Acoplador direccional acoplado por ranura y procedimiento de diseño de dicho acoplador.

Permite compensar el efecto parásito introducido por las discontinuidades en la propagación de los dos modos par e impar del acoplador, aprovechando por un lado el hecho de la ortogonalidad existente entre los modos par e impar, y por otro lado aprovechando el hecho de que en un acoplador direccional acoplado por ranura, la ranura es transparente al modo impar. Por tanto, mediante el procedimiento aquí descrito se permite el diseño de acopladores direccionales de altas prestaciones, con capacidad de trabajar a frecuencias elevadas, y con un ancho de banda y un nivel de acoplamiento variables en función de las necesidades y requerimientos de cada aplicación.

3 O longitudes de onda comprendidas entre 1 mm a 1 m, y rango de frecuencias entre O.3GHz y 300GHz) , usándose así en equipos de medida, en aplicaciones de monitorización de potencia, amplificadores y mezcladores balanceados, moduladores, receptores, redes de alimentación de arrays de antena, etc.

Aunque actualmente existen diversas alternativas para el diseño de acopladores en tecnología planar a frecuencias de microondas, los acopladores basados en líneas TEM (modo transversal electromagnético en el que no existe ninguna componente de campo eléctrico ni magnético en la dirección de propagación) acopladas son los que permiten alcanzar mejores prestaciones, ya que las velocidades de fase de los dos modos, par e impar, son iguales de forma natural, por lo que su comportamiento se acerca más al modelo analítico.

Más concretamente, un acoplador direccional acoplado por ranura es una estructura multicapa, implementable tanto en materiales plásticos como cerámicos, en la que dos líneas o pistas microstrip se acoplan a través de una ranura abierta en un plano de masa común a ambas. La sección transversal de esta estructura se muestra en la figura 1A, donde "W' es la anchura de la pista en la zona de acoplamiento, "G" es la anchura de la ranura abierta en el plano de masa común, "t" es el espesor de las pistas de cobre, y "h" es la altura del substrato dieléctrico. Pese a que la estructura no es homogénea, y por tanto, no soporta modos TEM puros, en una primera aproximación, el comportamiento del acoplador direccional acoplado por ranura es esencialmente el mismo que el de un acoplador con modos TEM, en el cual se satisfacen las siguientes ecuaciones conocidas:

Zo =JZooZoe

e ( dB) = 20 log ( ZOe -ZOo ) ZOe +Zoo Con estas ecuaciones se obtienen los valores de las impedancias características par e impar para un nivel de acoplamiento arbitrario. A partir de éstas, es posible calcular unas dimensiones iniciales de la estructura a partir del método cuasi-estático presentado en [Wong Dic1991], o mediante un análisis modal 2-D de su sección transversal.

El problema de esta estructura es que al no ser homogénea, sus modos par e impar tienen diferente velocidad de propagación, lo cual degrada la directividad. Además, los efectos parásitos debidos a la modificación abrupta de las ranuras en las discontinuidades afectan a la longitud eléctrica de la estructura y a su comportamiento en fase, deteriorando sus prestaciones. Todos estos problemas se agravan al subir en frecuencia, imposibilitando el diseño de acopladores direccionales de banda ancha a frecuencias elevadas.

La forma más sencilla de diseñar acopladores de banda ancha es mediante el uso de "estructuras enterradas homogéneas" como las líneas stripline acopladas, con el objetivo de que los modos en el interior de la estructura sean TEM puros [Gruszczynski Sep2006] y [Gruszczynski Nov2006]. Los inconvenientes de estas tecnologías son:

a) es necesario el uso de complicadas transiciones para poder acceder a los acopladores integrados, lo que degrada las prestaciones de los mismos, y b) es necesario utilizar complejas estructuras de capas que reducen la repetibilidad e incrementan los costes de fabricación.

Para evitar estos inconvenientes es especialmente interesante el uso de tecnologías planares compatibles con la tecnología microstrip. Los principales inconvenientes que surgen a la hora de afrontar el diseño de estos "acopladores en tecnologías compatibles con la microstrip" son:

a) conseguir altos niveles de acoplamiento, y b) compensar las velocidades de fase de los modos (que al ser modos quasi-TEM no tienen la misma constante dieléctrica efectiva) para conseguir altas prestaciones en toda la banda de operación.

En el diseño de acopladores de banda ancha, la opción más utilizada es utilizar "acopladores de múltiples secciones", con un pequeño rizado en el acoplamiento, mediante técnicas basadas en polinomios de Chebyshev [Cristal Sep1965]. Los inconvenientes de estas estructuras son:

a) la necesidad de secciones con un nivel de acoplamiento elevado, b) cada una de las secciones debe conseguir un directividad elevada por separado, y c) el efecto parásito de las discontinuidades tiende a deteriorar el comportamiento del acoplador.

El "acoplador direccional acoplado por ranura" [Tanaka Dic1988], es capaz de conseguir un altísimo nivel de acoplamiento, pero debido a que no es una estructura homogénea y al efecto parásito de las discontinuidades no es posible conseguir buenas prestaciones a alta frecuencia, [Abbosh Feb2007], [Abbosh Sep2007] y [Moscoso-Mártir Mar2009].

Frente a los acopladores de múltiples secciones, los "acopladores no uniformes" parecen una alternativa que soluciona definitivamente el problema de las discontinuidades [Uysal 1989] y [Duncan Dic1998]. Pero éstos presentan otros inconvenientes respecto a los acopladores de múltiples secciones como son:

a) el aumento de la longitud eléctrica de la estructura, b) la necesidad de un mayor nivel de acoplamiento, y c) un diseño altamente complicado.

Cabe señalar asimismo que son conocidos en el estado de la técnica acopladores planares que emplean "corrugados" en las pistas para igualar las velocidades de fase de los modos par e impar [Uysal 1989], [Duncan Dic1998], no obstante sus prestaciones a frecuencias de microondas siguen siendo bajas, y su diseño de construcción resulta complejo.

Todo lo anterior demuestra que el diseño de acopladores de banda ancha, integrados directamente en placa, con altas prestaciones es un problema técnico que aún no se ha resuelto satisfactoriamente. Sería por tanto deseable poder implementar acopladores con una sencillez en el diseño similar al de los acopladores de múltiples secciones pero sin el problema de los efectos parásitos de las discontinuidades y de que la estructura no sea homogénea. De esta manera no sería necesario ni recurrir a las estructuras enterradas homogéneas, lo que abarataría los costes de fabricación y mejoraría la repetibilidad, ni abordar un diseño tan complicado como el de los acopladores no uniformes.

DESCRIPCiÓN DE LA INVENCiÓN

Mediante la presente invención se solucionan los inconvenientes anteriormente citados proporcionando un acoplador direccional, basado en el acoplador direccional acoplado por ranura, mediante el cual es posible optimizar considerablemente sus prestaciones en tecnología planar integrada, haciendo posible la compensación del efecto parásito introducido por las discontinuidades de las ranuras, así como la compensación de las velocidades de fase de sus dos modos de propagación, par e impar, siendo dicho acoplador direccional implementable en una o varias secciones, simétrico o asimétrico.

Para ello, dado que los modos par e impar que se propagan en un acoplador direccional acoplado por ranura son intrínsecamente ortogonales, y que se ha comprobado que las diferentes discontinuidades mantienen dicha ortogonalidad, es posible modelar y simular la propagación de ambos modos por separado a partir de sus circuitos equivalentes. La recuperación del comportamiento final del acoplador a partir de las matrices de parámetros "S" de la propagación de ambos modos por separado se realiza de la siguiente forma [Monghia 1999]:

SA =

SB... [Seguir leyendo]

1. Acoplador (1) direccional acoplado por ranura, de especial aplicación en tecnología planar a frecuencias de microondas, existiendo en dicho acoplador (1) un efecto parásito de las discontinuidades producidas en sus dos modos de propagación, par e impar, comprendiendo dicho acoplador (1) una estructura multicapa en la que dos pistas (2) microstrip se encuentran acopladas a través de una ranura (3) abierta en el plano de masa común a ambas, y dos capas de substrato (4) dieléctrico, caracterizado porque la ranura (3) comprende unas transiciones (5, 6) para compensar el efecto parásito de las discontinuidades y modificar las longitud de las diferentes secciones para el caso del modo par de forma transparente al modo impar, así como un corrugado (7) transparente al modo impar, que permite incrementar la longitud eléctrica de la estructura para el modo par gracias a las reactancias que introducen, haciendo así posible que las longitudes eléctricas del modo para e impar sean iguales.

2. Acoplador (1) direccional acoplado por ranura, de acuerdo con reivindicación 1, caracterizado porque el corrugado (7) se encuentra dispuesto en los laterales de la ranura (3) , y porque las transiciones (5, 6) se encuentran definidas desde el extremo de la ranura (3) cuya longitud eléctrica se desea alargar hacia la siguiente o siguientes, reduciendo la longitud efectiva de la ranura (3) o ranuras (3) adyacentes, o se extiende eliminando parte del plano de masa de las pistas de acceso a la estructura en el caso de que dicha ranura (3) esté situada en uno de los extremos del acoplador (1) .

3. Acoplador (1) direccional acoplado por ranura, de acuerdo con reivindicación 1, caracterizado porque el corrugado (7) comprende unos dientes con forma rectangular o triangular, así como transiciones (5, 6) con un perfil arbitrario.

4. Acoplador (1) direccional acoplado por ranura, de acuerdo con reivindicación 1, caracterizado porque el corrugado (7) presenta una dimensión en anchura muy inferior a la longitud de onda de la señal transmitida.

5. Acoplador (1) direccional acoplado por ranura, de acuerdo con reivindicación 1, caracterizado porque la ranura (3) presenta al menos una sección.

6. Acoplador (1) direccional acoplado por ranura, de acuerdo con reivindicación 1, caracterizado porque presenta una configuración simétrica o asimétrica.

7. Acoplador (1) direccional acoplado por ranura, de acuerdo con reivindicación 1, caracterizado porque es de material plástico.

8. Acoplador (1) direccional acoplado por ranura, de acuerdo con reivindicación 1, caracterizado porque es de material cerámico.

9. Procedimiento de diseño del acoplador (1) descrito en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque comprende las siguientes etapas:

a) selección del número de secciones y el conjunto de impedancias que ha de tener el acoplador (1) en función del nivel de acoplamiento, el ancho de banda y la respuesta deseados, b) obtención de las dimensiones iniciales del acoplador (1) a partir de un análisis modal 2-D de la estructura, c) simulación del acoplador (1) direccional en un modelo circuital (8) con objeto de establecer qué es lo que provoca el deterioro de la estructura, d) optimización de la respuesta del modo impar a partir de su circuito equivalente modificando la longitud y el ancho de las pistas (2) , e) simulación del modo par a partir de las dimensiones de las pistas (2) obtenidas en la etapa anterior y las anchuras (G) de las ranuras (3) obtenidas en la etapa de obtención de dimensiones b) , f) inclusión de unas transiciones (5, 6) entre las discontinuidades de las ranuras (3) y modificación de su longitud (Ltransición) hasta conseguir que el comportamiento en fase del modo par sea lineal y con una pendiente lo más paralela posible a la del modo impar sin estropear su comportamiento en módulo, g) Introducción de un corrugado (7) en las secciones de las ranuras (3) , eligiendo la anchura (Wcorrugado) del corrugado (7) lo suficientemente pequeña para que sea mucho menor que la longitud de onda, h) modificación de la anchura (G) de las ranuras (3) y por tanto también de la longitud (Ltransición) de las transiciones (5, 6) para ajustar la respuesta del modo par en módulo, y i) simulación del acoplador (1) completo.

10. Procedimiento de diseño de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque la etapa de simulación del modo par e) depende de las características del acoplador (1) a diseñar, de manera que si los efectos parásitos de las discontinuidades estropean el comportamiento en fase de la estructura para el modo par se continúa por la etapa de inclusión de transiciones (5, 6) f) , y si no están afectando se continúa por la etapa de introducción del corrugado (7) g) .

11. Procedimiento de diseño de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque si en la etapa de inclusión de transiciones (5, 6) f) se consigue un desfase constante de 1800 entre los modos par e impar se continúa por la etapa de modificación de la anchura (G) de las ranuras (3) h) .

12. Procedimiento de diseño de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque si en la etapa de inclusión de transiciones (5, 6) f) la pendiente en la fase del modo par es menor que la pendiente del modo impar se continúa por la etapa de introducción del corrugado (7) g) .

13. Procedimiento de diseño de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque en la etapa de introducción del corrugado (7) g) se modifica la anchura (G) de las ranuras (3) y la longitud (Lcorrugado) de los dientes del corrugado (7) hasta conseguir igualar la respuesta en módulo de la estructura para ambos modos par e impar, y que exista un desfase constante de 1800 entre ellos en toda la banda de diseño.

14. Procedimiento de diseño de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizado porque se continúa por la etapa de simulación final del acoplador (1) i) .

15. Procedimiento de diseño de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque tras la etapa de simulación i) se realiza un ajuste fino de alguno de los parámetros del acoplador (1) .

DIBUJOS

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FIG. lA

ESTADO DE LA TÉCNICA

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FIG.7

FIG.8

Etapasa-e

No afecta

Paralelas

FIG.9