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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

En��el��ámbito��de��la��radiocomunicación��comercial��se��tiende��cada��vez��más��

hacia�� el�� diseño��de��equipos�� transceptores��de�� radiofrecuencia��o��microondas��

que�� proporcionen�� el�� mayor�� número�� posible�� de�� servicios�� con�� un�� tamaño��

compacto��y��costes�� reducidos.��Tanto��el��incremento��en��el��número��de��servicios��

ofrecidos:��Bluetooth,��GPS,�� telefonía��móvil��2G,��3G,��4G,��etc;��como��la��necesidad��

de�� mayores�� anchos�� de�� banda�� para�� soportar�� mayor�� cantidad�� de�� tráfico�� de��

datos�� y�� enlaces�� más�� rápidos,�� provocan�� que�� los�� equipos�� transceptores��

comerciales��tengan��cada��vez��un��carácter��más��universal.��Esta��tendencia��actual��

en�� la�� búsqueda�� de�� equipos�� universales,�� reconfigurables,�� compactos�� y�� con�� un��

coste��reducido,��se��extiende��generalmente��tanto��a��los��equipos��terminales��como��

a��los��equipos��de��certificación.��

Las��tecnologías��planares��multicapa��suponen��uno��de��los��factores��clave��en��

el��desarrollo��de��este��tipo��de��equipos��transceptores��compactos��multi��estándar.��

Este��tipo��de��tecnología��se��basa��en��concentrar��en��un��único��sustrato��plástico��o��

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��

incorporan��al��sustrato��mediante��algún��procedimiento��de��soldadura��o��pegado.��

De��este��modo,��las��tecnologías��planares��proporcionan��una��alta�� capacidad��de��

integración��a��costes��razonables.��

La��realización��de��este��tipo��de��equipos��universales��mediante��tecnologías��

planares��multicapa��supone��un�� importante�� reto��desde�� el��punto��de�� vista��de��

diseño.��El��alto��nivel��de��integración��necesario��dificulta��el��diseño��de��los��distintos��

subsistemas��de�� microondas��que��lo��componen,��así��como��la��interconexión��entre��

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��

algunos��de��los��tipos��de��subsistemas��pasivos��más��importantes��que��forman��parte��

de��la��arquitectura��de��un��transceptor��de��microondas.��En��concreto,��en��esta��Tesis��

se��pueden��identificar��dos��líneas��de��trabajo��claramente��diferenciadas:��el��diseño��

de��filtros��paso��banda��de��microondas��y��diseño��de��otros��subsistemas��pasivos��con��

características��de��banda��ancha.��

Los��filtros��paso��banda��son��uno��de��los��elementos��más��importantes��en��una��

cadena�� transceptora�� de�� radiofrecuencia.�� En�� esta�� Tesis�� se�� presentan�� varios��

diseños�� de�� filtros�� paso��banda�� de�� microondas�� integrados�� en�� sustrato.�� En��

particular��se��han��desarrollado�� varios�� diseños�� en�� tecnología�� de�� guía�� de�� ondas��

integrada�� en�� sustrato�� (Substrate�� Integrated�� Waveguide�� o�� SIW)�� y�� dos�� diseños�� en��

topología��interdigital.��Ambas��tecnologías��permiten��lograr��filtros��de��microondas��

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�� de��factor��de��calidad.��Recientemente��se��pueden��

encontrar�� numerosos�� ejemplos�� en�� la�� bibliografía�� centrados�� en�� intentar��

minimizar�� el��tamaño�� de�� este�� tipo��de�� filtros,�� en��búsqueda�� de�� diseños�� más��

compactos.��En��esta��Tesis��se��presentan��varios��prototipos��de��filtros��SIW��que��se��

han�� diseñado�� aplicando�� una�� estrategia�� de�� diseño�� específicamente��

desarrollada.��Mediante��esta��estrategia��se��han��logrado��diseñar��diferentes��tipos��

de�� respuesta�� en�� frecuencia,�� logrando�� en�� todos�� los�� casos�� un�� filtro�� cuya��

superficie��siempre��es��igual,��o��incluso��inferior��en��algunos��casos,��al��área��de��un��

único��resonador.��Además��de��lograr��diseños��muy��compactos��para��este��tipo��de��

estructuras,�� otra�� ventaja�� importante�� es�� que�� todos�� los�� diseños,��

independientemente�� de�� la�� respuesta�� en�� frecuencia�� implementada,�� se�� han��

logrado��aplicando��la��misma��metodología��de��diseño��y��las��mismas��estructuras��de��

acoplamiento.��Esta��homogeneidad,��desde��el��punto��de��vista��de��la��metodología��

de�� diseño,�� supone��una�� interesante�� ventaja�� frente�� a�� otro�� tipo�� de�� soluciones��

que,�� si�� bien�� pueden�� proporcionar�� unas�� prestaciones�� similares��en��términos��

eléctricos�� y�� de�� tamaño,�� son�� realizaciones�� particularizadas�� para�� alguna��

topología��concreta.��

Por��otra��parte,��los��filtros��interdigitales��son,��dentro��de��los��filtros��clásicos�� de��

resonadores��en��líneas��de��transmisión,��una��de��las��mejores��opciones��para��lograr��

diseños��compactos��de��filtros��todo��polo.��En��esta��Tesis��se��presentan��dos��diseños��

de��filtros��interdigitales��distintos,��mediante��los��que��se��demuestra��que��se��pueden��

implementar��ceros��de��transmisión��introduciendo��una��estructura��adicional��que��no��

modifica�� sustancialmente�� las�� dimensiones�� totales�� del�� diseño�� clásico.�� Esta��

estructura�� permite�� introducir�� ceros�� de�� transmisión�� de�� dos�� formas�� distintas,��

debido��a��que��puede��presentar��diferentes��comportamientos��según��su��longitud��

eléctrica.��En��el��contexto��de��estos��diseños��se��discute��el��modelado��circuital��de��la��

estructura��física��y��se��demuestra��su��utilidad��para��mejorar��la��selectividad��de��los��

filtros��interdigitales��clásicos.��En��uno��de��los��diseños��la��estructura��adicional��se��

usa�� como�� un�� inversor�� de�� admitancias�� para�� implementar�� un�� acoplamiento��

cruzado.��En��el��otro��diseño��se��usa��como��un��resonador��adicional��que��se��añade��al��

cuerpo�� del�� filtro�� interdigital�� clásico,�� alterando�� su�� topología.�� Por�� tanto,�� ni��

proceso�� de�� diseño�� del�� filtro�� ni�� la�� respuesta�� en�� frecuencia�� resultante�� son��

canónicos,��pero��las��prestaciones��eléctricas��del��prototipo��junto��a��su��tamaño��lo��

hacen��muy��interesante��desde��un��punto��de��vista��práctico��de��ingeniería.��

En��la��línea��de��investigación��de��subsistemas��pasivos��integrados��en��sustrato��

con��características��de��banda��ancha,��se��presentan��varios��diseños��diferentes.��Uno��de��

los��diseños�� que��se��propone��es��un��acoplador��direccional��asimétrico��de��banda��

ancha.��Para�� este�� tipo�� de��diseños��se��discute��brevemente��la��técnica�� de�� diseño��

habitual��y��se��presenta��una��solución�� particular�� para�� conectar�� los�� puertos�� del��

dispositivo�� a�� la�� etapa�� de�� mayor�� acoplamiento,�� evitando�� la�� degradación�� de��

prestaciones��que��suelen��producir��los��accesos��más��convencionales.����

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��

técnica��se��aplica��sobre��resistores��de��montaje��superficial��montados��sobre��sustrato��

plástico��y��también��sobre��resistores��impresos��en��cerámica,��proporcionando��en��

ambos�� casos�� resultados�� excelentes.�� Por�� último,�� además�� de�� estos�� diseños��

propios��de��la��arquitectura��de��un��transceptor��de��microondas,��la��integración��de��los��

subsistemas�� en��una�� plataforma�� multicapa�� conlleva�� también�� la�� necesidad��de��

diseñar��con��cuidado��todas��las��interconexiones��entre��los��subsistemas��implicados.��

Dichas�� interconexiones�� pueden�� realizarse�� entre�� subsistemas�� ubicados�� en��

distintos��niveles��de��metalización��de��la��estructura��multicapa��y��deben��establecer��

la�� conexión�� de�� una�� forma�� casi�� transparente.�� En�� esta�� Tesis�� se�� propone�� una��

estrategia��de��diseño��para��diseñar��transiciones�� verticales��de�� alta�� calidad��y��de��

banda��ancha��mediante��“via��holes”.��El��objetivo��de��esta��estrategia��no��es��obtener��la��

transición��óptima��para��cada��caso��particular��sino��ofrecer��un��conjunto��de��pautas��de��

diseño�� que�� de�� forma�� sistemática�� permitan�� diseñar�� transiciones�� de�� buenas��

prestaciones��eléctricas��con��un��esfuerzo�� razonable.��


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