CARACTERIZACIÓN EFICIENTE DE DISCONTINUIDADES ENTRE GUIAS MULTICONDUCTOR ARBITRARIAS Y APLICACIÓN A DISPOSITIVOS DE MICROONDAS

Abstract

Una amplia gama de dispositivos de microondas incluyen en su interior guías de ondas que incorporan varios conductores (como, por ejemplo, guías coaxial, stripline, squarex, o guías rectangular-coaxial) que además están interconectadas entre sí. Esta situación se suele dar con especial frecuencia en los puertos de conexión de los dispositivos, por el empleo habitual de excitaciones de tipo coaxial.

En los últimos años, el análisis y el diseño de los dispositivos que incluyen este tipo de guías/excitaciones se ha apoyado en el uso de herramientas de simulación basadas en las más potentes técnicas de discretización, como el Método de los Elementos Finitos (FEM, del inglés Finite Element Method) ó el Método de las Diferencias Finitas en el Dominio del Tiempo (FDTD, del inglés Finite Difference Time Domain). Sin embargo, y debido a los elevados recursos computacionales que requieren para lograr resultados precisos, dichas técnicas no son por lo general adecuadas para abordar estructuras de un cierto tamaño o sensibles. Este es el caso, por ejemplo, de filtros combline o de modo evanescente de orden moderado o alto, donde sólo tras muchas horas de simulación se pueden lograr resultados de una precisión aceptable. Como consecuencia de todo lo anterior, el proceso de diseño de este tipo de componentes se puede dilatar durante varias semanas, incluso cuando es llevado a cabo por parte de ingenieros cualificados y con experiencia.

Por el contrario, la opción más deseable sería que el análisis y el diseño de la mayor parte de dichas estructuras pudiera ser abordado mediante técnicas de análisis híbridas, que combinen la rapidez y eficiencia de las técnicas modales (que segmentan la estructura en bloques que se modelan mediante una representación multimodal equivalente), con la flexibilidad de las técnicas numéricas que sólo discretizan partes muy concretas de la geometría para no disparar el consumo de recursos computacionales. Aunque las técnicas híbridas basadas en esta filosofía han evolucionado lo suficiente en los últimos años para poder caracterizar de forma rápida y precisa muchos de los bloques que componen la mayor parte de los dispositivos de microondas usados en la práctica, todavía quedan algunos aspectos por resolver. Posiblemente uno de los aspectos más importantes es la caracterización eficiente y precisa de una discontinuidad entre dos guías multiconductor de forma arbitraria.

La caracterización de este tipo de discontinuidades requiere conocer el espectro modal de cada guía multiconductor que participa en la discontinuidad, y las integrales de acoplamiento entre dichos conjuntos de modos. Existen varias técnicas para determinar de forma numérica los modos de guías multiconductor de forma arbitraria, entre las que se puede citar el flexible método de los Elementos Finitos, la técnica de la Resonancia Transversal Generalizada o el eficiente y preciso método de BI-RME (siglas en inglés de Boundary Integral ¿ Resonant Mode Expansion). Sin embargo, el cálculo de las integrales de acoplamiento suele ser una tarea bastante costosa, especialmente por la extremadamente lenta convergencia de las expansiones modales de los campos asociados a los modos TEM (con un carácter fundamentalmente estático) presentes en dichas guías multiconductor.

El presente proyecto pretende dar respuesta a esta necesidad mediante el desarrollo de una nueva técnica para el cálculo de las integrales de acoplamiento que involucran a modos TEM de guías multiconductor cuyo contorno esté compuesto de tramos rectos, circulares o elípticos. Para llevarlo a cabo, en primer lugar se aplicará la técnica de BI-RME para obtener los modos de dichas guías multiconductor, para acto seguido aplicar una formulación que a partir de las distribuciones de corriente y carga en el contorno de la guía más pequeña permita acelerar el cálculo de las integrales de acoplamiento que involuc