Modelatge multimodal de transicions i asimetries en línies three-line-microstrip

Abstract

Una línia de transmissió three-line-microstrip consisteix en tres pistes paral·leles practicades sobre la cara d'un dielèctric amb un pla de massa inferior. La propagació en aquesta línia es pot descriure en termes de tres modes fonamentals anomenats ee, oo i oe. Tot i que aquests modes són ortogonals interaccionen entre sí a qualsevol transició, discontinuïtat o asimetria. En el pla d'una transició o asimetria es genera un intercanvi d'energia o conversió modal en el que prenen part tots els modes.<br/>En aquest treball s'analitza la conversió modal que s'origina en un conjunt de transicions i asimetries construïdes sobre línies three-line-microstrip. L'estudi es realitza aplicant la tècnica de l'anàlisi multimodal. L'ús d'aquesta tècnica permet la deducció d'una sèrie de models multimodals (un per a cada transició) que proporcionen una anàlisi simple, rigorosa i quantitativa d'aquest fenomen.<br/>La validesa d'aquest estudi es verifica de manera experimental. Els bons resultats obtinguts demostren que els models multimodals proposats prediuen de manera precisa el comportament de les transicions. Aquest fet permet el seu ús per analitzar circuits o estructures constituïts per trams de tres pistes acoblades. En el cas d'aquesta tesi, han estat aplicats als camps de l'EMC i de les microones. Pel que fa a l'EMC, s'ha realitzat un estudi de l'acoblament i la integritat del senyal en configuracions de PCB amb trams de tres pistes acoblades. Aquest estudi ha permès identificar les transicions i asimetries en aquests circuits com a possibles fonts d'interferència i de degradació dels senyals ja que la conversió modal es pot interpretar com a un procés d'interferència que involucra tots els senyals presents. Pel que fa a les microones, s'ha realitzat una anàlisi multimodal de filtres spurline. Aquesta anàlisi ha permès desenvolupar dues noves estructures, la principal característica de les quals és la seva compacitat que, a diferència d'altres estructures similars, s'aconsegueix permetent la presència d'un nou mode en el procés de ressonància. L'ús dels models multimodals per a l'anàlisi d'aquestes estructures ha permès una interpretació clara i senzilla del seu funcionament així com el desenvolupament d'una sèrie de regles de disseny que permeten un ajust fàcil i ràpid de certs paràmetres dels filtres com ara la freqüència central i l'ample de banda.

Una línea de transmisión three-line-microstrip consiste en tres pistas paralelas practicadas sobre la cara de un dieléctrico con un plano de masa inferior. La propagación en esta línea se puede describir en términos de tres modos fundamentales llamados ee, oo i oe. Aunque estos modos son ortogonales interaccionan entre se en cualquier transición, discontinuidad o asimetría. En el plano de una transición o asimetría se genera un intercambio de energía o conversión modal en el que toman parte todos los modos.<br/>En este trabajo se analiza la conversión modal que se origina en un conjunto de transiciones i asimetrías construidas sobre líneas three-line-microstrip. El estudio se realiza aplicando la técnica del análisis multimodal. El uso de esta técnica permite la deducción de una serie de modelos multimodales (un per a cada transición) que proporcionan un análisis simple, riguroso i cuantitativo de este fenómeno.<br/>La validez de este estudio se verifica de manera experimental. Los buenos resultados obtenidos demuestran que los modelos multimodales propuestos predicen de manera precisa el comportamiento de las transiciones. Este hecho permite su uso para analizar circuitos o estructuras constituidos por tramos de tres pistas acopladas. En esta tesis doctoral, han sido aplicados a los campos de la EMC i de las microondas. En el primero de ellos, se ha realizado un estudio del acoplamiento y la integridad de la señal en configuraciones de PCB con tramos de tres pistas acopladas. Este estudio ha permitido identificar las transiciones y asimetrías en estos circuitos como posibles fuentes de interferencia y de degradación de las señales ya que la conversión modal se puede interpretar como a un proceso de interferencia que involucra todas las señales presentes. En el campo de las microondas, se ha realizado un análisis multimodal de filtros spurline. Este análisis ha permitido desarrollar dos nuevas estructuras, cuya principal característica es su compacidad que, a diferencia de otras estructuras similares, se consigue permitiendo la presencia de un nuevo modo en el proceso de resonancia. El uso de los modelos multimodales para el análisis de estas estructuras ha permitido una interpretación clara i sencilla del su funcionamiento así como el desarrollo de una serie de reglas de diseño que permiten un ajuste fácil i rápido de ciertos parámetros de los filtros como por ejemplo la frecuencia central y el ancho de banda.

A three-line-microstrip transmission line consists of three parallel coupled strips printed on a grounded dielectric substrate. The propagation in this line can be described in terms of three fundamental modes, namely the ee, oo and oe modes. These modes are orthogonal and propagate independently unless a transition or asymmetry is present in the line. Any transition or asymmetry will generate an energy exchange or modal interaction among all the propagating modes. <br/>In this work, the modal interaction of a set of transitions and asymmetries in three-line-microstrip transmission lines is analyzed. The study is carried out by using the multimodal analysis. By means of this technique a set of multimodal circuit models (one for each transition) is derived. These models provide a simple and a quantitative interpretation of the modal interaction.<br/>The proposed multimodal analysis is experimentally validated. The obtained results show that the derived multimodal models accurately predict the behavior of the transitions. Due to this fact, they can be used for the analysis of circuits and structures composed of three-coupled-strip sections. In this work, the models have been applied to both the EMC and microwave fields. In the former, they have been employed to study the cross-talk and signal-integrity problems in PCB configurations involving tree-coupled-trace sections. The performed analysis has shown that transitions and asymmetries in these circuits must be considered as a source of interference and signal degradation since the modal interaction can be interpreted as an interference process that involves all the present signals. In the latter, a multimodal analysis of spurline filters has been performed. This study has allowed the derivation of two new filter structures whose main feature is their compactness, which, in contrast to other analogous filters, is achieved by allowing the presence of an additional mode in the resonance process. The use of the multimodal models for the analysis of these structures has permitted both a simple interpretation of the filter operation and the derivation of a set of design rules which allows a rapid fine tuning of some filter parameters such as the center frequency and the bandwidth.