ES2338029T3 - Dispositivo de transicion entre una guia de ondas y dos circuitos redundantes acoplados a sendas lineas coplanares. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo redundante de transición entre una guía (1) de ondas electromagnéticas y al menos dos circuitos redundantes (2, 3), llamados circuitos de tratamiento, comprendiendo este dispositivo de transición dos líneas que discurren, al menos en parte, por el interior de la guía de ondas, caracterizado por el hecho de que las dos líneas son dos líneas coplanares (5, 6) formadas sobre una placa llamada sustrato y hecha de un material dieléctrico, comprendiendo cada línea coplanar, en una mismo plano, una tira central de transmisión (7; 10) y dos bandas laterales de masa (8, 9; 11, 12) a uno y otro lado de dicha tira, estando dichas bandas laterales separadas de ésta última por ranuras (21, 22; 23, 24) de guiamiento de ondas electromagnéticas, discurriendo dicha tira y dichas bandas principalmente según una dirección llamada dirección longitudinal de línea, presentando cada línea coplanar (5) un extremo longitudinal (17), llamado extremo de conexión, que está destinado a ser acoplado a uno (2) de los circuitos de tratamiento que es propio de dicha línea coplanar, - las dos líneas coplanares (5, 6) discurren por uno y otro lado de un mismo sustrato (4), por sobre dos caras principales opuestas (27, 28) de éste, - cada línea coplanar (5) presenta un extremo longitudinal (16), llamado extremo de transferencia, opuesto a su extremo de conexión, adaptado para canalizar una onda electromagnética entre la guía de ondas y las ranuras (21, 22) de dicha línea coplanar, - cada línea coplanar (5, 6) está provista de medios (25, 26), llamados medios desfasadores, adaptados para invertir la fase de un campo eléctrico de un lado de la tira central de transmisión (7, 10) de dicha línea coplanar, con vistas a un transmisión de energía eléctrica esencialmente según un modo coplanar a lo largo de dicha tira de transmisión entre los medios desfasadores y el circuito de tratamiento, y a una transmisión de energía eléctrica esencialmente según un modo guía dentro de la guía de ondas más allá del extremo de transferencia.
Description
Dispositivo de transición entre una guía de
ondas y dos circuitos redundantes acoplados a sendas líneas
coplanares.
La invención se refiere a un dispositivo de
transición entre una guía de ondas y al menos dos circuitos
redundantes, llamados circuitos de tratamiento, para el tratamiento
de señales recibidas y/o emitidas por la guía de ondas, estando
cada circuito de tratamiento acoplado a una línea coplanar que le es
propia.
El dispositivo según la invención está por
ejemplo destinado a estar asociado a una guía de ondas de una
antena de recepción de ondas electromagnéticas de hiperfrecuencia
(por ejemplo dentro de la banda Ka) dentro del marco de un conjunto
de recepción, en el terreno de la comunicación espacial. Los
circuitos de tratamiento son entonces por ejemplo circuitos
amplificadores de bajo ruido (llamados LNA, "Low Noise
Amplifier"), que están destinados a amplificar una señal
recibida por la guía de ondas de la antena. El dispositivo según la
invención es igualmente conveniente para otras aplicaciones
(particularmente terrestres) de recepción de ondas
electromagnéticas, dentro de otras bandas de frecuencias. Dicho
dispositivo es igualmente conveniente para aplicaciones de emisión
de ondas electromagnéticas (eventualmente a largas distancias) por
medio de una guía de ondas a partir de señales tratadas por un
circuito de tratamiento.
De manera habitual se designa como "guía de
ondas" un tubo hueco de sección interna rectangular o
eventualmente circular, por ejemplo, hecho de un material
eléctricamente conductor, cuyo tubo es apto para confinar y
transportar ondas electromagnéticas según una dirección
longitudinal de dicho tubo, llamada dirección longitudinal de
propagación.
Por otro lado, la expresión "línea
coplanar" designa de manera habitual un circuito de
hiperfrecuencia que comprende tres bandas paralelas de material
conductor que discurren todas ellas en un mismo plano sobre una
capa de sustrato de material dieléctrico: una banda central llamada
tira central de transmisión, y dos bandas laterales conectadas a la
masa, llamadas bandas laterales de masa. Las líneas coplanares están
adaptadas para vehicular una energía electromagnética hacia y/o
desde circuitos integrados semiconductores. Existen otros tipos de
circuitos de hiperfrecuencia aptos para vehicular una energía
electromagnética de manera planar; pero las líneas coplanares son
particularmente apreciadas por su estructura coplanar que facilita
la conexión de los circuitos de tratamiento (montaje en
"flip-chip" ...) y que ofrece escasas pérdidas de alta frecuencia.
"flip-chip" ...) y que ofrece escasas pérdidas de alta frecuencia.
Estas dos tecnologías (guía de ondas/línea
coplanar), cuyos modos de funcionamiento son distintos, se codean
en el seno de un conjunto de recepción y/o de emisión: las ondas
transmitidas a través del espacio son recibidas y/o emitidas por
una antena hecha con la tecnología de las guías de ondas; y la
transmisión de una señal correspondiente hasta y/o desde un
circuito de tratamiento es asegurada por una línea coplanar. Entre
estos dos tipos de transmisión de energía es necesario un
dispositivo de transmisión que transforme el modo de guía de ondas
en modo coplanar (o a la inversa).
La WO 93/22802 describe un dispositivo de
transición entre una guía de ondas receptora, de sección
rectangular, y una línea coplanar única que puede por ejemplo
alimentar a un circuito amplificador. La línea coplanar está
dispuesta ortogonalmente con respecto a la dirección longitudinal de
propagación de la guía de ondas, en el exterior de la misma, y en
el interior de la guía de ondas está prolongada por una sonda que
asegura la transición de la señal.
Un dispositivo de transición de este tipo entre
una guía de ondas y un circuito de tratamiento por medio de una
línea coplanar única presenta el inconveniente de no asegurar
redundancia alguna. El conjunto de recepción deviene totalmente
inoperante en caso de avería de un componente del único circuito
amplificador alimentado por dicha línea coplanar, o en caso de
imperfecciones de la línea coplanar o de daños sufridos por la
misma.
La invención pretende paliar este inconveniente
proponiendo un dispositivo redundante de transición entre una guía
de ondas y al menos dos circuitos de tratamiento redundantes
acoplados a sendas líneas coplanares de transición que les son
propias. Tanto en recepción como en emisión, la señal no debe ser
tratada más que por un solo circuito de tratamiento a la vez, y la
transmisión de la señal no debe en todo instante ser asegurada más
que por una sola línea coplanar a la vez, a la que entonces se
denomina línea coplanar activa. En recepción, esta constricción
supone que sea posible elegir, en función del estado de cada uno de
los circuitos de tratamiento, la línea coplanar que se desee que
sea activa y neutralizar la otra línea coplanar, a la que entonces
se denomina línea coplanar inactiva. El documento US 6573810, al
que se considera como el estado de la técnica más cercano, describe
un dispositivo redundante de transición entre una guía de ondas y
dos circuitos redundantes acoplados a interfaces de microondas
situadas lado a lado sobre la misma cara.
Por otro lado son ya conocidas topografías
redundantes de líneas coplanares, llamadas topografías de polo
simple y línea doble, tales como las descritas en la publicación
"Original MEMS-based single pole double thorw
topology for millimeter wave space communication" (David Dubuc
et al., LAAS-CNRS, UPS y Alcatel Space
Industries, Conferencia europea sobre las microondas, Munich 2003).
La topografía descrita comprende una línea coplanar anterior según
la dirección de propagación de la señal que se escinde en dos ramas
paralelas sobre una misma cara de un sustrato, formando cada rama
una línea coplanar posterior según la dirección de propagación de
la señal. Una de las líneas posteriores según la dirección de
propagación de la señal, llamada línea coplanar paralela, está
provista de un inversor de cuarto de onda seguido de un conmutador
microelectromecánico, llamado MEMS o conmutador MEM, montado en
paralelo. La otra línea posterior según la dirección de propagación
de la señal, llamada línea coplanar serie, está provista de un MEMS
montado en serie. Cada línea coplanar posterior según la dirección
de propagación de la señal lleva y alimenta, posteriormente al MEMS
según la dirección de propagación de la señal, un circuito
amplificador que se compone de un filtro y dos amplificadores de
bajo ruido. En funcionamiento normal, ninguno de los dos MEMS está
activado (o en otras palabras, ninguno de los MEMS está bajo
tensión), y el circuito amplificador operante es el alimentado por
la línea coplanar paralela. En caso de avería de este circuito
amplificador, los dos MEMS son activados (puestos bajo tensión) para
permitir la utilización del circuito amplificador de la línea
serie: la línea coplanar paralela, puesta en cortocircuito, es
entonces neutralizada, y la línea coplanar serie, cerrada por su
MEMS, deviene pasante y por lo tanto activa.
Una topografía de este tipo es utilizada en
calidad de circuito frontal redundante de bajo ruido en un
repetidor espacial de alta fiabilidad. Dicha topografía realiza un
dispositivo redundante de transición entre una línea coplanar
anterior según la dirección de propagación de la señal y los dos
circuitos amplificadores de bajo ruido que lleva.
Además del hecho de que no realiza una
transición entre una guía de ondas y dos circuitos amplificadores,
esta topografía conocida presenta una anchura relativamente
importante que resulta de la presencia lado a lado de las dos
líneas coplanares posteriores según la dirección de propagación de
la señal. Hay que señalar que en toda la exposición que se hace de
aquí en adelante el vocablo "anchura" de una línea coplanar o
de una topografía formada por líneas coplanares, o de un elemento
de una línea coplanar, designa una dimensión de dicha línea o dicha
topografía o dicho elemento según una dirección, llamada dirección
transversal, ortogonal con respecto a la dirección longitudinal
de
la(s) línea(s) coplanar(es) y paralela al plano de dicha(s) línea(s).
la(s) línea(s) coplanar(es) y paralela al plano de dicha(s) línea(s).
La anchura de esta topografía conocida (de polo
simple y línea doble) es incompatible con su integración en ciertos
conjuntos espaciales de recepción que no disponen más que de un
espacio restringido para la integración de un sistema amplificador
redundante. Hay pues necesidad de dispositivos redundantes de
transición de dimensiones exteriores reducidas, necesidad que no ha
sido satisfecha hasta la fecha.
En este contexto, la invención pretende proponer
un dispositivo redundante de transición entre una guía de ondas y
al menos dos circuitos de tratamiento independientes y redundantes,
acoplados a sendas líneas coplanares, cuyo dispositivo de
transición permita asegurar una redundancia con vistas a paliar los
inconvenientes de una eventual avería de uno de los circuitos de
tratamiento o de un eventual daño sufrido por una de las líneas
coplanares, y presente además unas dimensiones exteriores
reducidas.
Hay que señalar que la invención pretende
aportar tanto dispositivos redundantes de transición adaptados a
aplicaciones de recepción de ondas electromagnéticas -asegurando
entonces el dispositivo la transición hasta el circuito operante de
tratamiento de una señal recibida por la guía de ondas-, como
dispositivos redundantes de transición adaptados a aplicaciones de
emisión de ondas electromagnéticas -asegurando entonces el
dispositivo la transición hasta la guía de ondas de una señal
emitida por el circuito de tratamiento operante-.
Un objetivo de la invención es particularmente
el de aportar un dispositivo redundante de transición entre una
guía de ondas de una antena satélite de recepción de ondas de
hiperfrecuencia y dos circuitos amplificadores de bajo ruido.
La invención pretende además aportar un
dispositivo de transición más compacto y particularmente apto para
ser integrado en un conjunto de recepción dotado de una antena
múltiple, tal como una antena llamada antena FAFR ("Focal Array
Fed Reflector"). Para hacer esto, la guía de ondas y el
dispositivo redundante de transición asociado a la misma deben
tener una dimensión transversal inferior al paso entre las antenas
elementales de la antena FAFR. En particular, la invención pretende
aportar una guía de ondas y un dispositivo redundante de transición
asociado a la misma cuya sección transversal presente una dimensión
inferior a una decena de milímetros al estar los mismos destinados
a una antena múltiple de recepción de ondas de frecuencias
comprendidas entre 27 y 31 GHz (banda Ka).
Otro objetivo de la invención es el de aportar
un dispositivo redundante de transición que presente
características funcionales mejoradas en cuanto a la calidad de la
transición y a la transmisión de la señal a los circuitos de
tratamiento o desde éstos últimos (pérdidas reducidas, bajo ruido,
...). En particular, la invención pretende aportar un dispositivo
en el cual las pérdidas en la transición entre la guía de ondas y
cada línea coplanar y las pérdidas a lo largo de dichas líneas
coplanares sean muy reducidas. La invención pretende ofrecer un
dispositivo que responda a las particularmente severas exigencias de
la comunicación espacial.
Otro objetivo de la invención es el de aportar
un dispositivo redundante de transición que presente una banda de
frecuencias de funcionamiento ensanchada. La invención pretende
igualmente proponer una gama de dispositivos de transición
adaptados cada uno a una banda de frecuencias predeterminada.
Otro objetivo de la invención es el de aportar
un dispositivo redundante de transición para conjunto de recepción
que sea apto no tan sólo para no transmitir una señal más que a uno
solo de los circuitos de tratamiento a la vez, sino también para
transmitir la misma señal sea cual fuere el circuito de tratamiento
operante. En particular, la invención propone un dispositivo de
transición que es apto para proporcionar el mismo término de fase
de campo eléctrico y la misma impedancia a la entrada de los dos
circuitos de tratamiento (fase e impedancia vistas desde dichos
circuitos), así como el mismo término de fase de campo eléctrico a
la entrada de la guía de ondas (fase vista desde dicha guía de
ondas).
La invención pretende por otro lado alcanzar
todos estos objetivos proponiendo un dispositivo de transición poco
oneroso cuyos costes de fabricación (procedimientos y materiales
utilizados ...) sean limitados.
La invención se refiere a un dispositivo
redundante de transición entre una guía de ondas electromagnéticas
y al menos dos circuitos redundantes, llamados circuitos de
tratamiento, comprendiendo este dispositivo de transición dos
líneas coplanares formadas sobre una placa, llamada sustrato, hecha
de un material dieléctrico. Cada línea coplanar comprende, en un
mismo plano, una tira central de transmisión y dos bandas laterales
de masa a uno y otro lado de dicha tira, separadas de ésta última
por ranuras de guiamiento de ondas electromagnéticas, cuya tira y
cuyas bandas discurren principalmente según una dirección llamada
dirección longitudinal de línea. Cada línea coplanar presenta un
extremo longitudinal, llamado extremo de conexión, que está
destinado a ser acoplado a uno de los circuitos de tratamiento que
es propio de dicha línea coplanar.
El dispositivo según la invención está
caracterizado por el hecho de que:
- las dos líneas coplanares discurren por uno y
otro lado de un mismo sustrato, sobre dos caras opuestas principales
del mismo,
- las dos líneas coplanares discurren, al menos
en parte, por el interior de la guía de ondas,
- cada línea coplanar presenta un extremo
longitudinal, llamado extremo de transferencia, opuesto a su extremo
de conexión, adaptado para canalizar una onda electromagnética
entre la guía de ondas y las ranuras de dicha línea coplanar,
- cada línea coplanar está provista de medios,
llamados medios desfasadores, adaptados para invertir la fase de un
campo eléctrico de un lado de la tira central de transmisión de
dicha línea coplanar, con vistas a una transmisión de energía
eléctrica esencialmente según un modo coplanar a lo largo de dicha
tira de transmisión entre los medios desfasadores y el circuito de
tratamiento, y a una transmisión de energía eléctrica esencialmente
según un modo guía dentro de la guía de ondas más allá del extremo
de transferencia.
En aras de la sencillez, la presente descripción
se dedica a describir la propagación de campos eléctricos en el
dispositivo según la invención, sin olvidar que una onda
electromagnética se compone de un campo eléctrico y de un campo
magnético y que la mayor parte de los fenómenos descritos es
igualmente de aplicación a los campos magnéticos.
Hay que señalar que la expresión "invertir la
fase de un campo eléctrico" significa aumentar o disminuir en
\pi el término de fase de dicho campo. En "modo coplanar",
los campos eléctricos que se propagan en las ranuras de la línea
coplanar presentan fases invertidas e inducen una corriente
eléctrica en la tira central de transmisión de dicha línea
coplanar. La expresión "modo guía" se refiere a un modo de
propagación de un campo eléctrico en una guía de ondas, tal como el
modo llamado TE10, por ejemplo. La expresión "más allá del
extremo de transferencia" significa, respectivamente, antes del
mismo según la dirección de propagación de la señal en recepción y
después del mismo según la dirección de propagación de la señal en
emisión (es decir, fuera de la línea coplanar), refiriéndose las
expresiones "anterior (antes) según la dirección de propagación
de la señal" y "posterior (después) según la dirección de
propagación de la señal" al sentido de propagación de las ondas
y por consiguiente de la señal. En recepción, un campo eléctrico
recibido se propaga por consiguiente en modo guía en la guía de
ondas, y después es conducido hacia las ranuras de una línea
coplanar según la invención por medio del extremo de transferencia
de dicha línea, ranuras en las cuales los campos resultantes se
propagan en modo coplanar después de los medios desfasadores según
la dirección de propagación de la señal. Antes de los medios
desfasadores según la dirección de propagación de la señal, se
presentan dos casos de figura según la posición de dichos medios.
Si los medios desfasadores de la línea están situados a distancia
de su extremo de transferencia, después del mismo según la dirección
de propagación de la señal, los campos eléctricos que entran en las
ranuras de la línea a la salida del extremo de transferencia se
propagan hasta los medios desfasadores según un modo llamado modo
ranura, en el cual presentan la misma fase y no inducen corriente
alguna en la tira. El modo ranura es un modo parásito que los medios
desfasadores según la invención permiten transformar al menos
parcialmente en modo coplanar (siendo la proporción de energía
eléctrica transmitida en modo coplanar por la línea, después de los
medios desfasadores según la dirección de propagación de la señal,
preponderante con respecto a la transmitida en modo ranura). Si los
modos desfasadores de la línea están situados en su extremo de
transferencia, el campo se propaga en modo guía antes de los medios
desfasadores según la dirección de propagación de la señal. En
otras apalabras, el paso del modo guía al modo coplanar se efectúa
ya sea directamente (si los medios desfasadores están dispuestos en
el extremo de transferencia), o bien por medio del modo ranura (si
los medios desfasadores están dispuestos a distancia del extremo de
transferencia después del mismo según la dirección de propagación
de la señal). Las observaciones precedentes son igualmente válidas
en emisión, mediante una inversión del sentido de propagación del
campo y de las expresiones "anterior (antes) según la dirección
de propagación de la señal" y "posterior (después) según la
dirección de propagación de la señal".
El dispositivo según la invención comprende por
consiguiente en esencia dos líneas coplanares formadas (por ejemplo
grabadas) en uno y otro lado de un sustrato, dispuestas (al menos
parcialmente) en el interior de una guía de ondas. Utilizar una
arquitectura de este tipo en calidad de dispositivo redundante de
transición va totalmente en contra de los prejuicios del experto en
la materia.
En efecto, son ya conocidas topografías que
comprenden dos líneas coplanares formadas una enfrente de la otra,
en uno y otro lado de una capa de material dieléctrico. Pero estas
topografías conocidas (llamadas acopladores) son utilizadas
únicamente para aprovechar los fenómenos de acoplamiento que
sobrevienen entre las dos líneas coplanares, eventualmente con
vistas a una transmisión de una señal de una línea a la otra.
Estos fenómenos de acoplamiento han sido
ilustrados y cuantificados en particular en la publicación "Fast
and accurate analytic formulas for calculating the parameters of a
general boardside-coupled coplanar waveguide for
(M)MIC applications" (Said S. Bedair et al., IEEE
Transactions On Microwave Theory And Techniques, Vol. 37, Nº 5,
mayo de 1989), en el caso de dos líneas coplanares simétricas sobre
las que están montadas -a distancia- sendas placas metálicas,
pudiendo el espacio entre el sustrato dieléctrico y cada placa
metálica ser llenado por otro material dieléctrico. La publicación
"Analysis of bilateral coplanar waveguides printed on anisotropic
substrates for use in monolithic MICs" (Yinchao Chen et
al., IEEE Transactions On Microwave Theory And Techniques, Vol.
41, Nº 9, setiembre 1993) estudia más en particular los efectos de
la anisotropía del sustrato en las propiedades de dispersión
(acoplamiento) de una guía de ondas coplanar bilateral abierta o
protegida.
Ahora bien, el acoplamiento de las dos líneas
coplanares se opone totalmente a su utilización dentro del marco de
un dispositivo redundante de transición, cuyo funcionamiento impone
que la energía eléctrica recibida (de la guía de ondas o de los
circuitos de tratamiento) por la línea coplanar activa sea
transmitida a lo largo de esta línea con un mínimo de pérdidas
posible, y particularmente con un mínimo de pérdidas por
transferencia parcial a la otra línea coplanar.
Así pues, es del todo sorprendente poder
utilizar dos líneas coplanares formadas sobre dos caras opuestas de
un sustrato, dentro del marco de un dispositivo redundante de
transición. Contra todo lo esperado, los inventores han demostrado
que los fenómenos de acoplamiento podían revelarse despreciables,
particularmente según las dimensiones de las líneas coplanares y
del sustrato.
En función de la banda de frecuencias (o de
longitudes de onda) de funcionamiento deseada para el dispositivo
de transición, es así posible definir particularmente una gama de
espesores de sustrato -según el material elegido y su permitividad
eléctrica \xi_{r}- así como una gama de longitudes de línea
coplanar, para las cuales el acoplamiento de las dos líneas
coplanares puede ser considerado como despreciable o aceptable con
respecto a la aplicación considerada. Por ejemplo, tratándose de un
dispositivo según la invención destinado a una aplicación
-particularmente exigente- de comunicación espacial, las líneas
coplanares y el sustrato presentan ventajosamente una naturaleza y
unas dimensiones adaptadas para que un parámetro, que es conocido
por el nombre de parámetro de acoplamiento S_{41}, sea inferior a
-20 dB.
Además, en el dispositivo según la invención una
señal recibida (en forma de ondas electromagnéticas) por la guía de
ondas es directamente transferida a una de las líneas coplanares (y
transmitida en forma de corriente eléctrica al circuito de
tratamiento). Recíprocamente, una señal emitida (en forma de
corriente eléctrica) por un circuito de tratamiento es directamente
transferida (en forma de ondas electromagnéticas) a la guía de
ondas por la línea coplanar asociada a dicho circuito. La longitud
total del dispositivo de transición es así minimizada. En
particular, para asegurar la transición entre la guía de ondas y la
línea coplanar activa no es necesaria línea coplanar intermedia
suplementaria alguna (tal como una línea anterior según la dirección
de propagación de la señal a la manera de la topografía de polo
simple y línea doble conocida a la que se ha hecho referencia en la
introducción). Se da como resultado de ello una significativa
disminución de las pérdidas que sobrevienen a lo largo de las
líneas coplanares. Además, al estar las dos líneas coplanares según
la invención formadas en uno y otro lado de un sustrato, una menor
longitud de las líneas presenta la ventaja de limitar los riesgos
de acoplamiento y la eventual parte de energía eléctrica transmitida
por la línea activa a la otra línea.
Es decir, la dimensión transversal máxima de un
dispositivo de transición según la invención corresponde a la
anchura máxima de una y una sola línea coplanar. El dispositivo
según la invención, más compacto que las topografías redundantes
conocidas, puede por lo tanto ser integrado en una guía de ondas de
muy reducida dimensión transversal. Dicho dispositivo es
conveniente para las antenas múltiples del tipo FAFR.
Ventajosamente y según la invención, las dos
líneas coplanares discurren una enfrente de la otra por uno y otro
lado de un sustrato.
Ventajosamente y según la invención, las dos
líneas coplanares discurren según una dirección de propagación de
la guía de ondas. En otras palabras, la dirección longitudinal de
cada línea coplanar es paralela a la dirección de propagación de la
guía de ondas.
Ventajosamente y según la invención, el sustrato
se extiende en un plano longitudinal medio de la guía de ondas. Se
entiende por plano longitudinal medio de la guía de ondas un plano
que contiene la dirección longitudinal de propagación de la guía de
ondas y que delimita dos partes iguales de la guía de ondas. Esta
característica participa en las características funcionales del
dispositivo según la invención, teniendo en cuenta que la amplitud
de un campo eléctrico transportado por la guía de ondas es máxima en
una región central de dicha guía.
Ventajosamente y según la invención, cada línea
coplanar está igualmente provista de un conmutador para una
activación o una desactivación de dicha línea coplanar. Cuando el
dispositivo de transición está destinado a un conjunto de recepción
de ondas electromagnéticas, dichos conmutadores están además
adaptados para poder ser gobernados de forma tal que las líneas
coplanares presenten en cada instante estados opuestos,
respectivamente activo e inactivo, y ello a fin de que la señal
recibida no sea transmitida más que por una sola línea a la vez,
con destino a un solo circuito de tratamiento. Cuando el dispositivo
de transición está destinado a un conjunto de emisión de ondas
electromagnéticas, los eventuales conmutadores están además
adaptados para poder ser gobernados de forma tal que activen en
cada instante al menos la línea coplanar asociada al circuito de
tratamiento operante (no queda excluido activar las dos líneas
coplanares).
Hay que señalar que una línea coplanar es
denominada activa cuando es pasante, es decir, cuando es apta para
transmitir una energía eléctrica por propagación de un campo
eléctrico (es decir, de una onda electromagnética) en sus ranuras
esencialmente en modo coplanar (y por consiguiente por generación y
circulación de una corriente eléctrica en su tira central de
transmisión). Una línea coplanar es denominada inactiva cuando no
puede transmitir energía eléctrica.
Ventajosamente y según la invención, el
dispositivo de transición presenta la siguiente combinación de
características:
- una de las líneas coplanares, llamada línea
coplanar serie, presenta una tira central de transmisión que está
interrumpida, estando formada por dos partes distantes que discurren
en la prolongación una de la otra, presentando la otra línea
coplanar, llamada línea coplanar paralela, una tira central continua
de transmisión,
- el conmutador de la línea coplanar serie,
llamado conmutador serie, está montado en serie para así conectar
(estructuralmente) las dos partes distantes de la tira central de
transmisión, de forma tal que la línea coplanar serie es activa
cuando el conmutador serie está en un estado, llamado estado
pasante, en el cual realiza una conexión eléctrica entre las dos
partes de la tira central de transmisión; y en particular, la línea
coplanar serie es activa cuando está aplicado a dicho conmutador
una tensión superior -en valor absoluto- a una tensión umbral de
activación del conmutador serie, siendo dicha línea serie inactiva
en el caso contrario (es decir, cuando la tensión aplicada al
conmutador serie es inferior -en valor absoluto- a dicha tensión
umbral de activación); y la línea serie es en particular inactiva
cuando no está aplicada al conmutador serie tensión alguna,
- el conmutador de la línea coplanar paralela,
llamado conmutador paralelo, está montado en paralelo para así
poder conectar la tira central de transmisión a al menos una de las
bandas -y preferiblemente a las dos bandas- laterales de masa de
dicha línea coplanar paralela, de forma tal que la línea coplanar
paralela es inactiva, porque queda neutralizada por cortocircuito,
cuando el conmutador paralelo está en un estado, llamado estado
pasante, en el cual realiza una conexión eléctrica entre la tira
central de transmisión y la(s) banda(s)
lateral(es) de masa; y en particular, la línea paralela es
inactiva cuando está aplicada a dicho conmutador una tensión
superior -en valor absoluto- a una tensión umbral de activación del
conmutador paralelo, siendo dicha línea paralela activa en el caso
contrario (es decir, cuando la tensión aplicada al conmutador
paralelo es inferior -en valor absoluto- a dicha tensión umbral de
activación); y dicha línea paralela es en particular activa cuando
no está aplicada al conmutador paralelo tensión alguna.
En una versión de la invención, al menos un -y
preferiblemente cada- conmutador comprende un diodo. En particular,
el conmutador serie está formado por un diodo; y el conmutador
paralelo está formado por un primer diodo que conecta la tira
central de transmisión de la línea coplanar paralela a una de sus
bandas laterales de masa, y por un segundo diodo que conecta dicha
tira a la otra banda lateral de masa de dicha línea coplanar
paralela.
Como variante o en combinación, al menos un -y
preferiblemente cada- conmutador es un conmutador
microelectromecánico, llamado conmutador MEM.
Preferiblemente, los dos conmutadores son de un
mismo tipo (diodo o MEMS).
Ventajosamente y según la invención, en el caso
en el que las líneas coplanares están una enfrente de la otra, los
conmutadores de las dos líneas coplanares están decalados, según una
dirección longitudinal del sustrato (que coincide con las
direcciones longitudinales de las dos líneas cuando las caras
opuestas del sustrato son paralelas), a una distancia relativa que
es sensiblemente igual al cuarto de una longitud de onda llamada
longitud de onda guiada del dispositivo (\lambda/4). La expresión
"longitud de onda guiada del dispositivo (\lambda)" designa
una longitud de onda central (en la banda de frecuencias) que la
línea coplanar es apta para y está destinada a transportar, cuya
longitud de onda guiada depende de la banda de frecuencias de
recepción y/o de emisión de la guía de ondas y de la permitividad
del sustrato.
Una disposición relativa así de los conmutadores
permite imponer un mismo término de fase a la entrada de la guía de
ondas (fase vista desde la guía de ondas) al campo eléctrico
reflejado por las dos líneas coplanares, particularmente en
recepción y en el caso en el que las dos líneas coplanares serían
inactivas (la línea coplanar paralela está entonces cerrada por un
cortocircuito, mientras que la línea coplanar serie está
abierta).
Como variante, las líneas coplanares están
decaladas, según la dirección longitudinal del sustrato, a una
distancia relativa sensiblemente igual a \lambda/4, mientras que
la distancia entre cada conmutador y el extremo de transferencia de
la línea coplanar correspondiente es sensiblemente la misma para las
dos líneas coplanares.
\newpage
Ventajosamente y según la invención, al menos
una banda lateral de masa de al menos una -y preferiblemente de
cada- línea coplanar presenta, en el extremo de transferencia de
dicha línea, un canto de extremo, llamado canto de transferencia de
dicha banda, que discurre al bies alejándose transversal y
longitudinalmente de una parte central de la línea coplanar. En
otras palabras, la banda lateral de masa termina en un extremo,
llamado extremo de transferencia de
dicha banda, que está hecho en forma de punta biselada hacia el exterior (la punta está en un borde lateral de la banda).
dicha banda, que está hecho en forma de punta biselada hacia el exterior (la punta está en un borde lateral de la banda).
En una versión preferida de la invención, cada
una de las dos bandas laterales de masa de cada línea coplanar
presenta un canto de transferencia al bies como el que se ha
descrito anteriormente. Cada uno de estos cantos discurre
preferiblemente en saledizo con respecto a la tira central de
transmisión según la dirección longitudinal de la línea.
El (los) canto(s) de transferencia al
bies de las bandas laterales de masa asegura(n) un guiamiento
progresivo de la onda electromagnética entre las paredes de la guía
de ondas y las ranuras de la línea coplanar, y permite(n)
pasar de un modo de transmisión a otro (modo guía en la guía de
ondas, modo ranura o coplanar en la línea coplanar).
El canto al bies puede ser rectilíneo o por el
contrario curvo según una forma (redondeada, exponencial o
preferiblemente hiperbólica ...) optimizada para limitar los
fenómenos de reflexión del campo eléctrico.
Asimismo, la tira de transmisión de al menos una
-y preferiblemente de cada- línea coplanar presenta en el extremo
de transferencia de dicha línea un canto de extremo, llamado canto
de transferencia de la tira, que forma una punta. Hay que señalar
que al extremo longitudinal de la tira, delimitado por este canto de
transferencia, se le denomina extremo de transferencia de la
tira.
En una versión preferida, la tira central
presenta un canto de transferencia que está realizado en forma de
punta, y las dos bandas laterales presentan cantos de transferencia
al bies. Una configuración de este tipo es particularmente
ventajosa en recepción, considerando que permite limitar
notablemente la parte del flujo de campo eléctrico (transmitido por
la guía de ondas) que es reflejada hacia la guía de ondas por el
canto frontal de la línea coplanar en su extremo de transferencia,
cuyo canto frontal está formado por los cantos de transferencia de
las bandas laterales y de la tira central. Dicha configuración es
igualmente ventajosa en emisión, favoreciendo la transferencia del
campo eléctrico desde las ranuras de la línea coplanar activa hacia
la guía de ondas y el paso de un modo de transmisión a otro.
Ventajosamente y según la invención, los medios
desfasadores de las líneas coplanares están adaptados para invertir
la fase de un campo eléctrico en lados opuestos de las tiras
centrales de transmisión. En otras palabras, si se considera un
plano medio longitudinal que es sensiblemente ortogonal a las caras
del sustrato y pasa por las dos tiras centrales de las líneas
coplanares (cuyas tiras discurren sensiblemente una enfrente de la
otra), los medios desfasadores de una de las líneas actúan en el
campo eléctrico de un lado de este plano medio, mientras que los
medios desfasadores de la otra línea actúan en el campo eléctrico
del otro lado de este plano medio. Los inventores han demostrado
que una disposición así de los medios desfasadores permitía reducir
todavía más los eventuales fenómenos de acoplamiento.
Ventajosamente y según la invención, los medios
desfasadores presentan una o varias de las características
siguientes:
- los medios desfasadores de al menos una -y
preferiblemente de cada- línea coplanar comprenden una extensión
lateral de la tira central de transmisión de dicha línea coplanar,
llamada extensión lateral de desfasaje,
- en particular, los medios desfasadores de la
línea coplanar están formados por una única extensión lateral de
desfasaje de su tira central de transmisión, que es apta para
imponer un desfasaje del orden de \pi,
- como variante, los medios desfasadores de la
línea coplanar están formados por dos extensiones laterales
consecutivas (según la dirección longitudinal de línea) de su tira
central de transmisión, que se extienden a un mismo lado de dicha
tira. Cada extensión lateral de desfasaje está en este caso adaptada
para imponerle al campo eléctrico un desfasaje del orden de
\pi/2, lo cual permite prever extensiones laterales de menor
anchura (dimensión transversal). Una línea coplanar de este tipo
presenta por lo tanto unas dimensiones transversales exteriores
reducidas, lo cual permite su integración en guías de ondas de muy
reducidas dimensiones transversales. En cambio, la presencia de dos
extensiones de desfasaje consecutivas obliga a concebir una línea
coplanar más larga. Las pérdidas suplementarias imputables a la
longitud de la línea son en parte compensadas por la disminución de
las imputables a la excentricidad (es decir, a la anchura) de los
medios desfasadores. Además, para limitar el acoplamiento (que
aumenta con la longitud de las líneas), basta con aumentar el
espesor del sustrato, si ello fuese necesario,
- al menos una extensión lateral de desfasaje de
una tira central de transmisión presenta una forma de
rectángulo,
- como variante o en combinación, al menos una
extensión lateral de desfasaje de una tira central de transmisión
presenta una forma de trapecio,
- como variante o en combinación, al menos una
extensión lateral de desfasaje de una tira central de transmisión
presenta una forma de una parte de un disco, y por ejemplo una forma
de semidisco. Esta forma parece mejorar de manera inesperada las
características funcionales de la línea coplanar (notable
disminución de la proporción residual -después de la extensión
según la dirección de propagación de la señal- del modo ranura con
respecto al modo coplanar, reducción de las pérdidas ...).
Como variante, el extremo de transferencia de al
menos una -y preferiblemente de cada- línea coplanar es asimétrico:
En este extremo, una de las bandas laterales de masa de la línea
forma una extensión longitudinal en saledizo, según la dirección
longitudinal de línea, con respecto a la otra banda lateral de masa
y a la tira central de transmisión de la línea coplanar. En otras
palabras, las bandas laterales de masa de la línea presentan cantos
de transferencia (que son preferiblemente los dos al bies, como se
ha explicado anteriormente) que están decalados según la dirección
longitudinal. Los medios desfasadores de una línea coplanar de este
tipo comprenden, por una parte, la susodicha extensión longitudinal
de la banda lateral de masa, y por otra parte, un puente de
material conductor, llamado puente aéreo, que pasa por encima de la
tira central de transmisión y conecta las dos bandas laterales de
masa, cuyo puente está preferiblemente dispuesto en las
inmediaciones del extremo de transferencia de la
tira.
tira.
De todas formas, los medios desfasadores de las
dos líneas coplanares son preferiblemente de un mismo tipo
(extensión lateral única o extensión lateral doble de la tira o
asimetría del extremo de transferencia de la línea asociada a un
puente aéreo).
De manera general, las líneas coplanares son
preferiblemente idénticas (con excepción de la eventual
discontinuidad de la tira central de una de las líneas) para así
obtener una idéntica recepción o una idéntica emisión de señales
sea cual fuere el circuito de tratamiento operante. Asimismo, el
sustrato es preferiblemente homogéneo e isótropo, o por lo menos
simétrico con respecto a un plano medio longitudinal que se extiende
entre sus caras principales, para así presentar la misma
permitividad eléctrica en cada una de sus caras.
Cuando el dispositivo de transición está
destinado a un conjunto de recepción en el terreno espacial, los
circuitos de tratamiento comprenden cada uno al menos un
amplificador de bajo ruido, llamado amplificador LNA, montado en
"flip-chip" en la línea coplanar
correspondiente, en el extremo de conexión de la misma.
Ventajosamente y según la invención, la tira
central de transmisión y las ranuras de cada línea coplanar
presentan respectivas anchuras nominales adaptadas para que la
impedancia a la entrada del circuito de tratamiento sea óptima en
cuanto a la limitación del ruido, cuyas anchuras dependen de la
permitividad eléctrica del sustrato. En particular, la tira central
de transmisión y las ranuras de cada línea coplanar presentan
respectivas anchuras nominales adaptadas para que la impedancia a
la entrada del amplificador LNA sea sensiblemente igual a 50
\Omega. Hay que señalar que la expresión "anchura nominal de una
ranura" designa una anchura media de la ranura, y que la
expresión "anchura nominal de una tira central de transmisión"
designa una anchura media de la tira fuera de su(s)
eventual(es) extensión (extensiones) lateral(es) de
desfasaje.
Las tiras centrales de transmisión, y
respectivamente las ranuras, de las dos líneas coplanares presentan
preferiblemente la misma anchura, con vistas a imponer la misma
impedancia a la entrada de los dos circuitos de tratamiento, para
una idéntica recepción de la señal sean cuales fueren la línea
coplanar activa y el circuito de tratamiento
operante.
operante.
En una versión preferida de la invención, en el
caso de un dispositivo de transición específicamente adaptado a una
antena de recepción de microondas de frecuencias comprendidas entre
27 y 31 GHz (banda Ka):
- el sustrato presenta una permitividad
eléctrica \varepsilon_{r} inferior a 5 y un espesor superior a
0,5 mm,
- cada línea coplanar presenta una tira central
de transmisión de longitud inferior a 3,5 mm entre los medios
desfasadores y un primer punto de conexión de la tira al circuito de
tratamiento (la parte de la tira a lo largo de la cual la
propagación se efectúa en modo coplanar); y hay que señalar que una
longitud así de transmisión coplanar de la tira es igualmente
conveniente para un dispositivo de emisión,
- cada línea coplanar presenta una tira central
de transmisión de anchura nominal comprendida entre 10 y 170 \mum
y ranuras de anchura nominal comprendida entre 10 y 150 \mum, para
obtener una impedancia de 50 \Omega a la entrada del circuito de
tratamiento; y la línea puede presentar mayores anchuras nominales
de tira y de ranuras para una impedancia superior (de 75 o 100
\Omega, por ejemplo).
En el caso de un dispositivo de transición
específicamente adaptado a una antena de recepción de microondas de
frecuencias comprendidas entre 45 y 50 GHz (banda Q):
- el sustrato presenta una permitividad
eléctrica \varepsilon_{r} inferior a 5 y un espesor superior a
0,5 mm,
- cada línea coplanar presenta una tira central
de transmisión de longitud inferior a 3 mm entre los medios
desfasadores y un primer punto de conexión al circuito de
tratamiento,
- cada línea coplanar presenta una tira central
de transmisión de anchura comprendida entre 10 y 170 \mum, y
ranuras de anchura comprendida entre 10 y 150 \mum.
La invención se refiere igualmente a un
dispositivo de transición caracterizado en combinación por la
totalidad o parte de las características que se han mencionado
anteriormente y que se mencionan de aquí en adelante.
Otras finalidades, características y ventajas de
la invención quedarán de manifiesto al proceder a la lectura de la
descripción siguiente, que se refiere a las figuras adjuntas que
representan formas de realización preferenciales de la invención
que se dan únicamente a título de ejemplos no limitativos, y en las
cuales:
- la figura 1 es una vista esquemática en
sección de un dispositivo de transición según la invención, en la
que la sección ha sido practicada por un plano transversal (plano
ortogonal a la dirección longitudinal de propagación de la guía de
ondas) que pasa por los circuitos de tratamiento,
- la figura 2 es una vista esquemática desde
arriba del dispositivo de la figura 1, presentado fuera de toda
guía de ondas,
- la figura 3 es una reproducción de la figura 2
en la cual están referenciadas cotas de dimensionado,
- la figura 4 es una vista esquemática desde
arriba del dispositivo de la figura 1, presentado fuera de toda
guía de ondas,
- la figura 5 es una vista esquemática en
sección del dispositivo de la figura 1, en la que la sección ha
sido practicada por un plano transversal que pasa por los medios
desfasadores de las líneas coplanares del dispositivo,
- la figura 6 es una reproducción de la figura 5
en la cual están referenciadas cotas de dimensionado,
- la figura 7 es una vista esquemática desde
arriba de una parte de una línea coplanar de otro dispositivo según
la invención,
- la figura 8 es una vista esquemática desde
arriba de una parte de una línea coplanar de otro dispositivo según
la invención,
- la figura 9 ilustra un esquema de
funcionamiento electrónico del cuadripolo que forman dos líneas
coplanares dispuestas una enfrente de la otra según la
invención.
Las figuras 1 a 6 ilustran un dispositivo según
la invención, que es un dispositivo de transición entre una guía de
ondas receptora 1, de sección transversal rectangular, o incluso
sensiblemente cuadrada, y dos circuitos de tratamiento 2 y 3 que
están constituidos por sendos amplificadores de bajo ruido, llamados
amplificadores LNA.
El dispositivo según la invención comprende dos
líneas coplanares 5 y 6 de material conductor que han sido formadas
por metalización sobre una placa 4 de material dieléctrico llamada
sustrato. Las líneas coplanares 5 y 6 discurren por sobre caras
paralelas opuestas 27, 28 del sustrato, y discurren una enfrente de
la otra según una dirección ortogonal a dichas caras.
Las líneas coplanares 5, 6 están dispuestas
dentro de la guía de ondas 1 de forma tal que la dirección
longitudinal de las líneas es paralela a la dirección longitudinal
de propagación de dicha guía de ondas, y que al menos una parte
anterior de dichas líneas según la dirección de propagación de la
señal discurre dentro de la guía de ondas. Tratándose de un
dispositivo destinado a un conjunto de recepción, las expresiones
"posterior (después) según la dirección de propagación de la
señal" y "anterior (antes) según la dirección de propagación
de la señal" son utilizadas con referencia a la dirección de
propagación de la señal, que es paralela a las direcciones
longitudinales de la guía de ondas y de las líneas coplanares, y
haciendo referencia al sentido de propagación de la señal, cuya
señal se desplaza desde la guía de ondas y los extremos de
transferencia de las líneas coplanares hacia los circuitos de
tratamiento 2, 3.
Las líneas coplanares 5, 6 discurren
preferiblemente por entero dentro de la guía de ondas 1.
Por otro lado, las líneas coplanares 5, 6 están
dispuestas dentro de la guía de ondas 1 en un plano medio de la
misma, para que sea máxima la recepción de ondas.
Cada línea coplanar 5 (y respectivamente 6)
comprende una tira central de transmisión 7 (y respectivamente 10)
y dos bandas laterales de masa 8 y 9 (y respectivamente 11 y 12)
conectadas a una masa.
Cada línea coplanar 5 presenta un extremo de
conexión 17 en el cual el amplificador LNA 2 está montado según una
técnica llamada "flip-chip", y un extremo de
transferencia 16 opuesto que está adaptado para asegurar un
guiamiento del campo eléctrico (es decir, de la onda
electromagnética) desde la guía de ondas 1 hacia las ranuras 21, 22
de la línea coplanar. Con este fin, las bandas laterales de masa 8 y
9 de la línea coplanar 5 presentan, en el extremo de transferencia
16 de dicha línea, respectivos cantos de transferencia 13, 14 que
discurren al bies hacia el exterior de la línea (estos cantos
discurren al bies alejándose de una parte central de la línea a la
vez según la dirección longitudinal y según la dirección
transversal). Los cantos de transferencia 13 y 14 realizan así una
garganta de entrada del campo eléctrico en las ranuras 21, 22.
En el ejemplo ilustrado, los cantos de
transferencia 13, 14 al bies discurren en saledizo, según la
dirección longitudinal, con respecto a la tira central de
transmisión 7. Por otro lado, la tira central de transmisión 7
termina en un canto de transferencia 15 realizado en forma de punta.
La forma al bies de los cantos de transferencia 13, 14 y la forma
puntiaguda del canto de transferencia 15 permiten limitar la parte
del flujo incidente (transmitido por la guía de ondas) que es
reflejada por la línea coplanar 5. Hay que señalar que el extremo
de transferencia de la línea coplanar 5, tal como el definido según
la invención, corresponde a la parte de dicha línea que discurre
(según la dirección longitudinal) desde las dos puntas extremas
laterales de sus bandas de masa hasta la punta extrema 15 de su
tira central.
La línea coplanar 6 presenta extremos de
conexión y de transferencia idénticos a los de la línea coplanar 5.
En cambio, mientras que la tira 7 de la línea coplanar 5 es
continua, la tira central de transmisión 10 de la línea coplanar 6
es discontinua. Dicha tira central está formada por dos partes 29,
30 separadas, alineadas (según la dirección longitudinal) en la
prolongación una de la otra.
La línea coplanar 5, llamada línea coplanar
paralela, está provista de un conmutador microelectromecánico 18,
llamado conmutador MEM paralelo, que pasa por encima de la tira
central 7 y conecta las dos bandas laterales 8, 9 de la línea.
Cuando está aplicada a dicho conmutador una tensión superior a una
tensión umbral de activación del conmutador MEM 18, el mismo se
hunde hasta quedar en contacto con la tira central 7; la tira 7 y
las bandas de masa 8, 9 están entonces conectadas eléctricamente, y
la línea coplanar paralela 5 está neutralizada por cortocircuito (y
por consiguiente inactiva). Cuando no está aplicada tensión alguna
al conmutador MEM 18, la tira de transmisión 7 puede vehicular,
hasta el amplificador LNA 2, toda corriente generada por la
propagación de un campo eléctrico en modo coplanar en las ranuras
21, 22. La línea coplanar paralela 5 es entonces activa.
La línea coplanar 6, llamada línea coplanar
serie, está provista de un conmutador microelectromecánico 19,
llamado conmutador MEM serie, que forma un puente que conecta las
dos partes 29, 30 de la tira central 10 de la línea. Cuando está
aplicada a dicho conmutador una tensión superior a una tensión
umbral de activación del conmutador MEM 19, el mismo se hunde hasta
quedar en contacto con la cara 28 del sustrato y llenar el espacio
20 que separa las dos partes 29, 30 de la tira 10. El conmutador MEM
19 realiza entonces una parte de empalme de la tira central de
transmisión 10, que por una parte permite la propagación de un campo
eléctrico en las ranuras 23, 24 entre las dos partes 29, 30 de la
tira, y por otra parte conecta eléctricamente dichas partes. Una
corriente es así generada en la tira, y la línea coplanar serie está
activada. Cuando no está aplicada tensión alguna al conmutador MEM
serie 19, no puede propagarse campo eléctrico alguno en las ranuras
23, 24 entre las partes 29, 30 de la tira 10 (globalmente, los
campos eléctricos en oposición de fase se superponen y se anulan en
el espacio 20), y la línea coplanar serie 6 es entonces
inactiva.
Cada línea coplanar 5, 6 comprende por otro lado
medios desfasadores 25, 26 que están formados por una extensión
lateral con forma de trapecio de la tira central de transmisión 7,
10. Una extensión lateral 25, 26 de este tipo, llamada extensión
lateral de desfasaje, permite retardar el campo eléctrico que se
propaga en la ranura 22, 24 adyacente a la misma, para así invertir
la fase de este campo con respecto al campo eléctrico que se
propaga en la ranura 21, 23 opuesta, del otro lado de la tira de
transmisión. Después de la extensión lateral de desfasaje 25 (y
respectivamente 26) según la dirección de propagación de la señal,
una corriente puede así ser generada en la tira central de
transmisión 7 (y respectivamente 10) por los campos en oposición de
fase que se propagan en las ranuras 21, 22 (y respectivamente 23,
24), si la línea es activa. Las extensiones laterales de desfasaje
25, 26 se extienden en lados opuestos de las tiras de transmisión 7,
10, tal como se ilustra en la figura 5. En otras palabras, dichas
extensiones laterales no están enfrentadas en uno y en otro lado
del sustrato (según una dirección ortogonal a los planos de las
líneas coplanares).
El conmutador MEM paralelo 18 está dispuesto
según la dirección de propagación de la señal inmediatamente
después de la extensión lateral de desfasaje 25 de la línea coplanar
paralela. El conmutador MEM serie 19 está dispuesto según la
dirección de propagación de la señal después de la extensión lateral
de desfasaje 26 de la línea coplanar serie, a una distancia
sensiblemente igual a \lambda/4 de un punto imaginario tomado en
la línea coplanar serie de forma tal que la distancia entre este
punto y la extensión lateral 26 corresponde sensiblemente a la
distancia entre el conmutador MEM paralelo 18 y la extensión lateral
25 de la línea coplanar paralela. En otras palabras, los dos
conmutadores MEM están decalados en \lambda/4 en las líneas
coplanares, designando \lambda una longitud de onda guiada
central transportada por la línea coplanar. Cuando las dos líneas
coplanares son inactivas, la tasa de ondas estacionarias es
equivalente en las dos líneas coplanares.
El dispositivo ilustrado está destinado a un
conjunto de recepción de microondas de frecuencias comprendidas
entre 27 y 31 GHz. El sustrato y las líneas coplanares están
dimensionados a la vez para poder transportar microondas de este
tipo, y de forma tal que sean minimizados los fenómenos de
acoplamiento de las dos líneas coplanares. Las dimensiones que se
indican a continuación están referenciadas en las figuras 3 y 6, en
las cuales no necesariamente se han respetado los proporciones
relativas de estas dimensiones:
- la anchura \ell de las líneas coplanares 5,
6, que corresponde igualmente a la anchura (lado menor) interna de
la guía de ondas 1, está comprendida entre 3 y 4,5 mm, lo cual
permite la integración del dispositivo según la invención en una
antena múltiple FAFR; siendo dicha anchura por ejemplo del orden de
4 mm,
- la longitud L de cada línea coplanar, llamada
longitud de transmisión coplanar de dicha línea, tomada entre la
extensión lateral 25 de la tira central de transmisión y un primer
punto de conexión del amplificador LNA (en el extremo de conexión
17 de la línea), es inferior a 3,5 mm y es por ejemplo del orden de
2,5 mm. Hay que señalar que los fenómenos de acoplamiento de las
dos líneas disminuyen al disminuir la longitud de las líneas
coplanares,
\newpage
- la anchura nominal w (la anchura fuera de la
extensión lateral de desfasaje 25, 26) de la tira de transmisión 7,
10 de cada línea coplanar está comprendida entre 10 y 170 \mum;
siendo dicha anchura nominal por ejemplo de 40 \mum,
- la anchura nominal de cada una de las ranuras
21-24 de las líneas coplanares está comprendida
entre 10 y 150 \mum; siendo dicha anchura nominal por ejemplo de
50 \mum,
- siendo las anteriores dimensiones w y s así
elegidas para imponer una impedancia de 50 \Omega a la entrada
del LNA; el dispositivo según la invención puede no obstante ser
dimensionado para circuitos de tratamiento (y particularmente
amplificadores LNA) que exijan otras impedancias (de 25, 75, 100
\Omega); siendo las anchuras w y s adaptadas en consecuencia,
- la anchura d de la extensión lateral de
desfasaje 25, 26 de cada línea coplanar está comprendida entre 1 y
3 mm, y es por ejemplo de 2,80 mm; el ángulo \theta de la
extensión lateral trapezoidal está comprendido entre 10 y 40º, y es
por ejemplo del orden de 25º,
- la dimensión p, según la dirección
longitudinal, del canto de transferencia al bies 13, 14 de las
bandas laterales de masa de cada línea coplanar es superior a 5 mm
y está particularmente comprendido entre 5 y 13 mm, siendo por
ejemplo de 11 mm,
- el espesor t de metalización de las líneas
coplanares (tira central de transmisión y bandas laterales de masa)
está comprendido entre 9 y 35 \mum y es por ejemplo del orden de
17,5 \mum,
- el espesor e del sustrato es superior a 0,200
mm, y es elegido según la permitividad eléctrica \varepsilon_{r}
del material del que está hecho dicho sustrato; a título de
ejemplo, el sustrato es de un material sintético conocido bajo el
nombre TMM4 de permitividad eléctrica \varepsilon_{r} igual a
4,5, y su espesor e es de 0,508 mm o 0,762 mm. Hay que señalar que
los fenómenos parásitos de acoplamiento de las dos líneas disminuyen
cuando se aumenta el espesor e del sustrato y/o cuando se disminuye
su permitividad eléctrica \varepsilon_{r}. Pero el aumento del
espesor de sustrato y la elección de un material que dé mejor
resultado hacen que aumente el coste de fabricación del
dispositivo. A la inversa, el acoplamiento disminuye cuando se
reduce la longitud L de transmisión de la línea. El dimensionado
del sustrato y de las líneas coplanares es por consiguiente el
resultado de una solución de compromiso entre las características
funcionales perseguidas, las constricciones económicas y
financiares y las constricciones geométricas impuestas por la
estructura de la antena.
El funcionamiento de este dispositivo según la
invención ha sido simulado por medio del programa informático de
simulación HFSS comercializado por la sociedad ANSOFT, para una
banda de frecuencias de ondas que va de 27 a 31 GHz. Estas
simulaciones han demostrado que:
- los parámetros de acoplamiento S_{41} y
S_{14} (véase la figura 9) entre la entrada (extremo de
transferencia) de una línea coplanar y la salida (extremo de
conexión) de la otra línea coplanar toman valores inferiores a -10
dB en toda la banda de frecuencias, y en particular inferiores a -25
dB en la mayor parte de dicha banda,
- los parámetros de transmisión S_{21} y
S_{12} entre la entrada y la salida de una misma línea coplanar
toman valores superiores a -2 dB en toda la banda de frecuencias, y
en particular superiores a -0,5 dB en la mayor parte de dicha
banda,
- el parámetro de reflexión S_{11} a la
entrada de las líneas coplanares toma valores inferiores a -20 dB
en toda la banda de frecuencias, y en particular inferiores a -30 dB
en la mayor parte de dicha banda,
- el parámetro de inserción entre la guía de
ondas (en modo guía TE10) y las líneas coplanares (en modo coplanar)
toda valores superiores a -1,5 dB en toda la banda de
frecuencias.
La figura 7 ilustra una línea coplanar de otro
dispositivo según la invención, cuyos medios desafasadores están
constituidos por una extensión lateral 32 de la tira central de la
línea, que presenta la forma de una parte de disco. Cuando el
dispositivo está destinado a un conjunto de recepción de microondas
de frecuencias comprendidas entre 27 y 31 GHz, esta extensión
lateral presenta una dimensión transversal "a" superior a 0,5
mm y preferiblemente comprendida entre 1 y 2,8 mm, siendo por
ejemplo del orden 2,40 mm, presentando el disco un radio del orden
de 1,4 mm.
Por otro lado, esta línea coplanar presenta
bandas laterales de masa cuyos cantos de transferencia 50, 51 son
curvos y de forma hiperbólica, con vistas a un mejoramiento del
parámetro de inserción o de salida del campo eléctrico (entre la
guía de ondas y las ranuras de la línea coplanar activa).
La figura 8 ilustra una línea coplanar 33 de
otro dispositivo según la invención, en la cual el desfasaje entre
los campos que se propagan en las dos ranuras de dicha línea
coplanar es asegurado por una geometría asimétrica de su extremidad
de transferencia 37.
La línea coplanar 33 presenta una primera banda
lateral de masa 36 cuyo canto de transferencia 38 discurre en
saledizo, según la dirección longitudinal, con respecto a la tira
central de transmisión 34 y a la segunda banda lateral de masa 35
de la línea. Como se ha explicado anteriormente, este canto 38
discurre igualmente al bies, entre un ángulo central 43 y una punta
extrema lateral 42. La banda lateral de masa 36 comprende por
consiguiente una extensión longitudinal 48 en saledizo con respecto
a la otra banda de masa y a la tira de transmisión.
La tira central de transmisión 34 de la línea
coplanar 33 presenta un canto de transferencia 39 con forma de
punta, que discurre sensiblemente en la vertical (según la dirección
transversal) del ángulo central 43 de la primera banda lateral de
masa.
Por otro lado, la segunda banda lateral de masa
35 presenta un canto de transferencia 40 que discurre al bies
alejándose longitudinal y transversalmente de un punto central de la
línea coplanar, entre un ángulo central 45 y una punta lateral 44.
Esta punta lateral 44 está situada en la vertical (según la
dirección transversal) o hacia atrás (según la dirección
longitudinal) de la punta de transferencia 39 de la tira de
transmisión. Dicha punta lateral está además decalada, según la
dirección longitudinal, con respecto a la punta lateral 42 de la
otra banda de masa, a una distancia relativa sensiblemente igual a
\lambda/2 (donde \lambda designa la longitud de onda guiada
-central- de la línea coplanar y del dispositivo).
Hay que señalar que el ángulo central 43, 45 de
la banda lateral de masa 36, 35 está ventajosamente redondeado
(contrariamente al ejemplo ilustrado) con vistas a facilitar la
transferencia del campo a la ranura 46, 47 adyacente.
El extremo de transferencia 37 de la línea, tal
como está definido según la invención, corresponde a la parte de
dicha línea que discurre entre el punto extremo 42 de la primera
banda lateral de masa y el ángulo central 45 de la segunda banda
lateral de masa. En razón de su asimetría, los campos eléctricos que
se propagan en las ranuras 46, 47 de la línea presentan fases
sensiblemente opuestas desde el ángulo central 45 de la segunda
banda lateral de masa. Los medios desfasadores comprenden sin
embargo igualmente un puente aéreo 41 de material conductor que
está dispuesto después de la entrada de la ranura 47 según la
dirección de propagación de la señal, en las inmediaciones de la
misma. Este puente permite eliminar los eventuales modos parásitos
(modo ranura ...) residuales, con vistas a una transmisión
esencialmente en modo coplanar después de dicho puente 41 según la
dirección de propagación de la señal.
Ni que decir tiene que la invención puede ser
objeto de numerosas variantes con respecto a las formas de
realización anteriormente descritas y representadas en las
figuras.
En particular, la posición de los conmutadores
del dispositivo ilustrado en las figuras 1 a 6 puede ser invertida
según la disposición siguiente: el conmutador serie se dispone entre
los medios desafasadores y el extremo de conexión de la línea
coplanar serie, en las inmediaciones de dichos medios desafasadores;
el conmutador paralelo se dispone entre los medios desfasadores y
el extremo de conexión de la línea coplanar paralela, a una
distancia de dichos medios desfasadores, y más exactamente de un
punto de la línea paralela situado enfrente del conmutador serie,
siendo dicha distancia sensiblemente igual al cuarto de una longitud
de onda mediana de propagación de la guía de ondas. En otras
palabras, el conmutador paralelo está decalado hacia la parte
posterior según la dirección de propagación de la señal (en
recepción) a una distancia igual a \lambda/4 con respecto al
conmutador serie.
Por otro lado, cada línea coplanar no
necesariamente es simétrica (fuera de los medios desfasadores) con
respecto a su tira central de transmisión. Por el contrario, la
banda lateral de masa opuesta a los medios desfasadores (la banda 8
ilustrada) es ventajosamente de anchura reducida, con vistas a
obtener un dispositivo de dimensiones exteriores reducidas.
Además, el dispositivo de transición según la
invención puede ser integrado en un conjunto de emisión de ondas en
el cual los circuitos de tratamiento están constituidos cada uno por
un amplificador de potencia tipo SSPA ("Solid State power
amplifier").
Por otro lado, es posible utilizar un
dispositivo según la invención para otras aplicaciones de recepción
(en hiperfrecuencia, y particularmente dentro de la banda V -en
torno a los 60 GHz-, pero también dentro de otras frecuencias) o de
emisión.
\vskip1.000000\baselineskip
Esta lista de referencias que cita el
solicitante se aporta solamente en calidad de información para el
lector y no forma parte del documento de patente europea. A pesar
de que se ha procedido con gran esmero al compilar las referencias,
no puede excluirse la posibilidad de que se hayan producido errores
u omisiones, y la OEP se exime de toda responsabilidad a este
respecto.
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Claims (25)
1. Dispositivo redundante de transición entre
una guía (1) de ondas electromagnéticas y al menos dos circuitos
redundantes (2, 3), llamados circuitos de tratamiento, comprendiendo
este dispositivo de transición dos líneas que discurren, al menos en
parte, por el interior de la guía de ondas, caracterizado
por el hecho de que las dos líneas son dos líneas coplanares (5, 6)
formadas sobre una placa llamada sustrato y hecha de un material
dieléctrico, comprendiendo cada línea coplanar, en una mismo plano,
una tira central de transmisión (7; 10) y dos bandas laterales de
masa (8, 9; 11, 12) a uno y otro lado de dicha tira, estando dichas
bandas laterales separadas de ésta última por ranuras (21, 22; 23,
24) de guiamiento de ondas electromagnéticas, discurriendo dicha
tira y dichas bandas principalmente según una dirección llamada
dirección longitudinal de línea, presentando cada línea coplanar (5)
un extremo longitudinal (17), llamado extremo de conexión, que está
destinado a ser acoplado a uno (2) de los circuitos de tratamiento
que es propio de dicha línea coplanar,
- las dos líneas coplanares (5, 6) discurren por
uno y otro lado de un mismo sustrato (4), por sobre dos caras
principales opuestas (27, 28) de éste,
- cada línea coplanar (5) presenta un extremo
longitudinal (16), llamado extremo de transferencia, opuesto a su
extremo de conexión, adaptado para canalizar una onda
electromagnética entre la guía de ondas y las ranuras (21, 22) de
dicha línea coplanar,
- cada línea coplanar (5, 6) está provista de
medios (25, 26), llamados medios desfasadores, adaptados para
invertir la fase de un campo eléctrico de un lado de la tira central
de transmisión (7, 10) de dicha línea coplanar, con vistas a un
transmisión de energía eléctrica esencialmente según un modo
coplanar a lo largo de dicha tira de transmisión entre los medios
desfasadores y el circuito de tratamiento, y a una transmisión de
energía eléctrica esencialmente según un modo guía dentro de la guía
de ondas más allá del extremo de transferencia.
2. Dispositivo de transición según la
reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que las dos
líneas coplanares (5, 6) discurren una enfrente de la otra por uno
y otro lado del sustrato (4).
3. Dispositivo de transición según una de las
reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por el hecho de que las
dos líneas coplanares (5, 6) discurren según una dirección de
propagación de la guía de ondas.
4. Dispositivo de transición según una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por el hecho de que el
sustrato (4) se extiende en un plano longitudinal medio de la guía
de ondas (1).
5. Dispositivo de transición según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por el hecho de que
cada línea coplanar (5, 6) está provista de un conmutador (18, 19)
con vistas a una activación o a una desactivación de dicha línea
coplanar.
6. Dispositivo de transición según la
reivindicación 5, destinado a un conjunto de recepción,
caracterizado por el hecho de que dichos conmutadores (18,
19) están adaptados para poder ser gobernados de forma tal que las
líneas coplanares presenten en cada instante estados opuestos,
respectivamente activo e inactivo.
7. Dispositivo de transición según una de las
reivindicaciones 5 o 6, caracterizado por el hecho de
que:
- una (6) de las líneas coplanares, llamada
línea coplanar serie, presenta una tira central de transmisión (10)
que está interrumpida y formada por dos partes (29, 30) distantes
que discurren en la prolongación una de la otra, presentando la
otra línea coplanar (5), llamada línea coplanar paralela, una tira
central de transmisión (7) que es continua,
- el conmutador (19) de la línea coplanar serie,
llamado conmutador serie, está montado en serie para así conectar
las dos partes distantes (29, 30) de la tira central de transmisión,
de forma tal que la línea coplanar serie (6) es activa cuando el
conmutador serie está en un estado, llamado estado pasante, en el
cual realiza una conexión eléctrica entre las dos partes de la tira
central de transmisión,
- el conmutador (18) de la línea coplanar
paralela, llamado conmutador paralelo, está montado en paralelo
para así poder conectar la tira central de transmisión (7) a las dos
bandas laterales de masa (8, 9) de dicha línea coplanar paralela,
de forma tal que la línea coplanar paralela (5) es inactiva cuando
el conmutador paralelo está en un estado, llamado estado pasante,
en el cual realiza una conexión eléctrica entre la tira central de
transmisión y las bandas laterales de masa.
8. Dispositivo de transición según una de las
reivindicaciones 5 a 7, caracterizado por el hecho de que al
menos un conmutador comprende un diodo.
9. Dispositivo de transición según una de las
reivindicaciones 5 a 8, caracterizado por el hecho de que al
menos un conmutador (18, 19) es un conmutador microelectromecánico,
llamado conmutador MEM.
\newpage
10. Dispositivo de transición según una de las
reivindicaciones 5 a 9 y según la reivindicación 2,
caracterizado por el hecho de que los conmutadores (18, 19)
de las dos líneas coplanares están decalados, según una dirección
longitudinal del sustrato, a una distancia relativa que es
sensiblemente igual al cuarto de una longitud de onda llamada
longitud de onda guiada.
11. Dispositivo de transición según una de las
reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por el hecho de que
al menos una banda lateral de masa (8, 9) de cada línea coplanar
presenta, en el extremo de transferencia (16) de dicha línea, un
canto de extremo (13, 14), llamado canto de transferencia de la
banda, que discurre al bies alejándose transversal y
longitudinalmente de una parte central de la línea coplanar.
12. Dispositivo de transición según la
reivindicación 11, caracterizado por el hecho de que el canto
de transferencia (13, 14) de una banda lateral de masa (8, 9)
discurre en saledizo, según la dirección longitudinal de línea, con
respecto a la tira central de transmisión (7) de la línea
coplanar.
13. Dispositivo de transición según una de las
reivindicaciones 11 o 12, caracterizado por el hecho de que
el canto de transferencia (50, 51) de una banda lateral de masa
presenta una forma curva redondeada o exponencial o
hiperbólica.
14. Dispositivo de transición según una de las
reivindicaciones 1 a 13, caracterizado por el hecho de que
la tira de transmisión (7) de cada línea coplanar presenta, en el
extremo de transferencia (16) de dicha línea, un canto de extremo
(15), llamado canto de transferencia de la tira, que forma una
punta.
15. Dispositivo de transición según una de las
reivindicaciones 1 a 14, caracterizado por el hecho de que
los medios desfasadores (25, 26) de las líneas coplanares están
adaptados para invertir la fase de un campo eléctrico en lados
opuestos de las tiras centrales de transmisión.
16. Dispositivo de transición según una de las
reivindicaciones 1 a 15, caracterizado por el hecho de que
los medios desfasadores de al menos una línea coplanar (5, 6) están
formados por una extensión lateral (25, 26), llamada extensión
lateral de desfasaje, de la tira central de transmisión (7, 10) de
dicha línea coplanar.
17. Dispositivo de transición según una de las
reivindicaciones 1 a 15, caracterizado por el hecho de que
los medios desfasadores de al menos una línea coplanar están
formados por dos extensiones laterales consecutivas de su tira
central de transmisión, que se extienden en un mismo lado de dicha
tira y están adaptadas para imponerle cada una al campo eléctrico
un desfasaje del orden de \pi/2.
18. Dispositivo de transición según una de las
reivindicaciones 16 o 17, caracterizado por el hecho de que
al menos una extensión lateral de desfasaje (25, 26) de una tira
central de transmisión presenta una forma de trapecio.
19. Dispositivo de transición según una de las
reivindicaciones 16 a 18, caracterizado por el hecho de que
al menos una extensión lateral de desfasaje (32) de una tira central
de transmisión presenta una forma de parte de
disco.
disco.
20. Dispositivo de transición según una de las
reivindicaciones 1 a 19, caracterizado por el hecho de que
los medios desfasadores de al menos una línea coplanar comprenden,
por una parte, una extensión longitudinal (48) de una (36) de las
bandas laterales de masa, cuya extensión longitudinal se extiende en
saledizo, según la dirección longitudinal de línea, con respecto a
la otra banda lateral de masa (35) y a la tira central de
transmisión (34) de la línea coplanar, en el extremo de
transferencia (37) de la misma, y por otra parte, un puente (41) de
material conductor, llamado puente aéreo, que pasa por encima de la
tira central de transmisión y conecta las dos bandas laterales
de
masa.
masa.
21. Dispositivo de transición según una de las
reivindicaciones 1 a 20, caracterizado por el hecho de que
los medios desfasadores (25, 26) de las dos líneas coplanares son de
un mismo tipo.
22. Dispositivo de transición según una de las
reivindicaciones 1 a 21, caracterizado por el hecho de que
la tira central de transmisión (7) y las ranuras (21, 22) de cada
línea coplanar presentan respectivas anchuras nominales adaptadas
para que la impedancia a la entrada del circuito de tratamiento (2)
sea óptima en cuanto a la limitación del ruido.
23. Dispositivo de transición según una de las
reivindicaciones 1 a 22, caracterizado por el hecho de que
la tira central de transmisión y las ranuras de cada línea coplanar
presentan respectivas anchuras nominales adaptadas para que la
impedancia a la entrada del amplificador LNA sea igual a 50
\Omega.
24. Dispositivo de transición según una de las
reivindicaciones 1 a 23, para una antena de recepción de microondas
de frecuencias comprendidas entre 27 y 31 GHz, caracterizado
por el hecho de que el sustrato (4) presenta una permitividad
eléctrica \varepsilon_{r} inferior a 5 y un espesor (e) superior
a 0,5 mm, y de que cada línea coplanar (5, 6) presenta una tira
central de transmisión (7, 10) de longitud (L) inferior a 3,5 mm
entre los medios desfasadores y un primer punto de conexión al
circuito de tratamiento.
25. Dispositivo de transición según una de las
reivindicaciones 1 a 24, para una antena de recepción de microondas
de frecuencias comprendidas entre 45 y 50 GHz, caracterizado
por el hecho de que el sustrato (4) presenta una permitividad
eléctrica \varepsilon_{r} inferior a 5 y un espesor (e) superior
a 0,5 mm, y de que cada línea coplanar (5, 6) presenta una tira
central de transmisión (7, 10) de longitud (L) inferior a 3 mm entre
los medios desfasadores y un primer punto de conexión al circuito
de tratamiento.
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