DISPOSITIVO DE TRANSICION ENTRE UNA GUIA DE ONDAS Y DOS CIRCUITOS REDUNDANTES ACOPLADOS A SENDAS LINEAS COPLANARES.

Dispositivo redundante de transición entre una guía (1) de ondas electromagnéticas y al menos dos circuitos redundantes (2,

3), llamados circuitos de tratamiento, comprendiendo este dispositivo de transición dos líneas que discurren, al menos en parte, por el interior de la guía de ondas, caracterizado por el hecho de que las dos líneas son dos líneas coplanares (5, 6) formadas sobre una placa llamada sustrato y hecha de un material dieléctrico, comprendiendo cada línea coplanar, en una mismo plano, una tira central de transmisión (7; 10) y dos bandas laterales de masa (8, 9; 11, 12) a uno y otro lado de dicha tira, estando dichas bandas laterales separadas de ésta última por ranuras (21, 22; 23, 24) de guiamiento de ondas electromagnéticas, discurriendo dicha tira y dichas bandas principalmente según una dirección llamada dirección longitudinal de línea, presentando cada línea coplanar (5) un extremo longitudinal (17), llamado extremo de conexión, que está destinado a ser acoplado a uno (2) de los circuitos de tratamiento que es propio de dicha línea coplanar,

- las dos líneas coplanares (5, 6) discurren por uno y otro lado de un mismo sustrato (4), por sobre dos caras principales opuestas (27, 28) de éste,

- cada línea coplanar (5) presenta un extremo longitudinal (16), llamado extremo de transferencia, opuesto a su extremo de conexión, adaptado para canalizar una onda electromagnética entre la guía de ondas y las ranuras (21, 22) de dicha línea coplanar,

- cada línea coplanar (5, 6) está provista de medios (25, 26), llamados medios desfasadores, adaptados para invertir la fase de un campo eléctrico de un lado de la tira central de transmisión (7, 10) de dicha línea coplanar, con vistas a un transmisión de energía eléctrica esencialmente según un modo coplanar a lo largo de dicha tira de transmisión entre los medios desfasadores y el circuito de tratamiento, y a una transmisión de energía eléctrica esencialmente según un modo guía dentro de la guía de ondas más allá del extremo de transferencia

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/FR2005/001491.

Solicitante: CENTRE NATIONAL D'ETUDES SPATIALES (C.N.E.S.).

Nacionalidad solicitante: Francia.

Dirección: 2, PLACE MAURICE QUENTIN,75039 PARIS CEDEX 01.

Inventor/es: LAPIERRE, LUC, PUECH,JEROME, PICON,ODILE, RAMDANE,AHLEM, RICHALOT-TAISNE,ELODIE.

Fecha de Publicación: .

Fecha Concesión Europea: 9 de Diciembre de 2009.

Clasificación Internacional de Patentes:

  • H01P5/107 SECCION H — ELECTRICIDAD.H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS.H01P GUIAS DE ONDAS; RESONADORES, LINEAS, U OTROS DISPOSITIVOS DEL TIPO DE GUIA DE ONDAS (que funcionan con frecuencias ópticas G02B). › H01P 5/00 Dispositivos de acoplamiento del tipo guía de ondas. › Transiciones entre guías de ondas huecas y líneas de tiras.

Clasificación PCT:

  • H01P1/15 H01P […] › H01P 1/00 Dispositivos auxiliares (dispositivos de acoplamiento del tipo guía de ondas H01P 5/00). › utilizando dispositivos semiconductores.
  • H01P5/107 H01P 5/00 […] › Transiciones entre guías de ondas huecas y líneas de tiras.
DISPOSITIVO DE TRANSICION ENTRE UNA GUIA DE ONDAS Y DOS CIRCUITOS REDUNDANTES ACOPLADOS A SENDAS LINEAS COPLANARES.

Fragmento de la descripción:

Dispositivo de transición entre una guía de ondas y dos circuitos redundantes acoplados a sendas líneas coplanares.

La invención se refiere a un dispositivo de transición entre una guía de ondas y al menos dos circuitos redundantes, llamados circuitos de tratamiento, para el tratamiento de señales recibidas y/o emitidas por la guía de ondas, estando cada circuito de tratamiento acoplado a una línea coplanar que le es propia.

El dispositivo según la invención está por ejemplo destinado a estar asociado a una guía de ondas de una antena de recepción de ondas electromagnéticas de hiperfrecuencia (por ejemplo dentro de la banda Ka) dentro del marco de un conjunto de recepción, en el terreno de la comunicación espacial. Los circuitos de tratamiento son entonces por ejemplo circuitos amplificadores de bajo ruido (llamados LNA, "Low Noise Amplifier"), que están destinados a amplificar una señal recibida por la guía de ondas de la antena. El dispositivo según la invención es igualmente conveniente para otras aplicaciones (particularmente terrestres) de recepción de ondas electromagnéticas, dentro de otras bandas de frecuencias. Dicho dispositivo es igualmente conveniente para aplicaciones de emisión de ondas electromagnéticas (eventualmente a largas distancias) por medio de una guía de ondas a partir de señales tratadas por un circuito de tratamiento.

De manera habitual se designa como "guía de ondas" un tubo hueco de sección interna rectangular o eventualmente circular, por ejemplo, hecho de un material eléctricamente conductor, cuyo tubo es apto para confinar y transportar ondas electromagnéticas según una dirección longitudinal de dicho tubo, llamada dirección longitudinal de propagación.

Por otro lado, la expresión "línea coplanar" designa de manera habitual un circuito de hiperfrecuencia que comprende tres bandas paralelas de material conductor que discurren todas ellas en un mismo plano sobre una capa de sustrato de material dieléctrico: una banda central llamada tira central de transmisión, y dos bandas laterales conectadas a la masa, llamadas bandas laterales de masa. Las líneas coplanares están adaptadas para vehicular una energía electromagnética hacia y/o desde circuitos integrados semiconductores. Existen otros tipos de circuitos de hiperfrecuencia aptos para vehicular una energía electromagnética de manera planar; pero las líneas coplanares son particularmente apreciadas por su estructura coplanar que facilita la conexión de los circuitos de tratamiento (montaje en "flip-chip" ...) y que ofrece escasas pérdidas de alta frecuencia.

Estas dos tecnologías (guía de ondas/línea coplanar), cuyos modos de funcionamiento son distintos, se codean en el seno de un conjunto de recepción y/o de emisión: las ondas transmitidas a través del espacio son recibidas y/o emitidas por una antena hecha con la tecnología de las guías de ondas; y la transmisión de una señal correspondiente hasta y/o desde un circuito de tratamiento es asegurada por una línea coplanar. Entre estos dos tipos de transmisión de energía es necesario un dispositivo de transmisión que transforme el modo de guía de ondas en modo coplanar (o a la inversa).

La WO 93/22802 describe un dispositivo de transición entre una guía de ondas receptora, de sección rectangular, y una línea coplanar única que puede por ejemplo alimentar a un circuito amplificador. La línea coplanar está dispuesta ortogonalmente con respecto a la dirección longitudinal de propagación de la guía de ondas, en el exterior de la misma, y en el interior de la guía de ondas está prolongada por una sonda que asegura la transición de la señal.

Un dispositivo de transición de este tipo entre una guía de ondas y un circuito de tratamiento por medio de una línea coplanar única presenta el inconveniente de no asegurar redundancia alguna. El conjunto de recepción deviene totalmente inoperante en caso de avería de un componente del único circuito amplificador alimentado por dicha línea coplanar, o en caso de imperfecciones de la línea coplanar o de daños sufridos por la misma.

La invención pretende paliar este inconveniente proponiendo un dispositivo redundante de transición entre una guía de ondas y al menos dos circuitos de tratamiento redundantes acoplados a sendas líneas coplanares de transición que les son propias. Tanto en recepción como en emisión, la señal no debe ser tratada más que por un solo circuito de tratamiento a la vez, y la transmisión de la señal no debe en todo instante ser asegurada más que por una sola línea coplanar a la vez, a la que entonces se denomina línea coplanar activa. En recepción, esta constricción supone que sea posible elegir, en función del estado de cada uno de los circuitos de tratamiento, la línea coplanar que se desee que sea activa y neutralizar la otra línea coplanar, a la que entonces se denomina línea coplanar inactiva. El documento US 6573810, al que se considera como el estado de la técnica más cercano, describe un dispositivo redundante de transición entre una guía de ondas y dos circuitos redundantes acoplados a interfaces de microondas situadas lado a lado sobre la misma cara.

Por otro lado son ya conocidas topografías redundantes de líneas coplanares, llamadas topografías de polo simple y línea doble, tales como las descritas en la publicación "Original MEMS-based single pole double thorw topology for millimeter wave space communication" (David Dubuc et al., LAAS-CNRS, UPS y Alcatel Space Industries, Conferencia europea sobre las microondas, Munich 2003). La topografía descrita comprende una línea coplanar anterior según la dirección de propagación de la señal que se escinde en dos ramas paralelas sobre una misma cara de un sustrato, formando cada rama una línea coplanar posterior según la dirección de propagación de la señal. Una de las líneas posteriores según la dirección de propagación de la señal, llamada línea coplanar paralela, está provista de un inversor de cuarto de onda seguido de un conmutador microelectromecánico, llamado MEMS o conmutador MEM, montado en paralelo. La otra línea posterior según la dirección de propagación de la señal, llamada línea coplanar serie, está provista de un MEMS montado en serie. Cada línea coplanar posterior según la dirección de propagación de la señal lleva y alimenta, posteriormente al MEMS según la dirección de propagación de la señal, un circuito amplificador que se compone de un filtro y dos amplificadores de bajo ruido. En funcionamiento normal, ninguno de los dos MEMS está activado (o en otras palabras, ninguno de los MEMS está bajo tensión), y el circuito amplificador operante es el alimentado por la línea coplanar paralela. En caso de avería de este circuito amplificador, los dos MEMS son activados (puestos bajo tensión) para permitir la utilización del circuito amplificador de la línea serie: la línea coplanar paralela, puesta en cortocircuito, es entonces neutralizada, y la línea coplanar serie, cerrada por su MEMS, deviene pasante y por lo tanto activa.

Una topografía de este tipo es utilizada en calidad de circuito frontal redundante de bajo ruido en un repetidor espacial de alta fiabilidad. Dicha topografía realiza un dispositivo redundante de transición entre una línea coplanar anterior según la dirección de propagación de la señal y los dos circuitos amplificadores de bajo ruido que lleva.

Además del hecho de que no realiza una transición entre una guía de ondas y dos circuitos amplificadores, esta topografía conocida presenta una anchura relativamente importante que resulta de la presencia lado a lado de las dos líneas coplanares posteriores según la dirección de propagación de la señal. Hay que señalar que en toda la exposición que se hace de aquí en adelante el vocablo "anchura" de una línea coplanar o de una topografía formada por líneas coplanares, o de un elemento de una línea coplanar, designa una dimensión de dicha línea o dicha topografía o dicho elemento según una dirección, llamada dirección transversal, ortogonal con respecto a la dirección longitudinal de la(s) línea(s) coplanar(es) y paralela al plano de dicha(s) línea(s).

La anchura de esta topografía conocida (de polo simple y línea doble) es incompatible con su integración en ciertos conjuntos espaciales de recepción que no disponen más que de un espacio restringido para la integración de un sistema amplificador redundante. Hay pues necesidad de dispositivos redundantes de transición de dimensiones exteriores reducidas, necesidad que no ha sido satisfecha hasta la fecha.

En este contexto, la invención pretende...

 


Reivindicaciones:

1. Dispositivo redundante de transición entre una guía (1) de ondas electromagnéticas y al menos dos circuitos redundantes (2, 3), llamados circuitos de tratamiento, comprendiendo este dispositivo de transición dos líneas que discurren, al menos en parte, por el interior de la guía de ondas, caracterizado por el hecho de que las dos líneas son dos líneas coplanares (5, 6) formadas sobre una placa llamada sustrato y hecha de un material dieléctrico, comprendiendo cada línea coplanar, en una mismo plano, una tira central de transmisión (7; 10) y dos bandas laterales de masa (8, 9; 11, 12) a uno y otro lado de dicha tira, estando dichas bandas laterales separadas de ésta última por ranuras (21, 22; 23, 24) de guiamiento de ondas electromagnéticas, discurriendo dicha tira y dichas bandas principalmente según una dirección llamada dirección longitudinal de línea, presentando cada línea coplanar (5) un extremo longitudinal (17), llamado extremo de conexión, que está destinado a ser acoplado a uno (2) de los circuitos de tratamiento que es propio de dicha línea coplanar,

- las dos líneas coplanares (5, 6) discurren por uno y otro lado de un mismo sustrato (4), por sobre dos caras principales opuestas (27, 28) de éste,

- cada línea coplanar (5) presenta un extremo longitudinal (16), llamado extremo de transferencia, opuesto a su extremo de conexión, adaptado para canalizar una onda electromagnética entre la guía de ondas y las ranuras (21, 22) de dicha línea coplanar,

- cada línea coplanar (5, 6) está provista de medios (25, 26), llamados medios desfasadores, adaptados para invertir la fase de un campo eléctrico de un lado de la tira central de transmisión (7, 10) de dicha línea coplanar, con vistas a un transmisión de energía eléctrica esencialmente según un modo coplanar a lo largo de dicha tira de transmisión entre los medios desfasadores y el circuito de tratamiento, y a una transmisión de energía eléctrica esencialmente según un modo guía dentro de la guía de ondas más allá del extremo de transferencia.

2. Dispositivo de transición según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que las dos líneas coplanares (5, 6) discurren una enfrente de la otra por uno y otro lado del sustrato (4).

3. Dispositivo de transición según una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por el hecho de que las dos líneas coplanares (5, 6) discurren según una dirección de propagación de la guía de ondas.

4. Dispositivo de transición según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por el hecho de que el sustrato (4) se extiende en un plano longitudinal medio de la guía de ondas (1).

5. Dispositivo de transición según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por el hecho de que cada línea coplanar (5, 6) está provista de un conmutador (18, 19) con vistas a una activación o a una desactivación de dicha línea coplanar.

6. Dispositivo de transición según la reivindicación 5, destinado a un conjunto de recepción, caracterizado por el hecho de que dichos conmutadores (18, 19) están adaptados para poder ser gobernados de forma tal que las líneas coplanares presenten en cada instante estados opuestos, respectivamente activo e inactivo.

7. Dispositivo de transición según una de las reivindicaciones 5 o 6, caracterizado por el hecho de que:

- una (6) de las líneas coplanares, llamada línea coplanar serie, presenta una tira central de transmisión (10) que está interrumpida y formada por dos partes (29, 30) distantes que discurren en la prolongación una de la otra, presentando la otra línea coplanar (5), llamada línea coplanar paralela, una tira central de transmisión (7) que es continua,

- el conmutador (19) de la línea coplanar serie, llamado conmutador serie, está montado en serie para así conectar las dos partes distantes (29, 30) de la tira central de transmisión, de forma tal que la línea coplanar serie (6) es activa cuando el conmutador serie está en un estado, llamado estado pasante, en el cual realiza una conexión eléctrica entre las dos partes de la tira central de transmisión,

- el conmutador (18) de la línea coplanar paralela, llamado conmutador paralelo, está montado en paralelo para así poder conectar la tira central de transmisión (7) a las dos bandas laterales de masa (8, 9) de dicha línea coplanar paralela, de forma tal que la línea coplanar paralela (5) es inactiva cuando el conmutador paralelo está en un estado, llamado estado pasante, en el cual realiza una conexión eléctrica entre la tira central de transmisión y las bandas laterales de masa.

8. Dispositivo de transición según una de las reivindicaciones 5 a 7, caracterizado por el hecho de que al menos un conmutador comprende un diodo.

9. Dispositivo de transición según una de las reivindicaciones 5 a 8, caracterizado por el hecho de que al menos un conmutador (18, 19) es un conmutador microelectromecánico, llamado conmutador MEM.

10. Dispositivo de transición según una de las reivindicaciones 5 a 9 y según la reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que los conmutadores (18, 19) de las dos líneas coplanares están decalados, según una dirección longitudinal del sustrato, a una distancia relativa que es sensiblemente igual al cuarto de una longitud de onda llamada longitud de onda guiada.

11. Dispositivo de transición según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por el hecho de que al menos una banda lateral de masa (8, 9) de cada línea coplanar presenta, en el extremo de transferencia (16) de dicha línea, un canto de extremo (13, 14), llamado canto de transferencia de la banda, que discurre al bies alejándose transversal y longitudinalmente de una parte central de la línea coplanar.

12. Dispositivo de transición según la reivindicación 11, caracterizado por el hecho de que el canto de transferencia (13, 14) de una banda lateral de masa (8, 9) discurre en saledizo, según la dirección longitudinal de línea, con respecto a la tira central de transmisión (7) de la línea coplanar.

13. Dispositivo de transición según una de las reivindicaciones 11 o 12, caracterizado por el hecho de que el canto de transferencia (50, 51) de una banda lateral de masa presenta una forma curva redondeada o exponencial o hiperbólica.

14. Dispositivo de transición según una de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado por el hecho de que la tira de transmisión (7) de cada línea coplanar presenta, en el extremo de transferencia (16) de dicha línea, un canto de extremo (15), llamado canto de transferencia de la tira, que forma una punta.

15. Dispositivo de transición según una de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado por el hecho de que los medios desfasadores (25, 26) de las líneas coplanares están adaptados para invertir la fase de un campo eléctrico en lados opuestos de las tiras centrales de transmisión.

16. Dispositivo de transición según una de las reivindicaciones 1 a 15, caracterizado por el hecho de que los medios desfasadores de al menos una línea coplanar (5, 6) están formados por una extensión lateral (25, 26), llamada extensión lateral de desfasaje, de la tira central de transmisión (7, 10) de dicha línea coplanar.

17. Dispositivo de transición según una de las reivindicaciones 1 a 15, caracterizado por el hecho de que los medios desfasadores de al menos una línea coplanar están formados por dos extensiones laterales consecutivas de su tira central de transmisión, que se extienden en un mismo lado de dicha tira y están adaptadas para imponerle cada una al campo eléctrico un desfasaje del orden de p/2.

18. Dispositivo de transición según una de las reivindicaciones 16 o 17, caracterizado por el hecho de que al menos una extensión lateral de desfasaje (25, 26) de una tira central de transmisión presenta una forma de trapecio.

19. Dispositivo de transición según una de las reivindicaciones 16 a 18, caracterizado por el hecho de que al menos una extensión lateral de desfasaje (32) de una tira central de transmisión presenta una forma de parte de disco.

20. Dispositivo de transición según una de las reivindicaciones 1 a 19, caracterizado por el hecho de que los medios desfasadores de al menos una línea coplanar comprenden, por una parte, una extensión longitudinal (48) de una (36) de las bandas laterales de masa, cuya extensión longitudinal se extiende en saledizo, según la dirección longitudinal de línea, con respecto a la otra banda lateral de masa (35) y a la tira central de transmisión (34) de la línea coplanar, en el extremo de transferencia (37) de la misma, y por otra parte, un puente (41) de material conductor, llamado puente aéreo, que pasa por encima de la tira central de transmisión y conecta las dos bandas laterales de masa.

21. Dispositivo de transición según una de las reivindicaciones 1 a 20, caracterizado por el hecho de que los medios desfasadores (25, 26) de las dos líneas coplanares son de un mismo tipo.

22. Dispositivo de transición según una de las reivindicaciones 1 a 21, caracterizado por el hecho de que la tira central de transmisión (7) y las ranuras (21, 22) de cada línea coplanar presentan respectivas anchuras nominales adaptadas para que la impedancia a la entrada del circuito de tratamiento (2) sea óptima en cuanto a la limitación del ruido.

23. Dispositivo de transición según una de las reivindicaciones 1 a 22, caracterizado por el hecho de que la tira central de transmisión y las ranuras de cada línea coplanar presentan respectivas anchuras nominales adaptadas para que la impedancia a la entrada del amplificador LNA sea igual a 50 O.

24. Dispositivo de transición según una de las reivindicaciones 1 a 23, para una antena de recepción de microondas de frecuencias comprendidas entre 27 y 31 GHz, caracterizado por el hecho de que el sustrato (4) presenta una permitividad eléctrica varepsilonr inferior a 5 y un espesor (e) superior a 0,5 mm, y de que cada línea coplanar (5, 6) presenta una tira central de transmisión (7, 10) de longitud (L) inferior a 3,5 mm entre los medios desfasadores y un primer punto de conexión al circuito de tratamiento.

25. Dispositivo de transición según una de las reivindicaciones 1 a 24, para una antena de recepción de microondas de frecuencias comprendidas entre 45 y 50 GHz, caracterizado por el hecho de que el sustrato (4) presenta una permitividad eléctrica varepsilonr inferior a 5 y un espesor (e) superior a 0,5 mm, y de que cada línea coplanar (5, 6) presenta una tira central de transmisión (7, 10) de longitud (L) inferior a 3 mm entre los medios desfasadores y un primer punto de conexión al circuito de tratamiento.


 

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