ES2362329A1 - Guía de ondas electromagnéticas multihaz para modos cuasi-tem. - Google Patents

Abstract

Guía de ondas electromagnéticas multihaz para modos cuasi-TEM.Guía de ondas (1, 1'', 1'''') electromagnéticas multihaz para modos cuasi-TEM, que comprende: una tapa (2) hecha de un material conductor; una capa de propagación (4), hecha de un material de baja permitividad, preferentemente aire, y cuyo espesor es, por donde se propagan las ondas electromagnéticas; y una base (3), hecha de un material dieléctrico, que comprende un plano inferior conductor (3b) y un plano superior (3a) con una pluralidad de tiras longitudinales conductoras (7), estando cada tira longitudinal conductora (7) conectada con el plano inferior conductor (3b) mediante una respectiva corrugación longitudinal conductora (5, 5'').

Description

Guía de ondas electromagnéticas multihaz para modos cuasi-TEM.

Objeto de la invención

El objeto principal de la presente invención es una guía de ondas electromagnéticas multihaz eléctricamente ancha, de modo que permite la propagación simultánea e independiente de varios haces u ondas de tipo cuasi-TEM sin interferencias entre ellos.

Antecedentes de la invención

Un microstrip es un tipo de línea de transmisión eléctrica para señales de microondas fabricado a partir de placas de circuito impreso. Consiste en una franja de conducción separada de una franja de masa por una capa de sustrato dieléctrico. Sin embargo, tiene el inconveniente de que a altas frecuencias tiene unas elevadas pérdidas, por lo que es necesario recurrir a guías de onda.

Una guía de onda es una estructura física que guía ondas electromagnéticas, que normalmente se transmiten al rebotar la onda electromagnética en sus paredes internas. En particular, una guía de onda cerrada es una guía de ondas electromagnéticas en forma de conducto metálico de paredes conductoras, bien hueco o lleno con un material dieléctrico y que puede soportar cierto número de modos de propagación discretos. Cada modo discreto define una constante de propagación para ese modo, pudiendo definirse el campo en cualquier punto de la guía en términos de los modos que soporta. Las curvas o discontinuidades provocan conversión de modos, pero no radiación, por lo que no existe campo de radiación en el interior de una guía de onda.

En el caso habitual de que se requiera alimentar un elevado número de elementos, es inevitable el empleo de tantas guías de onda como filas de elementos existan. Ese es el caso habitual de una antena para aplicaciones radar formada por una agrupación de ranuras, las cuales se alimentan por la concatenación de guías rectangulares monomodo. La fabricación de dicha estructura de guiado es muy costosa debido al reducido tamaño de las mismas y el cuidadoso soldado con la placa superior que requieren las paredes laterales de cada una de las guías si se pretende evitar la pérdida de potencia a altas frecuencias.

Descripción de la invención

La presente invención describe una guía de ondas electromagnéticas multihaz para múltiples modos cuasi-TEM que consigue la propagación independiente de cada modo. Las guías de ondas de acuerdo con la técnica anterior no cumplen dicho objetivo, ya que las distintas ondas interfieren entre sí, y no es posible alimentar cada fila independientemente. Además, es necesario cerrar los laterales de la guía con paredes conductoras para evitar la pérdida de potencia, con lo que aumenta el efecto dispersivo de la estructura, ya que se forma una guía rectangular multimodo.

La estructura de la guía de ondas multihaz de la presente invención comprende una capa superior parecida a las de las guías de onda de la técnica anterior, fundamentalmente un simple plano conductor, y una capa inferior con una estructura ligeramente más compleja, en particular una estructura soft/hard del tipo descrito en "Artificially soft and hard surfaces in electromagnetics", de Per-Simon Kildal (IEEE Transactions on antenas and propagation, vol 38, Nº 10, octubre 1990). Los inventores de la presente solicitud de patente han descubierto que esta configuración permite la propagación simultánea e independiente de varios haces u ondas, todos ellos de tipo cuasi-TEM, sin interferencias entre ellos. Por tanto, es posible sustituir un conjunto de guías de onda monomodo paralelas de la técnica anterior por una única guía de ondas multihaz de la misma anchura. Esto es especialmente interesante cuando las frecuencias a las que se trabajan son altas (de 20 GHz en adelante), ya que a medida que aumenta la frecuencia, las guías monomodo son cada vez más pequeñas y de más difícil fabricación, a lo que hay que añadir el difícil soldado que permite la continuidad eléctrica.

Por tanto, la presente invención describe una guía de ondas electromagnéticas multihaz para modos cuasi-TEM que comprende las siguientes partes:

1) Una tapa

Se trata de una capa plana hecha de un material conductor, del tipo de las habitualmente empleadas en guías de onda de la técnica anterior.

2) Una capa de propagación

Esta capa, hecha de un material de baja permitividad, preferiblemente aire, constituye el espacio por el que se transmiten las ondas electromagnéticas. Los inventores de la presente solicitud de patente han descubierto que la guía de ondas de la invención sólo permite la propagación de las ondas cuasi-TEM cuando la capa de aire tiene un espesor 100, donde \lambda es la longitud de onda de la onda cuasi-TEM que se transmite.

3) Una base

En el presente documento se empleará el término "longitudinal" para hacer referencia a la dirección paralela a la de propagación de las ondas electromagnéticas, y "transversal" para hacer referencia a la dirección perpendicular al plano guía de ondas de la invención.

Así pues, la base está hecha de un material dieléctrico, y tiene un plano inferior conductor y un plano superior que comprende una pluralidad de tiras longitudinales conductoras, cada una de las cuales está conectada con el plano inferior conductor por medio de una respectiva corrugación longitudinal conductora. Esta estructura es lo que se conoce como estructura soft/hard, según se ha explicado previamente en el presente documento.

A continuación se explica brevemente el efecto de emplear una estructura soft/hard del tipo descrito como la base de una guía de ondas. En general, entre dos placas conductoras, comúnmente denominadas también placas "eléctricas", se puede propagar cualquier onda y en cualquier dirección, sea cual sea la distancia que las separe. Por ese motivo, para dirigir las ondas en una dirección concreta es necesario cerrar esas dos placas conductoras con dos paredes laterales, dando lugar a las guías de sección rectangular de la técnica anterior. Además, el campo eléctrico paralelo a las placas "eléctricas" es nulo.

Si existiesen placas "magnéticas", el campo magnético paralelo a ellas sería nulo, pero no así el campo eléctrico. No existen en la naturaleza materiales conductores magnéticos, pero se pueden obtener propiedades parecidas con las estructuras corrugadas soft/hard. En función de la profundidad de las corrugaciones se consigue que el campo magnético en la superficie, justo al lado de las tiras conductoras, sea nulo.

Así pues, el plano superior de la base se puede interpretar teóricamente como un conjunto de tiras longitudinales conductoras eléctricas y conductoras magnéticas intercaladas. Las tiras longitudinales conductoras eléctricas permiten la propagación longitudinal sin problemas (ya que hay conductor arriba y conductor abajo), mientras que las tiras longitudinales conductoras magnéticas no dejan que se propague nada (ya que hay conductor eléctrico arriba y conductor magnético abajo), de modo que los haces quedan aislados unos de otros. Además, esta estructura no sólo aísla sino que además impide que los haces tomen otra dirección que no sea la longitudinal definida por las tiras longitudinales conductoras.

Los inventores de la presente solicitud aprovechan el hecho de que no hay propagación cuando se combinan un plano eléctrico con un plano magnético a menos que 1 para impedir la propagación en la dirección perpendicular a la de las tiras metálicas.

Las tiras longitudinales conductoras deben ser eléctricamente delgadas, y la separación entre ellas también debe ser eléctricamente pequeña. En realizaciones preferidas de la invención, el ancho w de las tiras longitudinales conductoras es 2 mientras que la separación l entre tiras longitudinales es 3

En otra realización particular de la invención, el espesor d de la base inferior está dentro del rango:

4

En otra realización preferida de la invención, las corrugaciones longitudinales conductoras son continuas, por ejemplo con forma prismática de sección paralelepipédica. Los inventores de la presente solicitud de patente han descubierto que esta configuración es la que proporciona mejores resultados, provocando que cada uno de los modos se propague longitudinalmente a través de la capa de propagación sin interferir entre ellas.

Sin embargo, debido a la dificultad de fabricar corrugaciones longitudinales conductoras continuas, en otra realización preferida de la invención se emplean hileras longitudinales de postes conductores transversales, cuyo efecto es aproximadamente equivalente al de las corrugaciones longitudinales conductoras continuas. Los postes conductores transversales pueden tener en principio cualquier forma, aunque en una realización preferida de la invención se emplean postes cilíndricos, preferentemente con un diámetro D, donde 5 separados entre sí una distancia L, donde 6

La guía de ondas multihaz de la invención se puede aplicar a cualquier dispositivo de alta frecuencia que requiera de la alimentación independiente de elementos dispuestos en filas. La aplicación más inmediata es la alimentación de ranuras radiantes dispuestas sobre la capa superior de la guía. Esto abarata sobremanera el diseño de antenas planas para aplicaciones radar o de comunicaciones a frecuencias superiores a 20 GHz.

Descripción de los dibujos

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

Fig. 1.- Muestra una vista de una guía de ondas multihaz de acuerdo con una realización de la presente invención, sobredimensionada en anchura.

Figs. 2.- Muestra un detalle de la perspectiva de la Fig. 1, sin la tapa.

Fig. 3a, 3b.- Muestran una vista en planta y una vista en alzado de la guía de las figuras anteriores.

Fig. 4.- Muestra una simulación de la propagación de las ondas independientes dentro de otra realización particular de una guía de ondas electromagnéticas multihaz de acuerdo con la invención.

Fig. 5.- Muestra un detalle de otra realización particular de una guía de ondas de acuerdo con la presente invención donde se emplean corrugaciones longitudinales conductoras continuas.

Realización preferente de la invención

Se describe a continuación una realización particular de una guía de ondas (1) electromagnéticas multihaz para ondas cuasi-TEM de acuerdo con la invención, haciendo referencia a las figuras adjuntas.

Las Figs. 1 y 2 representan respectivamente una vista en perspectiva y un detalle de una guía de ondas (1) de acuerdo con la invención, donde se aprecian la tapa (2), la base (3) y la capa de propagación (4), que en este ejemplo es de aire. La tapa (2) y la base (3) se han representado parcialmente transparentes con el objeto de que se aprecien sus estructuras internas. Por el mismo motivo, tampoco se han representado las paredes conductoras que cierran lateralmente la guía de ondas (1) para dar rigidez al conjunto.

Se observa cómo el interior de la base (3) tiene una estructura que comprende ocho corrugaciones longitudinales conductoras (5, 5'), que en este primer ejemplo son hileras longitudinales (5) de postes cilíndricos (6), cuyos extremos superiores están conectados a las tiras longitudinales conductoras (7) dispuestas en el plano superior (3a) y cuyos extremos inferiores están conectados al plano inferior conductor (3b).

Como se ha mencionado previamente en el presente documento, los postes cilíndricos (6) conductores, normalmente metálicos, cuando están muy juntos son una buena aproximación de las corrugaciones longitudinales conductoras continuas (5') teóricas que se muestran en la Fig. 5. Además, la fabricación de los postes cilíndricos (6) conductores o vía-holes es industrialmente sencilla, debido a que son elementos habituales en las placas de circuito impreso (PCBs).

Las Figs. 3a y 3b muestran respectivamente una planta y un alzado lateral de la guía de ondas (1) multihaz del ejemplo, donde se aprecian los espesores de las capas que la componen y la distribución de las tiras longitudinales conductoras (7).

La Fig. 4 muestra una simulación por ordenador de un segundo ejemplo de guía de onda (1') que comprende un gran número de corrugaciones longitudinales conductoras (5, 5') que se ha empleado para transmitir cinco ondas procedentes de cinco fuentes. Se observa cómo las ondas permanecen confinadas en un rayo sin mezclarse ni interferir entre sí, consiguiéndose este efecto sin la necesidad de paredes que los mantengan aislados. Además, este ejemplo sirve para apreciar cómo no es necesario que el número de haces que transmite la guía de ondas coincida con el número de tiras longitudinales conductoras (7). Los haces son generados mediante fuentes de campo que están separadas entre sí una distancia normalmente diferente de la distancia entre las tiras longitudinales conductoras (7).

Por último, la Fig. 5 muestra un detalle de un tercer ejemplo de guía de ondas (1'') de acuerdo con la presente invención, donde se han empleado las corrugaciones longitudinales conductoras continuas (5') teóricas descritas en una realización particular de la invención.

Claims (8)

1. Guía de ondas (1, 1', 1'') electromagnéticas multihaz para modos cuasi- TEM, caracterizada porque comprende:

-

una tapa (2) hecha de un material conductor;

-

una capa de propagación (4), hecha de un material de baja permitividad y cuyo espesor es 7 por donde se propagan las ondas electromagnéticas

-

una base (3), hecha de un material dieléctrico, que comprende un plano inferior conductor (3b) y un plano superior (3a) con una pluralidad de tiras longitudinales conductoras (7), estando cada tira longitudinal conductora (7) conectada con el plano inferior conductor (3b) mediante una respectiva corrugación longitudinal conductora (5, 5').

2. Guía de ondas (1, 1', 1''') electromagnéticas multihaz de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque la capa de propagación (4) es de aire.

3. Guía de ondas (1, 1', 1'') electromagnéticas multihaz de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el espesor d de la base (3) está dentro del rango:

8

4. Guía de ondas (1, 1', 1'') electromagnéticas multihaz de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque separación l entre las tiras longitudinales conductoras (7) es 9 y la anchura w de las tiras longitudinales conductoras (7) es 10

5. Guía de ondas (1, 1', 1'') electromagnéticas multihaz de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque las corrugaciones longitudinales conductoras (5') son continuas.

6. Guía de ondas (1, 1', 1'') electromagnéticas multihaz de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizada porque las corrugaciones longitudinales conductoras (5) son hileras longitudinales de postes transversales (6).

7. Guía de ondas (1, 1', 1'') electromagnéticas multihaz de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizada porque los postes transversales (6) tienen forma cilíndrica.

8. Guía de ondas (1, 1', 1'') electromagnéticas multihaz de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizada porque los postes transversales (6) cilíndricos tienen un diámetro D, donde 11 porque los postes transversales (6) están separados entre sí una distancia L, donde 12