BRPI0914914B1

BRPI0914914B1 - Dispositivo de micro-ondas

Info

Publication number: BRPI0914914B1
Application number: BRPI0914914-7A
Authority: BR
Inventors: Per-Simon Kildal
Original assignee: Gapwaves Ab
Priority date: 2008-07-07
Filing date: 2009-06-22
Publication date: 2021-12-14
Also published as: US8803638B2; CN102084538A; BRPI0914914A2; WO2010003808A2; JP2011527171A; WO2010003808A3; JP5616338B2; EP2311134B1; EP2311134A2; CN102084538B; US20110181373A1

Abstract

guias de onda e linhas de transmissão em espaços entre superfícies de condução paralelas. a presente invenção refere-se a uma nova modalidade de dispositivos de micro-ondas, tais como linhas de transmissão eletromagnéticas, guias de onda e circuitos delas, que é mostrada e é vantajosa, quando a frequência for tao alta que as linhas de transmissão e guias de onda existentes têm perdas grandes ou não podem ser fabricadas efetivamente em termos de custos com as tolerâncias requeridas. assim, pretende-se que a nova tecnologia substitua linhas coaxiais, guias de onda cilíndricas ocas e linhas de microfita e outras linhas de transmissão de ligação de substrato em frequências altas. os dispositivos de micro-ondas são realizados por um espaço estreito entre duas superfícies paralelas de material de condução, pelo uso de uma textura ou de uma estrutura de camada múltipla em uma das superfícies. os campos estão presentes principalmente no interior do espaço, e não na textura ou na estrutura de camada em si, de modo que as perdas sejam pequenas. o dispositivo de micro-ondas ainda compreende um ou mais elementos de condução, tal como uma crista de metal ou uma ranhura em uma das duas superfícies, ou uma tira de metal localizada em uma estrutura de camada múltipla entre as duas superfícies. as ondas se propagam ao longo dos elementos de condução. nenhuma conexão de metal entre as duas superfícies de metal é necessária. pelo menos uma das superfícies é provida com um meio para se impedir que as ondas se propaguem em outras direções entre elas além de ao longo da crista, ranhura ou tira. em uma frequência muito alta, as guias de onda de espaço e linhas de espaço podem ser realizadas no interior de um acondicionamento de ic ou no interior do chip em si.

Description

Campo da Invenção

[0001] A presente invenção representa uma nova modalidade delinhas de transmissão eletromagnética, guias de onda e circuitos que é vantajosa quando a frequência é tão alta que as tecnologias existentes, tais como linhas coaxiais, guias de onda cilíndricas e linhas de microtira e outras linhas de transmissão delimitadas por substrato, não funcionam bem devido a perdas ôhmicas e a problemas de fabricação. A invenção se refere, principalmente, a frequências acima de 40 GHz, isto é, a região de onda de milímetro, e mesmo acima de 300 GHz, isto é, ondas de submilímetro, mas a invenção também pode ser vantajosa em frequências mais baixas do que 30 GHz.

Antecedentes

[0002] Os circuitos eletrônicos hoje em dia são usados em quasetodos os produtos e, em particular, em produtos relacionados à transferência de informação. Essa transferência de informação pode ser feita ao longo de fios e cabos em frequências baixas (por exemplo, uma telefonia com fio) ou sem fio através de ar a frequências mais altas, usando-se ondas de rádio para recepção, por exemplo, de áudio difundido e TV, e para uma comunicação de duas vias, tal como em uma telefonia móvel. Nos últimos casos de frequência alta, linhas e circuitos de transmissão de frequência alta e baixa são usados para a realização do hardware necessário. Os componentes de frequência alta são usados para a transmissão e a recepção de ondas de rádio, ao passo que os circuitos de frequência baixa são usados para a modulação de informação de som ou de vídeo nas ondas de rádio, e para a demodulação correspondente. Assim, ambos os circuitos de frequência baixa e alta são necessários. A presente invenção se refere a uma nova tecnologia para a realização de componentes de frequência alta, tais como circuitos de transmissor, circuitos de receptor, filtros, redes de combinação, divisores de potência e combinadores, acopladores, antenas e assim por diante.

[0003] As primeiras transmissões de rádio ocorreram a umafrequência bem baixa abaixo de 100 MHz, ao passo que, hoje em dia, o espectro de rádio (também denominado espectro eletromagnético) é usado comercialmente para até 40 GHz, e alguns sistemas para frequências mais altas são planejadas e mesmo até certo grau estão em uso hoje em dia. A razão para o interesse na exploração de frequências mais altas é pelas grandes larguras de banda disponíveis. Quando uma comunicação sem fio é dispersa para cada vez mais usuários e tornada disponível para cada vez mais serviços, novas bandas de frequência devem ser alocadas para se proporcionar espaço para todo o tráfego. A exigência principal é para comunicação de dados, isto é, uma transferência de grandes quantidades de dados em um tempo tão curto quanto possível.

[0004] Já existem linhas de transmissão para ondas de luz na formade fibras óticas que podem ser enterradas e representam uma alternativa a ondas de rádio, quando uma largura de banda grande é necessária. Contudo, essas fibras óticas também requerem circuitos eletrônicos conectados em qualquer extremidade. Podem mesmo ser necessários circuitos eletrônicos para larguras de banda acima de 40 GHz, para se permitir o uso das enormes larguras de banda disponíveis das linhas de transmissão óticas. A presente invenção pode ser usada para a realização de circuitos eletrônicos acima tipicamente de 40 GHz, em que não existe uma boa solução alternativa hoje em dia para perda baixa e produção em massa.

[0005] Os circuitos eletrônicos abaixo tipicamente de 300 MHz (istoé, comprimentos de onda mais longos do que 1 metro) são facilmente realizados em placas de circuito impresso (PCB) e em circuitos integrados usando projetos com base em elementos de circuito concentrados, tais como resistores, indutores, capacitores e amplificadores de transistor. Essa tecnologia também pode funcionar a uma frequência mais alta, mas a performance se degrada gradualmente quando o tamanho da PCB e do pacote de circuito integrado se torna comparável com um comprimento de onda. Quando isto acontece, é melhor realizar os circuitos pela conexão em conjunto de várias formas de pedaços de linhas de transmissão ou guias de onda. Normalmente, isto é referido como uma tecnologia de micro-ondas e está comumente em uso entre 300 MHz e 30 GHz, isto é, na região de micro-ondas. As linhas de transmissão mais comuns são cabos coaxiais e linhas, linhas de microtira e guias de onda cilíndricas. Há problemas com estas tecnologias para frequências mais altas do que 30 GHz, por causa das perdas crescentes e de problemas de fabricação (dimensões menores e exigências de tolerância mais estreitas). As exigências de tolerância poderiam ser um milésimo (1/1000) de um comprimento de onda, o que se torna muito pequeno quando se lembra que o comprimento de onda é de 10 mm a 30 GHz. Também, as linhas coaxiais e guias de onda precisam ser mais finas do que tipicamente 0,5 comprimentos de onda para funcionarem com um modo único requerido. Essas linhas ocas e guias são muito difíceis de fabricar, o que torna necessário a uma frequência alta, ao invés disso, o uso de linhas de microtira ou outras linhas de transmissão de substrato ligado. Contudo, as linhas de transmissão de substrato ligado têm perdas maiores que aumentam com uma frequência crescente, de modo que a performance se degrade. A potência de saída de transistores é mais baixa nessas frequências altas e, quando elas são montadas em linhas de transmissão com perda, a geração de potência se torna um problema ainda maior. A presente invenção se refere a circuitos eletrônicos feitos pelo uso de uma nova linha de transmissão que, a frequências altas, é vantajosa com respeito a perdas e à capacidade de fabricação.

[0006] Já existem algumas guias de onda particularmentepretendidas para uso em frequências altas, porque elas têm perdas mais baixas e são mais baratas de fabricar do que as guias de onda cilíndricas preenchidas com ar tradicionais, e devido ao fato de elas terem perdas mais baixas do que as linhas de microtira. Uma guia de onda como essa é uma assim denominada guia de onda de substrato integrado (SIW), conforme descrito em J/ Hirokawa e M. Ando, “Singlelayer feed waveguide consisting of posts for plano TEM wave excitation in parallel plates”, IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 46, N° 5, pp. 625630, maio de 1998. Aqui, a guia de onda é feita no substrato de uma PCB pelo uso de orifícios de via metalizada como paredes. Estas guias de onda ainda sofrem de perdas devido ao substrato, e os orifícios de via metalizada representam uma complicação que é dispendiosa de fabricar. A presente invenção não necessariamente faz uso de orifícios de via e do substrato para a provisão de uma guia de onda de frequência alta, mas pode fazer uso delas, se necessário, por outras razões.

[0007] Nos últimos 8 a 10 anos, os pesquisadores por todo mundotentaram sinterizar materiais eletromagnéticos artificiais que têm características anormais. Esses materiais frequentemente são referidos como metamateriais, e uma das características anormais mais desejáveis para obtenção em eletrônicos é o equivalente de condutividade magnética, o que não existe na natureza. A primeira tentativa conceitual de realização de condutividade magnética descrita na literatura científica foi das assim denominadas superfícies macias e duras, veja P-S. Kildal, "Artificially soft and hard surfaces in electromagnetics", IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. 38, No. 10, pp. 1537-1544, outubro de 1990. As superfícies ideais macias e duras hoje em dia são mais convenientemente descritas como grades de tira de PEC / PMC, isto é, grades de tiras paralelas, em que cada segunda tira é perfeitamente de condução elétrica (PEC) e perfeitamente de condução magnética (PMC), respectivamente, veja P.-S. Kildal e A. Kishk, "EM Modelling of surfaces with STOP or GO characteristics - artificial magnetic conductors and soft and hard surfaces", Applied Computational Electromagnetics Society Journal, Vol. 18, No. 1, pp. 3240, março de 2003. As tiras de PMC são realizadas por ranhuras de metal efetivamente com profundidade de um quarto de comprimento de onda, ou por meios equivalentes, tais como tiras de metal em um substrato aterrado com orifícios de via metalizados entre as tiras e os orifícios de via. As características das grades de tira de PEC / PMC são que as condições de fronteira anisotrópica permitem que ondas de polarização arbitrária se propaguem ao longo das tiras (caso de superfície rígida), ao passo que elas param uma placa de polarização de onda em outras direções ao longo da superfície e, em particular, ortogonalmente às tiras (caso de superfície macia). Essas grades de tira de PEC / PMC podem ser usadas para a realização de novos tipos de antena, veja P.-S. Kildal, "Strip-loaded dielectric substrates for improvements of antennas", Pedido de Patente U.S. 10/495.330 - depositado em 12 de novembro de 2002. A presente invenção faz uso das superfícies macias e duras e das grades de tira de PEC / PMC para a realização de uma guia de onda de frequência alta que não foi prevista no Pedido de Patente U.S. 10/495.330.

[0008] A assim denominada superfície de espaço de bandaeletromagnética (EBG) pára uma propagação de onda de uma forma similar à superfície macia, mas para todas as direções de propagação. Isto apareceu pela primeira vez na literatura científica no artigo a seguir de D. Sievenpiper, L.J. Zhang, R.F.J Broas, N.G. Alexopolous, e E. Yablonovitch, "High-impedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 47, No. 11, pp. 2059-2074, novembro de 1999. A superfície macia de Kildal e a superfície de EBG de Sievenpiper param uma propagação de onda ao longo das superfícies, e elas contêm o PMC como um componente de superfície importante. A invenção de Sievenpiper resultou em várias patentes, mas a presente invenção não é descrita nelas.

[0009] As características de propagação ao longo de superfíciesmacias e duras são bastante bem conhecidas, quando são usadas em guias de onda e como superfícies abertas, veja, por exemplo, S. P. Skobelev e P.-S. Kildal, "Mode-matching modeling of a hard conical quasi-TEM horn realized by an EBG structure with strips and vias", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 53, no. 1, pp. 139-143, janeiro de 2005, e Z. Sipus, H. Merkel e P-S. Kildal, "Green's functions for planar soft and hard surfaces derived by asymptotic boundary conditions", IEE Proceedings Part H, Vol. 144, No. 5, pp. 321-328, outubro de 1997. Contudo, os estudos foram delimitados a guias de onda cilíndricas e superfícies abertas, respectivamente. A presente invenção cria, ao invés disso, linhas de transmissão locais, guias de onda, e componentes de circuito entre condutores paralelos, e faz uso de técnicas especiais para se evitar a dispersão das ondas entre os condutores e para a supressão de modos indesejados de ordem mais alta.

[00010] Houve outras tentativas de se fazerem guias de onda de metamaterial de frequência mais alta, tal como em George V. Eleftheriades, Keith G. Balmain, "Metamaterials for controlling and guiding electromagnetic radiation", Patente U.S. N° 6859114 -depositada em 2 de junho de 2003. Contudo, esta e outras soluções relacionadas fazem uso da propagação de onda no interior do metamaterial, ou na superfície do mesmo, as quais causam perdas e grande dispersão. Uma dispersão significa que a largura de banda se torna estreita. A presente invenção controla uma propagação de onda entre placas de condução paralelas, e tem perdas menores e uma largura de banda potencialmente muito maior do que a Patente U.S. N° 6859114.

Sumário da Invenção

[00011] A finalidade da presente invenção é remover ou pelo menos reduzir fortemente os problemas relacionados a perdas ôhmicas e à capacidade de fabricação quando do projeto de dispositivos de microondas, tais como, mas não limitando, linhas de transmissão, guias de onda e circuitos de linha de transmissão e guia de onda em frequências tipicamente acima de 30 GHz, mas a invenção também pode ser vantajosa para uso em frequências mais baixas.

[00012] No contexto do presente pedido, o termo “dispositivo de micro-onda” é usado para a denominação de qualquer tipo de dispositivo e estrutura capaz de transmitir, transferir, guiar e controlar a propagação das ondas eletromagnéticas, particularmente em frequências altas em que as dimensões do dispositivo ou seus detalhes mecânicos são da mesma ordem de magnitude que o comprimento de onda, tais como guias de onda, linhas de transmissão, circuitos de guia de onda ou circuitos de linha de transmissão. A seguir, a presente invenção será discutida em relação a várias modalidades, tais como guias de onda, linhas de transmissão, circuitos de guia de onda ou circuitos de linha de transmissão. Contudo, é para ser apreciado por alguém versado na técnica que recursos vantajosos específicos e vantagens discutidas em relação a qualquer uma destas modalidades também são aplicáveis a outras modalidades.

[00013] A presente invenção provê uma nova modalidade de linhas de transmissão eletromagnéticas, guias de onda e circuitos deles que é mostrada, que é vantajosa quando a frequência é tão alta que as linhas de transmissão existentes e as guias de onda têm perdas grandes demais ou não pode ser fabricada efetivamente em termos de custos com as tolerâncias requeridas. Assim, pretende-se que a nova tecnologia substitua linhas coaxiais, guias de onda cilíndricas ocas, e linhas de microtira e outras linhas de transmissão de substrato ligado a frequências altas. As novas linhas de transmissão e guias de onda e seus circuitos são realizados em um espaço estreito entre duas superfícies paralelas de material de condução, pelo uso de uma textura ou estrutura de camada múltipla em uma das superfícies. Os campos estão presentes principalmente no interior do espaço, e não na textura ou na estrutura de camada em si, de modo que as perdas são pequenas. A guia de onda é definida por uma das superfícies e uma crista de metal (uma guia de onda de espaço de crista) ou uma ranhura (guia de onda de espaço de ranhura) na outra superfície, e a linha de transmissão é definida por uma das superfícies e uma tira de metal localizada no interior do espaço entre as duas superfícies (linha de espaço de microtira). As ondas se propagam ao longo da crista, da ranhura e da tira, respectivamente. Nenhuma conexão de metal entre as duas superfícies de metal é necessária. Pelo menos uma das superfícies é provida com meios para proibição das ondas de se propagarem em outras direções entre elas do que ao longo da crista, da ranhura ou da tira, por exemplo, pelo uso de uma textura ou estrutura na superfície de metal em si ou uma camada de metal periódica na estrutura de camada múltipla. A textura ou estrutura frequentemente será periódica ou quase periódica e projetada para interagir com as ondas, de forma tal que elas funcionem de forma macroscópica como condutores magnéticos artificiais (AMC), superfícies de espaço de banda eletromagnética (EBG) ou superfície macia. Pode haver uma parede de metal sólida ao longo do aro de pelo menos uma das duas superfícies de metal. Esta parede pode ser usada para se manterem as superfícies em uma posição estável em relação a cada outra com um poço definido e um pequeno espaço entre elas. Esta parede pode estar localizada bastante próxima dos circuitos, sem afetar a performance, e mesmo proverá uma boa solução de acondicionamento para integração de circuitos integrados ativos. A uma frequência muito alta, as guias de onda de espaço e as linhas de espaço podem ser realizadas no interior de um acondicionamento de IC ou no interior do chip em si.

[00014] A geometria básica da presente invenção compreende duas superfícies de condução paralelas. Estas superfícies podem ser as superfícies de dois volumes de metal, mas elas também podem ser feitas de outros tipos de materiais tendo uma superfície metalizada. Elas também podem ser feitas de outros materiais com boa condutividade elétrica. As duas superfícies podem ser planas ou curvadas, mas em ambos os casos elas são separadas por uma distância muito pequena, um espaço, e os circuitos de linha de transmissão e os circuitos de guia de onda são formados no interior deste espaço entre as duas superfícies. O espaço tipicamente é preenchido com ar, mas também pode ser preenchido plena ou parcialmente com um dielétrico, e seu tamanho tipicamente é menor do que 0,25 comprimentos de onda, efetivamente. Nós nos referiremos ao tamanho de espaço como sua altura divisando uma superfície acima da outra em uma certa altura de espaço.

[00015] Uma (ou pelo uma das) das superfícies é provida com uma textura ou uma estrutura de camada múltipla fina que é usada para a realização, por exemplo, de uma superfície de PMC, uma superfície de EBG, ou uma grade de tira de PEC / PMC. Por estrutura de camada múltipla nós queremos dizer pelo menos duas camadas, tal como um plano de aterramento de metal e um substrato dielétrico. Por meio desta textura ou estrutura de camada múltipla, é possível controlar a propagação de onda no espaço entre as duas superfícies, de modo que siga percursos específicos, aparecendo como linhas de transmissão ou guias de onda no interior do espaço, assim linhas de transmissão de espaço e guias de onda de espaço. Pela conexão em conjunto das guias de onda de espaço (ou linhas de transmissão) de comprimentos, direções e impedâncias características diferentes, ou pelo controle do acoplamento entre as guias de onda de espaço paralelo (ou linhas de transmissão), é possível realizar componentes de guia de onda (ou linha de transmissão) e completar os circuito de guia de onda (ou linha de transmissão) entre as duas superfícies de condução paralelas, de uma maneira similar a como esses circuitos são realizados com linhas de microtira convencionais e guias de onda convencionais.

[00016] A linha de transmissão ou guia de onda de acordo com a invenção pode ter três formas principalmente diferentes: a) a guia de onda de espaço de crista. b) a linha de espaço de microtira. c) a guia de onda de espaço de ranhura.

[00017] Uma geometria canônica simplificada de guia de onda de espaço ou de linha de espaço é uma superfície PEC paralela a uma superfície de PMC em uma certa altura de espaço, em que: a) para o caso de crista, há traços ou linhas de PEC na superfície perfeitamente de condução magnética PMC de outra forma, e b) para o caso de microtira, há linhas de PEC no interior do espaço entre as duas superfícies, e c) para o caso de ranhura, há ranhuras na superfície de PEC. As cristas de PEC e linhas nos dois primeiros casos os tornam similares a uma linha de microtira normal, em que a região de ar é substituída por uma superfície PMC (caso de linha de espaço de microtira), ou pelo menos as partes da região de ar interfaceando diretamente o substrato (caso de crista), e em que o substrato preenche o espaço, o qual na linha de espaço de microtira normalmente seria preenchido com ar. Assim, a superfície de PMC tem o papel na interface de ar na guia de onda de espaço de crista e na linha de espaço de microtira. Desse modo, muitas das equações de linha de transmissão que se aplicam a linhas de microtira também se aplicam como uma boa aproximação para a guia de onda de espaço de crista e a linha de espaço de microtira. A impedância característica da guia de onda de espaço e da linha é dada, portanto, aproximadamente, por:

[00018] em que Z0 é a impedância de onda no ar (ou no preenchimento com dielétrico da região do espaço), w é a largura e h é a distância dos traços ou linhas de PEC a partir da superfície PEC. Esta teoria simplificada funciona pela largura de banda na qual a realização da superfície PMC funciona como uma PMC. Um condutor de metal na maioria dos casos é uma boa aproximação apara uma PEC por uma banda de frequência ampla.

[00019] A guia de onda de espaço de crista e a linha de espaço de microtira têm mais em comum com a assim denominada linha de microtira suspensa ou invertida, na qual as linhas de microtira são suspensas a uma distância h a partir de um plano de aterramento em um lado pelo uso de um substrato dielétrico no lado oposto da linha de microtira. O substrato é fixado ao circundar espaçadores de forma tal que haja um espaço de ar entre as tiras de metal e o plano de aterramento de metal, veja, por exemplo, J.M. Schellenberg, "CAD models for suspended and inverted microstrip", IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, Vol.43, No.6, pp.1247-1252, junho de 1995. Na linha de microtira invertida, as ondas se propagam no espaço de ar entre uma tira de condução e um plano de aterramento, da mesma forma que na linha de microtira de espaço. A diferença é que a linha de espaço de microtira tem um outro plano de aterramento no lado oposto da tira de condução, e este plano de aterramento adicional é provido com uma textura ou uma estrutura de camada múltipla que proíbe modos indesejados de se propagarem entre os dois planos de aterramento e entre a linha de condução e o plano extratexturizado ou de aterramento em camada. Essas ondas de outra forma tornariam impossível realizar o circuito de frequência alta, devido aos modos indesejados que criariam ressonâncias e outros problemas.

[00020] A guia de onda de espaço de crista tem duas similaridades com a guia de onda de crista normal, o que é descrito, por exemplo, por T.N. Anderson, "Rectangular and Ridge Waveguide", IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, Vol.4, No. 4, pp. 201-109, outubro de 1956. A diferença é que as paredes laterais de metal são removidas na guia de onda de espaço, e os campos são impedidos de vazarem através da abertura porque a propagação de modo básico entre superfícies paralelas de PMC e PEC está sob corte, e, assim, não se propagam quando a altura do espaço entre as duas superfícies é menor do que 0,25 comprimentos de onda.

[00021] A teoria básica da guia de onda de espaço é muito simples. Se as superfícies opostas forem condutores lisos, ondas TEM com campo E ortogonal às superfícies poderiam se propagar entre elas para qualquer tamanho do espaço. Estas ondas poderiam se propagar em todas as direções, se as superfícies fossem largas, e elas seriam refletidas a partir do aro das superfícies, o que pode ser aberto ou fechado com paredes, e refletidas para trás e para frente no espaço, criando uma grande quantidade de ressonâncias não controladas. Quando o aro é aberto, também poderia haver uma perda significativa de potência devido a uma radiação indesejada. Essas ressonâncias tornam os condutores paralelos lisos impossíveis de se usar na prática como linhas de transmissão em frequências altas. A finalidade da invenção é prover pelo menos uma das superfícies com uma textura ou estrutura de camada múltipla, ambas as quais preferencialmente devendo ser projetadas de forma tal que as ondas sejam guiadas como modos únicos no espaço, em direções controladas e desejadas.

[00022] A invenção é com base nos fatos teóricos a seguir que podem ser derivados a partir das equações de Maxwell:a) nenhuma onda pode se propagar em qualquer direção no espaço entre um PEC e um PMC, se a altura de espaço for menor do que 0,25 comprimentos de onda.b) nenhuma onda pode se propagar em qualquer direção entre um PEC e uma superfície de EBG, se a altura do espaço for menor do que uma altura específica, a qual depende da geometria da superfície de banda de espaço. Esta altura é normalmente menor do que 0,25 comprimentos de onda também.c) as ondas no espaço entre uma superfície de grade de tira de PEC / PMC e uma PEC podem apenas seguir a direção das tiras de PEC. As ondas em outras direções são fortemente atenuadas quando a altura é menor do que 0,25 comprimentos de onda.

[00023] Também há outros tipos de superfícies de acordo com a invenção que podem parar uma propagação de onda entre as superfícies, e nós nos referimos a eles também segundo o termo geral “superfícies de parada de onda”.

[00024] Usando os fatos teóricos acima, nós podemos projetar guias de onda de espaço e linhas de espaço, e então nós podemos colocar as guias de onda e as linhas em conjunto com circuitos e componentes ao se fazer uso de abordagens similares e práticas que são comumente aplicadas quando do projeto de circuitos e componentes de guias de onda cilíndricas e linhas de microtira em frequências mais baixas.

[00025] O terceiro tipo de guia de onda / linha de espaço é a guia de onda de espaço de ranhura. Esta é formada entre a textura ou estrutura em camadas em uma dentre a superfície de condução e uma ranhura na superfície de condução oposta. Assemelha-se a uma guia de onda de metal retangular padronizada, exceto pelo fato de uma parede ser substituída por um espaço de ar e uma textura ou uma estrutura de camada múltipla. Não há um contato de metal entre as paredes da ranhura e a supervisor, e o campo é impedido de vazar através da fenda para a região de espaço entre as duas superfícies pela textura ou estrutura de camada múltipla da mesma forma como descrito previamente para a guia de onda de espaço de crista e a linha de espaço de microtira. A superfície de topo oposta pode conter uma textura na região em que ela atua como uma parede de guia de onda, ou ser uma PEC ali. A textura ou estrutura de camada múltipla pode ser provida, alternativamente, na mesma superfície em que a ranhura está, e a ranhura pode se estender alternativamente para ambas as superfícies, e não apenas para uma delas.

[00026] É um fato importante que as duas faces opostas de acordo com a invenção podem ter uma conexão de metal com cada outra a alguma distância dos circuitos de espaço sem se afetar sua performance. Isto é uma vantagem mecânica, já que uma das superfícies pode ser feita com uma parede de metal sólida em torno dela, que provê suporte para a outra superfície, de forma tal que a altura de espaço seja bem definida em qualquer lugar. Desse modo, o circuito de guia de onda / linha de espaço inteiro pode ser encapsulado completamente pelo metal, provendo forte blindagem para os circuitos externos e o ambiente.

[00027] A textura ou estrutura de camada múltipla em pelo menos uma das superfícies de acordo com a invenção é usada para a realização de condições de corte para ondas se propagando em direções indesejadas entre as duas superfícies. Esta textura pode ser usada para realização tão próximo quanto possível, de grades de tira de PMC, PEC / PMC, ou superfícies de banda de espaço eletromagnética (EBG). A PMC pode prover uma condição de corte em conjunto com um condutor paralelo, se a altura de espaço for menor do que 0,25 comprimentos de onda, a superfície de EBG, superfície de PEC / PMC pode criar cortes para alturas de até 0,5 comprimentos de onda em alguns casos, mas a condição é dependente de polarização (e dependente de direção para o caso de tira de PEC / PMC). A literatura científica descreve muitas modalidades de superfícies destes tipos, sob os nomes mencionados acima, mas também sob outros nomes. Os exemplos desses nomes são superfícies corrugadas, superfícies de impedância alta, condutores magnéticos artificiais (AMC), superfícies de cristal eletromagnético, e superfícies de espaço de banda fotônico. Esta literatura prévia, contudo, não descreve o uso dessas superfícies para a geração das guias de onda de espaço e linhas de espaço da presente invenção. Portanto, todas essas modalidades prévias são novas quando usadas em conjunto com uma superfície oposta para controle da propagação de onda entre as duas superfícies.

[00028] As realizações da invenção que se espera que sejam mais simples e úteis na região de onda de milímetro e submilímetro são superfícies de coluna de metal e superfícies corrugadas. As colunas de metal parecem como um leito de pregos, e operam próximo de uma PMC em uma frequência. As colunas de metal e corrugações podem ser facilmente fabricadas em uma superfície de metal por usinagem ou ataque químico.

[00029] Uma outra importante realização de acordo com a invenção é uma estrutura de camada múltipla, tal como: A. muitas placas de circuito localizadas no topo umas das outras, B. camadas de material fino diferentes depositadas no topo de cada outra, C. camadas diferentes dopadas em um substrato, e D. mesmo outros métodos consistentes com como os componentes eletrônicos ativos e passivos já são fabricados.

[00030] As superfícies de metal, bem como a superfície de parada de onda de acordo com a invenção então podem ser realizadas em camadas específicas nessa estrutura de camada múltipla.

[00031] A estrutura provida de textura e camada múltipla reduzirá fortemente a ressonância possível na cavidade formada entre as duas superfícies, a qual de outra forma é um grande problema quando da encapsulação, por exemplo, de circuitos de microtira. A razão para isso é que a textura ou estrutura de camada múltipla impede uma propagação de onda indesejada e, desse modo, modos de cavidade indesejados. Isto é verdadeiro apenas na banda de frequência de operação dos circuitos de guia de onda de espaço, mas pode ser estendido para outras bandas de frequência pelo projeto da textura e da estrutura de camada múltipla para a parada de ondas, mesmo em outras frequências selecionadas em que se espera que as ressonâncias provejam um problema.

[00032] É claro a partir do dito acima que os circuitos de guia de onda de espaço e os circuitos de linha de espaço de guia de onda de acordo com a invenção podem estar localizados no interior de um invólucro de metal, em que o fundo ou a parede de topo ou ambos contêm a textura ou estrutura de camada múltipla que é usada para a realização dos circuitos de espaço. Este invólucro de metal ou a estrutura de camada múltipla em si pode ser facilmente projetado para incluir também chips com circuitos integrados ativos (ICs), por exemplo, para a geração de potência (isto é, amplificadores de potência) ou para recepção com ruído baixo (isto é, amplificadores de ruído baixo também denominados LNAs). Há muitas formas possíveis de criação de uma conexão entre os componentes integrados ativos e os circuitos de guia / linha de espaço: I. Os ICs ou mesmo chips não acondicionados podem ser montados no lado externo da guia de onda de espaço. Então, os fios do IC podem se adaptar, por exemplo, a um soquete com pernas que penetram através de orifícios na camada de metal, atuando como sondas para a guia de onda de espaço subjacente e, desse modo, provendo uma conexão entre os circuitos externos e os circuitos de guia de onda de espaço. Isto é feito mais facilmente no lado exterior da camada de condução lisa da guia de onda de espaço. II. Os ICs ou mesmo os chips não acondicionados também podem ser fixados ao lado interno da guia de onda de espaço. Isto pode ser conveniente, em particular, se a superfície texturizada for uma estrutura de camada múltipla. III. A estrutura de camada múltipla em si também pode conter uma camada de metal separando as regiões interiores e exteriores dos circuitos de guia de onda de espaço, em cujo caso o IC pode ser ligado a ou integrado de outras formas à estrutura de camada múltipla no interior ou no exterior da camada de metal e, desse modo, no interior ou exterior do espaço. IV. O acondicionamento de IC em si também pode ser uma estrutura de camada múltipla, a qual torna possível a frequências muito altas implementar os circuitos de guia de onda de espaço no pacote de IC em si. V. O chip também é um tipo de estrutura de camada múltipla, ou pode ser feito assim. Portanto, em frequências de onda de milímetro, será possível mesmo implementar circuitos de guia de onda de espaço no chip em si.

Desenhos

[00033] A figura 1 mostra um esboço de um exemplo de um componente o qual é realizado pelo uso das guias de onda de espaço de crista entre superfícies de metal, de acordo com a invenção. A superfície superior de metal é mostrada em uma posição elevada, para revelação da textura sobre a superfície inferior.

[00034] A figura 2 é uma seção transversal do exemplo na figura 1 na posição de uma sonda, quando a superfície superior é montada. A figura mostra apenas a geometria na vizinhança da seção transversal.

[00035] A figura 3 mostra a mesma seção transversal do exemplo em uma outra posição e para uma outra modalidade usando uma linha de espaço de microtira de acordo com a invenção. A figura mostra apenas a geometria na vizinhança da seção transversal.

[00036] As figuras 4, 5, 6, 7, 8, 9, 14, 15 e 16 mostram seções transversais de linha de espaço e guias de onda de acordo com a invenção. Apenas as vizinhanças próximas das linhas são mostradas.

[00037] As figuras 7, 12 e 13 mostram possíveis layouts da textura nas superfícies de acordo com a invenção, correspondendo ao exemplo na figura 1, mas com uma outra realização da textura.

[00038] As figuras 10 e 11 mostram um corte ao longo da linha de entrada de uma curva a 90 graus em uma guia de onda de espaço de crista de acordo com a invenção, em uma vista em perspectiva (10a e 11a), e em uma vista em seção transversal (10b e 11b).

[00039] As figuras 14, 15 e 16 mostram seções transversais de três exemplos de guias de onda de espaço de ranhura de acordo com a invenção.

Descrição detalhada das figuras

[00040] A figura 1 mostra um divisor de potência de duas vias ou um combinador como um exemplo de um componente que é uma modalidade da invenção. Há duas peças de metal provendo as superfícies de condução superior 1 e inferior 2. A superfície superior é lisa, mas a superfície inferior é usinada, de modo que uma textura apareça. A textura mostra um aro circundando 3 à qual a superfície superior pode ser montada, e uma região a qual é mais baixa do que o aro e, desse modo, provê um espaço 4 entre as superfícies superior e inferior, quando a superfície superior for montada. A crista de metal 5 está formando um garfo de dois braços, e, em torno da crista, há colunas de metal 6 provendo condições de corte para todas as ondas se propagando entre as superfícies inferior e superior, exceto as ondas desejadas ao longo da crista 5. As colunas funcionam de maneira similar a uma PMC na banda de frequência de operação. Há orifícios de parafuso 8 na peça de metal superior, que são usados para a fixação dela ao aro de metal 3 da peça de metal inferior, e há orifícios de parafuso de combinação 7 neste aro.

[00041] A figura 2 mostra uma seção transversal na posição da sonda 9, a qual é conectada a um conector coaxial no exterior da superfície 8. Assim, as sondas provêem uma conexão para o exterior da região de espaço, mas isto pode ser feito de muitas formas diferentes. O espaço 4 é preenchido com ar, mas também pode ser preenchido de forma plena ou parcial com um material dielétrico.

[00042] As figuras 3 e 4 mostram o mesmo exemplo de divisor de potência que na figura 1, mas as colunas de metal 6 são usadas, agora, sob o espaço inteiro 4. Uma tira de metal 5 forma uma linha de metal de microtira. Isto é suportado por uma camada de substrato fina 10 localizada no topo das colunas 6. O espaço 11 entre as colunas é preenchido com ar. A tira de metal pode suportar ondas entre ela mesma e a superfície superior de metal.

[00043] A figura 5 mostra uma modalidade similar de uma linha de espaço de microtira como uma nas figuras 3 e 4, exceto pelo fato de as colunas de metal 6 serem substituídas por uma superfície de EBG na forma de partes embutidas de metal 12. Estas formam um padrão periódico em duas direções ao longo da superfície inferior, conforme mostrado na figura 7, e cada patch é provido com uma conexão de metal com o plano de aterramento 1, na forma de orifícios de via metalizados 13, também simplesmente denominados vias. Os orifícios de via fazem com que a superfície de EBG funcione por uma largura de banda mais larga.

[00044] A modalidade nas figuras 6 e 7 é muito similar àquela na figura 5, embora a figura 6 mostre uma guia de onda de espaço de crista. A linha de microtira 5 é encurtada com uma linha de orifícios de via metalizados localizados de forma próxima 13 ao plano de aterramento 1, de modo que funcione como uma guia de onda de espaço de escrita.

[00045] As guias de onda de espaço de crista canônicas são mostradas nas figuras 8 e 9. Na figura 8, a crista 5 é circundada por uma superfície texturizada 14 que pára as ondas quanto a deixarem a guia de crista em si, pela provisão de uma condição de corte para as ondas, de acordo com a invenção. Esta superfície 14 pode ser, por exemplo, uma realização de uma superfície de EBG ou uma PMC. As linhas de campo E aproximadas entre a superfície superior de metal 2 e a crista 5 são mostradas. Na figura 9, a superfície que pára uma propagação de onda é mostrada como uma PMC, e a condição de parada de onda magnética é mostrada.

[00046] As figuras 10 e 11 mostram como a superfície de parada de onda 14 está localizada para a parada de ondas se aproximando da curva a 90 graus quanto a continuarem a se propagar diretamente à frente. As ondas são indicadas como setas com formato de onda apontando na direção de propagação. Os comprimentos das setas indicam as amplitudes das ondas diferentes. A onda se aproximando ao invés disso pode ser refletida (indesejado) ou virada à esquerda (desejado). A virada desejada da onda pode ser obtida pelo corte apropriado do canto da curva, conforme mostrado. A figura 11 mostra a superfície de parada 14 em uma forma canônica como uma grade de tira de PEC / PMC. A área padronizada escura é uma realização de uma PMC, e a área clara é uma PEC. As tiras de PEC / PMC pararão de forma muito eficiente a propagação de onda na direção direta à frente.

[00047] A figura 12 mostra uma possível modalidade diferente do exemplo na figura 1. Aqui, as cristas 15 e as ranhuras 16 são usadas além das colunas 6, de modo a se garantir que as ondas não se propaguem ao longo de direções indesejadas a partir da guia de cristas em si.

[00048] A figura 13 mostra o mesmo exemplo que na figura 1, mas há um pedaço de material absorvente 17 entre as duas janelas de saída 18 e 19. Isto constitui o trabalho de exemplo com saídas isoladas, caso projetado apropriadamente.

[00049] As figuras 14, 15 e 16 mostram guias de onda de espaço de ranhura diferentes, mas também podem estar na superfície superior, ou pode haver duas ranhuras opostas em ambas as superfícies. A ranhura 20 é provida na superfície inferior. A ranhura suporta uma onda polarizada horizontalmente nas figuras 14 e 15, desde que a distância a partir da superfície de topo até o fundo da ranhura seja mais tipicamente de 0,5 comprimentos de onda na figura 14 e 0,25 comprimentos de onda na figura 15. A ranhura na figura 16 suporta uma onda verticalmente polarizada, quando a largura da ranhura for maior do que 0,5 comprimentos de onda. As larguras das ranhuras nas figuras 14 e 15 devem ser preferencialmente mais estritas do que 0,5 comprimentos de onda, e a distância a partir do fundo da ranhura na figura 16 até a superfície superior preferencialmente deve ser menor do que efetivamente 0,5 comprimentos de onda (pode ser ainda menor, dependendo do tamanho do espaço), de modo a se garantir uma propagação de modo único. As superfícies inferiores nas figuras 14 e 16 e a superfície superior na figura 15 são providas com uma superfície de parada de onda 14. A superfície de parada de onda pode ter qualquer realização que impeça a onda de vazar para fora da ranhura 20.

[00050] A invenção não está limitada às modalidades mostradas aqui. Em particular, a invenção pode estar localizada no interior do acondicionamento de um IC ou nas camadas múltiplas em um chip de IC. Também, pelo menos uma das superfícies de condução pode ser provida com sondas de penetração, aberturas, fendas ou elementos similares através dos quais as ondas são irradiadas ou são acopladas a circuitos externos.

Claims

1. Dispositivo de micro-ondas caracterizado pelo fato de que compreende duas superfícies opostas (1, 2) de material decondução para a formação de um espaço estreito (4) entre elas, em que pelo menos uma das superfícies (1, 2) é provida com pelo menos um elemento de condução, pelo menos um referido elemento de condução sendo pelo menos um dentre: uma crista (5) de condução provida na superfície, uma ranhura (20) com paredes de condução providas na superfície, e uma tira de condução disposta em uma estrutura de camada múltipla da superfície; e em que pelo menos uma das superfícies é provida com um meio que para uma propagação de onda em outras direções no interior do espaço (4) além de ao longo das referidas cristas (5), ranhuras ou tiras, pelo menos na frequência de operação, e em que as duas superfícies (1, 2) são conectadas em conjunto para rigidez por uma estrutura mecânica (3) que define uma extremidade do espaço (4) a alguma distância fora da região com ondas guiadas.

2. Dispositivo de micro-ondas, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de micro-ondas forma uma guia de onda ou um circuito de guia de onda, e em que pelo menos um elemento de condução compreende pelo menos uma crista (5) de condução provida em uma das superfícies (1, 2), ao longo de cada uma das quais uma onda de modo único é guiada no interior do espaço (4).

3. Dispositivo de micro-ondas, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de micro-ondas forma uma guia de onda ou um circuito de guia de onda, e em que pelo menos um elemento de condução compreende pelo menos uma ranhura (20) com paredes de condução providas em pelo menos uma das superfícies (1, 2), ao longo de cada uma das quais uma onda de modo único é guiada.

4. Dispositivo de micro-ondas, de acordo com a reivindicação1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de micro-ondas forma uma guia de onda ou um circuito de guia de onda, e em que pelo menos uma das superfícies (1, 2) é provida com uma estrutura de camada múltipla e pelo menos um elemento de condução compreende pelo menos uma tira de condução disposta na referida estrutura de camada múltipla, ao longo de cada uma das quais uma onda de modo único é guiada no interior do espaço (4).

5. Dispositivo de micro-ondas, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 4, caracterizado pelo fato de que pelo menos parte das duas superfícies opostas (1, 2) é provida com uma estrutura de camada múltipla que contém elementos condutivos que são dispostos de forma tal que elementos parem uma propagação de onda em outras direções no interior do espaço (4) além daquelas definidas pelas ranhuras e cristas (5), pelo menos na frequência de operação.

6. Dispositivo de micro-ondas, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que pelo menos parte de uma das superfícies (1, 2) é provida com uma textura que é projetada de forma tal que ela pare uma propagação de onda no interior do espaço (4) em outra além de nas direções desejadas definidas pelas cristas (5), ranhuras ou tiras, pelo menos na frequência de operação.

7. Dispositivo de micro-ondas, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que uma das superfícies de condução (1, 2) é lisa.

8. Dispositivo de micro-ondas, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que o espaço (4) é preenchido pelo menos parcialmente com um material dielétrico.

9. Dispositivo de micro-ondas, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que o espaço (4) é preenchido com ar, gás ou vácuo.

10. Dispositivo de micro-ondas, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que a estrutura mecânica (3) é em parte de pelo menos um dos materiais de condução definindo uma das superfícies (1, 2).

11. Dispositivo de micro-ondas, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que pelo menos parte das duas superfícies (1, 2) é principalmente plana, exceto pela estrutura fina provida pelas cristas (5), ranhuras e textura.

12. Dispositivo de micro-ondas, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que pelo menos parte das duas superfícies (1, 2) é curvada da mesma forma, de modo que o espaço (4) entre elas se mantenha tão pequeno que uma propagação de onda em direções indesejáveis no interior do espaço (4) seja parada, e de modo que se elas forem fortemente curvadas, a superfície interna possa se reduzir no limite até um fio fino, uma borda afiada, uma cunha ou similar.

13. Dispositivo de micro-ondas, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que pelo menos parte de pelo menos uma das superfícies (1, 2) é provida com colunas (6) localizadas próximas de material de condução subindo a partir de uma superfície de condução de outra forma lisa.

14. Dispositivo de micro-ondas, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado pelo fato de que pelo menos parte de pelo menos uma das superfícies (1, 2) é provida com uma ou mais ranhuras (16), cristas (15) ou corrugações que são projetadas para pararem uma propagação de onda muito fortemente em certas direções, pelo menos na frequência de operação.

15. Dispositivo de micro-ondas, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizado pelo fato de que pelo menos alguns dos elementos condutivos da estrutura de camada múltipla são pedaços de metal ou tiras de metal.

16. Dispositivo de micro-ondas, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 15, caracterizado pelo fato de que pelo menos parte de uma camada é uma camada de metal completa, exceto por possíveis pequenas aberturas funcionando como antenas ou provendo um orifício para conexão dos circuitos de guia de onda de espaço interno com circuitos no exterior das duas superfícies de material opostas.

17. Dispositivo de micro-ondas, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 16, caracterizado pelo fato de que há orifícios de via metalizados (13) entre duas ou mais camadas na estrutura de camada múltipla.

18. Dispositivo de micro-ondas, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 17, caracterizado pelo fato de que pelo menos alguns dos elementos de metal na estrutura de camada múltipla, que é projetada para parar uma propagação de onda, são uma realização de uma superfície de espaço de banda eletromagnética, pelo menos na frequência de operação.

19. Dispositivo de micro-ondas, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 18, caracterizado pelo fato de que pelo menos alguns dos elementos de metal na estrutura de camada múltipla, que é projetada para parar uma propagação de onda, são uma superfície de impedância alta, também denominada um condutor magnético artificial, sendo uma realização tentada de um condutor magnético perfeito, pelo menos na frequência de operação.

20. Dispositivo de micro-ondas, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 19, caracterizado pelo fato de que pelo menos alguns dos elementos de metal que param uma propagação de onda são uma grade de tira, em que toda segunda tira é um condutor elétrico perfeito e uma realização de um condutor magnético perfeito, respectivamente, parando uma propagação de onda muito fortemente em direções ortogonais às tiras, pelo menos na frequência de operação.

21. Dispositivo de micro-ondas, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 20, caracterizado pelo fato de que a região de espaço contém circuitos integrados.

22. Dispositivo de micro-ondas, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 21, caracterizado pelo fato de que as duas superfícies opostas (1, 2) e o espaço (4) entre elas estão localizados no interior de um acondicionamento de IC.

23. Dispositivo de micro-ondas, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 22, caracterizado pelo fato de que as duas superfícies opostas (1, 2) e o espaço (4) entre elas estão localizados em uma estrutura de camada múltipla em um chip de IC.

24. Dispositivo de micro-onda, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 23, caracterizado pelo fato de que o referido elemento de condução não está em contato elétrico com a outra de duas referidas superfícies opostas (1, 2), e em que ao longo de cada um dos referidos elementos de condução uma onda de modo único é guiada no interior do espaço (4).