WO2007138133A1 - Linea de transmisión artificial planar - Google Patents

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    • H01P7/086—Coplanar waveguide resonators

Definitions

  • Planar transmission lines consisting of a conductive metal strip separated from one (or several) metal surfaces or ground planes by a dielectric or combination of several dielectrics are known.
  • the propagation of electromagnetic signals occurs when one of the ends of said conductive strip is energized by means of a voltage or current signal, the signal propagating towards the other end of the line of transmission.
  • Artificial transmission lines based on conventional flat transmission lines (host lines) loaded with open ring resonators or with complementary open ring resonators and derived topologies thereof are also known.
  • open ring resonators or complementary open ring resonators will be they have such a way that there is a certain magnetic and / or electrical coupling between said resonators and the host transmission line.
  • additional elements are necessary to obtain the characteristics of a propagative medium in the vicinity of the resonance frequency of such open ring resonators or complementary open ring resonators.
  • inductive elements in shunt are necessary, which in practice can be implemented by metal joints between the conductive strip and the ground planes.
  • capacitive gaps are required in serial configuration with the transmission line. In both cases propagative means are achieved with the characteristics of a left-handed structure in a certain frequency band around the resonant frequency.
  • the objective of the present invention is to solve the aforementioned drawbacks, developing left-handed artificial transmission lines with controllable characteristics (electrical length and characteristic impedance) based on open ring resonators or complementary open ring resonators.
  • the left-handed artificial transmission lines of the present invention are characterized by the fact that they comprise a planar transmission means, by the fact that it comprises at least one stage consisting of an open ring resonator (or resonator) of complementary open rings) and an additional element for obtaining a propagating medium with recoil waves (left-handed means), and by the fact that the value of the characteristic impedance and the electrical length of the line can be controlled at the frequency of desired operation.
  • the artificial lines object of the present invention have low insertion losses at operating frequencies, their design is simple and their process Manufacturing is compatible with printed and integrated circuit manufacturing technologies.
  • the open ring resonators are complementary, are engraved in the metal mass plane or in the central conductive strip and are electrically coupled to the transmission line, and there is a capacitive gap arranged in series with the conductive strip.
  • Said complementary open ring resonators can be of circular or polyhedral geometry in general, they can have one or more cuts in each ring of the pair.
  • the resonators can be implemented by complementary spirals, also taxed in the metal mass plane.
  • the artificial transmission line requires an additional element consisting of at least one capacitive gap engraved on the conductive strip and arranged above the area occupied by the open ring resonators or outside it.
  • a metallic element can be arranged, connected to the ground by means of a metal track, by way of induction bypass between the conductive strip and the ground plane.
  • the open ring resonators are metallic (not complementary), and are engraved so that magnetic coupling occurs between the conductive strip and such open metal ring resonators, there being metal junctions between the conductive strip and the ground plane.
  • Said open ring resonators may be of circular or polyhedral geometry in general, and may have one or more cuts in each ring of the pair.
  • the resonators can be implemented by means of metal spirals, or by rings engraved on different metal levels to achieve a greater capacitive coupling between the rings that form the resonator and therefore a higher level of miniaturization of such resonators.
  • additional elements are required to obtain an artificial transmission line, that is to say at least one stui »(by way of induction bypass) between the conductive strip and the ground plane.
  • the planar host transmission line is microtire type, coplanar tape, or variants thereof. Thanks to this feature, artificial transmission lines can be implemented in any type of planar technology, compatible with the manufacturing processes of printed or integrated circuits.
  • the tape transmission line is known as "stripline".
  • planar propagating means with characteristic impedance can be obtained in a wide range, as well as the electrical length, and this can be controlled with reduced sizes thanks to the small dimensions of the open ring resonators and complementary open ring resonators.
  • FIG. 1 For a better understanding of what has been stated, some drawings are attached in which, schematically and only by way of non-limiting example, a preferred embodiment of the left-handed artificial transmission lines object of the present invention and the corresponding frequency response to an artificial transmission line with a characteristic impedance of 70 ⁇ and an electrical length at the operating frequency (1.5 GHz) of 90 °.
  • Figure 1 shows a preferred embodiment for a left-handed artificial transmission line implemented by means of a complementary open ring resonator recorded in the mass plane of a microtire line.
  • the artificial line contains a capacitive gap engraved on the conductive strip.
  • Figure 2 shows the equivalent electrical circuit of the artificial line shown in Figure 1.
  • Figure 3 shows a graph of the frequency response of the line whose characteristics at the design frequency are of a characteristic impedance of 70 ⁇ and an electrical length of 90 °.
  • Figure 1 of the present invention shows a left-handed artificial transmission line implemented in microtire technology.
  • the front side 1 and back 2 of the dielectric substrate 3 are shown.
  • On the back side of the substrate a resonator of complementary open rings 4 in the metal mass plane 5.
  • On the front side the capacitive gap 6 is arranged in series with the conductive strip 7.
  • Figure 2 shows the equivalent circuit of the artificial line of Figure 1, consisting of a C 9 series capacity that models the capacitive gap, an induction L that models the host line, and a coupling capacity C between the conductive strip and the open ring resonators, which are modeled by a parallel resonator formed by the capacity C c and the induction L c .
  • ⁇ c 2 ⁇ f c
  • f c the operating frequency of the artificial line
  • Z c the characteristic impedance of the artificial line
  • ⁇ c the electrical length of the line.
  • (O H Y 0) L are two frequencies located respectively above and below the frequency ⁇ c that are set arbitrarily but with the condition that the electrical parameters of the transmission line artificial, and appearing in figure 2, be positive.
  • the parameter L is chosen so that the resonance frequency associated with the resonator formed by the capacity C 9 and the inductor L is above the frequency ⁇ c ..
  • the geometry of the transmission line is obtained artificial by means of known models that allow to obtain the dimensions from the electrical parameters, and the dimensions are adjusted by means of optimizers to obtain the desired characteristics (characteristic impedance and electrical length) for the operating frequency f c .
  • the inductance L can be chosen so that the resonance frequency corresponding to the resonator formed by the elements L and C 9 co-signs with the resonance of the complementary open ring resonators formed by the elements L c and C 0 .
  • complementary open ring resonators may have polyhedral geometry and / or may have more than one opening and / or may be made in a spiral configuration.
  • a metallic junction can be introduced between the conductive strip and the ground plane by way of induction bypass in order to achieve greater design flexibility that allows obtaining a frequency response of the artificial line with a greater bandwidth.
  • the left-handed artificial transmission line can be implemented by any other type of planar transmission medium and by metal open ring resonators in magnetic coupling with the transmission line.
  • the metal open ring resonators will be recorded so that such magnetic coupling is magnified.
  • metal joints stubs
  • Figure 3 shows the graph corresponding to the frequency response 8 of the artificial transmission line 1 described in the present invention, where 70 ⁇ impedance ports have been considered and the good adaptation of the line to the operating frequency of the same, which has been set at 1.5 GHz. Also in Figure 3 the phase of the transmission coefficient 9 of said structure can be seen, where a variation of 90 ° can be seen at the operating frequency of the line.

Landscapes

  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Waveguide Connection Structure (AREA)

Abstract

Línea de transmisión artificial planar que comprende un medio de transmisión planar (7) del tipo microstrip, coplanar o en cinta, o variantes de los mismos y por lo menos una etapa consistente en un resonador de anillos abiertos (4) y un elemento adicional (6) para la obtención de un medio propagativo con ondas de retroceso (medio zurdo). También comprende uniones metálicas entre la tira central conductora y el plano de masa. Con estos elementos, se obtienen líneas de transmisión artificiales zurdas basadas en resonadores de anillos abiertos con características controlables (longitud eléctrica e impedancia característica) y mayor flexibilidad que permite obtener una mayor controlabilidad de la respuesta frecuencial de la línea artificial.

Description

Lϊnea de transmisión artificial planar
La presente invención se refiere a líneas de transmisión artificiales planas con características controlables implementadas mediante resonadores de anillos abiertos y con características de propagación correspondientes a un medio que soporta ondas de retroceso, o medio zurdo.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Son conocidas líneas de transmisión planares consistentes de un tira metálica conductora separada de una (o varias) superficies metálicas o planos de masa mediante un dieléctrico o combinación de varios dieléctricos. En tales líneas de transmisión se produce la propagación de señales electromagnéticas cuando se excita, mediante una señal de tensión o corriente, uno de los extremos de dicha tira conductora en referencia al plano de masa, propagándose la señal hacia el otro extremo de la línea de transmisión. Dentro de las líneas de transmisión conocidas, existen diversas configuraciones, dependiendo de la disposición relativa entre el o los dieléctricos, la tira conductora y los planos de masa, tales como la línea microtira, la línea coplanar (o guía de ondas coplanar) y línea stripline, entre otras.
También son conocidas líneas de transmisión artificiales basadas en líneas de transmisión planas convencionales (líneas host) cargadas con resonadores de anillos abiertos o con resonadores de anillos abiertos complementarios y topologías de ellos derivadas. En tales estructuras, los resonadores de anillos abiertos o los resonadores de anillos abiertos complementarios se disponen de manera tal que se produzca un determinado acoplamiento magnético y/o eléctrico entre dichos resonadores y la línea de transmisión host. Además son necesarios elementos adicionales para obtener las características de un medio propagativo en la vecindad de la frecuencia de resonancia de tales resonadores de anillos abiertos o resonadores de anillos abiertos complementarios. En el primer caso son necesarios elementos inductivos en derivación, que en la práctica se pueden implementar mediante uniones metálicas entre la tira conductora y los planos de masa. En el segundo caso son necesarios gaps capacitivos en configuración serie con la línea de transmisión. En ambos casos se consiguen medios propagativos con las características de una estructura zurda en una cierta banda de frecuencia alrededor de la frecuencia de resonancia.
Mediante las mencionadas estructuras basadas en resonadores de anillos abiertos o en resonadores de anillos abiertos complementarios, se obtienen medios propagativos artificiales con las características de un medio zurdo, pero en ningún caso se tiene control sobre los parámetros que caracterizan la línea de transmisión, esto es la constante de fase y la impedancia característica, o relación entre las ondas de tensión y corriente en la línea.
Una limitación de las líneas de transmisión convencionales anteriormente citadas concierne al limitado rango de impedancias características que se pueden obtener. Además, dichas líneas de transmisión tienen una longitud física que depende y es aproximadamente proporcional a la longitud eléctrica de la línea, o desfase entre la señal a la entrada y a la salida de la línea de transmisión. Tal longitud eléctrica puede ser pues considerable si se desean implementar líneas de transmisión con un desfase significativo.
Una limitación de las mencionadas líneas de transmisión artificiales basadas en resonadores de anillos abiertos o en resonadores de anillos abiertos complementarios, radica en el hecho de que mediante tales estructuras no se ha propuesto un método para controlar a voluntad las características eléctricas (impedancia característica y longitud eléctrica) de la línea artificial .
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El objetivo de la presente invención es resolver los inconvenientes antes mencionados, desarrollando líneas de transmisión artificiales zurdas con características controlables (longitud eléctrica e impedancia característica) basadas en resonadores de anillos abiertos o en resonadores de anillos abiertos complementarios. De acuerdo con este objetivo, las líneas de transmisión artificiales zurdas de la presente invención se caracterizan por el hecho de que comprenden un medio de transmisión planar, por el hecho de que comprende al menos una etapa consistente en un resonador de anillos abiertos (o resonador de anillos abierto complementario) y un elemento adicional para la obtención de un medio propagativo con ondas de retroceso (medio zurdo) , y por el hecho de que se puede controlar el valor de la impedancia característica y la longitud eléctrica de la línea a la frecuencia de operación deseada.
Estas características permiten realizar líneas de transmisión de reducidas dimensiones, debido a que las dimensiones de los resonadores de anillos abiertos son menores que la longitud de onda a la frecuencia de resonancia de los mismos. Además, se pueden implementar mediante esta técnica líneas artificiales con impedancias características que pueden variar en un amplio rango, típicamente muy superior a aquel que se puede alcanzar mediante líneas de transmisión planas convencionales.
Además, en la medida que los dieléctricos y metales utilizados para su fabricación tengan bajos niveles de pérdidas y resistividad, respectivamente, las líneas artificiales objeto de la presente invención presentan bajas pérdidas de inserción a las frecuencias de operación, su diseño es simple y su proceso de fabricación es compatible con las tecnologías de fabricación de circuitos impresos e integrados.
Preferiblemente los resonadores de anillos abiertos son complementarios, están grabados en el plano de masa metálico o bien en la tira central conductora y están acoplados eléctricamente a la línea de transmisión, y existe un gap capacitivo dispuesto en serie con la tira conductora. Dichos resonadores de anillos abiertos complementarios pueden ser de geometría circular o poliédrica en general, pueden tener uno o más cortes en cada anillo del par. Alternativamente, los resonadores se pueden implementar mediante espirales complementarias, igualmente gravadas en el plano de masa metálico. Además la línea de transmisión artificial requiere de un elemento adicional consistente de al menos un gap capacitivo gravado en la tira conductora y dispuesto encima de la zona ocupada por los resonadores de anillos abiertos o bien fuera de ella. Adicionalmente, para incrementar el ancho de banda de la línea artificial se puede disponer un elemento metálico (o stub) , conectado a masa mediante una via metálica, a modo de inducción en derivación entre la tira conductora y el plano de masa. Según otra realización, los resonadores de anillos abiertos son metálicos (no complementarios) , y están grabados de manera que se produzca acoplamiento magnético entre la tira conductora y tales resonadores de anillos abiertos metálicos existiendo uniones metálicas entre la tira conductora y el plano de masa. Dichos resonadores de anillos abiertos pueden ser de geometría circular o poliédrica en general, y pueden tener uno o más cortes en cada anillo del par. Alternativamente, los resonadores se pueden implementar mediante espirales metálicas, o bien mediante anillos grabados en diferentes niveles de metal para conseguir un mayor acoplo capacitivo entre los anillos que forman el resonador y por tanto un mayor nivel de miniaturización de tales resonadores. Según esta realización, para la obtención de una línea de transmisión artificial se requiere además de elementos adicionales, es decir de al menos un stui» (a modo de inducción en derivación) entre la tira conductora y el plano de masa.
Preferiblemente, la línea de transmisión planar host es de tipo microtira, coplanar cinta, o variantes de las mismas. Gracias a esta característica, las líneas de transmisión artificiales se pueden implementar en cualquier tipo de tecnología planar, compatible con los procesos de fabricación de circuitos impresos o integrados. La línea de transmisión de cinta es conocida como "stripline" .
Ventajosamente, mediante las líneas de transmisión artificiales zurdas de la presente invención se pueden obtener medios propagativos planares con impedancia característica controlable en un amplio margen, así como también se puede controlar la longitud eléctrica, y ello con tamaños reducidos gracias a las pequeñas dimensiones de los resonadores de anillos abiertos y de los resonadores de anillos abiertos complementarios. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para mayor comprensión de cuanto se ha expuesto, se acompañan unos dibujos en los que, esquemáticamente y sólo a título de ejemplo no limitativo, se representa una realización preferida de las líneas de transmisión artificiales zurdas objeto de la presente invención y la respuesta frecuencial correspondiente a una línea de transmisión artificial con una impedancia característica de 70Ω y una longitud eléctrica a la frecuencia de operación (1.5 GHz) de 90°.
La figura 1 muestra una realización preferida para una línea de transmisión artificial zurda implementada mediante un resonador de anillos abiertos complementarios grabados en el plano de masa de una línea microtira. Además la línea artificial contiene un gap capacitivo grabado en la tira conductora. La figura 2 muestra el circuito eléctrico equivalente de la línea artificial mostrada en la figura 1.
La figura 3 muestra un gráfico de la respuesta frecuencial de la línea cuyas características a la frecuencia de diseño son de una impedancia característica de 70Ω y una longitud eléctrica de 90°.
DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERIDA
La figura 1 de la presente invención muestra una línea de transmisión artificial zurda implementada en tecnología microtira. Se muestra la cara anterior 1 y posterior 2 del substrato dieléctrico 3. En la cara posterior del substrato se ha grabado un resonador de anillos abiertos complementarios 4 en el plano de masa metálico 5. En la cara anterior, el gap capacitivo 6 se dispone en serie con la tira conductora 7.
La figura 2 muestra el circuito equivalente de la línea artificial de la figura 1, consistente en una capacidad serie C9 que modela el gap capacitivo, una inducción L que modela la línea host, y una capacidad de acoplo C entre la tira conductora y los resonadores de anillos abiertos, los cuales se modelan mediante un resonador paralelo formado por la capacidad Cc y la inducción Lc.
El procedimiento de diseño de la línea artificial correspondiente a la realización preferida consiste en determinar los elementos del circuito equivalente según las siguientes ecuaciones:
Figure imgf000009_0001
C =
LcωH
Figure imgf000009_0002
donde ωc=2πfc, siendo fc la frecuencia de operación de la línea artificial, Zc la impedancia característica de la línea artificial y φc la longitud eléctrica de la línea. (OH Y 0)L son dos frecuencias situadas respectivamente por encima y por debajo de la frecuencia ωc que se establecen arbitrariamente pero con la condición de que los parámetros eléctricos de la línea de transmisión artificial, y que aparecen en la figura 2, sean positivos. El parámetro L se elige de manera que la frecuencia de resonancia asociada al resonador formado por la capacidad C9 y el inductor L quede por encima de la frecuencia ωc.. A partir de tales parámetros, se obtiene la geometría de la línea de transmisión artificial mediante modelos conocidos que permiten obtener las dimensiones a partir de los parámetros eléctricos, y se ajustan las dimensiones mediante optimizadores para obtener las características deseadas (impedancia característica y longitud eléctrica) para la frecuencia de operación fc.
Alternativamente, para incrementar el ancho de banda de la línea artificial se puede elegir la inductancia L de manera que la frecuencia de resonancia correspondiente al resonador formado por los elementos L y C9 coindica con la resonancia de los resonadores de anillos abiertos complementarios, formados por los elementos Lc y C0.
Alternativamente, los resonadores de anillos abiertos complementarios pueden tener geometría poliédrica y/o pueden presentar más de una abertura y/o pueden realizarse en configuración de espiral .
Adicionalmente se podrá introducir una unión metálica entre la tira conductora y el plano de masa a modo de inducción en derivación al efecto de conseguir una mayor flexibilidad de diseño que permita obtener una respuesta frecuencial de la línea artificial con un mayor ancho de banda .
Alternativamente la línea de transmisión artificial zurda se puede implementar mediante cualquier otro tipo de medio de transmisión planar y mediante resonadores de anillos abiertos metálicos en acoplamiento magnético con la línea de transmisión. En este caso, los resonadores de anillos abiertos metálicos se grabarán de manera que se magnifique tal acoplamiento magnético. También en este caso, se dispondrán uniones metálicas (stubs) para poder conseguir las características de un medio propagativo a la frecuencia de operación deseada.
La figura 3 muestra el gráfico correspondiente a la respuesta frecuencial 8 de la línea de transmisión artificial 1 descrita en la presente invención, donde se han considerado puertos de 70Ω de impedancia y se puede apreciar la buena adaptación de la línea a la frecuencia de operación de la misma, que se ha fijado en 1.5 GHz. También en la figura 3 se puede apreciar la fase del coeficiente de transmisión 9 de la citada estructura, donde se puede apreciar una variación de 90° a la frecuencia de operación de la línea.
A pesar de que se ha descrito y representado una realización concreta de la presente invención, es evidente que el experto en la materia podrá introducir variantes y modificaciones, o sustituir los detalles por otros técnicamente equivalentes, sin apartarse del ámbito de protección definido por las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Línea de transmisión artificial planar para microondas y ondas milimétricas caracterizada por el hecho de que comprende un medio de transmisión planar de tipo microstrip, coplanar o en cinta, o variantes de los mismos, y por el hecho de que comprende por lo menos una etapa consistente en un resonador de anillos abiertos y un elemento adicional para la obtención de un medio propagativo con ondas de retroceso (medio zurdo) .
2. Línea de transmisión artificial planar según la reivindicación 1 caracterizada por el hecho de que los resonadores de anillos abiertos son complementarios y están grabados en el plano de masa o bien en la tira central conductora, y por el hecho de que existe un gap capacitivo dispuesto en serie con la tira conductora.
3. Línea de transmisión artificial planar según la reivindicación 2 caracterizada por el hecho de que existen uniones metálicas entre la tira central conductora y el plano de masa, obteniéndose una mayor flexibilidad que permite obtener una mayor controlabilidad de la respuesta frecuencial de la línea artificial.
4. Línea de transmisión artificial planar según la reivindicación 1 caracterizada por el hecho de que los resonadores de anillos abiertos son metálicos y están grabados de manera que se produzca acoplamiento magnético entre la tira conductora y tales resonadores de anillos abiertos metálicos y por el hecho de que existen uniones metálicas entre la tira conductora y el plano de masa.
5. Línea de transmisión artificial planar según la reivindicación 4 caracterizada por el hecho de que existen gaps capacitivos en serie con la tira central conductora, obteniéndose una mayor flexibilidad que permite obtener una mayor controlabilidad de la respuesta frecuencial de la línea artificial.
6. Línea de transmisión artificial planar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizada por el hecho de que los anillos abiertos son de geometría circular o poliédrica, presentan una pluralidad de aberturas y o elementos metálicos grabados en uno o más niveles de metal .
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