Clase Nro
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- Pages: 23
1. CIRCUITOS DE ALTAS FRECUENCIAS • Los circuitos de altas frecuencias se fabrican actualmente en la región de los •GHz Los circuitos de altas frecuencias se fabrican en técnica híbrida • La técnica de Circuitos Integrados Monolíticos de Microondas • Causas del desarrollo de Circuitos de altas frecuencias en técnica integrada
• Circuitos de altas frecuencias de Silicio • Circuitos Integrados monolíticos de GaAs. (Alta movilidad electrónica). • La técnica híbrida es la mas usada por su bajo costo de producción. • La técnicas de fabricación pelicular MICROSTRIP muestra grandes ventajas.
• El uso de Guías de Ondas metálicas no encuentran aplicación en la tecnología integrada. 1
2. TIPOS DE GUÍAS DE ONDAS PELICULARES • Las guías de Ondas peliculares son líneas de transmisión de Microondas. – Tienen la forma de cintas planas conductoras Dispuestas sobre un Sustrato • Línea MICROSTRIP dieléctrico invertida. • Estructura de fácil fabricación. • Bajo costo de diseño. • Es la estructura más usada
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• Línea MICROSTRIP de tres platos se fabrica de sustratos de plásticos. Se presentan ciertas limitaciones: • El incluir la pista central hace imposible modificaciones al corregir la longitud de las pistas o agregar componentes • Línea MICROSTRIP con sustrato suspendido. • Tiene un alto rendimiento debido a su estructura blindada. • Presenta alta precisión en sus Características eléctricas. 3
• Línea MICROSTRIP flotante. • Presentan una baja atenuación. • Se encuentra dentro de un sustrato metalizado. • Línea MICROSTRIP de imagen dieléctrica. • Las ondas se alimentan por medio de una pista metálica dispuesta en el • Micro guía. La pista mas dieléctrico. ancha determina la frecuencia de operación. • Es posible lograr resonancia en el primer armónico 4
• Los líneas MICROSTRIP de la técnica MIC sirven de interfaz entre diferentes tipos de líneas y para generar un determinado acoplamiento por ejemplo de impedancias.
• Microstrip coplanar
• Microstrip coplanar de dos pistas
• Microstrip asimétrico
• Microstrip de Hendidura.
• Microstrip con masa de hendidura
• Microstrip de banda
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3. TIPOS DE MODOS DE PROPAGACIÓN • Se desea en un diseño simplificado de un circuito
• En una línea MICROSTRIP: – El modo de propagación fundamental es: • Una ONDA HÍBRIDA. – Con componentes: » Del campo eléctrico » Del campo magnético – En la dirección de propagación
• En forma general se denominan estos campos: – Onda o Modo Hen • n: es el número de veces que la DENSIDAD DE CORRIENTE en la dirección “y”, cambia de sentido.
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• El modo fundamental es la onda HE0. – Este modo tiende a convertirse en una Onda Plana TEM, • Para las bajas frecuencias. • Donde el Grosor del dieléctrico “h” se hace muy pequeño respecto a la longitud de Onda. • El modo HE0 se denomina MODO PSEUDO-TEM. 4. DISTRIBUCIÓN DEL CAMPO DEL MODO FUNDAMENTAL • El sistema MICROSTRIP está formado por: – Un conductor de ida – Un conductor de vuelta
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• Como una aproximación generalizada – Para la región estable del PSEUDO MODO TEM HE0 – Se puede tomar para la frecuencia de corte del primer modo superior:HE1 – Por lo tanto la frecuencia de corte del primer modo superior se simplifica a la expresión – c0= es la velocidad de la luz en el vacío • Es válido entonces, para la región estable del modo fundamental de la línea MICROSTRIP: 8
• En una línea MICROSTRIP la onda híbrida se propaga: – Una parte por el aire – Otra parte por el sustrato • Cs dentro del sustrato. – A diferentes Velocidades de propagación. • Ca en el aire
• En la figura se muestra cualitativamente la distribución de la componente “JZ” de la densidad de corriente • En la dirección “y” no presenta cambio de sentido • Por lo tanto se trata del MODO HE0
9
• En la figura se observa la distribución de las líneas de campo de una MICROSTRIP con blindaje metálico en un cote • Para simplificar el transversal problema se usó en z=constante. la solución, un blindaje metálico.
• Representación tridimensional del campo magnético en una línea MICROSTRIP
10
• Representación tridimensional del campo eléctrico y magnético en una línea MICROSTRIP
11
5. DISTRIBUCIÓN DEL CAMPO DE LOS MODOS SUPERIORES
12
• De acuerdo al diagrama anterior • En la altas frecuencias • Se agregan MODOS HÍBRIDOS, los cuales presentan una CONSTANTE DE FASE β altamente dependiente de la frecuencia. • En la región rayada se representa • La cantidad de la RADIACIÓN • Que incrementa la ATENUACIÓN DE POTENCIA en la línea MICROSTRIP ABIERTA. • El Modo Superior TM0 como el MODO FUNDAMENTAL HE0 del MICROSTRIP no presenta una FRECUENCIA DE CORTE • Lo que genera radiación e incrementa la Atenuación. • La figura muestra la distribución de campo del Modo Superior TM0. • La frecuencia de corte del Modo Superior mas cercano la: TE0 se obtiene de la relación:
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6. IMPEDANCIA DE ONDA Y PERMITIVIDAD APROXIMACIÓN ESTÁTICA • En las bajas frecuencias se propaga en la línea MICROSTRIP aproximadamente el modo TEM. • Se obtienen de de una IMAGEN La Impedancia Onda ZL CONFORME. • Y la Constante de Fase β • Para esto se determinan en el PLANO DE LA IMAGEN CONFORME. • La Capacidad superficial C’ • Y la Velocidad de Fase vφ • Despreciando la atenuación es válido • Se obtiene para la Inductancia Superficial: • Se obtiene para la Impedancia de Onda
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• La Velocidad de propagación se obtiene para una línea con Dieléctrico No Homogéneo • La capacidad superficial C’ de la línea se expresa: • Si C0’ es la capacidad superficial de la línea con AIRE como dieléctrico
• La Constante Dieléctrica relativa efectiva εr,eff para un medio homogéneo se puede calcular aproximadamente comparando una con otra, las componentes de campo en cada una de las superficies. (En forma general por aproximación y a través de Imagen Conforme). • εr,eff se determina de curvas y diagramas. • VKF Es el factor abreviado para la Longitud de Onda de la Línea λ. • λ0 Es la longitud de Onda en el Vacío. 15
• Se obtiene para la Impedancia de Onda:
• Donde ZL0 es la Impedancia de la línea con un Dieléctrico de aire 7. APROXIMACIÓN ESTÁTICA DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD SUPERFICIAL • Para determinar la CAPACITANCIA SUPERFICIAL de acuerdo al ejemplo de la línea MICROSTRIP con dieléctrico de aire en la figura a. • En la figura b se muestra una IMAGEN CONFORME del corte transversal.
16
• De acuerdo a la figura c anterior a través de la IMAGEN CONFORME se obtiene una distribución de campo homogénea. • Por lo que se obtiene para LA CAPACITANCIA SUPERFICIAL: • Se obtiene la Impedancia de onda
8. APROXIMACIÓN ESTÁTICA PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LA LÍNEA A partir de la IMAGEN CONFORME es posible determinar el comportamiento asimptótico de las MAGNITUDES de la línea MICROSTRIP para determinadas condiciones de borde: • Para: w/h<<1 para εr aprox. Igual a 1 • Y para: w/h>>1. Conociendo a partir de mediciones y tratamiento teórico, se obtienen: • La ecuación analítica: ZL(w /h, εr,t=0) • La ecuación sintetizadora: w/h( ZL, εr,t=0) • Para ≤ ≤∞ ≤ ≤∞ r 0 w/h y 1 ε 17 • Ecuación
• Ecuación analítica
• Ecuación sintetizadora
• El error para “ZL” queda definido en la región válida para la aproximación estática, para todos los casos por debajo del 1% al 2%
18
• Impedancia de onda ZL calculada numéricamente y Permitividad efectiva εr,efec dependiente de la anchura normada del conductor w/h=0-1,8
19
• Impedancia de onda calculada numéricamente ZL y Permitividad efectiva εr dependiente de la anchura normada del conductor w/h=1,5-5
ANCHURA NORMADA EL CONDUCTOR
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9. ANÁLISIS DINÁMICO • Numéricamente se determina un sistema de funciones considerando la dependencia de la frecuencia y de la componente longitudinal del campo, como solución. • Se representa la ecuación, tomando como magnitudes conocidas: • La anchura del conductor: w/h • La Permitividad del sustrato: εr. • El Producto h.f en GHz.mm para un grosor de la línea 10. EFECTO DEL GROSOR DEL CONDUCTOR SOBRE ZL Y MICROSTRIP t=0 εr,,eff • ZL y εr,efect no experimenta variación alguna si las dimensiones transversales se incrementan o disminuyen en valores múltiplos de las dimensiones de diseño. • Para líneas de cobre se diseñan para un grosor del conductor de t=35μm o de 17,5μm, independiente de la altura h. 21
• Para valores de la altura h muy grandes se obtienen las Magnitudes Características de la línea para t=0. • Disminuyendo la altura h manteniendo constante la relación w/h, • Se incrementa la componente de las líneas de Campo Eléctrico E, • Las cuales inician o finalizan en la superficie lateral y=±w/2 de la línea pelicular. Siendo Δw el Ensanchamiento equivalente del • En la curva a continuación se muestra un ejemplo de la conductor. dependencia que presenta respecto al grosor del conductor ZL,dyn y VKFdyn para un sustrato del material EPSILAM 10.
22
• La Impedancia de Onda ZL,dyn y el factor de reducción VKFdyn en función del grosor del conductor t para f=2GHz, εr=10,3, w=1,2mm, h=1,27mm y sustrato de Epsilam 10.
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• Circuitos de altas frecuencias de Silicio • Circuitos Integrados monolíticos de GaAs. (Alta movilidad electrónica). • La técnica híbrida es la mas usada por su bajo costo de producción. • La técnicas de fabricación pelicular MICROSTRIP muestra grandes ventajas.
• El uso de Guías de Ondas metálicas no encuentran aplicación en la tecnología integrada. 1
2. TIPOS DE GUÍAS DE ONDAS PELICULARES • Las guías de Ondas peliculares son líneas de transmisión de Microondas. – Tienen la forma de cintas planas conductoras Dispuestas sobre un Sustrato • Línea MICROSTRIP dieléctrico invertida. • Estructura de fácil fabricación. • Bajo costo de diseño. • Es la estructura más usada
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• Línea MICROSTRIP de tres platos se fabrica de sustratos de plásticos. Se presentan ciertas limitaciones: • El incluir la pista central hace imposible modificaciones al corregir la longitud de las pistas o agregar componentes • Línea MICROSTRIP con sustrato suspendido. • Tiene un alto rendimiento debido a su estructura blindada. • Presenta alta precisión en sus Características eléctricas. 3
• Línea MICROSTRIP flotante. • Presentan una baja atenuación. • Se encuentra dentro de un sustrato metalizado. • Línea MICROSTRIP de imagen dieléctrica. • Las ondas se alimentan por medio de una pista metálica dispuesta en el • Micro guía. La pista mas dieléctrico. ancha determina la frecuencia de operación. • Es posible lograr resonancia en el primer armónico 4
• Los líneas MICROSTRIP de la técnica MIC sirven de interfaz entre diferentes tipos de líneas y para generar un determinado acoplamiento por ejemplo de impedancias.
• Microstrip coplanar
• Microstrip coplanar de dos pistas
• Microstrip asimétrico
• Microstrip de Hendidura.
• Microstrip con masa de hendidura
• Microstrip de banda
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3. TIPOS DE MODOS DE PROPAGACIÓN • Se desea en un diseño simplificado de un circuito
• En una línea MICROSTRIP: – El modo de propagación fundamental es: • Una ONDA HÍBRIDA. – Con componentes: » Del campo eléctrico » Del campo magnético – En la dirección de propagación
• En forma general se denominan estos campos: – Onda o Modo Hen • n: es el número de veces que la DENSIDAD DE CORRIENTE en la dirección “y”, cambia de sentido.
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• El modo fundamental es la onda HE0. – Este modo tiende a convertirse en una Onda Plana TEM, • Para las bajas frecuencias. • Donde el Grosor del dieléctrico “h” se hace muy pequeño respecto a la longitud de Onda. • El modo HE0 se denomina MODO PSEUDO-TEM. 4. DISTRIBUCIÓN DEL CAMPO DEL MODO FUNDAMENTAL • El sistema MICROSTRIP está formado por: – Un conductor de ida – Un conductor de vuelta
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• Como una aproximación generalizada – Para la región estable del PSEUDO MODO TEM HE0 – Se puede tomar para la frecuencia de corte del primer modo superior:HE1 – Por lo tanto la frecuencia de corte del primer modo superior se simplifica a la expresión – c0= es la velocidad de la luz en el vacío • Es válido entonces, para la región estable del modo fundamental de la línea MICROSTRIP: 8
• En una línea MICROSTRIP la onda híbrida se propaga: – Una parte por el aire – Otra parte por el sustrato • Cs dentro del sustrato. – A diferentes Velocidades de propagación. • Ca en el aire
• En la figura se muestra cualitativamente la distribución de la componente “JZ” de la densidad de corriente • En la dirección “y” no presenta cambio de sentido • Por lo tanto se trata del MODO HE0
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• En la figura se observa la distribución de las líneas de campo de una MICROSTRIP con blindaje metálico en un cote • Para simplificar el transversal problema se usó en z=constante. la solución, un blindaje metálico.
• Representación tridimensional del campo magnético en una línea MICROSTRIP
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• Representación tridimensional del campo eléctrico y magnético en una línea MICROSTRIP
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5. DISTRIBUCIÓN DEL CAMPO DE LOS MODOS SUPERIORES
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• De acuerdo al diagrama anterior • En la altas frecuencias • Se agregan MODOS HÍBRIDOS, los cuales presentan una CONSTANTE DE FASE β altamente dependiente de la frecuencia. • En la región rayada se representa • La cantidad de la RADIACIÓN • Que incrementa la ATENUACIÓN DE POTENCIA en la línea MICROSTRIP ABIERTA. • El Modo Superior TM0 como el MODO FUNDAMENTAL HE0 del MICROSTRIP no presenta una FRECUENCIA DE CORTE • Lo que genera radiación e incrementa la Atenuación. • La figura muestra la distribución de campo del Modo Superior TM0. • La frecuencia de corte del Modo Superior mas cercano la: TE0 se obtiene de la relación:
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6. IMPEDANCIA DE ONDA Y PERMITIVIDAD APROXIMACIÓN ESTÁTICA • En las bajas frecuencias se propaga en la línea MICROSTRIP aproximadamente el modo TEM. • Se obtienen de de una IMAGEN La Impedancia Onda ZL CONFORME. • Y la Constante de Fase β • Para esto se determinan en el PLANO DE LA IMAGEN CONFORME. • La Capacidad superficial C’ • Y la Velocidad de Fase vφ • Despreciando la atenuación es válido • Se obtiene para la Inductancia Superficial: • Se obtiene para la Impedancia de Onda
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• La Velocidad de propagación se obtiene para una línea con Dieléctrico No Homogéneo • La capacidad superficial C’ de la línea se expresa: • Si C0’ es la capacidad superficial de la línea con AIRE como dieléctrico
• La Constante Dieléctrica relativa efectiva εr,eff para un medio homogéneo se puede calcular aproximadamente comparando una con otra, las componentes de campo en cada una de las superficies. (En forma general por aproximación y a través de Imagen Conforme). • εr,eff se determina de curvas y diagramas. • VKF Es el factor abreviado para la Longitud de Onda de la Línea λ. • λ0 Es la longitud de Onda en el Vacío. 15
• Se obtiene para la Impedancia de Onda:
• Donde ZL0 es la Impedancia de la línea con un Dieléctrico de aire 7. APROXIMACIÓN ESTÁTICA DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD SUPERFICIAL • Para determinar la CAPACITANCIA SUPERFICIAL de acuerdo al ejemplo de la línea MICROSTRIP con dieléctrico de aire en la figura a. • En la figura b se muestra una IMAGEN CONFORME del corte transversal.
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• De acuerdo a la figura c anterior a través de la IMAGEN CONFORME se obtiene una distribución de campo homogénea. • Por lo que se obtiene para LA CAPACITANCIA SUPERFICIAL: • Se obtiene la Impedancia de onda
8. APROXIMACIÓN ESTÁTICA PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LA LÍNEA A partir de la IMAGEN CONFORME es posible determinar el comportamiento asimptótico de las MAGNITUDES de la línea MICROSTRIP para determinadas condiciones de borde: • Para: w/h<<1 para εr aprox. Igual a 1 • Y para: w/h>>1. Conociendo a partir de mediciones y tratamiento teórico, se obtienen: • La ecuación analítica: ZL(w /h, εr,t=0) • La ecuación sintetizadora: w/h( ZL, εr,t=0) • Para ≤ ≤∞ ≤ ≤∞ r 0 w/h y 1 ε 17 • Ecuación
• Ecuación analítica
• Ecuación sintetizadora
• El error para “ZL” queda definido en la región válida para la aproximación estática, para todos los casos por debajo del 1% al 2%
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• Impedancia de onda ZL calculada numéricamente y Permitividad efectiva εr,efec dependiente de la anchura normada del conductor w/h=0-1,8
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• Impedancia de onda calculada numéricamente ZL y Permitividad efectiva εr dependiente de la anchura normada del conductor w/h=1,5-5
ANCHURA NORMADA EL CONDUCTOR
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9. ANÁLISIS DINÁMICO • Numéricamente se determina un sistema de funciones considerando la dependencia de la frecuencia y de la componente longitudinal del campo, como solución. • Se representa la ecuación, tomando como magnitudes conocidas: • La anchura del conductor: w/h • La Permitividad del sustrato: εr. • El Producto h.f en GHz.mm para un grosor de la línea 10. EFECTO DEL GROSOR DEL CONDUCTOR SOBRE ZL Y MICROSTRIP t=0 εr,,eff • ZL y εr,efect no experimenta variación alguna si las dimensiones transversales se incrementan o disminuyen en valores múltiplos de las dimensiones de diseño. • Para líneas de cobre se diseñan para un grosor del conductor de t=35μm o de 17,5μm, independiente de la altura h. 21
• Para valores de la altura h muy grandes se obtienen las Magnitudes Características de la línea para t=0. • Disminuyendo la altura h manteniendo constante la relación w/h, • Se incrementa la componente de las líneas de Campo Eléctrico E, • Las cuales inician o finalizan en la superficie lateral y=±w/2 de la línea pelicular. Siendo Δw el Ensanchamiento equivalente del • En la curva a continuación se muestra un ejemplo de la conductor. dependencia que presenta respecto al grosor del conductor ZL,dyn y VKFdyn para un sustrato del material EPSILAM 10.
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• La Impedancia de Onda ZL,dyn y el factor de reducción VKFdyn en función del grosor del conductor t para f=2GHz, εr=10,3, w=1,2mm, h=1,27mm y sustrato de Epsilam 10.
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