5.Capítulo 4

Capítulo-4:
Transiciones
entre
Líneas
de
Transmisión
Una transición es una interconexión entre dos líneas de transmisión, que debe poseer
bajas pérdidas de inserción y altas pérdidas por retorno. Alcanzaremos estas
características mediante una cuidadosa adaptación de impedancias y campos
electromagnéticos entre líneas. Para que una transición funcione correctamente, los
caminos de señal y de tierra deben ser continuos debiendo estar muy próximos para
suprimir la radiación.
1 Introducción
Sabemos que la línea coaxial es muy apropiada para llevar la señal entre dispositivos de
microondas intolerantes a la interferencia, ya que proporciona un gran ancho de banda
y alto aislamiento. Sin embargo, cuando la frecuencia va aumentando, la línea coaxial
deja de ser tan adecuada debido a sus altas pérdidas. Se abandona el coaxial por la
guía de ondas. Pero en general, el peso, tamaño, y coste de ambas líneas las excluyen
en la mayoría de los módulos de microondas. En cambio, para encaminar las señales
electromagnéticas dentro de esos módulos se usan las líneas de transmisión planares.
Por lo tanto, usaremos líneas planares dentro de los módulos, y coaxial o guía de ondas
fuera de ellos. Por ello, necesitaremos usar transiciones entre ellas. Algunos ejemplos
se pueden ver a continuación:
Ilustración 1: Ejemplos de Transiciones. Línea Coaxial-Microstrip; Guía de Ondas CircularMicrostrip
Físicamente, una transición es una estructura no uniforme que conecta dos líneas de
transmisión. La transición permite que la geometría transversal de los conductores de
tierra y de señal, cambien su forma de una línea a otra. Una transición bien diseñada
convierte el campo transversal y la impedancia característica de una línea a la otra,
dentro de una banda de frecuencias deseada, manteniendo bajas pérdidas de
inserción, y altas pérdidas por retorno a la entrada. Las pérdidas de inserción deben ser
menores que 0.25 dB. Las pérdidas por retorno, debe ser al menos de 15 dB. Además,
una buena transición debe ser fácil de fabricar, mecánicamente robusta, e insensible a
las variaciones de temperatura.
La primera limitación de las transiciones es su ancho de banda, que depende en
primera instancia de sus características modales de transmisión. Vamos a dividir las
líneas de transmisión en dos grupos según sus conductores: estructuras
multiconductor, que propagan modos TEM, y guías de ondas con un solo conductor,
cuyo modo dominante es el TE.
En la primera de las figuras anteriores, la transición debe tener un gran ancho de
banda, dado que tanto la línea coaxial como la microstrip transmiten el modo TEM, y
tienen impedancias independientes de la frecuencia, con una frecuencia de corte de 0
Hz. En principio, el límite superior del ancho de banda de la transición viene limitado
solo por cuánto de pequeña podamos hacer las dimensiones transversales de esas
líneas de transmisión.
Si vemos una transición como un circuito cerrado de dos puertos, conservación de la
energía significa que todo lo que entra por el puerto de entrada debe salir por el de
salida. Una transición que no esté del todo cerrada, podría estar bien adaptada, pero
sin embargo tener unas altas pérdidas de inserción por radiación. Tendremos pérdidas
excesivas por radiación en transiciones donde el camino de tierra es eléctricamente
largo o discontinuo, o cuando los caminos de tierra y señal están muy separados. De
todas formas debemos tener en cuenta que algo de radiación se va a desprender de la
transición, por lo que se podría interferir en dispositivos vecinos.
2 Transiciones de Línea Coaxial a Microstrip
Usadas normalmente en tarjetas PCB. La impedancia característica del modo TEM en la
línea coaxial y en la línea microstrip es usualmente la misma (50
), por lo que en la
etapa de diseño solo nos esforzaremos en adaptar las configuraciones de campo, y de
diseñar los caminos de corriente de señal y de tierra. Las configuraciones más típicas
son: montaje sobre el borde y montaje vertical. En el primero, la línea coaxial se pega a
la microstrip en el borde de la placa, y en el segundo caso, el conductor central del
coaxial pasa a través de la placa interceptando ortogonalmente la línea microstrip que
estará debajo.
2.1 Transiciones Montadas sobre el Borde
De un vistazo, las configuraciones de campo de la línea coaxial y de la microstrip
parecen diferentes, pero hemos de tener en cuenta que el campo se encuentra
confinado entre dos conductores. El campo en la línea coaxial se encuentra distribuido
alrededor del conductor central, mientras que el campo en la microstrip se encuentra
concentrado en el sustrato bajo la tira. Una de los diseños más óptimos para este tipo
de transición es el dado por Eisenhart, el cual podemos ver en la siguiente figura:
Ilustración 2: Transición de Heisenhart´s para Línea Coaxial-Microstrip
Como el conductor central va deslizándose poco a poco hacia la placa, el campo
electromagnético tenderá a estar concentrado bajo el conductor central como en la
línea microstrip. Además, los caminos de tierra y corriente estarán bien adaptados,
estando muy próximos entre sí, paralelos, y prácticamente no diferenciados en
longitud.
Esta transición es ideal para circuitos prototipos de microondas bajo test. Pero, su
significativa longitud y su relativo alto coste, la hacen no deseable como transición para
producción masiva de PCBs de microondas.
Ilustración 3: Detalle Transición Coaxial-Microstrip
En la figura anterior podemos observar que el conector coaxial incluye una
protuberancia para el conductor central de la línea coaxial, a través de la cual será
soldado a la línea microstrip. Los pines de tierra se pegan a los bordes del conector
coaxial haciendo contacto con la plataforma metalizada en la capa superior de la placa
y cualquiera de las caras de la línea microstrip. Ya que el plano de tierra de la línea
microstrip se encuentra entre las dos capas dieléctricas de este circuito, usaremos
perforaciones para llevar la tierra del coaxial a la tierra de la placa. Las perforaciones en
cada plataforma deben ser espaciadas una longitud menor de un cuarto de longitud de
onda para mantener suprimida la radiación.
Ilustración 4: Detalle Caminos de Tierra y de Señal en la Transición Coaxial-Microstrip
Mientras que la corriente de señal sigue un camino entre el conductor central y la línea
microstrip esencialmente recto y continuo, el camino de corriente de tierra es más
indirecto. En particular, la separación entre los pines de tierra determina la separación
entre los caminos de tierra y señal y la frecuencia más alta de operación de la
transición. Para evitar radiaciones se recomienda que la separación entre pines no
exceda de un quinto de la longitud de onda a la máxima frecuencia de operación.
Cuando el ancho de la tira es demasiado estrecho como para realizar una buena
soldadura entre el conductor central del coaxial y la línea microstrip se tiene un
problema. Si eliminamos el plano de tierra bajo la línea microstrip, ésta se comportará
como una línea coplanar (CPW), por lo que podremos ensanchar la traza central
teniendo aún un cómodo hueco entre conductores de tierra. De este modo, la
transición se realizará en dos transiciones, una de coaxial a CPW , y la segunda de CPW
a la línea microstrip. Podemos ver esto en la siguiente figura:
Ilustración 5: Transición con Ayuda de Línea CPW
Aunque la impedancia de la CPW y la microstrip son las mismas en cualquiera de las
caras del paso entre ellas, el ancho final del conductor central de CPW estará acoplado
capacitivamente al plano de tierra microstrip. Con la ayuda de un simulador, podemos
reducir la capacitancia eliminando una porción del plano de tierra, además de extender
la banda de frecuencias de la transición. El camino de las corrientes de tierra toma
lugar por los pines de tierra del conector hacia las plataformas de tierra de la CPW. Las
perforaciones al final de las plataformas bajan las corrientes de tierra al plano de tierra
de la línea microstrip. Interrumpiremos las corrientes de tierra si eliminamos las
perforaciones que interconectan la línea CPW y plano de tierra microstrip como
podemos ver en la siguiente figura:
Ilustración 6: Transición Coaxial-Microstrip sin Via Holes
Con las perforaciones, las pérdidas por retorno exceden los 20 dB, las pérdidas de
inserción son menores que 0.25 dB a frecuencias mayores de 5 GHz. Sin perforaciones,
las pérdidas por retorno son cercanas a 0 dB en continua, como podíamos esperar.
Conforme la impedancia capacitiva (
) del hueco decrezca con la frecuencia, la
corriente de tierra se acoplará más fuertemente a través de éste, y las pérdidas por
retorno aumentarán.
Los conectores de transiciones sobre el borde tienden a estar limitados en banda por la
separación entre caminos de señal y de tierra. Para reducir la separación, deberíamos
usar una transición sin conector como podemos ver en la siguiente figura:
Ilustración 7: Transición sin Conector
En esta transición, el cable coaxial está soldado directamente a la plataforma metálica
en la placa. Las perforaciones bajo la plataforma proporcionarán un corto camino hacia
el plano de tierra de la línea microstrip.
2.2 Transiciones Montadas Verticalmente
Si necesitamos una transición en medio de una placa, podemos usar una transición
montada ortogonalmente a ella. El conector de esta transición viene con una extensa
sonda para el conductor central, y como en la transición de montaje en el borde, con
cuatro pines de tierra, como podemos apreciar en la siguiente figura:
Ilustración 8: Ejemplo de Transición Ortogonal
Insertaremos estos conductores a través de perforaciones en la placa, soldándolos a la
plataforma metálica en la capa superior. En la parte del circuito donde se coloca la
transición, las ondas electromagnéticas se propagarán en una línea de transmisión de
cinco cables. Para permitir esta propagación debemos eliminar el metal que interviene
en todos los planos conductores. La corriente de tierra fluirá a través de los pines de
tierra al plano de tierra de la línea microstrip. La corriente de señal irá a través del
conductor central, girando luego abruptamente a la capa microstrip.
Como en el tipo de transición anterior, el espaciado entre los pines de tierra y los pines
de señal establecerán la máxima frecuencia de operación de la transición. Una regla
aproximada para seleccionar espaciado entre pines de tierra es: 15 % de la longitud de
onda en el espacio libre a la frecuencia más alta.
La transición tipo N mostrada a continuación, está diseñada para separar los caminos
de señal de alta y baja frecuencia:
Ilustración 9: Transición Tipo N. Sin Vias Internas; Con Vias Internas
El conector tipo N es muy robusto. El stub que observamos dirige las señales de baja
frecuencia, como las electrostáticas hacia la tierra, protegiendo la circuitería en la cara
de la línea microstrip. Escogemos el ancho del stub y el número de perforaciones a
tierra para manejar la potencia disipada en una descarga electrostática. La longitud del
stub es de un cuarto de la longitud de onda a la frecuencia central de la banda de
operación. Este circuito abierto evitará que alguna señal no deseada se propague por el
stub. Por ello, el stub reducirá el ancho de banda de la transición drásticamente,
extendiéndose solo unos cientos de megahertzios alrededor de la frecuencia central de
operación.
Ilustración 10: Transición Ortogonal de Bajo Coste
La figura anterior muestra una transición de bajo coste sin conector entre una línea
coaxial y una línea microstrip. Esta transición se usa sobre una antena de parche. Para
minimizar las pérdidas en la antena, colocamos una línea microstrip suspendida.
Normalmente, la parte más cara de una transición es el conector, por lo que si lo
reemplazamos con cuatro remaches, una pequeña placa, y un cable coaxial desnudo,
ahorraremos mucho en costes. En contraste a la transición sin conector vista
anteriormente, ahora no podemos soldar la sobrecubierta del cable coaxial a la
plataforma en la capa microstrip, y usar vías al plano de tierra para completar el
camino de las corrientes de tierra. En la región que existe entre la tierra de la línea
microstrip y la propia línea, no hay pines de tierra o perforaciones cercanas para
confinar el campo. De este modo, para tener bajas pérdidas por radiación, debemos
minimizar el ancho de la suspensión de aire.
3 Transiciones entre Guía de Ondas y Microstrip
Las guías de ondas se usan en torno a frecuencias del orden de los 20 GHz, donde sus
bajas pérdidas se antojan como gran ventaja. Estas transiciones sirven como
interconexiones entre módulos sellados o entre módulos y antenas. Conocemos de
capítulos anteriores que en este tipo de líneas existe un modo dominante, el cual
tendrá una cierta frecuencia de corte por debajo de la que existe una excesiva
atenuación de las ondas electromagnéticas. La mayoría de las transiciones están
diseñadas para operar en la banda de frecuencias del modo de propagación dominante
solamente, que es 2:1 en guías rectangulares, y 1,3:1 en guías circulares. La impedancia
de este tipo de líneas varía con la frecuencia, y además depende del modo de
propagación, por lo que el diseño de estas transiciones se presenta como un reto.
Además la impedancia es mucho mayor que 50 , por lo que el ancho de banda de las
transiciones raramente alcanza por completo el ancho de banda del modo dominante.
3.1 Transiciones Ortogonales
Ilustración 11: Transición Ortogonal hacia Guía de Ondas Circular
La figura anterior muestra una transición ortogonal hacia una guía circular. La línea
microstrip sobresale a través de un estrecho canal hacia el interior de la guía. El canal
es lo suficientemente estrecho, pequeño, y alto, para que el único modo que se
propague en la banda de operación sea el modo excitado en la línea microstrip. Todos
los demás modos estarán en corte. El plano de tierra de la línea microstrip termina en
el borde de la guía principal, habilitando de este modo que la corriente de señal se
excite en la sonda. Ya que la sonda radia de igual manera hacia arriba como hacia abajo
en la guía, bloquearemos la dirección no deseada con un cortocircuito en la parte más
baja de la guía, situada aproximadamente un cuarto de la longitud de onda de la
sonda. En efecto, este cortocircuito creará un circuito abierto en el plano de la sonda
por lo que la onda que vuelve radiada del fondo hacia la sonda, se sumará en fase a la
onda excitada sobre la transición en el otro sentido.
Para que este tipo de transiciones funcione correctamente, el plano de tierra de la
línea microstrip debe hacer contacto eléctrico con el suelo del canal. La corriente que
fluye por el plano de tierra microstrip debe poder fluir ininterrumpidamente en el
conductor de la guía de ondas.
En la siguiente figura podemos ver cómo incluso con un diminuto hueco entre el plano
de tierra microstrip y el canal, el funcionamiento de la transición es seriamente
afectado:
Ilustración 12: Afección de un Gap entre el Dieléctrico y el Plano de Tierra
En la figura observamos cómo se propaga una distribución de campo eléctrico. Si no
hubiera hueco, este modo solo se podría propagar en el canal. Por ello, el hueco que
separa el plano de tierra microstrip y el canal forma una guía de placas paralelas, por la
que se podrán propagar modos como los de la figura. Claramente debemos construir
una conexión física entre la guía y la tierra de la línea microstrip, para una correcta
realización de la transición. Esta conexión podría realizarse mediante adhesivos
conductores como la plata.
En el primer caso visto hasta ahora, la línea microstrip ha sido fabricada sobre una
única capa de dieléctrico, por lo que el plano de tierra microstrip podría montarse
directamente sobre la superficie del canal. En el siguiente ejemplo tendremos dos
capas de sustrato, por lo que el plano de tierra estará localizado entre las dos capas.
Ilustración 13: Transición con Una PCB con Dos Capas
Tal transición tendrá pérdidas, a menos que encontremos una forma de asegurar un
buen contacto eléctrico entre el plano de tierra microstrip y el suelo del canal. Una
forma simple para tener un camino continuo de las corrientes de tierra entre el plano
de tierra microstrip y el suelo del canal es taladrar perforaciones a través de la placa
como se observa en el siguiente esquema:
Ilustración 14: Detalle Uso de Vias
Varios pares de estas perforaciones rechazarán modos no deseados entre capas. Para
cuatro pares de éstas, las pérdidas por retorno superan los 20 dB, siendo las pérdidas
de inserción insignificantes.
3.2 Transiciones en el Borde
Ilustración 15: Transición en el Borde
Ya que la guía de ondas de placas paralelas tiene conductores de señal y de tierra
separados, cada componente de corriente debe fluir en paredes separadas. Tanto la
línea microstrip como su plano de tierra deben hacer contacto con la guía de ondas.
Esta transición también es llamada balun
(balanced-unbalanced), ya que es una
estructura que transforma una línea de transmisión no balanceada, con un conductor a
potencial de tierra y el otro referido a ésta, a una línea de transmisión balanceada, para
la que ambos conductores están a potenciales iguales pero de polaridad opuesta. En la
figura anterior, la línea microstrip es la no balanceada, y la guía de placas paralelas es la
balanceada. Esta transición es bastante inusual.
4 Transiciones de Líneas Microstrip Hacia otras Líneas de
Transmisión Planares
A veces necesitamos transiciones entre módulos dentro de la misma placa, por lo que
lo óptimo será usar este tipo de componentes. Por ejemplo, una transición entre una
línea CPW y una microstrip. Ambas líneas propagan un modo cuasi-TEM, por lo que
para hacer el diseño de la transición lo primero que haremos será adaptar las
impedancias características de ambas líneas. La corriente de señal irá de la línea
microstrip hacia el conductor central de la línea CPW casi sin obstáculos. A veces, el
plano de tierra de las líneas microstrip y CPW están en diferentes capas. El campo
eléctrico en la CPW está orientado paralelamente a la superficie del sustrato, que será
perpendicular al plano de campo de la línea microstrip. Por ello, el campo eléctrico
deberá rotarse 90 grados al pasar por la transición, y será el camino de las corrientes
de tierra tomado en la transición, el responsable de la rotación. A continuación
queremos minimizar la distancia sobre la cual, las corrientes de señal y tierra fluyen
perpendicularmente una sobre la otra para minimizar la radiación, lo que significa que
debemos localizar las perforaciones en la tierra de CPW lo más cerca posible al
conductor central. Este tipo de transición es mostrado en la siguiente figura:
Ilustración 16: CPW-Microstrip con la Corriente de Tierra Cambiando de Capas
Ilustración 17: CPW-Microstrip con Corriente de Señal Cambiando de Capas
En la anterior figura tenemos otra posibilidad para la transición entre líneas CPW y
microstrip. En este caso es la señal la que cambia de capas conductoras. La señal fluye
hasta el final de la línea microstrip y baja mediante perforaciones al plano de tierra de
microstrip. En el fondo de la perforación, la corriente se divide en dos, fluyendo cada
mitad a lo largo de una slot line. Al mismo tiempo, la corriente de tierra de la línea
microstrip fluye hasta que alcanza el hueco y se divide, con cada mitad fluyendo a lo
largo de la slot line en la cara opuesta a la de la señal, con sentido contrario. La slot line
se une en la parte más alta de la figura, para formar la línea CPW. En contraste a la
anterior transición, las corrientes de tierra y señal fluyen en direcciones paralelas
cercanas siempre, y en estrecha proximidad.
Esta transición debe funcionar con o sin perforación en el camino de señal. Con la
perforación, el ancho de banda se extenderá hasta los 0 Hz, y sin ella, no será posible la
operación en DC ya que existirá acoplo entre las corrientes de la línea microstrip y el
plano de tierra.
Algunos circuitos con muchas capas necesitan transiciones verticales que lleven las
señales de RF de una capa a otra más abajo, u otra capa de RF. Estas transiciones de
microstrip a microstrip son las que se muestran en la siguiente figura:
Ilustración 18: Transición Microstrip-Microstrip
Una línea de transmisión multi-cable formada por las tres perforaciones, proporcionan
los caminos de señal y corriente de tierra a través de la placa. El espaciado y el
diámetro de las vías han sido escogidos para adaptar la impedancia de 50
de la línea
microstrip. Como en la transición entre coaxial y microstrip, debemos eliminar el metal
de los planos de tierra para no cortocircuitar el campo TEM. En particular, los caminos
de corriente de señal y de tierra no son paralelos en la región donde esta última fluye
por la circunferencia de la zona eliminada de metal del plano de tierra microstrip.
Podemos acortar el camino de corriente de tierra reduciendo el diámetro de la zona
eliminada, pero de esta manera deberemos reducir el espaciado de las perforaciones y
por ello, cambiaremos la impedancia de la línea trifilar formada. Para mantener la
misma impedancia, deberemos reducir el diámetro también.
5 Transiciones en Circuitos de Microondas en Pruebas
Los circuitos de pruebas se usan para evaluar el comportamiento de dispositivos
activos de microondas como amplificadores, mezcladores, o conmutadores. Medimos
los parámetros S del dispositivo mediante un analizador de redes en el rango de
frecuencias de interés. La mayoría de los analizadores usan puertos coaxiales o guías
de ondas, mientras que la mayoría de los circuitos usan líneas microstrip como interfaz
con el dispositivo. Una transición comúnmente usada es la coaxial-microstrip sobre el
borde.
En la banda de ondas milimétricas, muchas veces se usan estructuras fijas basadas en
guías de ondas como la que vemos en la figura:
Ilustración 19: Circuito Montaje de Pruebas
Ésta es una estructura reutilizable en la que montamos el dispositivo activo a lo largo
del sustrato requerido, para el reparto de las corrientes de DC y de las señales RF en un
fino transportador de metal. Sujetamos el transportador a un bloque de metal, y
colocamos una transición de guía de ondas a microstrip en cada extremo del
transportador, proporcionando de esta manera la interfaz RF. Ya que queremos quitar
el transportador y reemplazarlo por otro, cada vez que vayamos a probar algo, el
transportador y la transición de guía de ondas necesitan dos circuitos separados de
microstrip que se conectan a través de un cable como se ve en la siguiente figura:
Ilustración 20: Detalle del Uso de Cables
El bloque de metal y el transportador son partes separadas, por lo que existe un
pequeño hueco entre ellos. Hay muchas maneras de puentear el hueco: en la figura
anterior, las líneas microstrip han sido cortadas a ras de los bordes del bloque de metal
y el transportador. Un cable atraviesa el hueco entre los conductores de señal,
completando el camino de señal. El camino de la corriente de tierra es mucho más
largo, al menos dos veces el espesor del transportador. En la siguiente figura podemos
ver una última forma de realizar el puenteo:
Ilustración 21: Detalle del Puenteo