Circuitos y antenas en tecnología plana sobre sustratos ferrimagnéticos

Abstract

Este trabajo aborda el estudio de circuitos y antenas en tecnología microtira con sustrato de ferrita magnetizada en dirección arbitraria. Para ello, en un primer momento se estudian las características de transmisión de líneas microtira y las características de resonancia de parches microtira, ambos sobre sustrato de ferrita. Además se describen las bandas de frecuencia donde no es posible ni la propagación ni la resonancia, debido a la excitación de “modos magnetostáticos”. En segundo lugar, se estudiar diferentes tipos de circuitos microtira con sustrato de ferrita, haciéndose especial hincapié en las características de sintonía que presentan estas estructuras. Finalmente, se analizan diferentes antenas sobre ferrita alimentadas por una abertura, estudiándose la adaptación, sintonía y polarización d estas antenas. Todos esos análisis están basados en unos algoritmos rápidos y precisos que calculan los parámetros característicos de la estructura en estudio. Se han realizado diferentes medidas para validar dichos algoritmos encontrándose buena concordancia entre los resultados numéricos y los resultados experimentales. A continuación expondremos algunos puntos que consideramos cabe resaltar en este trabajo. - Hemos elaborado diferentes algoritmos para el cálculo de los parámetros característicos de diversas estructuras en tecnología microtira sobre sustratos multicapa que contienen ferritas: líneas de transmisión, resonadores, circuitos y antenas. Estos algoritmos están basados en la aplicación del método de momentos en el dominio espectral y en el uso de funciones base subseccionales. Se ha demostrado que estos algoritmos son precisos, rápidos y versátiles. - Cuando trabajamos con sustratos que contienen ferritas, existen bandas donde no es posible ni la propagación ni la resonancia. La aparición de estas bandas está ligada a la excitación de modos magnetostáticos. Las frecuencias a las que aparecen las bandas depende de la magnetización de saturación de las ferritas y del módulo y orientación del campo magnético de DC. Como consecuencia de la existencia de estas bandas, siempre encontramos dos regiones de trabajo: una región de frecuencias mayores a las de la banda de modos magnetostáticos y otra región de frecuencias menores. - Variando el módulo y la orientación del campo magnético de DC, podemos variar el valor de la constante de propagación y la impedancia de líneas microtira sobre ferrita. Asimismo, se puede sintonizar la frecuencia de resonancia de resonadores microtira sobre ferrita cambiando el módulo o la orientación del campo de DC. Las configuraciones en las que se obtiene mayor sintonía son aquéllas en las que la ferrita es el único sustrato, y en las que el campo magnético está orientado o en dirección normal al plano de masa o en dirección paralela al plano de masa y a lo largo de la dirección de la densidad de corriente eléctrica sobre la metalización. - Los algoritmos que hemos utilizado para la caracterización de líneas y resonadores de microtira sobre sustratos de ferrita nos permiten realizar prediseños de circuitos y antenas, y nos ayudan a entender los fenómenos que aparecen en estas estructuras. - El algoritmo que hemos construido para el análisis de circuitos de dos puertas sobre sustrato de ferrita nos permite el diseño y análisis de una amplia gama de resonadores, y de filtros construidos con resonadores. Hemos podido comprobar la validez de este algoritmo al comparar los resultados de la simulación de un filtro de líneas acopladas con resultados experimentales. Hemos encontrado que los filtros que trabajan en la región por encima de modos magnetostáticos sufren una reducción en el ancho de banda cuando aumenta la frecuencia de sintonía. Por debajo de la región de modos magnetostáticos, el ancho de banda se mantiene prácticamente constante al variar la frecuencia de sintonía. - Hemos comprobado que a la hora de fabricar antenas parche sintonizables sobre ferrita, es mucho mejor usar un doble sustrato de ferrita-espuma que un sustrato de ferrita simple ya que esto permite reducir la permitividad eléctrica efectiva del sustrato y, en consecuencia, mejora las características de adaptación y radiación de las antenas. - Hemos demostrado que es posible diseñar antenas parche alimentadas por una abertura con polarización lineal, PCI y PCD, que sean sintonizables. Asimismo, hemos diseñado antenas cuya polarización puede ser sintonizada de circular a lineal. Además, hemos diseñado una antena polarizada circularmente con una única alimentación que posee un gran ancho de banda, sin que sea necesario un mecanismo externo de sintonía magnética. Finalmente, los resultados numéricos obtenidos con el algoritmo para el diseño de antenas parche sobre sustratos de ferrita han sido validados mediante comparación con resultados experimentales.