ES2623252T3 - Dispositivo de desplazamiento de fase - Google Patents

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ES2623252T3 ES14707670.7T ES14707670T ES2623252T3 ES 2623252 T3 ES2623252 T3 ES 2623252T3 ES 14707670 T ES14707670 T ES 14707670T ES 2623252 T3 ES2623252 T3 ES 2623252T3
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Rolf Jakoby
Onur Hamza Karabey
Wenjuan Hu
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Abstract

Dispositivo de desplazamiento de fase que comprende una línea de transmisión plana que está formada por un electrodo (2) de señal y un electrodo (1) de masa que están separados por una sustancia dieléctrica, y que comprende además un material (7) dieléctrico ajustable, de manera que el electrodo (2) de señal de la línea de transmisión plana está dividido en diversas piezas (4, 5) y comprende zonas (6) de solapamiento de piezas (4, 5) adyacentes, formando de esta manera un componente dieléctrico ajustable (varactor) con un condensador de tipo metal-aislante-metal, caracterizado por que las zonas (6) de solapamiento de las piezas (4, 5) adyacentes de la línea de transmisión plana están rellenadas con el material (7) dieléctrico ajustable.

Description

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DESCRIPCION
Dispositivo de desplazamiento de fase
La presente invencion se refiere a un dispositivo de desplazamiento de fase con al menos un componente ajustable. Este desplazamiento de fase es independiente de la frecuencia (desplazador de fase) o dependiente de la frecuencia (llnea de retardo variable).
Las limitaciones en el espectro de frecuencias disponible para las comunicaciones por radio y la necesidad de una mayor funcionalidad en un volumen mas pequeno aumentan la demanda de componentes reconfigurables. En adelante, en la presente memoria, radiofrecuencia (RF) significa una tasa de oscilacion comprendida en el intervalo de aproximadamente 3 kHz a 300 GHz, que corresponde a la frecuencia de ondas de radio y de corrientes alternas que transportan y transmiten senales de radio. Dependiendo de los requisitos del dispositivo, existen diferentes posibles soluciones para dispositivos de desplazamiento de fase, tales como, por ejemplo, semiconductores, MEMS o dielectricos ajustables para disenar componentes de RF agiles.
Los dispositivos de desplazamiento de fase son uno de los elementos clave para las antenas reconfigurables de orientacion de haz electronico.
Estado de la tecnica/tecnica anterior
A partir del estado de la tecnica, los siguientes documentos se citan como ejemplos de dispositivos de desplazamiento de fase indicados anteriormente:
1. Patente de EE.UU. US 8.305.259 B2
2. Patente de EE.UU. US 8.022.861 B2
3. Patente de EE.UU. US 8.013.688 B2
4. Solicitud de patente PCT WO 2012/123072 A1
5. Solicitud de patente de EE.UU. US 2009/0302976 A1
6. F. Goelden, A. Gaebler, M. Goebel, A. Manabe, S. Mueller y R. Jakoby, "Tunable liquid cristal phase shifter for microwave frequencies", Electronics Letters, vol. 45, N° 13, pp. 686-687, 2009.
7. O. H. Karabey, F. Goelden, A. Gaebler, S. Strunck y R. Jakoby, "Tunable 5 loaded line phase shifters for microwave applications", inProc. IEEE MTT-S Int. Microondas Symp. Digest (MTT), 2011, pp. 1-4.
8. Solicitud de patente de EE.UU. US 5.936.484 A
9. Solicitud de patente japonesa JP 2003/008310 A
10. Onur Hamza Karabey et al., "Continuously Polarization Agile Antenna by Using Liquid Crystal-Based Tunable Variable Delay Lines", IEEE vol. 61, N° 1,1 de Enero de 2013, paginas 70-76, ISSN: 0018-926X
11. Solicitud de patente de EE.UU. US 2009/073332 A1
12. Solicitud de patente de EE.UU. US 2002/051334 A1
Los componentes de microondas, tales como dispositivos de desplazamiento de fase, pueden ser formados a partir de llneas microstrip (“microbanda de transmision”). Una llnea microstrip es un tipo de llnea de transmision electrica plana que puede ser fabricada usando tecnologla de placas de circuito impreso. Consiste en un electrodo con forma de banda conductora que esta separado de un electrodo de masa plano por una capa dielectrica conocida como sustrato.
Al igual que en [1, 3], el sustrato puede estar formado por pollmeros de cristal llquido (PCL). Sin embargo, el material de PCL no es ajustable con respecto a la permitividad relativa de este material. Por lo tanto, debido a la ausencia de rasgos caracterlsticos ajustables que son relevantes para la configuration de un dispositivo de RF ajustable, el uso de PCL no es conveniente para el diseno de un dispositivo ajustable, tal como un varactor.
Los cristales llquidos (CLs) exhiben caracterlsticas y propiedades de llquidos convencionales, as! como de cristales solidos. Por ejemplo, un CL puede fluir como un llquido, pero sus moleculas pueden estar orientadas en una manera similar a las de un cristal. En contraste con los pollmeros de cristal llquido (PCL), la permitividad relativa de los cristales llquidos (CL) puede verse afectada, por ejemplo, por un voltaje aplicado al material de CL.
En la tecnica anterior [6], gulas de ondas coplanarias (GOC) han sido cargadas con varactores CL de derivation. La
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velocidad de ajuste de dichos dispositivos CL se ve afectada por su topologla. Uno de los inconvenientes conocidos de dichos dispositivos es la alta perdida metalica del GOC. Ademas, debido a la GOC, los varactores se implementaban por medio de parches como electrodos flotantes que puenteaban el conductor central y el plano de masa. Esto resulta en una menor eficiencia de ajuste y una alta perdida de insertion de dicha llnea de transmision artificial.
De manera similar en [7], la eficiencia de ajuste de los varactores CL se mejora con el uso de una topologla de condensador de placas paralelas. Sin embargo, aqul una llnea ranurada se cargaba con estos varactores CL en derivation. De hecho, la carga de una llnea microstrip resulta en un mayor rendimiento ya que las llneas microstrip presentan perdidas inherentemente bajas en el sistema.
La tecnica anterior [9] describe un dispositivo de desplazamiento de fase que comprende una llnea de transmision plana que esta formada por un electrodo de senal y un electrodo de masa que estan separados por una sustancia dielectrica y que comprende ademas un material dielectrico ajustable, en el que el electrodo de senal de la llnea de transmision plana esta dividido en diversas piezas y comprende zonas de solapamiento de piezas adyacentes que estan rellenas con un material dielectrico, formando un varactor, concretamente un componente dielectrico ajustable con un condensador de tipo metal-aislante-metal. Sin embargo, debido a la disposition del material dielectrico ajustable dentro del componente dielectrico ajustable, el tiempo de respuesta y el rendimiento son limitados.
Tarea de la invencion
Por lo tanto, la tarea de la invencion es reducir las desventajas de los dispositivos de desplazamiento de fase segun la tecnica anterior y permitir un dispositivo de desplazamiento de fase favorable con bajo tiempo de respuesta, as! como con un alto rendimiento, que comprende ambas caracterlsticas simultaneamente en una configuration compacta y plana.
Sumario de la invencion
La invencion se refiere a un dispositivo de desplazamiento de fase que comprende una llnea de transmision plana que esta formada por un electrodo de senal y un electrodo de masa que estan separados por una sustancia dielectrica y que comprende ademas un material dielectrico ajustable, de manera que el electrodo de senal de la llnea de transmision plana esta dividido en diversas piezas y comprende zonas de solapamiento de piezas adyacentes, formando de esta manera un componente dielectrico ajustable (varactor) con un condensador de tipo metal-aislante- metal, caracterizado por que las zonas de solapamiento de piezas adyacentes de la llnea de transmision plana estan rellenadas con el material dielectrico ajustable.
Una llnea de transmision (llnea microstrip) esta formada por dos electrodos: un electrodo de senal y un electrodo de masa. El material de los electrodos es preferiblemente material de electrodo de RF de baja resistividad tal como Ag, Cu o Au. Son posibles otros materiales o aleaciones con propiedades conductoras similares. El electrodo de senal esta dividido en diversas piezas a lo largo de la longitud, es decir, a lo largo de la direction de propagation. Estas piezas son implementadas por ejemplo como piezas laterales superiores en el lado superior del vidrio inferior y como piezas laterales inferiores en el lado inferior del vidrio superior. El vidrio superior y el vidrio inferior estan apilados de manera que, en una vista en planta, es decir, cuando se observa perpendicularmente a la propagacion de la senal, se forma un electrodo de senal continuo. Los terminos vidrio superior y vidrio inferior no indican que se renuncie a otros materiales adecuados. Ademas, hay algunas secciones en las que las piezas laterales superiores y las piezas laterales inferiores del electrodo de senal estan solapadas. Al menos estas zonas de solapamiento entre los dos vidrios y la pieza lateral superior y la pieza lateral inferior respectiva del electrodo de senal estan rellenadas con un material de cristal llquido ajustable. Por lo tanto, cada zona de solapamiento forma un condensador de tipo metal-aislante-metal. En este caso, debido a que el aislante es el material de cristal llquido ajustable, esta zona forma un componente dielectrico ajustable (varactor). Este componente ajustable permite construir este dispositivo de desplazamiento de fase de una manera muy compacta.
Debido a la tecnologla de CL, los varactores presentan bajas perdidas en comparacion con otras tecnologlas, tales como semiconductores, para frecuencias superiores a 5 GHz, preferiblemente frecuencias superiores a 10 GHz. Ademas, debido a que se usa una llnea microstrip, las perdidas del desplazador de fase serlan mucho menores en comparacion con [6, 7].
Segun una realization de la invencion, las diversas piezas del electrodo de senal estan dispuestas en dos o mas niveles de distancia diferentes con respecto al electrodo de masa. La disposicion de las diversas piezas del electrodo de senal en dos niveles diferentes permite una fabrication facil y rentable de dicho dispositivo, ya que los dos niveles diferentes pueden estar sobre dos superficies de capas de sustrato. Tres o mas niveles de distancia diferentes permiten configuraciones complejas y por ejemplo diferentes capas de material de CL que estan situadas entre dos niveles de distancia adyacentes.
El material de cristal llquido ajustable puede estar dispuesto como una capa unica y continua entre diversas piezas del electrodo de senal que estan dispuestas en dos niveles de distancia diferentes. Los llmites de esta capa continua, es
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decir, no interrumpida, pueden estar adaptados y limitados a la forma y la extension del electrodo de senal que esta definido como una cubierta compuesta de las varias piezas. Esta capa continua puede cubrir completamente el electrodo de masa normalmente mas grande. Para muchas aplicaciones, la capa continua puede estar dispuesta entre dos capas adyacentes de electrodos o de capas de sustrato y rellenan completamente una cavidad entre esas capas de sustrato dielectrico. Esto permite una fabricacion rapida y barata de dicha disposicion, por ejemplo, mediante el uso de tecnologla de pantalla de cristal llquido bien establecida.
Sin embargo, con el fin de ahorrar material de cristal llquido ajustable o para permitir un control separado de las regiones espaciales confinadas del material de cristal llquido ajustable, es posible disponer el material de cristal llquido ajustable como diversas zonas de capa confinadas entre las zonas de solapamiento de piezas adyacentes del electrodo de senal en dos niveles de distancia diferentes.
Para la mayorla de las aplicaciones, la disposicion de las piezas del electrodo de senal paralelas a la direction de propagation, por ejemplo, linealmente a lo largo de la direccion de propagation de una senal de radiofrecuencia, es ventajosa, ya que esto previene cualquier discontinuidad, resultando en menos perdidas. Si es necesario o factible, las piezas del electrodo de senal se disponen en una llnea recta.
Sin embargo, para algunas aplicaciones que requieren muchos varactores a lo largo de la llnea de transmision, la llnea de transmision puede ser serpenteante, por ejemplo, en forma de N o en forma de espiral. Esto permite una longitud de llnea de transmision que es mucho mas larga que la dimension flsica del dispositivo de desplazamiento de fase.
El desplazamiento de fase a lo largo de la llnea de transmision es debido, de manera exclusiva o al menos predominante, a los varactores ajustables que son del tipo condensador metal-aislante-metal y que estan dispuestos a lo largo del electrodo de senal. La configuration, la forma y la disposicion de las piezas del electrodo de senal no deberlan resultar en estructuras resonantes que afecten significativamente al retardo de tiempo para la propagacion de la senal a lo largo de la llnea de transmision.
Un dispositivo de desplazamiento de fase segun una realization de la invention puede estar caracterizado por que el electrodo de senal esta dividido en diversas piezas a lo largo de la longitud de la llnea de transmision, de manera que dichas diversas piezas se implementan alternativamente como piezas laterales superiores en el lado superior y como piezas laterales inferiores en el lado inferior de un sustrato dielectrico no ajustable y de manera que en algunas secciones hay zonas de solapamiento entre una pieza lateral superior y una pieza lateral inferior adyacente del electrodo de senal y de manera que estas zonas de solapamiento estan rellenadas con un material de cristal llquido ajustable y estas zonas de solapamiento forman un componente dielectrico ajustable (varactor) con un condensador de tipo metal-aislante-metal.
En una realizacion ejemplar, el sustrato dielectrico no ajustable que soporta las diversas piezas del electrodo de senal se selecciona de manera que sea un vidrio Borofloat (vidrio borosilicato de alta resistencia) de 700 pm de espesor de Schott AG con £r,vidrio = 4,6 y su tangente de perdida tan 5 = 0,0037 a 25°C y a 1 MHz. Se usa una mezcla de CL, cuya constante dielectrica relativa es ajustable de manera continua entre 2,4 y 3,2 mediante la aplicacion de un voltaje de ajuste y un procedimiento de alineamiento de superficie. La tangente de perdida dielectrica maxima tan 5 de este material es menor de 0,006 para todos los estados de ajuste. La capa CL (de metal a metal) se especifica a 3 pm para obtener un tiempo de respuesta rapido menor de 25 ms. El dispositivo permite un desplazamiento de desfase diferencial de 367° a 20 GHz con una perdida de insertion de 6,1 dB como maximo.
Un parametro importante para cuantificar el rendimiento de RF de estos dispositivos es un factor de merito dependiente de la frecuencia (Figure of Merit, FoM). Este se define por la relation entre el desplazamiento de fase diferencial maximo y la perdida de insercion mas alta en todos los estados de ajuste.
Por lo tanto, el valor FoM de la realizacion ejemplar es 60°/dB a 20 GHz.
En una realizacion adicional, la llnea de transmision plana comprende al menos dos componentes dielectricos ajustables conectados en serie que estan conectados por una section de no solapamiento del electrodo de senal. La transmision de la senal a lo largo de la llnea de transmision plana se ve afectada, de manera dominante y basicamente unica, por el numero y la configuracion de los varactores, es decir, los componentes dielectricos ajustables que estan dispuestos a lo largo del electrodo de senal. El desplazamiento de fase es controlado y modificado facilmente mediante la aplicacion de un voltaje de polarization de ajuste al material de cristal llquido ajustable que forma el material dielectrico ajustable entre las zonas de solapamiento de piezas adyacentes del electrodo de senal, es decir, el condensador ajustable de tipo placas paralelas que actua como el varactor
El ajuste es realizado mediante electrodos de control. Estos electrodos funcionan como un elemento de control. Estos electrodos transmiten los diferentes voltajes de polarizacion para accionar los varactores a traves de las llneas de polarizacion. Preferiblemente, las llneas de polarizacion estan realizadas en un material de baja conductividad para no afectar al circuito de RF. Para este proposito, pueden usarse electrodos de baja conductividad, ya que se vuelven transparentes para la senal de RF. Los materiales tlpicos para las llneas de polarizacion son preferiblemente ITO (oxido
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de indio estano), NiCr (nlquel cromo) o algunas otras aleaciones que tienen una conductividad de menos de 10e5 S/m.
En realizaciones adicionales, el dispositivo de desplazamiento de fase es combinado con un elemento radiante para transmitir la senal de RF. Frecuentemente, el elemento radiante se denomina tambien antena de tipo parche (“patch”). Los elementos radiantes y las llneas de alimentacion estan normalmente foto-grabados sobre el sustrato dielectrico. Los elementos radiantes, es decir, las antenas de tipo parche, estan configurados como una formation cuadrada, rectangular, de banda delgada (dipolo), circular, ellptica, triangular o cualquier otra formacion.
En realizaciones adicionales, el elemento radiante es una antena de tipo parche, de microstrip, de forma arbitraria, o una antena de ranura de microstrip.
Los cristales llquidos (CL) son adecuados para realizar dispositivos de RF ajustables. El CL puede ser empleado como dielectrico ajustable, las mezclas de CL optimizadas especlficamente ofrecen un alto rendimiento a frecuencias de microondas con una tangente de perdidas por debajo de 0,006. La ajustabilidad relativa, definida como la relation entre el rango de ajuste de la permitividad minima a la permitividad maxima, esta comprendida preferiblemente entre el 5% y el 30% o entre el 10% y el 25% o entre el 15% y el 30% o entre el 5% y el 14%.
Los dispositivos de desplazamiento de fase planos, basados en CL, son adaptados normalmente en funcion del rendimiento de antena deseado. Con este proposito, el dispositivo de desplazamiento de fase esta configurado y adaptado para reducir la perdida de insertion, para aumentar la velocidad de orientation del haz y para permitir escaneos de amplio rango. Segun la presente invention, se usa una mezcla optimizada de CLs para aplicaciones de RF. Una posibilidad para realizar componentes de RF ajustables con CL se presenta en la Fig. 3. Esta figura muestra la section transversal de una llnea microstrip invertida que usa CL como un sustrato ajustable para diferentes voltajes de polarization. La configuration consiste en dos sustratos apilados, en la que el sustrato superior tiene la llnea de microstrip y el sustrato inferior tiene el plano de masa. Entre los dos sustratos, se encapsula una capa de CL delgada.
El dispositivo de desplazamiento de fase segun la invencion puede ser combinado con un elemento radiante, por ejemplo, con el fin de proporcionar un sistema de antenas en fase.
En una primera realization de dicha combination, la llnea de transmision plana y la antena se acoplan usando un procedimiento de acoplamiento de apertura. En una segunda realizacion, la linea de transmision plana y la antena se acoplan usando un procedimiento de acoplamiento de proximidad. En una tercera realizacion, la linea de transmision plana y la antena se acoplan directamente, por ejemplo, usando una tecnica de inserto-alimentacion (“inset-fed”) o mediante una interconexion vertical.
Breve descripcion de los dibujos
Los diversos objetos y caracteristicas de la invencion emergeran mas claramente en la descripcion siguiente, que describe realizaciones no limitativas de la invencion, asi como en las figuras adjuntas que representan:
La Fig. 1, una vista esquematica de una molecula de CL tipica y su dependencia de la temperatura
La Fig. 2, una vista esquematica de una linea de transmision plana segun la tecnica anterior
Las Figs. 3a a 3d, una vista en perspectiva esquematica, una vista en seccion transversal y una vista en alzado de un dispositivo de desplazamiento de fase con diversos varactores de CL segun la invencion y una representation esquematica de los varactores CL ajustables que estan dispuestos dentro del electrodo de senal del dispositivo de desplazamiento de fase,
Las Figs. 4a y 4b, una vista ampliada en seccion transversal de una unica zona de solapamiento de piezas adyacentes
del electrodo de senal dentro del dispositivo de desplazamiento de fase segun las Figuras 3a a 3d, y una
representacion esquematica del varactor de CL mostrado en la Fig. 4a,
La Fig. 5, una vista esquematica en seccion transversal de una primera realizacion del dispositivo de desplazamiento de fase con una antena acoplada,
La Fig. 6, una vista esquematica en seccion transversal de una segunda realizacion del dispositivo de desplazamiento de fase con una antena acoplada,
La Fig. 7, una vista esquematica en seccion transversal de una tercera realizacion del dispositivo de desplazamiento de fase con una antena acoplada, y
La Fig. 8, una vista esquematica en seccion transversal de una configuracion diferente del dispositivo de desplazamiento de fase segun las Figuras 3a a 3d, de manera que las diversas piezas del electrodo de senal estan dispuestas en tres niveles de distancia diferentes con respecto al electrodo de masa.
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En general, los materiales de cristal llquido (CL) son anisotropicos. Esta propiedad se deriva de la forma similar a una varilla de las moleculas, tal como se muestra en una estructura ejemplar de una molecula de CL tlpica en la Fig. 1. Aqul, se muestra como la configuration de fase de un material de CL cambia con la temperatura creciente. Junto con la molecula de la Fig. 1, se indican las propiedades dielectricas anisotropicas correspondientes. Debido a que el material es llquido, las moleculas presentan solamente una adhesion molecular debil y, de esta manera, su orientation en el volumen puede ser cambiada. Debido a la forma de varilla, las moleculas en un volumen tienden a orientarse a si mismas en un orden paralelo. La permitividad relativa paralela al eje largo de la molecula se denomina £r,|| y la perpendicular al eje largo se denomina £r,L.
Si dicho material de cristal llquido esta dispuesto entre un electrodo de senal y un electrodo de masa de una llnea de transmision con forma de banda, la velocidad de transmision de una senal de radiofrecuencia a lo largo de la llnea de transmision se vera afectada por la permitividad del material de cristal llquido.
Con estas dos permitividades. £r || y \ £r, L, estan asociadas las tangentes de perdida tan 5, || y tan 5, L para la transmision de la senal.
Puede generarse un campo electrico, por ejemplo, mediante la aplicacion de un voltaje de control al material de cristal llquido, y afectara a la orientacion de las moleculas de cristal llquido con forma de varilla. De esta manera, mediante la aplicacion de un voltaje de control predeterminado, puede controlarse la permitividad relativa del material de cristal llquido.
Hay otros materiales dielectricos ajustables con propiedades similares, es decir, con una permitividad relativa ajustable que puede ser controlada y ajustada mediante la aplicacion de un campo electrico. Una persona con conocimientos en la materia comprendera perfectamente que, aunque la description siguiente se centra en un material de cristal llquido ajustable, pueden usarse muchos materiales diferentes con permitividad relativa ajustable para el proposito de la presente invention y estan incluidos en la misma.
La Fig. 2 muestra una llnea de transmision plana de la tecnica anterior formada como una llnea microstrip. Consiste en un electrodo 1 de masa y un electrodo 2 de senal continuo, es decir, no interrumpido, que estan separados por una capa de un sustrato 3 dielectrico. La direction de propagation es a lo largo de la direction del electrodo 2 de senal y esta indicada por una flecha.
Las Figuras 3a, 3b y 3c muestran una vista en perspectiva, una vista en section transversal y una representation esquematica de los componentes principales de una llnea de dispositivo de desplazamiento de fase segun la invencion. Comprende un electrodo 1 de masa y un electrodo 2 de senal que forman una llnea de transmision plana. El electrodo 2 de senal esta compuesto de diversas piezas 4 y 5 de material de electrodo de RF de baja resistencia que estan dispuestas en dos niveles de distancia diferentes perpendiculares a y con respecto al electrodo 1 de masa. Las diversas piezas 4, 5 estan alineadas a lo largo de la llnea de transmision, es decir, la trayectoria de propagacion de la senal definida por la direccion del electrodo 2 de senal e indicada por una flecha. Las diversas piezas 4, 5 del electrodo 2 de senal estan dispuestas, una con respecto a la otra, con el fin de crear zonas 6 de solapamiento de las piezas 4, 5 adyacentes.
Entre el electrodo de masa y el electrodo de senal hay una capa del sustrato 3 dielectrico no ajustable, preferiblemente vidrio. El espacio entre las diversas piezas 4, 5 del electrodo 2 de senal esta rellenado con un material 7 de cristal llquido ajustable. Entre cada una de las piezas 4, 5 adyacentes hay zonas 6 de solapamiento. Las piezas 4, 5 estan apiladas y dispuestas de tal manera que aparentemente se forma un electrodo 2 de senal continuo cuando se observa desde la vista superior, es decir, perpendicular al electrodo 1 de masa. En la parte superior del cristal 7 llquido ajustable hay una segunda capa 3' de un sustrato dielectrico no ajustable. Las diversas piezas 4, 5 del electrodo 2 de senal pueden ser por ejemplo impresas o revestidas o laminadas sobre las superficies correspondientes de las capas 3 y 3' del sustrato dielectrico no ajustable.
Las piezas 4, 5 del electrodo 2 de senal estan conectadas con elementos 8 de control (representados solamente en las Figuras 3b y 3c) que consisten en un material de baja conductividad, preferiblemente ITO (oxido de indio y estano), que es transparente para la RF. Estos elementos 8 de control transmiten el voltaje de polarization que puede ser aplicado para ajustar el material 7 de cristal llquido en las zonas 6 de solapamiento, es decir, con el fin de modificar la permitividad relativa del material 7 de cristal llquido que esta entre las zonas 6 de solapamiento de las piezas 4, 5 adyacentes del electrodo 2 de senal que afecta a las propiedades de transmision de una senal de RF que es transmitida a lo largo de la llnea de transmision plana.
El retardo de tiempo de la transmision de la senal a lo largo de la llnea de transmision plana, es decir, el desplazamiento de fase de una senal que es transmitida a lo largo de la llnea de transmision del dispositivo de desplazamiento de fase segun la invencion es generado por los sucesivos retardos de tiempo para cada salto de senal entre las piezas 4, 5 adyacentes del electrodo 2 de senal que estan dispuestas en diferentes niveles de distancia con respecto al electrodo 1 de masa.
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Contrariamente a los dispositivos de desplazamiento de fase de la tecnica anterior, que comprenden una capa de material de CL ajustable entre el electrodo 1 de masa y el electrodo 2 de senal de tipo microstrip (por ejemplo, similar a la Fig. 2), el retardo de tiempo total depende principalmente del numero de saltos de senal durante la propagation de la senal a lo largo de la llnea de transmision plana. Cada salto individual causa un cierto retardo de tiempo que puede ser modificado ajustando el material 7 de cristal llquido ajustable en la zona 6 de solapamiento correspondiente. El retardo de tiempo total es el pequeno retardo de tiempo de un salto individual multiplicado por el numero de saltos a lo largo de la llnea de transmision plana.
Por consiguiente, la llnea de transmision plana del dispositivo de desplazamiento de fase segun la invention comprende al menos dos, pero preferiblemente muchos, componentes dielectricos ajustables (varactores) conectados en serie que estan conectados por una section de no solapamiento del electrodo 2 de senal. Una representation esquematica de la llnea de transmision plana se muestra en la Fig. 3d.
Las Figuras 4a y 4b muestran una vista en seccion transversal mas detallada y una representacion esquematica correspondiente de una unica configuration de varactor, es decir, la zona 6 de solapamiento entre dos piezas 4, 5 adyacentes del electrodo 2 de senal y el electrodo 1 de masa en el dispositivo de desplazamiento de fase tal como se muestra en las Figuras 3a a 3d.
Las Figuras 5, 6 y 7 muestran diferentes realizaciones para un elemento radiante que comprende un dispositivo de desplazamiento de fase segun las Figuras 3a a 3d, que esta acoplado con una antena 9 de tipo parche.
En la Fig. 5, las diversas piezas 4, 5 del electrodo 2 de senal de la llnea de transmision plana y la antena 9 de tipo parche se acoplan usando un procedimiento de acoplamiento de apertura. Para dicho acoplamiento, la antena 9 de tipo parche es separada del electrodo 1 de masa por una capa 10 de un sustrato dielectrico no ajustable. La energla que es transmitida a lo largo de la llnea de transmision, es decir, a lo largo del electrodo 2 de senal y del electrodo 1 de masa, es acoplada a la antena 9 de tipo parche a traves de una ranura 11 proxima dentro del electrodo 1 de masa.
En la Fig. 6, la llnea de transmision plana y la antena 9 de tipo parche se acoplan usando un procedimiento de acoplamiento de proximidad.
En la Fig. 7, la llnea de transmision plana y la antena 9 de tipo parche se acoplan usando un procedimiento de acoplamiento de inserto-alimentacion.
La Fig. 8 muestra una realization diferente del dispositivo de desplazamiento de fase segun la invencion. A diferencia de la description anterior, ademas de las diversas piezas 4, 5 del electrodo 2 de senal que estan dispuestas en dos niveles de distancia diferentes, hay dispuestas algunas piezas 12 adicionales de las diversas piezas 4, 5 y 12 en un tercer nivel de distancia con respecto al electrodo 1 de masa. Las piezas 12 adicionales estan montadas sobre otra superficie de la capa 3' del substrato dielectrico no ajustable que esta opuesta a la superficie sobre la que estan montadas las piezas 5 del segundo nivel de distancia.
Con la realizacion ejemplar de la Figura 8, el retardo de tiempo para un salto de senal entre las piezas 12 adicionales y las piezas 5 adyacentes no puede ser modificado, ya que la capa 3' que separa el segundo nivel de distancia con las piezas 5 desde el tercer nivel de distancia con las piezas 5 esta realizada en un substrato dielectrico no ajustable. Por lo tanto, no hay varactor dielectrico ajustable en todo punto en el que existe una zona 6 de solapamiento entre las piezas 5 y las piezas 12 adicionales. Por lo tanto, con el fin de poder ajustar el desplazamiento de fase, podrla ser ventajoso conseguir una zona de solapamiento entre 12 y 4. Sin embargo, los saltos de senal adicionales anadiran un retardo de tiempo fijo que solo depende del numero de estos saltos de senal, resultando por ejemplo en un desplazamiento que puede ser fabricado de una manera muy economica.
En todavla otra realizacion del dispositivo de desplazamiento de fase que difiere de la mostrada en la Fig. 8, la secuencia de piezas superpuestas en tres niveles de distancia diferentes puede diferir y, por ejemplo, una primera pieza 4 en el nivel de distancia mas bajo puede solaparse con una pieza 12 posterior en el nivel de distancia mas alto, seguido por otra pieza en el nivel de distancia intermedio. Entonces, la senal de RF salta desde el nivel de distancia mas bajo hasta el nivel de distancia mas alto y posteriormente a un nivel intermedio y de vuelta al nivel mas bajo. Se entendera que los saltos de senal respectivos, cada uno de los cuales causa un cierto retardo de tiempo, pueden ser predeterminados y pueden ser dispuestos de muchas maneras diferentes, resultando en el desplazamiento de fase total de la senal. Una persona con conocimientos en la materia puede conectar tambien electricamente algunas piezas en diferentes niveles de distancia tambien a traves de interconexiones verticales.
Tambien es posible anadir una segunda capa de un material dielectrico ajustable entre las diversas piezas 4, 5 y las piezas 12 adicionales del electrodo 2 de senal. Dicha segunda capa puede consistir en un material dielectrico ajustable completamente diferente o en el mismo material de cristal llquido usado para la primera capa del material 7 de cristal llquido ajustable. Incluso cuando la segunda capa es igual a la primera capa de material 7 de cristal llquido, mediante el uso de diferentes elementos de control o mediante la aplicacion de un voltaje de polarization diferente, el retardo de tiempo para los saltos de senal entre el segundo y el tercer nivel de distancia puede ser controlado de manera diferente
y puede resultar en muchas mas posibilidades para controlar el dispositivo de desplazamiento de fase y el desplazamiento de fase resultante.
Tambien es posible disponer las diversas piezas 4, 5 y 12 del electrodo 2 de senal en mas de dos o tres niveles de distancia con respecto al electrodo 1 de masa.
5 [Referencias en las figuras]
1 electrodo de masa
2 electrodo de senal
3 capa de sustrato dielectrico no ajustable
4 piezas del electrodo 2 de senal en el nivel de distancia mas bajo
5 piezas del electrodo 2 de senal en el nivel de distancia mas alto
6 zona de solapamiento
7 material de cristal llquido ajustable
8 elemento de control
9 antena de tipo parche (“patch”)
10 capa de sustrato dielectrico no ajustable
11 ranura
12 piezas adicionales del electrodo 2 de senal

Claims (17)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    50
    REIVINDICACIONES
    1. Dispositivo de desplazamiento de fase que comprende una ilnea de transmision plana que esta formada por un electrodo (2) de senal y un electrodo (1) de masa que estan separados por una sustancia dielectrica, y que comprende ademas un material (7) dielectrico ajustable, de manera que el electrodo (2) de senal de la llnea de transmision plana esta dividido en diversas piezas (4, 5) y comprende zonas (6) de solapamiento de piezas (4, 5) adyacentes, formando de esta manera un componente dielectrico ajustable (varactor) con un condensador de tipo metal-aislante-metal, caracterizado por que las zonas (6) de solapamiento de las piezas (4, 5) adyacentes de la llnea de transmision plana estan rellenadas con el material (7) dielectrico ajustable.
  2. 2. Dispositivo de desplazamiento de fase segun la reivindicacion 1, caracterizado por que el material (7) dielectrico ajustable es un material de cristal llquido.
  3. 3. Dispositivo de desplazamiento de fase segun la reivindicacion 1 o la reivindicacion 2, caracterizado por que las diversas piezas (4, 5) del electrodo (2) de senal estan dispuestas en dos o mas niveles de distancia diferentes con respecto al electrodo (1) de masa.
  4. 4. Dispositivo de desplazamiento de fase segun la reivindicacion 3, caracterizado por que el material (7) dielectrico ajustable esta dispuesto como una capa unica y continua entre las diversas piezas (4, 5) del electrodo (2) de senal que estan dispuestas en dos niveles de distancia diferentes.
  5. 5. Dispositivo de desplazamiento de fase segun la reivindicacion 3, caracterizado por que el material (7) dielectrico ajustable esta dispuesto como al menos diversas zonas de capa confinadas entre las zonas (6) de solapamiento de las piezas (4, 5) adyacentes del electrodo (2) de senal en dos niveles de distancia diferentes.
  6. 6. Dispositivo de desplazamiento de fase segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que las piezas (4, 5) del electrodo (2) de senal estan dispuestas linealmente a lo largo de la direccion de propagacion de una senal de radiofrecuencia.
  7. 7. Dispositivo de desplazamiento de fase segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que las piezas (4, 5) del electrodo (2) de senal estan dispuestas en una llnea recta.
  8. 8. Dispositivo de desplazamiento de fase segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el electrodo (2) de senal esta dividido en diversas piezas (4, 5) a lo largo de la longitud de la llnea de transmision, de manera que dichas diversas piezas (4, 5) se implementan alternativamente como piezas (5) laterales superiores en el lado superior y como piezas (4) laterales inferiores en el lado inferior de un sustrato dielectrico no ajustable y de manera que en algunas secciones hay zonas (6) de solapamiento entre una pieza (5) lateral superior y una pieza (4) lateral inferior adyacente del electrodo (2) de senal, y de manera que estas zonas (6) de solapamiento estan rellenadas con un material (7) de cristal llquido ajustable y estas zonas (6) de solapamiento forman un componente dielectrico ajustable (varactor) con un condensador de tipo metal-aislante-metal.
  9. 9. Dispositivo de desplazamiento de fase segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la llnea de transmision plana comprende al menos dos componentes dielectricos ajustables conectados en serie que estan conectados por una seccion de no solapamiento del electrodo (2) de senal.
  10. 10. Dispositivo de desplazamiento de fase segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende material (7) de cristal llquido con capacidad de ajuste de su permitividad relativa, definida como la relacion del rango de ajuste de la permitividad a la permitividad maxima entre el 5% y el 30%.
  11. 11. Dispositivo de desplazamiento de fase segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende al menos un elemento (8) de control que esta conectado con algunas de las piezas (4, 5) del electrodo (2) de senal y por que transmite un voltaje de polarizacion para ajustar el material (7) de cristal llquido en las zonas (6) de solapamiento.
  12. 12. Dispositivo de desplazamiento de fase segun la reivindicacion 11, caracterizado por que el al menos un elemento (8) de control consiste en ITO (oxido de indio-estano).
  13. 13. Dispositivo de desplazamiento de fase segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la llnea de transmision plana esta acoplada con un elemento radiante.
  14. 14. Dispositivo de desplazamiento de fase segun la reivindicacion 13, caracterizado por que el elemento radiante es una antena (9) de tipo parche de microstrip, de forma arbitraria, o una antena de ranura de microstrip.
  15. 15. Dispositivo de desplazamiento de fase segun una de las reivindicaciones 13 o 14, caracterizado por que la llnea de transmision plana y el elemento radiante se acoplan usando un procedimiento de acoplamiento de apertura.
  16. 16. Dispositivo de desplazamiento de fase segun una de las reivindicaciones 13 o 14, caracterizado por que la llnea de transmision plana y el elemento radiante se acoplan usando un procedimiento de acoplamiento de proximidad.
  17. 17. Dispositivo de desplazamiento de fase segun una de las reivindicaciones 13 a 16, caracterizado porque la llnea de transmision plana y el elemento radiante pueden ser conectados directamente, por ejemplo, usando una tecnica
    5 inserto-alimentacion (“inset-fed”) o mediante una interconexion vertical.
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