Guía de ondas coplanar - Coplanar waveguide

Sección transversal de una línea de transmisión de guía de ondas coplanar respaldada por conductor
Una guía de ondas coplanar de cobre de 517 μm de altura creada mediante la técnica LIGA .

La guía de ondas coplanar es un tipo de línea de transmisión eléctrica plana que se puede fabricar utilizando tecnología de placa de circuito impreso y se utiliza para transmitir señales de frecuencia de microondas. A menor escala, las líneas de transmisión de guía de ondas coplanares también se integran en circuitos integrados de microondas monolíticos .

La guía de ondas coplanar convencional ( CPW ) consiste en una única pista conductora impresa sobre un sustrato dieléctrico , junto con un par de conductores de retorno, uno a cada lado de la pista. Los tres conductores están en el mismo lado del sustrato y, por lo tanto, son coplanares . Los conductores de retorno están separados de la vía central por un pequeño espacio, que tiene un ancho invariable a lo largo de la línea. Lejos del conductor central, los conductores de retorno generalmente se extienden a una distancia indefinida pero grande, de modo que cada uno es teóricamente un plano semi-infinito.

La guía de ondas coplanar con respaldo de conductor ( CBCPW ), también conocida como guía de ondas coplanar con tierra ( CPWG ), es una variante común que tiene un plano de tierra que cubre toda la cara posterior del sustrato. El plano de tierra sirve como tercer conductor de retorno.

La guía de ondas coplanar fue inventada en 1969 por Cheng P. Wen, principalmente como un medio por el cual se podían incorporar componentes no recíprocos como giradores y aisladores en circuitos de líneas de transmisión planas.

La onda electromagnética transportada por una guía de ondas coplanar existe en parte en el sustrato dieléctrico y en parte en el aire por encima de él. En general, la constante dieléctrica del sustrato será diferente (y mayor) que la del aire, por lo que la onda viaja en un medio no homogéneo. En consecuencia, CPW no admitirá una verdadera onda TEM ; a frecuencias distintas de cero, tanto los campos E como H tendrán componentes longitudinales (un modo híbrido ). Sin embargo, estos componentes longitudinales suelen ser pequeños y el modo se describe mejor como cuasi-TEM.

Aplicación a dispositivos giromagnéticos no recíprocos

Los dispositivos giromagnéticos no recíprocos , como los aisladores resonantes y los desfasadores diferenciales , dependen de una señal de microondas que presenta un campo magnético giratorio (polarizado circularmente) a un cuerpo de ferrita magnetizado estáticamente . El CPW puede diseñarse para producir tal campo magnético giratorio en las dos ranuras entre los conductores central y lateral.

El sustrato dieléctrico no tiene ningún efecto directo sobre el campo magnético de una señal de microondas que viaja a lo largo de la línea CPW. Para el campo magnético, el CPW es entonces simétrico en el plano de la metalización , entre el lado del sustrato y el lado del aire. En consecuencia, las corrientes que fluyen a lo largo de trayectorias paralelas en caras opuestas de cada conductor (en el lado del aire y en el lado del sustrato) están sujetas a la misma inductancia y la corriente total tiende a dividirse equitativamente entre las dos caras.

Por el contrario, el sustrato hace afectar al campo eléctrico, de manera que el lado del sustrato contribuye una capacitancia más grande a través de las ranuras que lo hace el lado del aire. La carga eléctrica puede acumularse o agotarse más fácilmente en la cara del sustrato de los conductores que en la cara del aire. Como resultado, en aquellos puntos de la onda donde la corriente invierte la dirección, la carga se derramará sobre los bordes de la metalización entre la cara de aire y la cara del sustrato. Esta corriente secundaria sobre los bordes da lugar a un campo magnético longitudinal (paralelo a la línea) en cada una de las ranuras, que está en cuadratura con el campo magnético vertical (normal a la superficie del sustrato) asociado con la corriente principal a lo largo de los conductores. .

Si la constante dieléctrica del sustrato es mucho mayor que la unidad, entonces la magnitud del campo magnético longitudinal se aproxima a la del campo vertical, de modo que el campo magnético combinado en las ranuras se aproxima a la polarización circular.

Aplicación en física del estado sólido

Las guías de ondas coplanarias juegan un papel importante en el campo de la computación cuántica de estado sólido , por ejemplo, para el acoplamiento de fotones de microondas a un qubit superconductor. En particular, el campo de investigación de la electrodinámica cuántica de circuitos se inició con resonadores de guía de ondas coplanares como elementos cruciales que permiten una alta intensidad de campo y, por lo tanto, un fuerte acoplamiento a un qubit superconductor al confinar un fotón de microondas a un volumen que es mucho más pequeño que el cubo de la longitud de onda. . Para mejorar aún más este acoplamiento, se aplicaron resonadores de guía de ondas coplanares superconductores con pérdidas extremadamente bajas. (Los factores de calidad de tales resonadores coplanares superconductores a bajas temperaturas pueden exceder 10 6 incluso en el límite de baja potencia). Los resonadores coplanares también se pueden emplear como buses cuánticos para acoplar múltiples qubits entre sí.

Otra aplicación de las guías de ondas coplanares en la investigación de estado sólido es para estudios que involucran resonancia magnética, por ejemplo, para espectroscopía de resonancia de espín electrónico o magnónica .

Guiaondas coplanar resonadores también se han empleado para caracterizar las propiedades del material de ( alta-T c ) superconductor de películas delgadas.

Ver también

Referencias

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