La Tecnología SIW (Substrate Integrated Waveguide)

Cuando una onda electromagnética se propaga libremente por el espacio, sin obstáculos, ésta lo hace en todas las direcciones con un decaimiento de su potencia proporcional al cuadrado de la distancia que recorre. Éste es el principio de operación que aprovechan las antenas y, en general, los medios no guiados, para la transmisión inalámbrica  de la energía de un punto a otro. Fundamentales en las comunicaciones tal y como hoy las conocemos, no obstante, las antenas únicamente pueden transmitir o recibir la energía en unas determinadas regiones del espacio. Por otro lado, una guía de ondas es una estructura capaz de confinar y transportar las ondas electromagnéticas a través de un camino físico con las menores pérdidas posibles [1]. Por este motivo, las guías de ondas son elementos indispensables en los sistemas de alimentación de antenas y agrupaciones de antenas y circuitos de microondas, como filtros, divisores de potencia, circuladores, etc. Los dos tipos de guías de ondas más utilizadas son: (i) aquellas formadas por tubos metálicos conductores en forma rectangular o cilíndrica, y (ii) aquellas formadas íntegramente por materiales dieléctricos, grupo en el cual destacan las popularizadas fibras ópticas. La Figura 1 muestra unos cuantos ejemplos de guías de ondas metálicas y dieléctricas. En el rango óptico y de infrarrojos, las fibras ópticas son el medio de guiado favorito, debido a sus condiciones óptimas de operación. Sin embargo, en el rango de microondas y ondas milimétricas, predomina el uso de guías de ondas metálicas.

Figura 1. Ejemplos de guías de ondas convencionales: (a) metálicas, (b) dieléctricas. Imágenes extraídas de [2]-[4].

Introducción a la Técnica SIW

Tal y como se ha comentado, la guía de ondas hueca, sin dieléctricos, es el elemento de transporte por excelencia en el rango de microondas y frecuencias milimétricas (30-300 GHz). Sin embargo, a medida que la frecuencia aumenta, el tamaño de la guía se hace más pequeño (en el rango de frecuencias milimétricas, su tamaño es generalmente menor a 5 milímetros) y su fabricación se complica enormemente, aumentando los costes de producción. Esto se debe a que debe existir un perfecto contacto eléctrico entre las diferentes paredes que forman la guía (por ejemplo, en una guía rectangular las cuatro paredes que la forman deben estar perfectamente unidas). Por este motivo, en los últimos 20 años se están explorando tecnologías alternativas que permitan la fabricación de guías de ondas metálicas de una forma más sencilla. Las que más han destacado son las tecnologías gap-waveguide [5] y substrate-integrated waveguide (SIW) [6], que podríamos traducir al español como “guía de ondas con separación” y “guía de ondas integrada en sustrato”. La ventaja de la tecnología gap-waveguide son las bajas pérdidas en la fabricación de dispositivos a muy altas frecuencias, aunque el coste de la fabricación pueda ser elevado en ciertas ocasiones. Por otro lado, SIW permite una muy sencilla y barata fabricación, ya que los circuitos son fabricados con convencionales técnicas de circuito impreso. Sin embargo, en contrapartida a la tecnología gap-waveguide, las pérdidas asociadas al sustrato utilizado hacen que SIW no se pueda aplicar eficientemente a frecuencias por encima de 30 o 40 GHz.

La idea fundamental que subyace a la tecnología SIW es sintetizar una configuración, no necesariamente plana, en una estructura plana soportada por un sustrato dieléctrico que sea compatible con otras tecnologías planares como microstrip, stripline o coplanar. Esto permite la creación de canales artificiales de guiado de ondas de una manera simple y de bajo coste, que pueden ser utilizados en el diseño de filtros, diplexores, resonadores y otros tipos de circuitos. La Figura 2 muestra el principio de operación de la tecnología SIW. En una estructura SIW, las paredes metálicas superior e inferior se mantienen idénticas a las de una guía convencional, pero las paredes laterales (izquierda y derecha) son sustituidas por vías metálicas en forma de cilindros. Si las vías metálicas se colocan lo suficientemente juntas, de acuerdo a las guías de diseño que se detallarán a continuación, éstas se comportan esencialmente como una pared maciza, bloqueando el paso de las ondas electromagnéticas.

Figura 2. Guía de ondas SIW. La onda se confina (se guía) en la región formada por las paredes metálicas superior e inferior y las  vías metálicas laterales en forma de cilindro. Un sustrato dieléctrico soporta la estructura. Imagen extraída de [6].

Reglas de Diseño SIW

Sin embargo, a pesar de que la tecnología SIW permite replicar el efecto de las paredes laterales de las guías convencionales, las formas de propagación de las ondas electromagnéticas no son del todo iguales en ambas tecnologías. A diferencia de en el espacio libre, las guías tradicionales no pueden transmitir cualquier tipo de onda, concretamente, los tipos son denominados modos y provienen de las múltiples soluciones de las ecuaciones de Maxwell para la geometría particular de la guía. Recordando los diversos modos existentes [7]:  

• Modo  TEM  o  transversal  electromagnético.  Se caracteriza por no existir componente longitudinal (componente en la dirección de propagación de la onda) y por tanto se denomina así por tener todas las componentes eléctricas y magnéticas transversales a la dirección de propagación. No se puede propagar en guías cerradas puesto que se necesitan dos o más conductores y la condición de conductor cerrado de la guía provoca que la diferencia de potencial estático sea nula.
• Modo TM o transversal magnético. La componente longitudinal del campo magnético es nulo, pero el del campo eléctrico no.
• Modo TE o transversal eléctrico. La componente longitudinal del campo eléctrico es nulo, pero el del campo magnético no.
• Modo H o modo híbrido. Consigue mezclar los dos anteriores, consiguiendo componentes longitudinales tanto eléctrica como magnética.

Figura 3. Modos en guías de ondas. Se muestran el campo eléctrico en línea continua y el campo magnético en línea discontinua para los primeros modos  Imagen extraída de [7].

La diferencia entre SIW y las guías convencionales radica en cuáles de los modos anteriores se pueden propagar. Mientras que en las guías tradicionales se pueden transmitir tanto transversales magnéticos (TM) como transversales eléctricos (TE), en SIW solo puede transmitir una de las dos en función de su orientación. Esto se debe a la discontinuidad eléctrica que presentan las vías metalizadas. Por ejemplo, en una orientación habitual de guía SIW (con las vías en los laterales) sólo pueden transmitirse modos TE, dado que para los modos TM, la necesidad de tener componente eléctrica longitudinal provocaría corrientes en la dirección longitudinal, las cuales no podrían "saltar" de una vía a otra. Otras configuraciones menos habituales en microondas, pero que están dando como resultado dispositivos complejos, trabajan con el modo TM como modo fundamental de guiado. 

Uno de los criterios de diseño en la tecnología SIW engloba la geometría de las vías metálicas y su localización para crear una guía mimetizada con un ancho dado. El valor del ancho de guía junto al espesor del material dieléctrico utilizado marca las dimensiones de la guía que modifican la frecuencia de corte de los modos (es decir la frecuencia a partir de la cual empieza a propagarse un modo dado). En guías metálicas convencionales, se suele trabajar en el modo fundamental (TE10) manteniendo el resto al corte, es decir por encima de una determinada frecuencia que impide su propagación. En la Figura 2 se muestra el espesor del dieléctrico como “h” y el ancho de guía como “W”. Este ancho de guía se mide desde centros de vía, y aunque tecnológicamente es posible generar postes metalizados de geometrías muy diversas normalmente para minimizar los costes de fabricación en la industria se utilizan vías elípticas, puesto que permiten la introducción de una broca muy fina. Si las vías elípticas tienen un diámetro mayor “D” y un diámetro menor “dp”, la relación D/dp es un factor que se debe minimizar para disminuir las pérdidas por fugas de campo. Por tanto, reduciéndolo al mínimo (ratio de 1) y también por rapidez de perforación, las vías se fabrican normalmente con geometría circular.

La propia geometría conjunta de las vías provoca que las paredes mimetizadas no sean perfectas. Esto afecta al ancho efectivo (señalado en la Figura 2 como “Weff”) que percibe la onda electromagnética que se propaga por la guía SIW. Existen varias aproximaciones a la hora de calcular el ancho efectivo, algunas son básicas y otras son más complejas pero todas intentan realizar algún tipo de media entre el ancho entre centros de vía y el ancho entre perímetros de vía, puesto que el ancho efectivo debería estar entre estos valores. La explicación de la disminución del ancho se debe a la generación de las corrugaciones de las paredes laterales de la guía mimetizada que ralentizan la onda en su paso. En la Ecuación (1) se presenta una de las ecuaciones utilizadas para estimar este valor:

Una problemática ya mencionada del uso de vías para crear las paredes son las posibles fugas existentes entre los huecos que quedan entre ellas, a diferencia de una pared continua. En realidad, las ecuaciones de diseño de SIW permiten estudiar la estructura eliminando casi totalmente esas pérdidas. Por ejemplo, anteriormente se ha mencionado que reducir la relación entre diámetros de la geometría elíptica de vías reduce las pérdidas, esto consigue que el hueco que queda entre las elipses sea pequeño frente al tamaño total de la vía. Los otros criterios de diseño dependen de la longitud de la onda que se puede confinar eficientemente dentro de la guía (sin pérdidas por fuga). Uno de ellos, es el diámetro de las vías, el cual debe ser menor que la quinta parte de la longitud de onda que se desee confinar [Ecuación (2)]. Esto, junto a la restricción anterior, permite que si las vías son suficientemente pequeñas confinen el campo eficientemente dentro de la guía SIW. Es más, la distancia entre vías (“b”) se define con el valor del diámetro y no puede valer más de dos su valor [Ecuación (3)] si configura el sistema de forma eficiente. 

Bajo las restricciones impuestas en las Ecuaciones (1)-(3), las pérdidas por fugas se reducen a valores prácticamente nulos. Una idea para cumplir las condiciones de forma rápida y teóricamente perfecta sería reducir el valor de distancia a valores infinitesimales, cercanos a cero. Sin embargo, las tolerancias de fabricación imponen siempre unos valores mínimos por debajo de los cuales el dispositivo no puede ser fabricado adecuadamente en la práctica. Si se utilizan valores más pequeños de esa tolerancia, la lámina de dieléctrico perforada perdería resistencia a esfuerzos mecánicos, al eliminar partes muy contiguas de material, y la estructura podría llegar incluso a partirse. 

Adicionalmente a las pérdidas por fugas, aparecen en esta tecnología pérdidas igual de limitantes. Estas se producen por las imperfecciones de los materiales. Por ejemplo, la no perfección metálica de las vías y de las metalizaciones superior e inferior del sustrato tanto por la baja conductividad como por la rugosidad y porosidad del metal, así como sustancias externas adhesivas utilizadas en la adhesión del metal a la lámina tienen efectos y pérdidas no deseados. Sin embargo, las pérdidas por fugas y por imperfecciones del metal no son tan limitantes como las pérdidas de propagación debidas a la presencia de un sustrato dieléctrico. La onda, al viajar a través del dieléctrico, se atenúa progresivamente debido a las pérdidas de éste. De hecho, las pérdidas en el dieléctrico aumentan con la frecuencia, ya que la onda debe recorrer una mayor longitud eléctrica. Por este motivo, a partir de ciertas frecuencias se hace imposible fabricar dispositivos en esta tecnología. Para solventar esta limitación, nuevas soluciones de ingeniería aparecen como la búsqueda de materiales más eficientes o el uso de nuevas tecnologías que mejoran a la SIW, como la AFSIW de la que se hablará más adelante. En la Figura 4 se muestra la gráfica de un fabricante que muestra la problemática. En esta figura se puede observar que las pérdidas causadas por diferentes sustratos dieléctricos aumentan considerablemente con la frecuencia.

Figura 4. Gráfica comparativa de varias láminas Rogers en tecnología microstrip en cuanto a pérdidas y frecuencias. Se observa el aumento con la frecuencia de las pérdidas. Imagen extraída de [8].

Dispositivos de Radiofrecuencia en Tecnología SIW

Vistas las numerosas ventajas que ofrece la tecnología SIW, se hace visible su gran potencial para el diseño de dispositivos de microondas e incluso de frecuencias milimétricas. Sin embargo, aunque cada vez existen más dispositivos SIW, existe un amplio abanico de posibilidades tecnológicas, algunas más eficientes según la necesidad exacta de su aplicación, que hace que SIW se tenga que adaptar también a ellas. Al tratarse de una lámina de material dieléctrico con ambas caras metalizadas, SIW puede ser combinada fácilmente con algunas tecnologías homólogas de circuitos impresos. Así por ejemplo, en la Figura 5 se muestran diversas transiciones de microstrip a SIW y de coplanar a SIW.  La primera [Fig. 5(a)] se sirve de la tira microstrip, que al abrise termina ocupando todo el ancho de guía SIW. La parte metálica inferior y superior es común en ambas tecnologías, con la diferencia de que la tecnología microstrip no requiere del uso de paredes laterales (o vías metálicas, en su defecto). Para la segunda [Fig. 5(b)], se incluyen unas ranuras o hendiduras en el diseño que se abren progresivamente para poder alcanzar el ancho de guía. Se pueden aprovechar también las vías para mimetizar la parte de la coplanar que conecta las metalizaciones superiores de los lados con la lámina inferior de tierra. Estas vías también deben realizar una progresión hasta el ancho de la guía SIW desde el ancho de coplanar. De esta forma se pueden emplear los diversos conectores para microstrip y coplanar y ser reutilizados en SIW. 

Figura 5. Ejemplos de transiciones a SIW con buenos resultados en cuanto a parámetros de transmisión: (a) microstrip y (b) coplanar. Imágenes extraídas de [9], [10].

Cuando el conector es coaxial directo a guía se debe realizar una transición lambda cuartos. Dentro del grupo SWAT de la Universidad de Granada, hemos realizado varios dispositivos que trabajan de esta forma en frecuencias milimétricas. Por ejemplo, en [11] se ha realizado una agrupación de varias antenas SIW alimentadas por coaxial. Cada lámina la compone una antena de bocina bocina en plano H. Además, se sirve de otro tipo de transiciones fácilmente realizables en SIW, como son la eliminación de metalización para adaptar la impedancia de bocina SIW al aire. Por otro lado, en diseño presentado en [12] se sirve de la distribución de potencia mediante una red de guías SIW para generar modos superiores en cavidades que son radiados a través de aperturas. Ambos trabajos, mostrados en la Figura 6, hacen denotar la facilidad de uso de SIW entre 30 y 40 GHz para el diseño y fabricación de antenas muy directas.

Figura 6. Ejemplos de transiciones a SIW con buenos resultados en cuanto a parámetros de transmisión: (a) microstrip y (b) coplanar. Imágenes extraídas de [11], [12].

Otros trabajos de gran importancia dentro de la literatura son los que se pueden observar en la Figura 7. En la Figura 7(a), se muestra un filtro paso-banda implementado en tecnología SIW. El filtro se implementa gracias al estrechamiento, por secciones, de la guía SIW, formando cavidades que responden a determinadas frecuencias. El principio de funcionamiento del dispositivo mostrado en la Figura 7(b) es distinto. A diferencia de los dispositivos de guiado mostrados anteriormente, el prototipo de la Figura 7(b) hace las veces de un filtro reflector. Este tipo de dispositivos, técnicamente conocidos como “superficies selectivas en frecuencia” (FSS), son capaces de manipular las ondas incidentes a conveniencia, dejándolas pasar en ciertos rangos de frecuencia y reflejándolas en otras. Por ejemplo, en la Figura 7(b) se muestra un rotador de polarización. El dispositivo mostrado, se sirve de la tecnología SIW para crear celdas idénticas que se repiten en el espacio (celdas periódicas). A través de las ranuras introducidas en su capa superior, consigue rotar 90 grados la polarización del campo eléctrico incidente (entra horizontal, sale vertical), con un mayor ancho de banda en comparación a dispositivos FSS similares que no hacen uso de SIW.

Figura 7. Ejemplos de otros dispositivos con SIW: (a) filtro paso banda y (b) superficie selectiva en frecuencia (FSS) capaz de rotar 90 grados la orientación del campo eléctrico de la onda incidente. Imágenes extraídas de [13], [14].

Air-filled SIW (AFSIW)

La tecnología SIW ofrece grandes ventajas, sobre todo en lo que concierne a facilidad de fabricación y bajos costes. Sin embargo, tal y como hemos visto anteriormente, las pérdidas causadas por el sustrato aumentan considerablemente al aumentar la frecuencia de operación del dispositivo, siendo especialmente notables por encima de unos 40 GHz. Viendo que el sustrato es el mayor causante de las pérdidas en SIW, la solución a este problema parece inmediata: eliminar el sustrato. Sin embargo, no hay una manera sencilla de hacer esto con la configuración original monocapa (Figura 2), ya que el sustrato da soporte físico a la estructura y no se puede prescindir de él. En [15], se propuso una configuración alternativa, formada por tres capas, para la eliminación parcial del sustrato en la región donde se propaga la onda. Esta configuración se popularizó a raíz de los siguientes estudios [16], pasando a conocerse en la comunidad científica como air-filled SIW (AFSIW), que traduciríamos al español como “SIW rellena de aire”. La configuración AFSIW de tres capas apiladas se presenta en la Figura 8(a). La capa central ("Substrate 2"), que incluye tanto a vías metálicas como a la zona de aire, haría las veces de la configuración original SIW presentada en la Figura 2. Las capas 1 y 3 ("Substrate 1" y "Substrate 3") son dieléctricos, con una (o dos) capa(s) de metal, que incluyen las paredes metálicas superior e inferior necesarias para confinar la onda. Para que la capa central siga teniendo soporte físico,  el dieléctrico no se elimina completamente en la región central. Se necesita, como mínimo, dejar una muy delgada tira de dieléctrico (de espesor w) entre la zona de aire y las vías metálicas. En la Figura 8(b), podemos observar algunos ejemplos de estructuras AFSIW aplicadas al diseño de guías de ondas y divisores de potencia.

Figura 8. (a) Estructura air-filled SIW (AFSIW) y (b) ejemplos de su aplicación a guías de ondas y divisores de potencia.                 

En la Figura 9 se presentan unos resultados comparando las pérdidas de transmisión, en el rango de 40 a 60 GHz, para la tecnología SIW convencional  y para la air-filled SIW [16]. Como se puede observar, las pérdidas se reducen más de tres veces al usar la tecnología AFSIW.

Figura 9. Comparación de las pérdidas de transmisión (dB por centímetro) en la tecnología SIW convencional y air-filled SIW (AFSIW).

Conclusión

A lo largo de esta entrada, hemos presentado y analizado las propiedades de la tecnología substrate-integrated waveguide (SIW) aplicada al diseño eficiente de dispositivos de radiofrecuencia en tecnología de circuito impreso. Hemos visto que SIW, junto con la tecnología gap-waveguide, se ha posicionado como uno de los métodos de guiado de ondas más atractivos para uso en microondas y en frecuencias milimétricas. Entre sus ventajas, destacan su bajo coste y su facilidad de fabricación. Como desventaja, las pérdidas de transmisión aumentan considerablemente al incrementar la frecuencia, mayormente causadas por la presencia del sustrato dieléctrico. Para paliar este efecto y extender el rango de operación en frecuencia de dispositivos SIW, surge la variante air-filled SIW (AFSIW). La tecnología AFSIW elimina parcialmente el sustrato en la región donde se propaga la onda, aumentando la complejidad en la fabricación pero reduciendo considerablemente las pérdidas del dispositivo.

Antonio Alex Amor y Cleofás Segura Gómez,

Investigadores del grupo SWAT de la Universidad de Granada

Referencias

[1] Ioana Manuela Toma Barbu y Javier Navarro Ormaechea, “Guías de ondas”,  https://radaruax.wordpress.com/2017/04/07/guia-de-ondas/

[2] Arra Inc., “Waveguide Components”,

http://www.arra.com/waveguide-components.html

[3] Thorlabs, “Introduction to fiber optics”,

https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=10759

[4] W. Gao, X. Yu, M. Fujita, T. Nagatsuma, C. Fumeaux, and W. Withayachumnankul, "Effective-medium-cladded dielectric waveguides for terahertz waves," Opt. Express, vol. 27, pp. 38721-38734, 2019.

[5] P. Kildal, E. Alfonso, A. Valero-Nogueira and E. Rajo-Iglesias, "Local Metamaterial-Based Waveguides in Gaps Between Parallel Metal Plates," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 8, pp. 84-87, 2009.

[6] Ke Wu, D. Deslandes and Y. Cassivi, "The substrate integrated circuits - a new concept for high-frequency electronics and optoelectronics," 6th International Conference on Telecommunications in Modern Satellite, Cable and Broadcasting Service, 2003. TELSIKS 2003., 2003.

[7] D. M. Pozar. Microwave engineering. John wiley & sons, 2011.

[8] Laminates 4003C and 4350B, RO4000Series, ROGERS Corp., Chandler, AZ.

https://rogerscorp.com/-/media/project/rogerscorp/documents/advanced-connectivity-solutions/english/data-sheets/ro4000-laminates-ro4003c-and-ro4350b---data-sheet.pdf

[9] Z. Kordiboroujeni and J. Bornemann, "New Wideband Transition From Microstrip Line to Substrate Integrated Waveguide," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 62, no. 12, pp. 2983-2989, Dec. 2014.

[10] R. V. Gatti, R. Rossi and M. Dionigi, “Broadband Right-Angle Rectangular Waveguide to Substrate Integrated Waveguide Transition with Distributed Impedance Matching Network,” Applied Sciences, vol. 9, no. 389, 2019.

[11] C. Segura-Gómez, Á. Palomares-Caballero, A. Alex-Amor, J. Valenzuela-Valdés and P. Padilla, "Modular Design for a Stacked SIW Antenna Array at Ka-Band," IEEE Access, vol. 8, pp. 158568-158578, 2020.

[12] B. Hammu-Mohamed, Á. Palomares-Caballero, C. Segura-Gómez, F. Ruiz, P. Padilla, "SIW Cavity-Backed Antenna Array Based on Double Slots for mmWave Communications," Applied Sciences, vol. 11, no. 4824, 2021

[13] M. Esmaeili and J. Bornemann, "Substrate Integrated Waveguide Triple-Passband Dual-Stopband Filter Using Six Cascaded Singlets," IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 24, no. 7, pp. 439-441, July 2014.

[14] S. A. Winkler, W. Hong, M. Bozzi and K. Wu, "Polarization Rotating Frequency Selective Surface Based on Substrate Integrated Waveguide Technology," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 58, no. 4, pp. 1202-1213, April 2010.

[15] N. Ranjkesh and M. Shahabadi, “Reduction of dielectric losses in substrate integrated waveguide”, Electronics Letters, vol. 42, no. 21, 2006.

[16] F. Parment, A. Ghiotto, T. Vuong, J. Duchamp and K. Wu, "Air-Filled Substrate Integrated Waveguide for Low-Loss and High Power-Handling Millimeter-Wave Substrate Integrated Circuits," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 63, no. 4, pp. 1228-1238, April 2015.

[17] A. Ghiotto, F. Parment, T. Martin, T. P. Vuong and K. Wu, "Air-filled substrate integrated waveguide — A flexible and low loss technological platform," 2017 13th International Conference on Advanced Technologies, Systems and Services in Telecommunications (TELSIKS), 2017, pp. 147-149.