractivo para su uso con circuitos impresos e integrados, ya que estas estructuras se pueden fabricar con los mismos procesos que el resto del ensamblaje, simplemente aplicando patrones al sustrato existente. Esto confiere a las tecnologías planares una gran ventaja económica sobre otros tipos, como la línea coaxial .

Algunos autores distinguen entre línea de transmisión , que utiliza un par de conductores, y guía de onda , que no utiliza conductores o solo utiliza uno para confinar la onda en el dieléctrico. Otros usan los términos como sinónimos. Este artículo incluye ambos tipos, siempre que tengan forma planar. Los nombres utilizados son los comunes y no indican necesariamente el número de conductores. El término guía de onda , cuando se usa sin abreviaturas, se refiere a la guía de onda metálica hueca o rellena de dieléctrico , que no tiene forma planar.

Las líneas de transmisión planares son aquellas en las que los conductores son esencialmente planos. Los conductores consisten en tiras planas y, por lo general, 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 pueden construirse en formatos no planares, como cables o líneas coaxiales . Además de las interconexiones, existe una amplia gama de circuitos que pueden implementarse en líneas de transmisión. Estos incluyen filtros , divisores de potencia, acopladores direccionales , redes de adaptación de impedancia y circuitos de choque para proporcionar polarización a componentes activos. La principal ventaja de los tipos planares es que pueden fabricarse utilizando los mismos procesos que se emplean para fabricar circuitos impresos y circuitos integrados , en particular mediante el proceso de fotolitografía . Por lo tanto, las tecnologías planares son especialmente adecuadas para la producción en masa de dichos componentes. ^{[ 1 ]}

La fabricación de elementos de circuito a partir de líneas de transmisión resulta más útil en frecuencias de microondas . A frecuencias más bajas, la mayor longitud de onda hace que estos componentes sean demasiado voluminosos. En las frecuencias de microondas más altas, los tipos de líneas de transmisión planares suelen presentar demasiadas pérdidas , por lo que se utilizan guías de onda en su lugar. Sin embargo, las guías de onda son más voluminosas y su fabricación es más costosa. A frecuencias aún más altas , las guías de onda dieléctricas (como la fibra óptica ) se convierten en la tecnología preferida, aunque existen tipos planares de guías de onda dieléctricas disponibles. ^{[ 2 ]} Las líneas de transmisión planares más utilizadas (de cualquier tipo) son la línea de tira , la microcinta , la línea de tira suspendida y la guía de onda coplanar . ^{[ 3 ]}

Un parámetro importante para las líneas de transmisión es el modo de transmisión empleado. El modo describe los patrones del campo electromagnético causados ​​por la geometría de la estructura de transmisión. ^{[ 6 ]} Es posible que existan varios modos simultáneamente en la misma línea. Por lo general, se toman medidas para suprimir todos los modos excepto el deseado. ^{[ 7 ]} Sin embargo, algunos dispositivos, como el filtro de modo dual , dependen de la transmisión de más de un modo. ^{[ 8 ]}

La impedancia característica de una línea es la impedancia que encuentra una onda que viaja a lo largo de ella; depende únicamente de la geometría y los materiales de la línea y no se ve alterada por su terminación. Es necesario adaptar la impedancia característica de la línea plana a la impedancia de los sistemas a los que está conectada. Muchos diseños de filtros requieren líneas con diferentes impedancias características, por lo que resulta ventajoso para una tecnología disponer de un buen rango de impedancias alcanzables. Las líneas estrechas tienen una impedancia mayor que las líneas anchas. La impedancia máxima alcanzable está limitada por la resolución del proceso de fabricación, que impone un límite al ancho que pueden tener las líneas. El límite inferior está determinado por el ancho de la línea en el que podrían surgir modos de resonancia transversales 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 frecuentemente con secciones de línea de transmisión para crear filtros y otros dispositivos. Su factor Q limita la pendiente de los flancos del filtro y su selectividad . Los principales factores que determinan el Q de un resonador 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 suele usar epoxi reforzado con fibra de vidrio (grado FR-4 ). Los laminados cerámicos de alta permitividad ( PTFE , por ejemplo, la placa Rogers Corporation 6010) están específicamente diseñados para aplicaciones de microondas. A frecuencias de microondas más altas, se puede usar un material cerámico como el óxido de aluminio (alúmina) para circuitos integrados de microondas híbridos (MIC). A las frecuencias de microondas más altas, en la banda de milímetros , se puede usar un sustrato cristalino como el zafiro o el cuarzo . Los circuitos integrados de microondas monolíticos (MMIC) tendrán sustratos compuestos del material semiconductor del que está hecho el chip, como silicio o arseniuro de galio , o un óxido depositado sobre el chip, como dióxido de silicio . ^{[ 24 ]}

Las propiedades eléctricas del sustrato de mayor interés son la permitividad relativa (εr ₎ y la tangente de pérdidas ( 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 pérdidas es una medida de las pérdidas dieléctricas. Es deseable que sea lo más pequeña posible, especialmente en circuitos que requieren un factor Q alto . ^{[ 25 ]}

Entre las propiedades mecánicas de interés se incluyen el espesor y la resistencia mecánica requerida del sustrato. En algunos tipos, como las líneas de transmisión suspendidas y las líneas de aletas, es ventajoso que el sustrato sea lo más delgado posible. Los componentes semiconductores delicados montados sobre un sustrato flexible pueden dañarse. Para evitar este problema, se puede elegir un material duro y rígido como el cuarzo como sustrato, en lugar de una placa más fácil de mecanizar. En otros tipos, como las líneas de transmisión homogéneas, el sustrato puede ser mucho más grueso. Para las antenas impresas , que se adaptan a la forma del dispositivo , se requieren sustratos flexibles y, por lo tanto, muy delgados. El espesor requerido para el rendimiento eléctrico depende de la permitividad del material. El acabado superficial es importante; puede ser necesaria cierta rugosidad para asegurar la adhesión de la metalización, pero un exceso provoca pérdidas de conducción (ya que la rugosidad resultante de la metalización se vuelve significativa en comparación con la profundidad de penetración ). Las propiedades térmicas también pueden ser importantes. La expansión térmica modifica las propiedades eléctricas de las líneas y puede romper los orificios metalizados . ^{[ 26 ]}

Diferentes partes de un sistema pueden implementarse mejor con distintos tipos. Por lo tanto, se requieren transiciones entre los distintos tipos. Las transiciones entre tipos que utilizan líneas conductoras desequilibradas son sencillas: se trata principalmente de proporcionar continuidad del conductor a través de la transición y asegurar una buena adaptación de impedancia. Lo mismo puede decirse de las transiciones a tipos no planares, como el coaxial. Una transición entre una línea de tira y una microcinta debe asegurar que ambos planos de tierra de la línea de tira estén adecuadamente conectados 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 puede evitarse 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. Este tipo de transiciones consiste en formar algún tipo de antena en un tipo que actúa como lanzador hacia el nuevo tipo. Ejemplos de esto son la guía de onda coplanar (CPW) o la microcinta convertida a línea ranurada o guía de onda integrada en sustrato (SIW). Para dispositivos inalámbricos, también se requieren transiciones a las antenas externas. ^{[ 89 ]}

Las transiciones hacia y desde una línea de aleta pueden tratarse de forma similar a las de una línea de ranura. Sin embargo, es más natural que las transiciones de línea de aleta se realicen hacia una guía de onda; la guía de onda ya está presente. Una transición simple a una guía de onda consiste en una transición exponencial suave ( antena Vivaldi ) de la línea de aleta desde una línea estrecha hasta la altura total de la guía de onda. La primera aplicación de la línea de aleta fue para lanzar una señal a una guía de onda circular. ^{[ 90 ]}

Una transición de una línea balanceada a una no balanceada requiere un circuito balun . Un ejemplo de esto es la transición de CPW a línea ranurada. El ejemplo D del diagrama muestra este tipo de transición y presenta un balun que consiste en un stub radial dieléctrico . El componente que se muestra en este circuito es un puente de aire que une los dos planos de tierra de la CPW. Todas las transiciones tienen cierta pérdida de inserción y aumentan la complejidad del diseño. A veces es ventajoso diseñar con un solo tipo integrado para todo el dispositivo para minimizar el número de transiciones, incluso cuando el tipo de compromiso no es óptimo para cada uno de los circuitos componentes. ^{[ 91 ]}

El desarrollo de las tecnologías planares fue impulsado inicialmente por las necesidades del ejército estadounidense, pero hoy en día se pueden encontrar en artículos domésticos de producción masiva como teléfonos móviles y receptores de televisión por satélite . ^{[ 92 ]} Según Thomas H. Lee , Harold A. Wheeler pudo haber experimentado con líneas coplanares ya en la década de 1930, pero la primera línea de transmisión planar documentada fue la línea de banda, inventada por Robert M. Barrett del Centro de Investigación de la Fuerza Aérea de Cambridge y publicada por Barrett y Barnes en 1951. Aunque la publicación no se produjo hasta la década de 1950, la línea de banda ya se había utilizado durante la Segunda Guerra Mundial . Según Barrett, el primer divisor de potencia de línea de banda fue construido por VH Rumsey y HW Jamieson durante este período. Además de emitir contratos, Barrett fomentó la investigación en otras organizaciones, incluido el Laboratorio de Instrumentos Aerotransportados Inc. (AIL). La microcinta le siguió poco después en 1952 y se debe a Grieg y Engelmann. La calidad de los materiales dieléctricos comunes no era inicialmente suficiente 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 comercial de AIL, que fabricaba stripline de aire. Microstrip era fabricada por ITT . Posteriormente, Sanders Associates fabricó stripline con relleno dieléctrico bajo la marca Triplate . Stripline se convirtió en un término genérico para stripline con relleno dieléctrico, y stripline de aire o stripline suspendida se utiliza ahora para distinguir el tipo original. ^{[ 93 ]}

La línea de transmisión (stripline) se prefirió inicialmente 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 la microcinta. La miniaturización también lleva a favorecer la microcinta porque sus desventajas no son tan graves en un circuito miniaturizado. La línea de transmisión (stripline) todavía se elige cuando se requiere operar en una banda ancha. ^{[ 94 ]} La primera línea dieléctrica plana, la línea de imagen, se debe a King en 1952. ^{[ 95 ]} King inicialmente usó una línea de imagen semicircular, haciéndola equivalente a la ya bien estudiada línea dieléctrica de varilla circular. ^{[ 96 ]} Slotline, el primer tipo de línea dieléctrica planar impresa, se debe a Cohn en 1968. ^{[ 97 ]} La guía de onda coplanar se debe a Wen en 1969. ^{[ 98 ]} Finline, como tecnología impresa, se debe a Meier en 1972, ^{[ 99 ]} aunque Robertson creó estructuras similares a finline mucho antes (1955–56) con inserciones de metal. Robertson fabricó circuitos para diplexores y acopladores y acuñó el término finline . ^{[ 100 ]} SIW fue descrito por primera vez por Hirokawa y Ando en 1998. ^{[ 101 ]}

Inicialmente, los componentes de tipo planar se fabricaban como partes discretas conectadas entre sí, generalmente mediante líneas coaxiales y conectores. Pronto se comprendió que el tamaño de los circuitos podía reducirse enormemente conectando directamente los componentes con líneas planares dentro de la misma carcasa. Esto dio lugar al concepto de MIC híbridos : híbridos porque los diseños incluían componentes discretos conectados entre sí con líneas planares. Desde la década de 1970, se ha producido una gran proliferación de nuevas variantes de los tipos planares básicos para facilitar la miniaturización y la producción en masa. La introducción de los MMIC permitió una mayor miniaturización . 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 , fue desarrollado por Pengelly y Turner de Plessey en 1976. ^{[ 102 ]}

En la figura se muestra una pequeña selección de los numerosos circuitos que se pueden construir con líneas de transmisión planares. Dichos circuitos pertenecen a la clase de circuitos de elementos distribuidos . Los acopladores direccionales de tipo microcinta y línea ranurada se muestran en A y B, respectivamente. ^{[ 103 ]} Generalmente, una forma de circuito en líneas conductoras, como la línea de tira o la microcinta, tiene una forma dual en líneas dieléctricas, como la línea ranurada o la línea de aleta, con los roles del conductor y el aislante invertidos. Los anchos de línea de ambos tipos están inversamente relacionados ; las líneas conductoras estrechas dan como resultado una alta impedancia, mientras que en las líneas dieléctricas, el resultado es una baja impedancia. Otro ejemplo de circuitos duales es el filtro paso banda que consta de líneas acopladas, mostrado en C en forma conductora 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 pasabanda 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 ranurada que presenta una mezcla de alimentaciones CPW y de línea ranurada en sus puertos . La versión de microcinta de este circuito requiere que una sección del anillo tenga tres cuartos de longitud de onda. En la versión de línea ranurada/CPW, todas las secciones tienen un cuarto de longitud de onda porque hay una inversión de fase de 180° en la unión de la línea ranurada. ^{[ 106 ]}

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