Tesis doctoral
Título | Diseño de dispositivos pasivos de microondas en tecnologías planares multicapa |
Estado | Finalizado |
Autor | Benito López Berrocal |
Director/es | Íñigo Molina Fernández , José de Oliva Rubio |
Universidad | Universidad de Málaga |
Centro | Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación |
Departamento | Ingeniería de Comunicaciones |
Fecha lectura | 15-09-2017 |
Enelámbitodelaradiocomunicacióncomercialsetiendecadavezmás
hacia el diseñodeequipos transceptoresde radiofrecuenciaomicroondas
que proporcionen el mayor número posible de servicios con un tamaño
compactoycostes reducidos.Tantoelincrementoenelnúmerodeservicios
ofrecidos:Bluetooth,GPS, telefoníamóvil2G,3G,4G,etc;comolanecesidad
de mayores anchos de banda para soportar mayor cantidad de tráfico de
datos y enlaces más rápidos, provocan que los equipos transceptores
comercialestengancadavezuncaráctermásuniversal.Estatendenciaactual
en la búsqueda de equipos universales, reconfigurables, compactos y con un
costereducido,seextiendegeneralmentetantoalosequiposterminalescomo
alosequiposdecertificación.
Lastecnologíasplanaresmulticapasuponenunodelosfactoresclaveen
eldesarrollodeestetipodeequipostransceptorescompactosmultiestándar.
Estetipodetecnologíasebasaenconcentrarenunúnicosustratoplásticoo
cerámico todos los subsistemas de un sistema complejo. Parte de los
subsistemas se diseñan integrados en el propio sustrato y otros son
incorporados como dispositivos de montaje superficial o en chip, que se
incorporanalsustratomediantealgúnprocedimientodesoldaduraopegado.
Deestemodo,lastecnologíasplanaresproporcionanunaalta capacidadde
integraciónacostesrazonables.
Larealizacióndeestetipodeequiposuniversalesmediantetecnologías
planaresmulticapasuponeun importante retodesde elpuntode vistade
diseño.Elaltoniveldeintegraciónnecesariodificultaeldiseñodelosdistintos
subsistemasde microondasquelocomponen,asícomolainterconexiónentre
ellos.
Esta Tesis se centra en el diseño de varios dispositivos pasivos de
microondas integrados en tecnologías planares multicapa. El trabajo
realizado se basa en proponer varias técnicas o estrategias para diseñar
algunosdelostiposdesubsistemaspasivosmásimportantesqueformanparte
delaarquitecturadeuntransceptordemicroondas.Enconcreto,enestaTesis
sepuedenidentificardoslíneasdetrabajoclaramentediferenciadas:eldiseño
defiltrospasobandademicroondasydiseñodeotrossubsistemaspasivoscon
característicasdebandaancha.
Losfiltrospasobandasonunodeloselementosmásimportantesenuna
cadena transceptora de radiofrecuencia. En esta Tesis se presentan varios
diseños de filtros pasobanda de microondas integrados en sustrato. En
particularsehandesarrollado varios diseños en tecnología de guía de ondas
integrada en sustrato (Substrate Integrated Waveguide o SIW) y dos diseños en
topologíainterdigital.Ambastecnologíaspermitenlograrfiltrosdemicroondas
con una buena relación de compromiso entre tamaño y prestaciones
eléctricas.
Los filtros SIW suponen en la actualidad un área de investigación
importante ya que, entre otras cosas, permiten obtener filtros basados en
resonadores con valores altos defactordecalidad.Recientementesepueden
encontrar numerosos ejemplos en la bibliografía centrados en intentar
minimizar eltamaño de este tipode filtros, enbúsqueda de diseños más
compactos.EnestaTesissepresentanvariosprototiposdefiltrosSIWquese
han diseñado aplicando una estrategia de diseño específicamente
desarrollada.Medianteestaestrategiasehanlogradodiseñardiferentestipos
de respuesta en frecuencia, logrando en todos los casos un filtro cuya
superficiesiempreesigual,oinclusoinferiorenalgunoscasos,aláreadeun
únicoresonador.Ademásdelogrardiseñosmuycompactosparaestetipode
estructuras, otra ventaja importante es que todos los diseños,
independientemente de la respuesta en frecuencia implementada, se han
logradoaplicandolamismametodologíadediseñoylasmismasestructurasde
acoplamiento.Estahomogeneidad,desdeelpuntodevistadelametodología
de diseño, suponeuna interesante ventaja frente a otro tipo de soluciones
que, si bien pueden proporcionar unas prestaciones similaresentérminos
eléctricos y de tamaño, son realizaciones particularizadas para alguna
topologíaconcreta.
Porotraparte,losfiltrosinterdigitalesson,dentrodelosfiltrosclásicos de
resonadoresenlíneasdetransmisión,unadelasmejoresopcionesparalograr
diseñoscompactosdefiltrostodopolo.EnestaTesissepresentandosdiseños
defiltrosinterdigitalesdistintos,mediantelosquesedemuestraquesepueden
implementarcerosdetransmisiónintroduciendounaestructuraadicionalqueno
modifica sustancialmente las dimensiones totales del diseño clásico. Esta
estructura permite introducir ceros de transmisión de dos formas distintas,
debidoaquepuedepresentardiferentescomportamientossegúnsulongitud
eléctrica.Enelcontextodeestosdiseñossediscuteelmodeladocircuitaldela
estructurafísicaysedemuestrasuutilidadparamejorarlaselectividaddelos
filtrosinterdigitalesclásicos.Enunodelosdiseñoslaestructuraadicionalse
usa como un inversor de admitancias para implementar un acoplamiento
cruzado.Enelotrodiseñoseusacomounresonadoradicionalqueseañadeal
cuerpo del filtro interdigital clásico, alterando su topología. Por tanto, ni
proceso de diseño del filtro ni la respuesta en frecuencia resultante son
canónicos,perolasprestacioneseléctricasdelprototipojuntoasutamañolo
hacenmuyinteresantedesdeunpuntodevistaprácticodeingeniería.
Enlalíneadeinvestigacióndesubsistemaspasivosintegradosensustrato
concaracterísticasdebandaancha,sepresentanvariosdiseñosdiferentes.Unode
losdiseños queseproponeesunacopladordireccionalasimétricodebanda
ancha.Para este tipo dediseñossediscutebrevementelatécnica de diseño
habitualysepresentaunasolución particular para conectar los puertos del
dispositivo a la etapa de mayor acoplamiento, evitando la degradación de
prestacionesquesuelenproducirlosaccesosmásconvencionales.
Otra de las aportaciones se produce en el ámbito del diseño de cargas
adaptadas. En este caso se propone una técnica de diseño para mejorar la
adaptación en banda ancha de un resistor de 50 puesto a tierra. Dicha
técnicaseaplicasobreresistoresdemontajesuperficialmontadossobresustrato
plásticoytambiénsobreresistoresimpresosencerámica,proporcionandoen
ambos casos resultados excelentes. Por último, además de estos diseños
propiosdelaarquitecturadeuntransceptordemicroondas,laintegracióndelos
subsistemas enuna plataforma multicapa conlleva también la necesidadde
diseñarconcuidadotodaslasinterconexionesentrelossubsistemasimplicados.
Dichas interconexiones pueden realizarse entre subsistemas ubicados en
distintosnivelesdemetalizacióndelaestructuramulticapaydebenestablecer
la conexión de una forma casi transparente. En esta Tesis se propone una
estrategiadediseñoparadiseñartransiciones verticalesde alta calidadyde
bandaanchamediante“viaholes”.Elobjetivodeestaestrategianoesobtenerla
transiciónóptimaparacadacasoparticularsinoofrecerunconjuntodepautasde
diseño que de forma sistemática permitan diseñar transiciones de buenas
prestacioneseléctricasconunesfuerzo razonable.
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