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CONGRESO NACIONAL DE INSTRUMENTACION

DISEÑO Y ANALISIS DE TRANSICIONES COPLANAR - MICROCINTA PARA SU OPERACION EN EL INTERVALO DE FRECUENCIAS DE 1 A 50 GHz

P. Rosas, J. Medina1, D. Hernández

Dpto de posgrado, Facultad. de Ingeniería, UABC Mexicali Tel: (6) 566-4270 ext. 340, Email: [email protected]

RESUMEN En este trabajo, se presentan diferentes alternativas para desarrollar transiciones de alta frecuencia que emplean dos tecnologías diferentes como es el caso de la guía de onda coplanar y la tecnología de microcinta. En los circuitos planares de alta frecuencia desarrollados con tecnología de microcinta, se requieren transiciones microcinta - coplanar en sus puertos de entrada y salida, con el fin de poder efectuar una caracterización de los circuitos o dispositivos sin requerir agregar conectores coaxiales y minimizando las parasitancias. Por otro lado, en los dispositivos o circuitos desarrollados con tecnología coplanar, se requiere agregar transiciones coplanar -microcinta en sus puertos de entrada y salida para interconectarlos con circuitos de microcinta o bien para encapsularlos y agregar conectores coaxiales. Se proponen y diseñan nuevas estructuras y se presentan resultados del análisis del comportamiento en el intervalo de frecuencias de 1 a 50 GHz. ABSTRACT In this work, different alternatives to develop microstrip-to-coplanar waveguide transitions at high frequency are presented. In high frequency planar circuits developed with microstrip technology, microstrip-to-coplanar transitions are required in their input and output ports, in order to characterize circuits or devices avoiding the use of coaxial connectors and reducing in this way the parasitic effects. On the other hand, in devices or circuits developed in coplanar technology is necessary to add coplanar-to-microstrip transitions in their input and output ports to interconnect them with microstrip circuits or to encapsulate them, as well as to add subsequently coaxial connectors. Different transition structures are proposed and designed. The frequency response of each proposed structure is studied and the scattering parameter results are given in the 1 to 50 GHz frequency range. 1. INTRODUCCION Actualmente, las estructuras para la transmisión de señales de microondas se realizan en su mayoría en tecnologías planares, es decir, que para su construcción se utilizan líneas de transmisión cuyas características eléctricas pueden determinarse a partir de las dimensiones físicas presentadas en un solo plano del substrato en que están construidos los elementos. Las tecnologías planares más comúnmente utilizadas son la microcinta y la Guía de Onda Coplanar. En el desarrollo de circuitos híbridos de microondas es común que se requiera conectar componentes activos, que fueron desarrollados en algún tipo específico de tecnología planar, con líneas de transmisión realizadas en otra tecnología. Una técnica común para solucionar este problema es utilizar pequeños alambres metálicos para lograr la conexión entre circuitos, con un efecto que muchas veces degrada en gran medida la respuesta del circuito total, debido principalmente a un efecto inductivo de los alambres a frecuencias de microondas y ondas

1 CICESE, Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones Km. 107 Carretera Tijuana-Ensenada, 22860 Ensenada B. C. México Tel. (6) 175-0555, FAX: (6) 175-0554 Email: [email protected]

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milimétricas. Sin embargo, empleando transiciones entre las líneas de distintas tecnologías es posible evitar este tipo de inconvenientes. Existen diversos trabajos relacionados con el diseño y análisis de transiciones de estructuras planares, entre los que se encuentran el realizado por Burke y Jackson [1], quienes presentan un método de acoplamiento de una guía coplanar localizada en un lado del substrato con una microcinta grabada sobre el otro lado. En dicha estructura el acoplamiento entre ambas estructuras es electromagnético y no requiere de hoyos metalizados ni alambres para interconectarlas. Por otro lado, Golja y colaboradores [2] diseñaron y construyeron una transición coplanar – microcinta en un substrato de GaAs con un espesor de 100µm, empleando ambas caras del substrato y hoyos metalizados. Otra de las investigaciones realizadas se encuentra en el trabajo publicado por Yook y colaboradores [3], los cuales estudian diferentes configuraciones de transiciones por medio de los métodos de Diferencias Finitas en el Dominio del Tiempo TDFD y el de Elementos Finitos FEM. Se analizan tres estructuras en donde la primera consiste de una guía coplanar que se encuentra por un lado del substrato y la microcinta por el otro, en donde el acoplamiento es electromagnético. La segunda estructura es similar a la primera pero se utiliza un hoyo metalizado para interconectar ambos lados del substrato. En la tercera estructura tanto la guía coplanar como la microcinta se encuentran del mismo lado del substrato y por el otro el plano de tierra. En este trabajo se proponen y diseñan nuevas estructuras y se presentan resultados del análisis del comportamiento en el intervalo de frecuencias de 1 a 50 GHz. Para ello, se presentan los resultados del análisis de onda completa aplicado a distintas estructuras de transición de Guía de Onda Coplanar con plano de tierra adicional (GOCPA) a microcinta, que fue realizado con el Simulador de Estructuras para Altas Frecuencias HFSS que emplea el Método de Elementos Finitos FEM [4]. 2. DISEÑO DE LAS TRANSICIONES Las características que se deben cumplir para diseñar y construír transiciones coplanar – microcinta son: Diseño fácil y rápido, facilidad de construcción, así como lograr un comportamiento adecuado, en donde se obtengan pérdidas por regreso adecuadas en el modo de reflexión y bajas pérdidas por inserción en el modo de transmisión dentro del ancho de banda de operación. En el diseño de las transiciones, se utilizan expresiones cerradas obtenidas del análisis cuasi-estático de la microcinta y la GOCPA basadas en el método de transformación conforme [5]. Al utilizar líneas de GOCPA, se pueden obtener diferentes configuraciones geométricas que satisfacen un valor de impedancia característica específico (por ejemplo 50Ω) [5], al contrario de lo que sucede con las líneas de microcinta para las cuales solo un valor de ancho del conductor

cumple con el valor de impedancia propuesta (considerando una constante dieléctrica ( rε ) y espesor del dieléctrico (h) iguales en los dos casos). Por esta razón es posible obtener diferentes configuraciones para la sección de GOCPA. La estructura básica de una transición coplanar - microcinta se muestra en la figura 1, en la cual se pueden observar las tres secciones que constituyen la transición, destacando la central en la que existe una variación en el valor de la separación S desde su valor mínimo correspondiente al ancho de la ranura de la GOCPA original, hasta su valor máximo que corresponde a una línea de GOCPA cuyo conductor central tiene el mismo ancho que la línea de microcinta. En esta sección, se busca minimizar el desacoplamiento entre ambas estructuras mediante una conversión paulatina de una tecnología a la otra, por medio de líneas de transmisión de 50Ω de pequeñas longitudes cuya sección transversal está regida por la forma de variación del parámetro S.

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Figura 1. Estructura básica de una transición coplanar – microcinta.

La forma en que varía la separación S, dependerá de las siguientes condiciones: • Mantener una impedancia de 50 Ω a lo largo de la estructura. • La distancia entre los planos de tierra (W+2S) de la sección de línea de GOCPA debe ser

menor a 300 µm (que es la dimensión de puntas de prueba coplanares empleadas comúnmente para medición).

• Al inicio de la segunda sección, las dimensiones de las líneas deberán cumplir la condición de que exista propagación de modos de GOCPA y que al final de esta se presenten modos de microcinta, con el propósito de minimizar pérdidas o desacoplamientos.

Esto último, genera una zona modos indefinidos de cuya longitud depende el comportamiento final de las transiciones. La condición para que se presenten estos modos se expresa como [6]:

S h << 1 Modo de GOCPA (1a) S h > 2 Modo de Microcinta (1b)

donde S es el ancho de las ranuras y h es el espesor del substrato. Para diseñar las transiciones, se propone que en la parte coplanar la separación del conductor central o ancho de las ranuras (S) sea el parámetro que rija el cálculo de las líneas de transmisión. Por lo tanto, se establece la manera en que varía la separación S y se calcula el ancho W correspondiente a una impedancia de 50Ω. La longitud física se calcula para tener λ/4 a la frecuencia central del rango de interés en la primera y tercera sección, mientras que para la segunda donde se cambia de tecnología se determina geométricamente. Empleando el paquete Line Calc de MDS [7], se diseñaron cinco estructuras para dos substratos diferentes: RT/Duroid 6006 (εr=6.15, h=0.254mm) y el RT/Duroid 6010 (εr=10.2, h=0.254mm). Los parámetros geométricos de las transiciones diseñadas se presentan en las Tablas 1 a 5. La transición C10508 cuyos parámetros geométricos se muestran en la Tabla 1, se diseña para el substrato RT/Duroid 6010, con S=80 µm y W=100 µm para la sección de línea de GOCPA, y

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W=249 µm para la sección de microcinta. Las longitudes de las secciones coplanar y microcinta se obtuvieron para operación a 50 GHz. Con dichas dimensiones, se tiene una relación entre los anchos de la línea de microcinta y la GOCPA de 2.49 y una relación separación - espesor S/h = 0.315.

Tabla 1

Duroid 6010 Transición C10508

Secc. GOCPA Secc. Microcinta Secc. de cambio de tecnología

Ancho de las ranuras SGOCPA=80µm *** Smax=939µm Ancho del conductor WGOCPA=100µm WGOCPA=249µm ***

Long. Física de la sección lGOCPA=641µm lGOCPA=539µm l=591µm Incremento en S *** *** ∆S=31µm

Long. de los incrementos *** *** ∆l=31µm Tabla 1. Parámetros geométricos de la transición C10508.

Los parámetros geométricos de la transición C61503 se presentan en la Tabla 2. Esta se diseña para el substrato RT/Duroid 6006, con S=30µm y W=66µm para la sección de línea de GOCPA, y W=385µm para la sección de microcinta. La relación entre los anchos de los conductores centrales de las líneas es de 5.83 y S/h = 0.118. Se propuso que la longitud de la zona de cambio de tecnología fuera distinta en ambas transiciones para observar su efecto sobre los parámetros de dispersión de la estructura.

Tabla 2 Duroid 6006 Transición C61503



Long. Física de la sección lGOCPA=877µm lGOCPA=688µm l=783µm

Incremento en S *** *** ∆S=31µm Long. de los incrementos *** *** ∆l=41µm

Tabla 2. Parámetros geométricos de la transición C61503. La transición C61506 cuyos parámetros geométricos se muestran en la Tabla 3, se diseña para el substrato de RT/Duroid 6006, con S=60µm y W=158µm para la sección de línea de GOCPA, y W=385µm para la sección de microcinta. Para esta estructura, la relación entre los anchos de los conductores centrales de las líneas es de 2.437 y S/h = 0.236. Con estas dimensiones se intenta desvanecer el modo de GOCPA lo más rápidamente posible en la sección de cambio de tecnología de la nueva transición al aumentar el valor de la relación S/h, mantener constante la razón entre la W de la línea de microcinta y la W de la línea de GOCPA, conforme al valor de la transición C10508 con la intención de procurar las buenas características de esta, además de mantener la longitud aproximada de la zona de cambio de tecnología similar al de la transición C61503 y la forma en que incrementa la relación S/h en ella.

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Tabla 3 Duroid 6006 Transición C61506



Long. Física de la sección lGOCPA=815µm lGOCPA=688µm l=751µm Incremento en S *** *** ∆S=29.7µm

Long. de los incrementos *** *** ∆l=39.5µm Tabla 3. Parámetros geométricos de la transición C61506.

Con la intención de reducir el cambio abrupto en el paso del ancho del conductor de la línea de GOCPA al de la línea de microcinta, se aumenta la longitud de la sección de cambio de tecnología. Para ello se propuso la transición P61506 cuyos parámetros geométricos se muestran en la Tabla 4. La transición P61506 está diseñada para el substrato de RT/Duroid 6006, con S=60µm y W=158µm para la sección de línea de GOCPA, y W=371µm para la sección de microcinta. En esta estructura se pretende mantener valores muy similares en la relación entre los anchos de las líneas y S/h que las de la transición C61506. Los valores de estas para la transición P61506 son de 2.348 para la relación entre anchos de conductores y de 0.236 para S/h.

Tabla 4 Duroid 6006 Transición P61506


Ancho de las ranuras SGOCPA=60µm *** Smax=465µm

Ancho del conductor WGOCPA=158µm WGOCPA=371µm ***

Long. Física de la sección lGOCPA=1153µm lGOCPA=988µm l=1070µm Incremento en S *** *** ∆S=21.3µm Long. de los incrementos *** *** ∆l=56.3µm

Tabla 4. Parámetros geométricos de la transición P61506. Para tener otro punto de comparación en el análisis, se propuso la transición P10504 (Tabla 5). Esta se diseñó aumentando la longitud de la zona de cambio de tecnología, para el substrato de RT/Duroid 6010, con S=40µm y W=43µm para la sección de línea de GOCPA, y W=233µm para la sección de microcinta. La relación entre los anchos de las líneas es 5.42 y tiene un valor de S/h = 0.157. En esta transición se consigue un cambio menos abrupto durante la transformación del conductor central de la línea de GOCPA al conductor de la línea de microcinta, debido a la longitud mayor de la sección de cambio de tecnología.

Tabla 5 Duroid 6010 Transición P10504



Long. Física de la sección lGOCPA=984µm lGOCPA=781µm l=882.µm

Incremento en S *** *** ∆S=26.9µm Long. de los incrementos *** *** ∆l=46.4µm

Tabla 5. Parámetros geométricos de la transición P10504. 3. RESULTADOS DEL ANALISIS DE LAS TRANSICIONES

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Las estructuras diseñadas cuyas dimensiones se muestran en las Tablas I a la 5, se analizaron mediante un programa de análisis electromagnético basado en el método de Elementos Finitos llamado HFSS [4], con el propósito de obtener el comportamiento de los parámetros de dispersión en función de la frecuencia. Los resultados del análisis de onda completa correspondientes a las transiciones C10508 y C61503 se presentan en las figuras 2 y 3 respectivamente. En la figura 2, se puede observar que la transición C10508 presenta pérdidas por inserción menores a 0.2 dB en el intervalo de frecuencias de 1 a 35 GHz, sin embargo, las pérdidas por regreso son adecuadas hasta aproximadamente 30 GHz. A frecuencias mayores, las pérdidas aumentan aceleradamente con una pendiente de aproximadamente 10 dB por década de frecuencia, provocando que a muy alta frecuencia no permita una transmisión de señal ya que existe una resonancia cercana a los 42 GHz.

Figura 2. Resultado del Análisis de Onda Completa de la transición C10508.

En la figura 3 se presentan los resultados del análisis de la transición C61503. En dicha figura se muestra que las pérdidas por inserción de la transición son menores a 0.5 dB, casi en el mismo ancho de banda que la transición C10508, pero que sus pérdidas por regreso no adecuadas, permitiendo su operación solamente a frecuencias bajas en el intervalo de frecuencias de 1 a 10 GHz. Cabe resaltar la presencia de una resonancia cercana a los 48 GHz. Los resultados del análisis de onda completa para la transición C61506 se muestran en la figura 4. En esta figura se puede observar que la estructura C61506 tiene un ancho de banda de trabajo de 20 GHz, en el intervalo de frecuencias de 30 a 50 GHz, donde las pérdidas por regreso son menores a -25dB y las pérdidas por inserción son menores a 0.2 dB. Cabe aclarar que existe una resonancia en su comportamiento muy cercana a la frecuencia de 53 GHz.

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Los resultados del análisis para la transición P61506 se muestran en la figura 5. En esta figura se puede apreciar que esta transición cuenta con un ancho de banda de 15 GHz, dentro del intervalo de 48 a 63 GHz, donde las pérdidas por regreso son menores a -20 dB y las pérdidas por inserción inferiores a 0.5 dB. Se puede observar que esta estructura también muestra una resonancia cercana a los 47 GHz.

Figura 5. Resultado del Análisis de Onda Completa de la transición P61506. El resultado del análisis de onda completa de la transición P10504 se muestra en la figura 6. En ella se puede observar que esta transición tiene un comportamiento adecuado en un ancho de banda de aproximadamente de 23 GHz, desde 10 GHz hasta 33 GHz, donde las pérdidas por regreso son menores a -20 dB y las pérdidas por inserción son menores a 0.5 dB. Como ya se ha notado con anterioridad, en esta transición también se presenta un efecto resonante a los 38 GHz aproximadamente. 4. CONCLUSIONES En este trabajo se propuso una metodología de diseño de transiciones realizadas con dos tecnologías de líneas de transmisión planares (coplanar – microcinta), adecuadas para operación a frecuencias de microondas y ondas milimétricas. La metodología propuesta se basa en una variación lineal del ancho de las ranuras de la GOCPA en la zona de cambio de tecnología y dos criterios de diseño para la variación de la longitud de la parte central o de transición. Se diseñaron cinco transiciones diferentes sobre un solo lado de un substrato, empleando expresiones cuasi-estáticas y el programa Line Cal de MDS. Asimismo, se presentaron los resultados obtenidos del diseño de las cinco transiciones y los correspondientes al análisis electromagnético de las estructuras mediante el método de elementos finitos del programa HFSS. Del análisis de los resultados correspondientes a las cinco transiciones diseñadas, se puede concluir que: El buen comportamiento de las transiciones está relacionado con la longitud física de

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la zona de cambio de tecnología, la forma de crecimiento del ancho del conductor (W), el valor de la relación S/h y el valor de la relación Wm/WGOCPA. En general las transiciones diseñadas presentaron comportamientos distintos entre sí, que sirvieron de referencia para el análisis. Estas diferencias son mayores sobre todo en las pérdidas por regreso y en el ancho de banda de operación. De las estructuras diseñadas, la C10508 y la C61506 mostraron un mejor comportamiento, en donde la primera opera en el rango de frecuencias desde DC hasta 33 GHz con pérdidas por inserción y por regreso menores a 0.2dB y –20 dB respectivamente, mientras que la segunda funciona adecuadamente entre 30 y 50 GHz con pérdidas por inserción y por regreso menores a 0.2dB y a –25 dB respectivamente. Con las dos transiciones anteriormente mencionadas y con la P61506 que opera adecuadamente de 48 a 63 GHz, es posible cubrir un ancho de banda desde 1 hasta 63 GHz.

Figura 6. Resultado del Análisis de Onda Completa de la transición P10504. 5. REFERENCIAS 1. J. Burke and R. Jackson. “Surface-to –Surface Transition via Electromagnetic Coupling of

Microstrip and Coplanar Waveguide”, IEEE Microwave Theory and Techniques, vol 37, pp. 519-525, mar 1989.

2. B. Golja, H. Sequera, S. Duncan, G. Mendenilla and N. Byer. “A coplanar to microstrip

transition for W-Band circuit fabrication with 100µm thick GaAs wafers”, IEEE Microwave and Guided Wave letters, vol. 3, pp. 29-31, Feb 1993.

3. J. Yook, N. Dib, L. Kathehi, “Characterization of high frequency interconnects using Finite

Difference Time Domain and Finite Element Methods”, IEEE Trans on Microwave Theory and Techniques, vol. 42, pp. 1727-1736, sep. 1994.

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4. Anón, “High Frequency Structure Simulator HFSS”, Hewlett Packard user reference HP85180A, p.p.1-1 to 18-8, (1994).

5. G.Ghione. y C. Naldi. "Coplanar waveguides for MMIC aplications: effect of the upper shielding,

conductor backing, finite extend ground planes, and line to line coupling", IEEE MTT, 35, pp 260-267. (1987).

6. Gupta et al., "Microstrip lines and slotlines" , (Ed. Artech House), second edition, (1996). 7. Anón, “Microwave and RF Design System MDS”, Hewlett Packard user manual release 6, Vol:

1-8. (1994),

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