WO2016156642A1 - Estructura de transición de dos líneas de transmisión de señal en pcb - Google Patents

Estructura de transición de dos líneas de transmisión de señal en pcb Download PDF

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WO2016156642A1
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pcb
central
layer
transition structure
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Ángel BELENGUER MARTÍNEZ
Alejandro Lucas Borja
Héctor ESTEBAN GONZÁLEZ
Vicente Enrique BORIA ESBERT
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Universidad Politecnica de Valencia
Universidad de Castilla La Mancha
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Universidad Politecnica de Valencia
Universidad de Castilla La Mancha
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P3/00—Waveguides; Transmission lines of the waveguide type
    • H01P3/12—Hollow waveguides
    • H01P3/123—Hollow waveguides with a complex or stepped cross-section, e.g. ridged or grooved waveguides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/08—Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices

Definitions

  • the present invention is included in the field of devices that link different types of lines, guides or signal transmission paths between them.
  • the object of the present invention is to provide a transition structure between different signal transmission lines on a PCB, or printed circuit board.
  • planar lines that is, whose shape is flat and small in thickness, are integrated into a printed circuit board, or PCB.
  • Said PCB consists of a series of conductive layers separated by a series of layers of dielectric substrate, on which circuitry components are mounted and linked.
  • the microstrip line is a signal transmission line formed by two electrical conductors separated by a dielectric substrate.
  • Another type of planar transmission line is the coplanar line.
  • This transmission line is composed of a central conductive line and two lateral lines connected to ground. All these lines are implemented in the upper face of a layer of dielectric substrate. Additionally, this configuration may have a plane connected to ground on the underside of the dielectric substrate, being in this case known as mass coplanar.
  • the stripline transmission line is also known.
  • This type of transmission line includes a central line inserted in the dielectric layer and two mass planes, one located in the upper layer and one in the lower layer of the dielectric substrate.
  • non-planar lines are those whose shape is not flat and therefore not easily integrated into the PCB.
  • the best known are the coaxial line and the rectangular guide. More specifically, the coaxial line is known for its use in television signal transmission.
  • the coaxial line is composed of a central copper conductor surrounded by a metal mesh. The space between the conductor and the mesh is occupied by a dielectric material that maintains the electrical properties of the signal. While the mesh is covered by a protective isolation to reduce electrical emissions.
  • These lines are non-dispersive and immune to interference but very complicated to integrate into a PCB as it is not planar.
  • the rectangular guide consists of a tube, metallic and hollow, generally symmetrical and filled with air or dielectric material, in which a signal is propagated.
  • This transmission line compared to the rest of the lines, is very heavy and large, it is very difficult to integrate into a PCB as it is not planar, it is strongly dispersive and its bandwidth is limited to one octave. In spite of this, due to its few losses and its high frequency of transmission it is usual to find it in systems embarked on satellites or radars.
  • coaxial type connectors are known that can be mounted on the surface of a PCB, through these connectors a planar transmission line can be connected with a coaxial line, as shown in US20040119557.
  • This document describes an electronic device inserted in a PCB, which includes a microstrip or coplanar transmission line that is coupled to a coaxial type female connector to which an external cable can be connected.
  • Experiments are also known where the integration of rectangular guides in PCB is carried out, through its connection by SMT (surface mounted technology). In spite of this, the results obtained regarding high frequency signal transmission show high losses and therefore cannot be used in high quality devices or critical applications.
  • the present invention provides a transition structure of two signal transmission lines on a PCB.
  • the PCB is formed by at least one dielectric substrate sheet with a plurality of planar signal transmission lines.
  • the PCB transition structure comprises: a metallized planar line integrated into the PCB, a multilayer line, and a transition bridge between the planar line and the multilayer line.
  • the multilayer line behaves like a non-planar coaxial line and comprises the superposition of a plurality of flat elements as layers or covers, being, in order of superposition, the following: a back cover, a back layer, a central layer, an anterior layer and an anterior lid.
  • the central layer integrated in the PCB, is equipped with a metallic core, and an upper and lower hollow separated from each other by the core, and delimited by a central frame, where this core is joined with the planar line by the transition bridge
  • the anterior layer located on the central layer, is provided with an anterior frame and an anterior central opening corresponding to the holes and the core of the central layer.
  • the rear layer located below the central layer, is provided with a rear frame and a rear central opening corresponding to the holes and the core of the central layer.
  • the anterior lid is located on the anterior layer covering the opening of the anterior layer.
  • the back cover is located on the back layer covering the opening of the back layer.
  • transition bridge is formed by a central connection that connects the planar line with the metallized core, wrapped by dielectric substrate.
  • front layer and the back layer of the multilayer line comprise at least one dielectric substrate sheet.
  • the upper face of the central frame is partially metallized, exposing the dielectric substrate, of the PCB, in the lateral contour of connection with the central connection. While the bottom face of the central frame is fully metallized to prevent the spread of any signal inside the PCB substrate.
  • the upper face of the previous frame As for the upper face of the previous frame, it is also fully metallized to prevent the propagation of any signal inside the substrate of the previous layer. While the lower face of the anterior frame is partially metallized, exposing the dielectric substrate sheet in the upper joint contour with the central connection.
  • Both the upper and lower face of the back frame are fully metallized to prevent the spread of any signal inside the back layer substrate.
  • the front cover and the back cover of the multilayer line comprise respectively a metal foil to maintain mechanical rigidity.
  • front cover and the back cover of the multilayer line respectively comprise a dielectric substrate sheet that covers one of its metal sheets.
  • the central connection of the transition bridge decreases its section in the joint contour with the core of the central layer, so that the exposed area of dielectric substrate of the PCB increases.
  • the metallic core of the central layer is surrounded by air or vacuum. In this sense, the air has better electrical conditions than any dielectric material. It should be noted that in order for the electromagnetic field to propagate correctly through the transition structure and not flow to the dielectric substrate, a safety line comprising a plurality of metallized tracks has been included. At least one of these pathways accompanies the coplanar line to the transition bridge and envelops the metal core.
  • This invention guarantees the integration of classical transmission line technology into a single PCB. In this way a transition structure is obtained from two different lines, the set of both being integrated in a PCB.
  • This configuration allows great advantages over the state of the art, since the benefits of both lines are obtained in the same substrate of a PCB. In other words, low cost, easy integration into the PCB, transmission without radiation or external interference, low losses and high bandwidth. Additionally, and because the multilayer line can behave like a coaxial line, that is to say a non-dispersive line, it does not suffer any distortion. This is of great importance in digital signals preventing the pulses from overlapping, and therefore guaranteeing the stability and quality of the transmitted signals. Therefore this structure solves the problems posed in the state of the art. DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
  • Figure 1a Shows a schematic view of a PCB where a transition structure is integrated.
  • Figure 1 b.- Shows a schematic view of section A-A 'of Figure 1a.
  • Figure 2a Shows a 3D view of the central, anterior and posterior layers of the multilayer line.
  • Figure 2b Shows a schematic view of all the layers and covers of the multilayer line.
  • Figure 3a Shows a schematic view of the upper face of the central layer of the multilayer line.
  • Figure 3b Shows a schematic view of the lower face of the central layer of the multilayer line.
  • Figure 4a Shows a schematic view of the upper face of the previous layer of the multilayer line.
  • Figure 4b Shows a schematic view of the lower face of the previous layer of the multilayer line.
  • Figure 5. Shows a schematic view of both sides of the back layer of the multilayer line.
  • the transition structure (1) transitions between a planar line type coplanar line (2) with mass and integrated into a PCB (4) and a multilayer line (3) that behaves like a non-planar coaxial line. It should be noted that both the coplanar line (2) and the multilayer line (3) are integrated on the PCB (4).
  • a commercial type PCB (4) composed of a dielectric substrate (10), a plurality of planar lines, a power line and a mass line is used, without limitation.
  • This PCB (4) is a Rogers type 4003C substrate 0.813mm thick.
  • Each element of the multilayer line (3) is also made with the same type of PCB (4).
  • the multilayer line (3) comprises the superposition of a plurality of flat elements as layers (5, 6, 7) or covers (12, 13), being, by Overlapping order, the following: a back cover (13), a back layer (7), a central layer (6), a front layer (5), a front cover (12).
  • both the layers (5, 6, 7) and the covers (12, 13) are flat, rectangular and geometrically symmetrical. Therefore its unrepresented extremes are identical to its represented extremes.
  • the front cover (12) and the back cover (13) have a solid dielectric substrate covered by a metal sheet on each of its upper and lower faces.
  • said central layer (6) can be seen in greater detail, which is integrated into the PCB (4).
  • This central layer (6) is internally provided with a metallic core (8), and an upper (14) and lower (15) gap separated from each other by said metallic core (8).
  • This metallic core (8) is connected to the coplanar line (2) by a transition bridge (11).
  • the outer part of the central layer (6) has a central frame (16) that delimits said gaps (14, 15).
  • this central frame (16) includes in its perimeter edge a safety line (9) that partially surrounds the coplanar line (2) and totally to the metallic core (8). More specifically, this safety line (9) comprises a plurality of metallized tracks.
  • the central connection (17) is wrapped by dielectric substrate (10) of the PCB (4), because the upper face of the central frame (16) is partially metallized, exposing the dielectric substrate (10) of the PCB (4), in the lateral contour of union with the central connection (17).
  • anterior layer (5) is located on its lower face on the upper face of the central layer (6). More specifically, the anterior layer (5) is provided with an anterior frame (18) and an anterior central opening (19) in correspondence with the holes (14, 15) and the core (8) of the central layer (6).
  • FIG 4a it can be seen that the lower face of the anterior frame (18) is partially metallized, leaving dielectric substrate exposed in the upper joint contour with the central connection (17). While the upper face of the previous frame (18) is fully metallized to prevent the spread of any signal inside the substrate of the previous layer (5). It should be noted, such and as shown in figures 4a and 4b, the presence of said safety lines (9) on both sides of the perimeter of the previous frame (18) that prevent the electromagnetic field of the signal transmitted by said core (8) from propagating through the inside of the substrate of the previous layer (5).
  • FIG 5 both sides of the back layer (7) are shown.
  • the rear layer (7) is located on its upper face on the lower face of the central layer (6). More specifically, the rear layer (7) is provided with a rear frame (20) and a central rear opening (21) in correspondence with the holes (14, 15) and the core (8) of the central layer (6). Both the upper and lower face of the rear frame (20) are fully metallized to prevent the spread of any signal inside the substrate of the back layer (7).
  • the metallic core (8) is surrounded by air, or empty.
  • geometric parameters have been included, in a non-limiting manner, to aid the compression of the invention. Additionally, these parameters are designed so that the transition lines have the same impedance, in this case 50 ⁇ , and to maximize the return losses in a frequency band, in this case between 0-20GHz.
  • a Width of the coplanar line mass (2) 1,014mm b Width of the coplanar line (2) 0.714mm c Width of the coplanar line (2) covered with dielectric (10) 0.637mm d Length of the coplanar line (2) covered with dielectric (10) 2mm e Width of the metallic core (8) 1,917mm f
  • Minimum length of the edge of the transition bridge (1 1) 0.5mm g Maximum length of the edge of the transition bridge (1 1) 0.526mm h Center opening width (19, 21) 6mm i Width between safety lines (9) 4.44mm j Width of both holes (14, 15) and core (8) 4,241 mm
  • all the dimensions of the multilayer line (3) may vary depending on the design of the line and the type of planar line.
  • the connection between the elements of the multilayer line is carried out by means of screws.
  • a transition structure has been implemented to link a microstrip planar transmission line with a multilayer line that behaves like a coaxial line. More specifically, in this alternative transition structure, part of the previous frame on the transition bridge is eliminated to facilitate adaptation between the microstrip line, air cover, and the transition bridge line, dielectric cover.
  • the multilayer line comprises a back cover, a plurality of back layers, a central layer, a plurality of front layers and a front cover. More specifically, the number of previous and subsequent layers is the same.

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Abstract

La presente invención proporciona una estructura de transición entre líneas de transmisión de señales distintas en una PCB, o placa de circuito impreso. Más concretamente, la estructura de transición comprende: una línea planar metalizada e integrada en la PCB, una línea multicapa, que se puede comportar como una línea coaxial, y un puente de transición entre la línea planar y la línea multicapa. La configuración ofrece las siguientes ventajas: bajo coste, fácil integración en PCB, transmisión sin radiación ni interferencias externas, bajas perdidas y gran ancho de banda.

Description

ESTRUCTURA DE TRANSICIÓN DE DOS LÍNEAS DE TRANSMISIÓN DE SEÑAL
EN PCB
D E S C R I P C I Ó N
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se incluye en el campo de los dispositivos que vinculan distintos tipos de líneas, guías o vías de transmisión de señales entre ellas.
El objeto de la presente invención es proporcionar una estructura de transición entre líneas de transmisión de señales distintas en una PCB, o placa de circuito impreso.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Actualmente, son conocidas dos grandes clasificaciones de líneas de transmisión de señales, en función de su geometría, las de tipo planar y las de tipo no planar.
De forma general las líneas planares, es decir cuya forma es plana y espesor pequeño, se integran en una placa de circuitos impresos, o PCB. Dicha PCB consiste en una serie de capas conductoras separadas por una serie de capas de sustrato dieléctrico, sobre las que se montan y vinculan componentes de circuitería.
Más concretamente, en la actualidad existen diversas líneas planares tal como la línea de transmisión tipo microstrip. La línea microstrip es una línea de transmisión de señal formada por dos conductores eléctricos separados mediante un sustrato dieléctrico. Otro tipo de línea de transmisión planar es la línea coplanar. Esta línea de transmisión está compuesta por una línea central conductora y dos líneas laterales conectadas a masa. Todas estas líneas se encuentran implementadas en la cara superior de una capa de sustrato dieléctrico. Adicionalmente, ésta configuración puede tener en la cara inferior del sustrato dieléctrico un plano conectado a masa, siendo en este caso conocida como coplanar con masa. Adicionalmente, también son conocidas, la línea de transmisión tipo stripline. Este tipo de línea de transmisión incluye una línea central insertada en la capa de dieléctrico y dos planos de masa, uno situado en la capa superior y otro en la capa inferior del sustrato dieléctrico.
A pesar de que estas líneas planares son de fácil integración en la PCB y bajo coste de producción, de un modo general presentan amplios problemas en cuanto a perdidas por radiación y limitación del ancho de banda. Por otro lado las líneas no planares son aquellas cuya forma no es plana y por tanto no son fácilmente integrables en la PCB. Las más conocidas son la línea coaxial y la guía rectangular. Más concretamente, la línea coaxial es conocida por su uso en transmisión de señal de televisión. La línea coaxial está compuesta por un conductor central de cobre rodeado por una malla metálica. El espacio entre el conductor y la malla lo ocupa un material dieléctrico que mantiene las propiedades eléctricas de la señal. Mientras que la malla está cubierta por un asilamiento de protección para reducir las emisiones eléctricas. Estas líneas son no dispersivas e inmunes a las interferencias pero muy complicadas de integrar en una PCB al ser no planar. La guía rectangular consiste en un tubo, metálico y hueco, generalmente simétrico y relleno de aire o material dieléctrico, en el cual se propaga una señal. Esta línea de transmisión, comparada con el resto de líneas, es muy pesada y de gran tamaño, es muy difícil de integrar en una PCB al no ser planar, es fuertemente dispersiva y su ancho de banda esta limitado a una octava. A pesar de esto, debido a sus pocas perdidas y su alta frecuencia de transmisión es habitual encontrarla en sistemas embarcados en satélites o radares.
Actualmente, son conocidos conectores de tipo coaxial que pueden ser montados en la superficie de una PCB, a través de éstos conectores se puede conectar una línea de transmisión planar con una línea coaxial, tal y como se muestra en el documento US20040119557. En éste documento se describe un dispositivo electrónico insertado en una PCB, que incluye un una línea de transmisión de microstrip o coplanar que se acopla a un conector hembra de tipo coaxial al cual se puede conectar un cable externo. También se conocen experimentos en donde se realiza la integración de guías rectangulares en PCB, mediante su conexión por SMT (tecnología de montado en superficie). A pesar de esto, los resultados obtenidos en cuanto a la transmisión de señales a alta frecuencia muestran altas pérdidas y por tanto no es utilizable en dispositivos de alta calidad o aplicaciones críticas.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención proporciona una estructura de transición de dos líneas de transmisión de señal en una PCB.
La PCB está formada por al menos una lámina de sustrato dieléctrico con una pluralidad de líneas planares de transmisión de señal.
La estructura de transición en PCB comprende: una línea planar metalizada e integrada en la PCB, una línea multicapa, y un puente de transición entre la línea planar y la línea multicapa. La línea multicapa se comporta como una línea no planar coaxial y comprende la superposición de una pluralidad de elementos planos a modo de capas o tapas, siendo, por orden de superposición, los siguientes: una tapa posterior, una capa posterior, una capa central, una capa anterior y una tapa anterior. La capa central, integrada en la PCB, está dotada de un núcleo metalizado, y de un hueco superior e inferior separados entre sí por el núcleo, y delimitados por un marco central, en donde éste núcleo se encuentra unido con la línea planar por el puente de transición. La capa anterior, situada sobre la capa central, está dotada de un marco anterior y una abertura central anterior en correspondencia con los huecos y el núcleo de la capa central. La capa posterior, situada debajo de la capa central, está dotada de un marco posterior y una abertura central posterior en correspondencia con los huecos y el núcleo de la capa central. La tapa anterior está situada sobre la capa anterior cubriendo la abertura de la capa anterior.
La tapa posterior está situada sobre la capa posterior cubriendo la abertura de la capa posterior.
Mientras que el puente de transición está formado por una conexión central que conecta la línea planar con el núcleo metalizado, envuelta por sustrato dieléctrico.
Cabe destacar que la capa anterior y la capa posterior de la línea multicapa comprenden al menos una lámina de sustrato dieléctrico.
Más concretamente, la cara superior del marco central se encuentra parcialmente metalizada, dejando expuesto el sustrato dieléctrico, de la PCB, en el contorno lateral de unión con la conexión central. Mientras que la cara inferior del marco central se encuentra totalmente metalizada para evitar la propagación de cualquier señal en el interior del sustrato de la PCB.
En cuanto a la cara superior del marco anterior, ésta también se encuentra totalmente metalizada para evitar la propagación de cualquier señal en el interior del sustrato de la capa anterior. Mientras que la cara inferior del marco anterior se encuentra parcialmente metalizada, dejando expuesto la lámina de sustrato dieléctrico en el contorno de unión superior con la conexión central.
Tanto la cara superior como inferior del marco posterior se encuentran totalmente metalizadas para evitar la propagación de cualquier señal en el interior del sustrato de la capa posterior.
La tapa anterior y la tapa posterior de la línea multicapa comprenden respectivamente una lámina metálica para mantener la rigidez mecánica.
Adicionalmente, la tapa anterior y la tapa posterior de la línea multicapa comprenden respectivamente una lámina de sustrato dieléctrico que cubre una de sus láminas metálicas.
Más concretamente la conexión central del puente de transición disminuye su sección en el contorno de unión con el núcleo de la capa central, de modo que el área expuesta de sustrato dieléctrico de la PCB aumenta.
Adicionalmente, debido a la configuración de la línea multicapa, el núcleo metalizado de la capa central se encuentra rodeado de aire o vacío. En este sentido, el aire presenta mejores condiciones eléctricas que cualquier material dieléctrico. Cabe destacar que para que el campo electromagnético se propague correctamente por la estructura de transición y no fluya hacia el sustrato dieléctrico, se ha incluido una línea de seguridad que comprende una pluralidad de vías metalizadas. Al menos una de estas vías acompaña a la línea coplanar hasta el puente de transición y envuelve al núcleo metálico.
Esta invención garantiza la integración de la tecnología clásica de líneas de transmisión en una única PCB. De este modo se obtiene una estructura de transición desde dos líneas distintas, quedando el conjunto de ambas integrado en una PCB. Esta configuración permite unas grandes ventajas respecto al estado de la técnica, ya que se obtienen los beneficios de ambas líneas en un mismo sustrato de una PCB. Es decir bajo coste, fácil integración en la PCB, transmisión sin radiación ni interferencias externas, bajas pérdidas y gran ancho de banda. Adicionalmente, y debido a que la línea multicapa puede comportarse como una línea coaxial, es decir una línea no dispersiva, no sufre ninguna distorsión. Esto tiene una gran importancia en señales digitales evitando que los pulsos se solapen, y por tanto garantizando la estabilidad y la calidad de las señales transmitidas. Por tanto ésta estructura soluciona los problemas planteados en el estado de la técnica. 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:
Figura 1a.- Muestra una vista esquemática de una PCB donde se integra una estructura transición.
Figura 1 b.- Muestra una vista esquemática de la sección A-A' de la Figura 1a.
Figura 2a.- Muestra una vista en 3D de la capa central, anterior y posterior de la línea multicapa.
Figura 2b.- Muestra una vista esquemática de todas las capas y las tapas de la línea multicapa.
Figura 3a.- Muestra una vista esquemática de la cara superior de la capa central de la línea multicapa.
Figura 3b.- Muestra una vista esquemática de la cara inferior de la capa central de la línea multicapa.
Figura 4a.- Muestra una vista esquemática de la cara superior de la capa anterior de la línea multicapa.
Figura 4b.- Muestra una vista esquemática de la cara inferior de la capa anterior de la línea multicapa.
Figura 5.- Muestra una vista esquemática de ambas caras de la capa posterior de la línea multicapa.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
En una realización preferente de esta invención, tal y como se muestra de forma esquemática en las figuras 1 a y 1 b, la estructura de transición (1) efectúa la transición entre una línea planar tipo línea coplanar (2) con masa e integrada en una PCB (4) y una línea multicapa (3) que se comporta como una línea no planar tipo coaxial. Cabe destacar que tanto la línea coplanar (2) como la línea multicapa (3) quedan integradas en la PCB (4).
Concretamente en esta realización se utiliza, de forma no limitativa, una PCB (4) tipo comercial compuesta por un sustrato dieléctrico (10), una pluralidad de líneas planares, una línea de alimentación y una línea de masa. Esta PCB (4) es un sustrato tipo Rogers modelo 4003C de 0.813mm de espesor. Cada elemento de la línea multicapa (3) también está realizado con el mismo tipo de PCB (4).
La línea multicapa (3), tal y como puede verse en las figuras 2a y 2b, comprende la superposición de una pluralidad de elementos planos a modo de capas (5, 6, 7) o tapas (12, 13), siendo, por orden de superposición, los siguientes: una tapa posterior (13), una capa posterior (7), una capa central (6), una capa anterior (5), una tapa anterior (12). Cabe destacar que en ésta realización preferente tanto las capas (5, 6, 7) como las tapas (12, 13) son planas, de perímetro rectangular y geométricamente simétrica. Por tanto sus extremos no representados son idénticos a sus extremos representados. La tapa anterior (12) y la tapa posterior (13) presentan un sustrato dieléctrico solido cubierto por una lámina metálica en cada una de sus caras, superior e inferior.
En las figuras 3a y 3b puede verse con mayor detalle dicha capa central (6) que resulta integrada en la PCB (4). Ésta capa central (6) está dotada en su parte interna de un núcleo metalizado (8), y de un hueco superior (14) e inferior (15) separados entre sí por dicho núcleo metalizado (8). Éste núcleo metalizado (8) se encuentra unido con la línea coplanar (2) por un puente de transición (11). La parte externa de la capa central (6) presenta por un marco central (16) que delimita dichos huecos (14, 15). A su vez, éste marco central (16) incluye en un su borde perimetral una línea de seguridad (9) que envuelve parcialmente la línea coplanar (2) y totalmente al núcleo metalizado (8). Más concretamente, ésta línea de seguridad (9) comprende una pluralidad de vías metalizadas. Dos de estas vías acompañan a la línea coplanar (2), una por cada lado, hasta el puente de transición (11), para impedir que la señal trasmitida se introduzca en la parte interna del núcleo (8) al realizar la transición entre línea coplanar (2) y línea multicapa (3). Mientras que las vías metalizadas que envuelven al núcleo (8) evitan que el campo electromagnético de la señal transmitida por dicho núcleo (8) se propague por el interior del sustrato de la PCB (4). En la figura 3a se muestra la cara superior de la capa central (6), es decir la cara contigua con la capa anterior (5). En esta figura puede verse con mayor detalle como el puente de transición (11) vincula, mediante una conexión central (17), la línea coplanar (2) con el núcleo metalizado (8). Cabe destacar que la sección de la línea coplanar (2) se reduce hasta quedar integrada con la conexión central (17).
La conexión central (17) queda envuelta por sustrato dieléctrico (10) de la PCB (4), debido a que la cara superior del marco central (16) se encuentra parcialmente metalizada, dejando expuesto el sustrato dieléctrico (10), de la PCB (4), en el contorno lateral de unión con la conexión central (17).
En la figura 3b, se muestra la cara inferior de la capa central (6), es decir la cara contigua con la capa posterior (7). En esta figura se puede observar que la cara inferior del marco central (16) se encuentra totalmente metalizada para evitar la propagación de cualquier señal en el interior del sustrato de la PCB (4). Pero cabe destacar que no está metalizada la zona contigua al conductor metalizado (8) del puente de transición (11), para evitar pérdidas por conducción.
En las figuras 4a y 4b puede verse respectivamente la cara superior e inferior de la capa anterior (5). Ésta capa anterior (5) está situada por su cara inferior sobre la cara superior de la capa central (6). Más concretamente, la capa anterior (5) está dotada de un marco anterior (18) y una abertura central anterior (19) en correspondencia con los huecos (14, 15) y el núcleo (8) de la capa central (6).
Más concretamente, en la figura 4a puede verse que la cara inferior del marco anterior (18) se encuentra parcialmente metalizada, dejando expuesto sustrato dieléctrico en el contorno de unión superior con la conexión central (17). Mientras que la cara superior del marco anterior (18) se encuentra totalmente metalizada para evitar la propagación de cualquier señal en el interior del sustrato de la capa anterior (5). Cabe destacar, tal y como se muestra en la figuras 4a y 4b, la presencia de dichas líneas de seguridad (9) en ambas caras del perímetro del marco anterior (18) que evitan que el campo electromagnético de la señal transmitida por dicho núcleo (8) se propague por el interior del sustrato de la capa anterior (5).
En la figura 5 se representan ambas caras de la capa posterior (7). La capa posterior (7) está situada por su cara superior sobre la cara inferior de la capa central (6). Más concretamente, la capa posterior (7) está dotada de un marco posterior (20) y una abertura central posterior (21) en correspondencia con los huecos (14, 15) y el núcleo (8) de la capa central (6). Tanto la cara superior como inferior del marco posterior (20) se encuentran totalmente metalizadas para evitar la propagación de cualquier señal en el interior del sustrato de la capa posterior (7).
Una vez ensamblados todos los elementos de la línea multicapa (3), es decir las capas (5, 6, 7) y las tapas (12, 13), el núcleo metalizado (8) resulta rodeado por aire, o vacío.
En esta realización preferente, tal y como se puede ver en las figuras anteriores, se han incluido unos parámetros geométricos, de forma no limitativa, para ayudar a la compresión de la invención. Adicionalmente, estos parámetros están diseñados para que las líneas de transición tengan la misma impedancia, en este caso 50Ω, y para maximizar las pérdidas de retorno en una banda de frecuencias, en éste caso entre 0- 20GHz. Estos parámetros vienen definidos por la siguiente tabla: a Ancho de la masa de línea coplanar (2) 1.014mm b Ancho de la línea coplanar (2) 0.714mm c Ancho de la línea coplanar (2) cubierto de dieléctrico (10) 0.637mm d Longitud de la línea coplanar (2) cubierto de dieléctrico (10) 2mm e Ancho del núcleo metalizado (8) 1.917mm f Longitud mínima del borde del puente de transición (1 1) 0.5mm g Longitud máxima del borde del puente de transición (1 1) 0.526mm h Ancho centro de la abertura (19, 21) 6mm i Ancho entre líneas de seguridad (9) 4.44mm j Ancho de ambos huecos (14, 15) y del núcleo (8) 4.241 mm Cabe destacar que todas las dimensiones de la línea multicapa (3) pueden variar en función del diseño de la misma y del tipo de línea planar. En otra realización preferente, no representada de esta invención, la unión entre los elementos de la línea multicapa se realiza mediante tornillería.
En otra realización preferente, no representada de esta invención, se ha implementado una estructura de transición para vincular una línea de transmisión planar tipo microstrip con una línea multicapa que se comporta como una línea coaxial. Más concretamente, en esta estructura de transición alternativa se elimina parte del marco anterior que se encuentra sobre el puente de transición para facilitar la adaptación entre la línea microstrip, cubierta de aire, y la línea del puente de transición, cubierta de dieléctrico.
En otra realización preferente, no representada de esta invención, la línea multicapa comprende una tapa posterior, una pluralidad de capas posteriores, una capa central, una pluralidad de capas anteriores y una tapa anterior. Más concretamente, la cantidad de capas anteriores y de capas posteriores es la misma.

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S
1. - Estructura de transición (1) de dos líneas de transmisión de señal en PCB (4) con al menos un sustrato dieléctrico caracterizado porque comprende:
una línea planar metalizada integrada en la PCB (4),
una línea multicapa (3), y
un puente de transición (11) entre la línea planar y la línea multicapa (3), en el que la línea multicapa (3) se comporta como una línea no planar coaxial y comprende:
una capa central (6), integrada en la PCB (4), dotada de un núcleo metalizado (8), y de un hueco superior (14) e inferior (15) separados entre sí por el núcleo (8) y delimitados por un marco central (16), en donde este núcleo (8) se encuentra unido con la línea planar por el puente de transición (11),
una capa anterior (5) situada sobre la capa central (6) dotada de un marco anterior (18) y una abertura central anterior (19) en correspondencia con los huecos (14, 15) y el núcleo (8),
una capa posterior (7) situada debajo de la capa central (6) dotada de un marco posterior (20) y una abertura central posterior (21) en correspondencia con los huecos (14, 15) y el núcleo (8),
una tapa anterior (12) situada sobre la capa anterior (5) cubriendo la abertura (19), y
una tapa posterior (13) situada sobre la capa posterior (7) cubriendo la abertura (21),
en el que el puente de transición (11) está formado por una conexión central (17) que conecta la línea planar con el núcleo (8), y que está envuelta por sustrato dieléctrico de la PCB (4).
2. - Estructura de transición (1) según la reivindicación 1 , caracterizada porque la capa anterior (5) y la capa posterior (7) de la línea multicapa (3) comprenden al menos una lámina de sustrato dieléctrico.
3.- Estructura de transición (1) según la reivindicación 1 , caracterizada porque la cara superior del marco central (16) se encuentra parcialmente metalizada, dejando expuesto el sustrato dieléctrico, de la PCB (4), en el contorno lateral de unión de la conexión central (17) con el núcleo (8).
4. - Estructura de transición (1) según la reivindicación 1 , caracterizada porque la cara inferior del marco central (16) se encuentra totalmente metalizada para evitar la propagación de cualquier señal en el interior del sustrato dieléctrico de la PCB (4).
5. - Estructura de transición (1) según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizada porque la cara superior del marco anterior (18) se encuentra totalmente metalizada para evitar la propagación de cualquier señal en el interior del sustrato dieléctrico de la capa anterior (5).
6. - Estructura de transición (1) según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizada porque la cara inferior del marco anterior (18) se encuentra parcialmente metalizada, dejando expuesto la lámina de sustrato dieléctrico en el contorno de unión superior con la conexión central (17).
7 - Estructura de transición (1) según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizada porque tanto la cara superior como inferior del marco posterior (20) se encuentran totalmente metalizadas para evitar la propagación de cualquier señal en el interior del sustrato de la capa posterior (7).
8. - Estructura de transición (1) según la reivindicación 1 , caracterizada porque la tapa anterior (12) y la tapa posterior (13) de la línea multicapa (3) comprenden respectivamente una lámina metálica.
9. - Estructura de transición (1) según la reivindicación 8, caracterizada porque adicionalmente la tapa anterior (12) y la tapa posterior (13) comprenden una lámina de sustrato dieléctrico que cubre dicha lámina metálica.
10. - Estructura de transición (1) según la reivindicación 1 , caracterizada porque la conexión central (17) del puente de transición (11) disminuye su sección en el contorno de unión con el núcleo (8) de la capa central (6), de modo que el área expuesta de sustrato dieléctrico de la PCB (4) aumenta.
11. - Estructura de transición (1) según la reivindicación 1 , caracterizada porque la línea planar es una línea coplanar (2).
12. - Estructura de transición (1) según la reivindicación 1 , caracterizada porque la línea planar es una línea microstrip.
13. - Estructura de transición (1) según la reivindicación 1 , caracterizada porque la línea planar se encuentra acompañada hasta el puente de transición (11) por una línea de seguridad (9) insertada en ambas caras de la PCB (4).
14. - Estructura de transición (1) según la reivindicación 1 , caracterizada porque el núcleo metálico (8) se encuentra envuelto por una línea de seguridad (9) insertada en ambas caras del marco central (16) y del marco superior (18).
15. - Estructura de transición (1) según las reivindicaciones 12 y 13, caracterizada porque la línea de seguridad (9) comprende una pluralidad de vías metálicas.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Title
JASTRAM NATHAM ET AL.: "PCB-Based Prototyping of 3-D Micromachined RF Subsystems''.", IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, vol. 62, no. 1, Piscataway, NJ, US, pages 420 - 429, XP011536450, ISSN: 0018-926X *

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