ES2334566T3 - Transicion de microcinta a guia de onda para ondas milimetricas incorporadas en una tarjeta de circuitos impresos multicapas. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de fabricación de una transición microcinta a guía de onda, en donde la transición comprende: - una estructura multicapas que incluye al menos un sustrato dieléctrico (1) del tipo utilizado en la tecnología de las tarjetas de circuitos impresos; - el substrato multicapas está previsto sobre una placa de metal rígida (15); - un diseño metálico (2, 3, 7) es sostenido por el substrato dieléctrico (1); - en donde el diseño metálica (2, 3, 7) incluye: una microcinta (2) que termina en una placa (3) que actúa como una sonda para acoplar la microcinta (2) a una guía de ondas (10) por medio del sustrato dieléctrico (1); y dos ventanas (5, 6) simétricas a un eje longitudinal del diseño metálica (2, 3,7), separadas una de la otra por una banda central (4) que lleva la sonda; El procedimiento incluye las etapas de: - supresión de las multicapas (1), de la placa de metal rígido (15) y del montaje metálico (2.3.7) en correspondencia a las dos ventanas (5, 6); - supresión de la placa de metal rígido colocada debajo de la banda (4) al menos en la región entre las ventanas; fresado de dos ranuras rectangulares (12, 13) de profundidad dada para todo el grosor de dos paredes opuestas a la extremidad de la guía de ondas (10) a lo largo del eje de simetría; - las dimensiones de las dos ventanas (5, 6) y la anchura de la banda (4) se fijan para alojar al mismo tiempo la banda (4) en las ranuras (12, 13) en el borde de la guía de ondas (10) y susodicho borde de la guía de ondas (10) dentro de las ventanas (5, 6), tanto como la profundidad de las ranuras (12, 13) lo permita; - fijación de una tapa metálica (16) sobre el borde de la guía de ondas (10) emergente de los dos lados (5.6) de la banda (4) para reflejar en retorno a la guía de ondas (10) la energía irradiada por la sonda (3) en la dirección opuesta.
Description
Transición de microcinta a guía de onda para
ondas milimétricas incorporadas en una tarjeta de circuitos impresos
multicapas.
La presente invención relata el campo de los
circuitos de microondas y de los aparatos y más concretamente una
transición de microcinta a guía de onda para ondas milimétricas
incorporadas en una tarjeta de circuitos impresos multicapas.
Recordamos que "microondas" es un término genérico para indicar
varias rangos de frecuencia para la propagación de aire de
aproximadamente 1 GHz hasta cerca 3 THz, las ondas milimétricas
corresponden al rango de EHF de 30 a 300 GHz (\lambda = 10 a 1
mm). La realización de la presente invención es particularmente
conveniente en el rango EHF, pero no hay limitaciones a la
aplicación en otros rangos de frecuencia, por ejemplo de SHF de 3 a
30 GHz (\lambda = 10 a 1 cm). La invención se refiere tanto a un
método para fabricar la transición como a la transición misma.
Actualmente los fabricantes de transceptores de
microondas están presionados por una demanda cada vez mayor de
aparatos que funcionan en el rango de las ondas milimétricas, por
ejemplo para usos en: enlaces por radio de capacidad
alta/media/baja, redes de punto a multipunto, comunicaciones por
satélite, etc. Concentrándose en las técnicas de fabricación
orientadas a lograr productos con una buena relación entre coste y
eficacia, como los tradicionales circuitos impresos (Printed
Circuit Boards; PCB), son problemáticos en este rango de
frecuencia, debido a las pérdidas dieléctricas crecientes de los
sustratos y a la insuficiencia de los diseños conocidos de
circuitos de interfaz planar con guía de ondas mecánicos.
Se conocen en la técnica las transiciones de
microcinta a guía de onda realizadas con sustratos dieléctricos de
pérdida alta para la fabricación del PCB. El solicitante de la
presente invención presentó el
30-5-2002 una solicitud de patente
europea indicada como Ref.[1] en las Referencias enumeradas
al final de la descripción. De acuerdo con la Ref.[1] el rango de
frecuencia de funcionamiento de la transición se extendía hasta 35
GHz en los sustratos de fibra de vidrio reforzados (FR4). El
tablero multicapa hizo uso de una capa de cobre gruesa como segunda
capa de la composición de la estructura del disco para proporcionar
la rigidez mecánica al sustrato FR4 para la conexión de una guía de
onda rectangular en la cara inferior. La capa de cobre fue fresada
para poner al descubierto la ventana dieléctrica de una transición
de una hendidura y obtener mientras tanto una especie de reborde
alrededor de ella para montar la guía de onda. Ignorando la
transición por el momento, la idea del aprovechamiento de sustratos
de pérdida alta para obtener los circuitos microondas fiables y de
bajo coste, apropiados a las técnicas de ensamblaje automáticas o
semiautomáticas, ya ampliamente utilizadas en la fabricación del
PCBs, había sido heredada de una demanda de patente europea
precedente presentada por el mismo solicitante el 26/07/2001 e
indicado actualmente como Ref.[2]. Esta segunda aplicación describía
una tecnología chip sobre placa (COB), que permitió integrar sobre
el sustrato muchas partes del transreceptor, en particular era
posible acomodar sobre el sustrato tanto los componentes del montaje
en superficie como aquellos en chip (diferenciado o MMIC) con los
circuitos de polarización pertinentes, para la transición
convencional de la guía de ondas que constituyó el interfaz de
radio del transreceptor. La frecuencia de 80 GHz era el límite
teórico dependiendo de la anchura mínima Wm de la microcinta y del
grueso h de la capa FR4 permitida por la tecnología. Considerando a
Wm = 200 \mum la anchura de la microcinta, y \lambda/Wm = 10
como un buen parámetro de diseño, entonces para obtener el valor de
50 \Omega para la impedancia característica de la microcinta el
grosor de la capa de FR4 era h = 100 \mum. El valor optimista de
80 GHz había sido calculado para la única propagación de onda a lo
largo de la microcinta sin tomar en la debida consideración los
efectos de las transiciones de microcinta a guía de onda. Dado que
la invención que será divulgada se refiere a una realización
alternativa a la transición de la Ref.[1] capaz de funcionar
realmente hasta 80 GHz, son necesarios algunos detalles de la
realización en Ref.[1] para apreciar las mejoras. Las figuras 1a,
1b, 2a, 2b, y 3 divulgan esos detalles.
La figura 1a muestra un montaje metálico
colocado en la cara superior de un sustrato dieléctrico FR4 que
pertenece a una estructura multicapas. El montaje incluye una
microcinta que se extiende a lo largo del eje de simetría
longitudinal del sustrato y que termina con una placa metálica. La
microcinta y el circuito restante (no visibles para simplificar) se
rodean por un diseño de blindaje metálico que delimita una ventana
rectangular no metalizada correspondiente a una ventana
dieléctrica, ingresada por la microcinta emplacada. La metalización
perimétrica de la ventana dieléctrica esta formado como un marco
rectangular con cuatro círculos no metalizados en las cuatro
esquinas en correspondencia de los orificios roscados por la
estructura multicapas. La Figura 1b muestra una capa de cobre
gruesa adherida a la cara inferior del sustrato dieléctrico para
formar un núcleo metálico que da rigidez a la estructura multicapas
y que constituye un plano de tierra para la parte superior de la
microcinta. El núcleo metálico esta fresado y completamente aislado
para dejar al descubierto el sustrato dieléctrico en
correspondencia de la ventana dieléctrica, de manera que la placa es
visible para la parte de atrás debido a la semitransparencia de la
capa FR4. La Figura 2a es un corte transversal a lo largo del eje
A-A de la figura 1a. La figura muestra la estructura
multicapas incluyendo tres sustratos dieléctricos y el núcleo de
metal. Los sustratos dieléctricos superior e inferior están
metalizados, mientras que el interpuesto se usa como aislante. El
final de la guía de ondas rectangular ensambla la ventana
rectangular fresada en el núcleo metálico en correspondencia a la
ventana dieléctrica del sustrato superior, de modo que la abertura
en el núcleo metálico es una continuación de la guía de onda a la
ventana dieléctrica del sustrato. Una tapa metálica colocada sobre
el marco de la cara superior se fija a la estructura multicapas por
medio de cuatro tornillos en la esquina del marco que penetra en el
sustrato dieléctrico superior, el núcleo metálico (el reborde) y
las paredes de la guía de ondas rectangular. La tapa metálica es un
cuerpo hueco con una hendidura rectangular frente a la ventana no
metálica. En funcionamiento, el final emplacado de la microcinta que
entra en la ventana dieléctricos actúa como una sonda
electromagnética para irradiar en el espacio cerrado a su
alrededor. Las dimensiones de la placa se calculan para transferir
la energía de la microcinta de alimentación a la guía de ondas de
manera eficiente. La tapa metálica atornillada se usa como un
reflector para prevenir la propagación de la placa en la dirección
opuesta a la guía de onda. Para este objetivo el hueco de la tapa
metálica actúa como un corto de retorno para la señal. De las
consideraciones antedichas se puede concluir que la sonda y la
ventana dieléctrica en comunicación con la guía de onda constituyen
una transición de microcinta a guía de onda que transforma el modo
de la propagación "quasi-TEM" de la microcinta
en el modo TE_{10} de la guía de onda rectangular. Las
propiedades electromagnéticas de las transiciones son recíprocas, de
modo que la misma estructura usada por el transmisor RF para
transportar dentro de la guía de onda una transmisión de señal de
la microcinta se usa también por el receptor para transportar una
señal de recepción RF de la guía de onda a la microcinta.
La Figura 2b muestra una serie de orificios
pasantes metalizados (vía de orificios visible en la Figura 2a)
espaciados regularmente a lo largo del marco. Estas vías de
orificios alrededor de la zona de transición han introducido
sucesivamente la clasificación de la Ref. [1] con el objetivo de
mejorar el funcionamiento de la transición en las frecuencias más
altas (35.5 GHz) del rango de operaciones. Esta declaración es
posible porque la transición en la Ref. [1] y la transición de la
presente invención se desarrollaron en los laboratorios del mismo
aspirante. El suministro en la vía de orificios a la falta de
continuidad de la guía de onda por el grosor del sustrato
dieléctrico alrededor de la zona de transición. Gracias a la vía de
orificios, la energía está limitada dentro de la parte
paralelepipédica del sustrato dieléctrico adyacente a la cavidad de
aire de la guía de onda, de otra manera la propagación por el
sustrato dieléctrico fuera de la zona de la transición constituiría
una causa de pérdidas. Además, la vía de orificios suministra la
tapa superior con contactos de tierra distribuidos alrededor de la
transición, mejorando el contacto pobre proporcionado por los
tornillos en las cuatro esquinas del marco. La Figura 3 es una
fotografía de la disposición del transceptor que representa la
disposición real de la vía de orificios; como se puede notar, son
necesarias varias filas de orificios metalizados para una operación
satisfactoria en el rango de SHF (no en EHF).
A pesar de la simplicidad de la fabricación de
la transición ilustrada en las figuras anteriores, cualquier
tentativa de arreglar su uso en el rango de EHF ha concluido con un
fracaso debido a la inaceptable pérdida de energía y la distorsión
introducida por la transición. Del análisis de las causas
principales de estos fracasos resulta que las ondas
milimétricas:
- 1.
- La vía de orificios no pueden delimitar más el campo electromagnético en la parte paralelepipédica rodeada del sustrato dieléctrico. La desventaja se debe al hecho de que los diámetros y las distancias recíprocas de los orificios son comparables con la longitud de onda usada y no pueden además reducir la causa de las limitaciones tecnológicas inevitables del proceso de la vía de orificios.
- 2.
- El grosor del sustrato dieléctrico no es más completamente insignificante en comparación con la longitud de onda de la señal, como una consecuencia de la vía de orificios la tapa superior no conecta con tierra de manera eficiente. Por consiguiente la tapa no se puede considerar como una continuación de la guía de onda terminada oportunamente en la parte superior, y un desajuste entre los dos lados de la placa puede generar reflejos no deseados y modos de resonancia falsos.
- 3.
- Las pérdidas dentro de la parte dieléctrica de la transición son excesivas debido al mal funcionamiento del sustrato semi-valioso.
La solicitud de la patente europea indicada en
la Ref.[5] divulga un paquete de alta frecuencia que comprende un
sustrato dieléctrico, un elemento de alta frecuencia que funciona en
una región de alta frecuencia y se monta en una cavidad formada
sobre dicho sustrato dieléctrico, y una línea de microcinta formada
sobre la superficie o en una parte interior de dicho sustrato
dieléctrico y conectado eléctricamente a dicho elemento de alta
frecuencia, en el que el paso de la transmisión de señal de una guía
de onda se conecta a un paso conductor lineal o a una capa a tierra
que constituye la línea de la microcinta. En la parte del empalme de
la guía de onda, por ejemplo, un final del paso conductor lineal se
abre electromagnéticamente, de manera que la parte final trabaja
como una antena monopolar dentro de la guía de onda que está
conectada.
El paquete de alta frecuencia ya mencionado se
ha diseñado para funcionar en ondas milimétricas que usan materiales
de sustrato costoso y rígido que tienen una constante dieléctrica
baja y pérdidas pequeñas (por ejemplo alúmina). Por otra parte, la
estructura complicada hace difíciles de obtener el sellado de la
multicapas a la guía de onda y el uso de una tapa superior de
cierre. Otra dificultad surge en la correcta terminación de la
irradiación de la microcinta dentro de la guía de onda.
El objeto principal de la presente invención
consiste en vencer las desventajas conocidas de la técnica e
indicar una transición de microcinta a guía de onda que se puede
conseguir en PCBs dispuesta para funcionar en las microondas con
buen funcionamiento en el rango más cercano de EHF (hasta 80
GHz)
La invención alcanza dicho objetivo al
proporcionar un método para fabricar una transición de microcinta a
guía de onda, según lo divulgado en las reivindicaciones del
procedimiento.
Otro objetivo de la invención es una transición
de microcinta a guía de onda obtenida según el procedimiento, según
lo divulgado en las reivindicaciones del dispositivo.
Según la invención, la transición divulgada en
la Ref.[1] se rediseña ahora completamente para quitar casi
completamente el diafragma dieléctrico anterior del espacio de la
transición. Frecuentemente el aire llena el espacio de propagación
de las ondas electromagnéticas en la nueva transición; con esto se
supera la desventaja destacada en el punto 3. Otra diferencia
fundamental del estado anterior de la técnica es que la guía de onda
ahora penetra el sustrato dieléctrico para conectar la tapa
metálica, sin romper la continuidad de las paredes metálicas, a
excepción de los dos surcos cuyo efecto es totalmente marginal. En
otras palabras, el marco de la vía de orificios es completamente
innecesario para limitar el campo electromagnético, y también se
superar las desventajas destacadas en los puntos
1 y 2.
1 y 2.
Ventajosamente, la parte de la guía de onda de
la transición y la parte mecánica del transceptor se pueden obtener
por medio del control numérico de las técnicas de fabricación que
comienzan desde un bloque de metal duro. La transición de la
microcinta a la guía de onda por guía de onda rectangular es, según
la actual invención, la más fácil de obtener, pero el mismo
acercamiento se aplica para obtener transiciones para las guías de
onda circulares o elípticas.
Siendo reparadas todas las causas de las
pérdidas y del mal funcionamiento imputable a la única transición,
el límite de frecuencia superior debido a la microcinta en la
técnica de PCBs. por ejemplo 80 GHz, es ahora completamente
explotable para el transceptor.
\vskip1.000000\baselineskip
Las características de la presente invención que
se consideran novedosas se ponen en adelante con particularidad en
las reivindicaciones añadidas. La invención y sus ventajas se pueden
entender con referencia a la descripción detallada siguiente de una
realización de la misma tomada conjuntamente con los dibujos de
acompañamiento dados con propósitos puramente explicativos y no
limitativos, en donde:
- Las figuras 1a a 3, ya descritas, muestran una
transición de microcinta a guía de ondas según el estado anterior
de la técnica mencionado en la Ref. [1];
- Las figuras 4a a 4d muestran algunos pasos de
la fabricación de la multicapas y la guía de onda según el
procedimiento de la invención;
- Las figuras 5a a 5d muestran una vista desde
arriba, una vista longitudinal y una vista de una sección cortada
transversal de la transición según la invención;
- Las figuras 6a y 6b muestran un modelo de
simulación de la perspectiva y los parámetros relevantes de la
transición según la invención;
- Las figuras 7 y 8 muestran los parámetros S y
S del modelo simulado;
- La figura 9a muestra una vista desde arriba de
dos transiciones back to back usadas para las medidas;
- La figura 9b muestra una fotografía de la
transición back to back de la figura 9a;
- Las figuras 10 y 11 muestran los parámetros S
y S medidos realmente al final de la disposición de la figura
9a;
- La figura 12 muestra una vista desde arriba de
una transición de microcinta a guía de onda circular, sin la tapa
superior.
\vskip1.000000\baselineskip
Como regla de descripción, en las figuras de los
dibujos los elementos se identifican con números de referencia.
Además, los elementos representados en las figuras no son una
reproducción a escala de los originales. Con referencia a la figura
4a vemos una cara parcial superior de un sustrato dieléctrico 1 que
pertenece a una estructura multicapas conocida utilizada
actualmente para obtener el circuito de un transceptor que funciona
en aproximadamente 60 GHz (rango EHF) que emplea técnicas
tradicionales PCB. La estructura multicapas es una versión más
simple de la divulgada en la Ref. [1] limitándose a incluir un
sustrato dieléctrico fino 1, caracterizado por pérdidas
dieléctricas altas en comparación con la alúmina o el arseniuro de
galio sustratos usados tradicionalmente para aplicaciones EHF, que
hace de adherencia a una placa de cobre gruesa que da la rigidez
necesaria a la estructura plana. Una transición de microcinta a
guía de onda y viceversa, usada para conectar tanto el transmisor
como los amplificadores del receptor a la misma antena por medio de
un duplexor, es la única parte del transreceptor relativa a la
presente invención. El sustrato 1 da apoyo a un diseño metálico que
incluye entre otras cosas una microcinta 2 colocada a lo largo del
eje de simetría longitudinal de la figura. La microcinta 2 termina
con una pequeña placa 3 cerca del centro de una banda 4 colocado
entre dos ventanas rectangulares simétricas 5 y 6 obtenidos por el
traslado de multicapas por fresado, según las técnicas conocidas. La
superficie de las dos ventanas 5 y 6 prevalece con respecto a la
superficie de la banda central 4, de modo que el espacio de la
transición se llena de manera prevalente con aire. Una metalización
7 rodea, como un marco, las dos ventanas simétricas 5 y 6 y la
banda central 4, dejando un corto espacio libre para la microcinta
2, pero teniendo un dedo 7a cubriendo la banda 4 para una zona
corta frente a la placa 3. Varios orificios pasantes metalizados 8
se espacian con regularidad a lo largo del perímetro del marco 7. El
único propósito de estos orificios es el de evitar posibles
separaciones de la capa dieléctrica superior del núcleo de metal
(placa) como una consecuencia de la operación de fresado para abrir
las ventanas 5 y 6, porque de la no perfecta compatibilidad física
en el interfaz entre las dos capas.
En la figura 4b se representa una vista superior
parcial de la parte mecánica 9 del transceptor. La mecánica se
fabrica en un modo que incluye el final de un guía de ondas
rectangular 10. La cavidad interna 11 de la guía de ondas metálica
10 está llena de aire. Dos orificios rectangulares 12 y 13 se fresan
para todo el grosor de las dos paredes más largas en el extremo de
la guía de ondas 10, a lo largo del eje de simetría. Cuatro
orificios roscados 14 son visibles en las cuatro esquinas de la
parte mecánica 9. Las dimensiones de las dos ventanas 5 y 6 y la
anchura de la banda 4 se ponen para acomodar al mismo tiempo la
banda 4 en los surcos 12 y 13 en el borde de la guía de ondas 10 y
en el borde de la guía de ondas 10 dentro de las ventanas 5 y 6,
tanto como la profundidad de los surcos 12 y 13 lo permita. Con
referencia a las figuras 4c y 4d, antes de que ocurra este
alojamiento, la parte del núcleo metálico debe de eliminarse de la
banda 4. La figura 4c y la figura 4d muestran el núcleo metálico
antes y después de la eliminación, respectivamente. Una indicación
de la verdadera colocación de la sección transversal interna 11 de
la guía de ondas 10 se añade con la línea discontinua en la figura
4d. Se puede apreciar que la banda 4 está libre del metal en
correspondencia de la cavidad de la microonda 10, de modo que la
zona de la microcinta emplacada 2, 3 que penetra la cavidad 11 esta
libre de irradiar como una sonda dentro de la guía de ondas 10.
La figura 5a muestra una vista desde arriba del
montaje constituido por la multicapas de la figura 4a sobrepuesto a
la mecánica de la figura 4b para que puedan interpenetrar. Dos ejes
A-A y B-B se indican en la figura
como planos de referencia para las secciones transversales
divulgadas en la siguiente figura. La figura 5b muestra la sección
transversal a lo largo del eje de simetría longitudinal
A-A de la figura 5a. Con referencia a la figura 5b
el borde de la guía de ondas 10 surge de las aberturas 5 y 6 y una
tapa metálica 16 se apoya en eso. La tapa 16 se sujeta a la guía de
ondas 10 por medio de los tornillos 17 que penetran los cuatro
orificios roscados 14 (figura 4b). La tapa 16 incluye un hueco
central 18 formado como una zona muy corta de la guía de onda 10
cerrada en el extremo. En comparación con el estado anterior de la
técnica de la figura 2a, la tapa 16 ahora está conectada a la guía
de onda sin ninguna capa dieléctrica interpuesta, de modo que la
continuidad metálica de las paredes de la guía de onda 10 no se
interrumpen nunca a través de la transición hasta que se alcance la
tapa. De este modo las corrientes de retorno reflejadas de la tapa
alcanzan la tierra directamente y, como consecuencia, son
innecesarios vía los orificios alrededor de la transición como en la
figura 2b por los motivos antes indicados. Las ranuras 12 y 13
tienen profundidades diferentes, la primera (12) es más profunda
que la segunda (13) para incluir también el dedo de cobre 15a
(figura 4d). La asimetría de los reflejos de luz en las dos
profundidades es una consecuencia del montaje asimétrico en la banda
4, que lleva una microcinta en la parte izquierda mientras que la
parte derecha esta descubierta. Más exactamente, la microcinta 2
deja de ser como tal solamente en el final de la ranura 12, cuya
profundidad se calcula en consecuencia. Por otra parte, la
profundidad de las dos ranuras 12 y13 se calculará para asegurar un
cierto espacio libre entre el final de la guía de ondas 10 y la
microcinta 2, y teniendo en cuenta que una cierta tolerancia en la
anchura de las ranuras 12 y 13 se prevé para la inserción de la
banda 4 sin problemas, como se ve en la figura 5a, el sustrato 1
tiene que fijarse en la mecánica1. Los dos orificios 19, visibles en
la figura 5a, son parte de un número de los taladrados en la
multicapa y la mecánica 9 para alinear el circuito planar con
respecto a la guía de ondas 10 y para sujetarlos a la mecánica. Las
Figuras 5c y 5d muestran la sección transversal a lo largo del eje
de simetría transversal B-B y C-C de
la figura 5a, respectivamente. La observación de estas figuras más
adelante aclara los argumentos ya desarrollados en la descripción de
los precedentes y no es necesaria una descripción adicional.
En la operación, la transición se ha diseñado
para funcionar en el rango de 55-60 GHz, de acuerdo
con las demandas del mercado de aparatos transceptores. La mecánica
funciona por una máquina de control numérico para obtener una guía
de onda WR15 (1.88 x 3.76 mm). Los circuitos planos se obtienen a
partir de multicapas que se usan incluyendo un sustrato dieléctrico
de 0.1 mm de espesor pegado a una placa metálica de cobre (núcleo)
de 2 mm de espesor. El substrato dieléctrico seleccionado se conoce
con el nombre comercial Roger^{TM}4350, que tiene pérdidas
medidas por un tan\delta = 0.037 en 10 GHz, según lo declarado por
el fabricante; este valor aumenta claramente en el rango de
frecuencia operativo de la transición. Roger^{TM} es similar a FR4
o a "vetronite^{TM}" utilizado para fabricar la transición
citada en la Ref. [1], es decir, un material hecho de fibra de
vidrio impregnada con la resina de epóxido que tiene tan\delta
desde 0.025 a 0.05. Estos valores de tan\delta son típicos para
PCBs pero no inmediatamente para los circuitos de microonda donde la
alúmina impone con un tan \delta = 0.0001. El acoplamiento
electromagnético entre la microcinta 2 y la guía de onda 10 se
obtienen por medio de una sonda puesta en el plano E de la guía de
onda rectangular 10 y que termina con la placa pequeña 3. Esta
sonda se ha obtenido como continuación de la microcinta 2 dentro de
la cavidad11 de la guía de onda 10 después de haber apartado del
plano de tierra por debajo. El borde de la guía de onda 10 surge de
las multicapas en la zona de la transición, todo lo que la
profundidad de las ranuras 12 y 13 lo permite, y une el borde de la
tapa 16. La pared superior de la tapa 16 actúa como un cortocircuito
para reflejar en retorno la señal hacia la placa 3. Esta tiene que
ver un circuito abierto en su plano para la señal reflejada para
guardarla adaptada a la guía de onda 10. La transformación de
impedancia requerida se obtiene fresando la longitud de la zona 18
en una forma que la distancia del plano de la placa 3 desde el plano
del cortocircuito interno a la tapa 16 es de cerca de \lambda/4.
Para completar el análisis de la transición deben de considerarse
el efecto de las dos hendiduras delimitadas por la tapa 16 o las
ranuras 12 o 13. No hay problemas con estas hendiduras porque sus
dimensiones transversales son tales que se comportan como dos guías
de onda subyacentes en el rango de frecuencia de
55-60 GHz. Además, las hendiduras son más largas que
pocos \lambda y el efecto de los modos de no propagación son
insignificantes, de modo que el campo electromagnético esta
totalmente limitado en el volumen de la transición, diversamente de
las vía de orificios del estado anterior de la
técnica.
técnica.
Un primer diseño de la transición
55-60 GHz se ha realizado aproximadamente calculando
las dimensiones de sus piezas relevantes con la ayuda de dos libros
convencionales citados en la Ref. [3] y en la Ref. [4]. El diseño
ha sido refinado sucesivamente por varias sesiones de la simulación
realizadas por medio del simulador electromagnético 3D
Agilent^{TM} HFSS operativo en el modelo mostrado en la figura
6a. El objetivo es que optimiza las dimensiones de la sonda,
incluidas las de la placa 3, para funcionar en la banda deseada
manteniendo la anchura de banda y la correspondencia de condiciones
en la medida de lo posible no afectados por las tolerancias
mecánicas y de montaje. Con referencia a la figura 6a, vemos el
modelo incluyendo la banda dieléctrica 4 apoyada en el borde de la
guía de onda 10 transversal a su cavidad rectangular 11. Este modelo
también incluye la hendidura comprendida entre la ranura 12 y la
tapa 16, conteniendo la zona relevante de la microcinta 2. La parte
terminal de la sonda con la placa 3 se modela dentro de la cavidad
11 y se representa con mayores detalles en la figura 6b. Con
referencia a la figura 6b, vemos la microcinta 2 y la placa 3
formando como una T. La base de la placa rectangular 3
perpendicular a la microcinta 2 tiene una longitud c mayor
que la altura b, pero esto no es una regla general. Las
etiquetas w y h indican respectivamente las
dimensiones más largas y más cortas de la cavidad rectangular 11,
mientras que la etiqueta a indica la longitud de la
microcinta 2 (sin cobre debajo) dentro de la cavidad 11 del flanco
interno 12 a la base de la placa 3; es decir: la longitud de la
línea que lleva la señal a la placa 3. La simulación se lleva a cabo
considerando una guía de onda WR15 (1,88 x 3,76 mm); con lo que:
h = 0.5 w. Los resultados de la simulación han confirmado que
la frecuencia central de la transición depende de la proporción
(a+b)/w, mientras que el nivel de la adaptación en los puertos de
entrada y de salida depende de la proporción c/b dentro del ancho de
banda considerado. Hablando en términos generales, mayor es la
proporción (a+b)/w (por ejemplo la placa más cerca al centro de la
cavidad) más baja es la frecuencia central fo de la transición.
Además, una vez que w (3,76 mm) se selecciona de acuerdo con las
normas de diseño típico para guía de ondas rectangular que opera en
la proximidad de la frecuencia central deseada fo (58 GHz), y
(a+b)/w se fija para obtener el fo exacto, entonces b (y por lo
tanto a) y c se optimizan en la banda de frecuencia deseada
independientemente del fo exacto fijado previamente. Para la banda
operativa de 55-60 GHz, se encuentran los valores
de (a+b)/w = 0,18 y c/b = 2.22 para ser óptima. Los resultados de
las simulaciones se relatan en las figuras 7 y 8 que conciernen a
los parámetros de dispersión S_{11} y S_{21} versus frecuencia,
respectivamente. Con referencia a la figura 7, vemos que el
coeficiente de reflexión S_{11} nunca cae debajo de 20 dB en la
banda considerada, mientras en la figura 8 la pérdida de inserción
máxima S_{21} es aproximadamente 0.1 dB.
Para comprobar la validez de las simulaciones y
los funcionamientos reales de la transición, se ha realizado un
prototipo con dos transiciones conectados
"back-to-back" por una
microcinta central, como el que está representado en la figura 9a
fotografiada en la figura 9b. La parte izquierda de la figura 9a es
una imagen especular de la transición de la figura 5a. La
adaptación en un puerto de entrada de la estructura doble se mide
después de haber cerrado el otro puerto sobre una terminación
adaptada, por lo tanto la medida concierne a toda la adaptación de
las dos transiciones. Los parámetros de dispersión medidos S_{11}
y S_{21} versus frecuencia se relatan en las figuras 10 y 11,
respectivamente. Con referencia a la figura 10, vemos que el
coeficiente de reflexión S_{11} nunca es peor que 10 dB en la
banda considerada. El parámetro de pérdida de inserción S_{21}
indicado en la figura 11 esta fuertemente influenciado por la
microcinta central que interconecta las dos transiciones. De hecho,
la longitud de 20 mm (aproximadamente 7\lambda) de la microcinta
causa perdidas de cerca de 1.5 dB, como una consecuencia de cada
transición contribuye a la medida con aproximadamente 1.25 dB.
La figura 12 muestra una vista desde arriba de
una transición de microcinta a guía de ondas circular, sin la tapa
superior, la realización de la cual es directamente alcanzable a
partir de la descripción precedente de la transición de la
microcinta a la guía de onda rectangular. Lo mismo se aplica para
una transición de una microcinta a guía de onda rectangular
elíptica (no representado en la figura).
\vskip1.000000\baselineskip
[1] EP 02425349.4, título: "BROADBAND
MICROSTRIP TO WAVEGUIDE TRANSITION ON MULTILAYER PRINTED CIRCUIT
BOARDS ARRANGED FOR OPERATING IN THE MICROWAVES". (Publicado el
03/12/2003 con el número 1367668)
[2] EP 01830497.2, título: "PRINTED CIRCUIT
BOARD AND RELEVANT MANUFACTURING METHOD FOR THE INSTALLATION OF
MICROWAVE CHIPS UP TO 80 GHz". (Publicado el 29/01/2003 con el
número 1280392)
[3] "Microwave Filters,
Impedance-Matching Networks, and Coupling
Structures", G. L. Matthaei, L. Yong y E. M. T.
Jones; Artech House Books; 1980.
[4] "Foundation for Microwave Engineering";
R. E. Collin; McGraw-Hill 2ª edición;
© 1992.
[5] EP 0874415 A2, titulo:
"HIGH-FREQUENCY PACKAGE". Solicitante: KYOCERA
CORPORATION. (Publicado el 28/10/1998).
Claims (16)
1. Procedimiento de fabricación de una
transición microcinta a guía de onda, en donde la transición
comprende:
- una estructura multicapas que incluye al menos
un sustrato dieléctrico (1) del tipo utilizado en la tecnología de
las tarjetas de circuitos impresos;
- el substrato multicapas está previsto sobre
una placa de metal rígida (15);
- un diseño metálico (2, 3, 7) es sostenido por
el substrato dieléctrico (1);
- en donde el diseño metálica (2, 3, 7) incluye:
una microcinta (2) que termina en una placa (3) que actúa como una
sonda para acoplar la microcinta (2) a una guía de ondas (10) por
medio del sustrato dieléctrico (1); y dos ventanas (5, 6)
simétricas a un eje longitudinal del diseño metálica (2, 3,7),
separadas una de la otra por una banda central (4) que lleva la
sonda;
El procedimiento incluye las etapas de:
- supresión de las multicapas (1), de la placa
de metal rígido (15) y del montaje metálico (2.3.7) en
correspondencia a las dos ventanas (5, 6);
- supresión de la placa de metal rígido colocada
debajo de la banda (4) al menos en la región entre las ventanas;
fresado de dos ranuras rectangulares (12, 13) de profundidad dada
para todo el grosor de dos paredes opuestas a la extremidad de la
guía de ondas (10) a lo largo del eje de simetría;
- las dimensiones de las dos ventanas (5, 6) y
la anchura de la banda (4) se fijan para alojar al mismo tiempo la
banda (4) en las ranuras (12, 13) en el borde de la guía de ondas
(10) y susodicho borde de la guía de ondas (10) dentro de las
ventanas (5, 6), tanto como la profundidad de las ranuras (12, 13)
lo permita;
- fijación de una tapa metálica (16) sobre el
borde de la guía de ondas (10) emergente de los dos lados (5.6) de
la banda (4) para reflejar en retorno a la guía de ondas (10) la
energía irradiada por la sonda (3) en la dirección opuesta.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado en que,
la totalidad de la superficie de las dos
ventanas (5, 6) en los dos lados de la banda (4) prevalece con
respecto a la superficie de la banda central (4), de modo que el
espacio de la transición se llena de manera prevalente con
aire.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 o
2,
caracterizado en que
incluye la etapa de alineación del diseño
metálica (2, 3, 7) con relación a la guía de ondas (10) y de
fijación de las multicapas a un cuerpo de soporte metálico (9) que
se trabajó para obtener la guía de ondas (10).
4. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3,
caracterizado en que,
incluye la etapa de supresión de la placa de
metal rígido (15) de dicha banda (4) por lo menos en correspondencia
de la cavidad (11) de la guía de onda (10) atravesada por la banda
(4).
5. Procedimiento según la reivindicación 4,
caracterizado en que,
incluye la etapa de fresado en el cuerpo de
dicha tapa (16) de un hueco central (18) formado como una zona
corta de dicha guía de ondas (10) con una profundidad de
aproximadamente \lambda/4.
6. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5,
caracterizado en que,
antes de la abertura de dichas ventanas (5,6) en
las multicapas (1, 15) se realiza una etapa de perforación y de
metalización para cercar dichas ventanas (5,6) y la banda (4) con
orificios pasantes metalizados (7,8) para evitar posibles
separaciones entre la s (1) y la placa de metal rígida (15).
\global\parskip0.950000\baselineskip
7. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores,
caracterizado en que,
dichas ventanas (5, 6) abiertas en las
multicapas (1, 15) tienen una forma rectangular.
\vskip1.000000\baselineskip
8. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7,
caracterizado en que,
incluye la etapa de ajuste de la frecuencia
central de la transición por fijación de un valor correspondiente
de la proporción (a+b)/w, donde: w es la dimensión de la
cavidad más larga de una guía de ondas rectangular cuya dimensión
más corta tiene una proporción conocida con w, a es la
longitud de la línea que transporta la señal hasta la placa (3), y
b es la base de la placa (3) formada como un rectángulo
perpendicular a la microcinta (2).
9. El procedimiento según la reivindicación
8,
caracterizado en que,
incluye la etapa de optimización de la
adaptación en los puertos de entrada y de salida dentro de la banda
de frecuencia deseada mediante la fijación de la proporción c/b,
donde c es la altura de la placa rectangular dentro del
ancho de banda considerado; en donde la banda de frecuencia deseada
se extiende de 55 a 60 GHz; en el que se utiliza una capa
dieléctrica (1) con una constante dieléctrica relativa
\varepsilon_{r} de aproximadamente 3.54 y en el que el grosor
es de aproxi-
madamente 100 \mum, el valor de (a+b)/w es de aproximadamente 0.18 y el valor de c/b es de aproximadamente 2.22.
madamente 100 \mum, el valor de (a+b)/w es de aproximadamente 0.18 y el valor de c/b es de aproximadamente 2.22.
10. Transición de microondas a guía de ondas
fabricada con el procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9.
11. La transición según la reivindicación
10,
caracterizado en que,
las dos ranuras (12, 13) opuestas tienen
profundidades diferentes y la más profunda incluye la microcinta
(2) que incluye la placa de metal rígida (15).
12. La transición según la reivindicación
11,
caracterizada en que,
las dos ranuras (12, 13) opuestas tienen
dimensiones transversales tales que se comportan como dos guías de
ondas subyacentes en el rango de frecuencia deseada de la transición
apta que limitar el campo electromagnético en el volumen de la
transición.
13. La transición según cualquiera de las
reivindicaciones 10 a 12,
caracterizada en que,
dicha guía de onda (10) es rectangular.
\vskip1.000000\baselineskip
14. La transición según cualquiera de las
reivindicaciones 10 a 12,
caracterizado en que,
dicha guía de onda (10) es circular.
\vskip1.000000\baselineskip
15. La transición según cualquiera de las
reivindicaciones 10 a 12,
caracterizado en que,
dicha guía de onda (10) es elíptica.
\vskip1.000000\baselineskip
16. La transición según cualquiera de las
reivindicaciones 10 a 15, caracterizado en que,
incluye una corona de orificios pasantes
metalizados (7, 8) que contiene el borde de la guía de ondas (10)
en los dos lados de la banda (4) para evitar posibles separaciones
entre la capa dieléctrica (1) y la placa de metal rígida (15).
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