miniaturadeimagen|Líneas de transmisión planares de circuito impreso utilizadas para crear filtros en un analizador de espectro de 20 GHz. La estructura de la izquierda se llama filtro hairpin y es un ejemplo de filtro paso banda. La estructura de la derecha es un stub y es un filtro paso bajo. Las regiones perforadas arriba y abajo no son líneas de transmisión, sino blindaje electromagnético para el circuito. Las líneas de transmisión planares son líneas de transmisión con conductores, o en algunos casos tiras dieléctricas (aislantes), que tienen forma plana o de cinta. Se utilizan para interconectar componentes en circuitos impresos e integrados que operan a frecuencias de microondas, ya que este tipo planar se adapta bien a los métodos de fabricación de estos componentes. Las líneas de transmisión son más que simples interconexiones. Con interconexiones simples, la propagación de la onda electromagnética a lo largo del cable es lo suficientemente rápida como para considerarse instantánea, y los voltajes en ambos extremos del cable pueden considerarse idénticos. Sin embargo, si el cable tiene una longitud mayor a una fracción significativa de la longitud de onda (una décima parte es una regla práctica común), estas suposiciones dejan de ser válidas y se debe utilizar la teoría de las líneas de transmisión. En las líneas de transmisión, la geometría de la línea está precisamente controlada (en la mayoría de los casos, la sección transversal se mantiene constante a lo largo de la longitud), lo que hace que su comportamiento eléctrico sea altamente predecible. A frecuencias más bajas, estas consideraciones son necesarias solo para los cables que conectan diferentes equipos, pero a frecuencias de microondas, la distancia a la cual se vuelve necesaria la teoría de líneas de transmisión se mide en milímetros. Por lo tanto, se necesitan líneas de transmisión dentro de los circuitos.

El tipo más antiguo de línea de transmisión planar fue concebido durante la Segunda Guerra Mundial por Robert M. Barrett. Se conoce como stripline y es uno de los cuatro tipos principales de aplicación moderna, junto con microstrip, suspended stripline y guía de ondas coplanaria. Los cuatro tipos consisten en un par de conductores (aunque en tres de ellos, uno de estos conductores es el plano de tierra). En consecuencia, estos tipos tienen un modo de transmisión dominante (el patrón del campo de la onda electromagnética) que es idéntico o casi idéntico al modo encontrado en un par de cables. Otros tipos de líneas de transmisión planares, como slotline, finline e imageline, transmiten a lo largo de una tira dieléctrica, y la guía de ondas integrada en el sustrato forma una guía dieléctrica dentro del sustrato con filas de postes. Estos tipos no pueden soportar el mismo modo que un par de cables y, en consecuencia, tienen diferentes propiedades de transmisión. Muchos de estos tipos tienen un ancho de banda más estrecho y, en general, producen más distorsión de señal que los pares de conductores. Sus ventajas dependen del tipo exacto que se compare, pero pueden incluir baja pérdida y un mejor rango de impedancia característica.

Las líneas de transmisión planares pueden usarse tanto para construir componentes como para interconectarlos. A frecuencias de microondas, a menudo los componentes individuales en un circuito son más grandes que una fracción significativa de una longitud de onda. Esto significa que ya no pueden tratarse como componentes concentrados, es decir, como si existieran en un solo punto. Los componentes pasivos concentrados son a menudo poco prácticos a frecuencias de microondas, ya sea por esta razón o porque los valores requeridos son demasiado pequeños para fabricarse. Un patrón de líneas de transmisión puede utilizarse para cumplir la misma función que estos componentes. De esta manera se pueden construir circuitos completos, llamados circuitos de elementos distribuidos. Este método se usa a menudo para los filtros. Este método es particularmente atractivo para su uso en circuitos impresos e integrados, ya que estas estructuras pueden fabricarse con los mismos procesos que el resto del ensamblaje simplemente aplicando patrones al sustrato existente. Esto otorga una gran ventaja económica a a las tecnologías planares sobre otros tipos, como las líneas coaxiales.

Algunos autores distinguen entre líneas de transmisión, que utilizan un par de conductores, y guías de ondas, que no utilizan conductores o solo uno para confinar la onda en el dieléctrico. Otros usan los términos indistintamente. Este artículo incluye ambos tipos, siempre que sean en forma planar. Los nombres utilizados son los comunes y no necesariamente indican el número de conductores. El término «guía de ondas» se refiere a la guía de ondas metálica hueca o rellena de dieléctrico, que no es una forma planar.

Propiedades generales miniaturadeimagen|Un amplificador de potencia de RF que incorpora estructuras de circuitos planares. El amplificador de la izquierda alimenta su salida a un conjunto de filtros de líneas de transmisión planares en el centro. El tercer bloque de circuito a la derecha es un circulador para proteger el amplificador de reflexiones accidentales de potencia desde la antena. Las líneas de transmisión planares son aquellas en las que los conductores son esencialmente planos. Los conductores consisten en tiras planas y, generalmente, hay uno o más planos de tierra paralelos a la superficie plana de los conductores. Los conductores están separados de los planos de tierra, a veces con aire entre ellos, pero más frecuentemente con un material dieléctrico sólido. Las líneas de transmisión también pueden construirse en formatos no planares, como cables o líneas coaxiales. Además de las interconexiones, existe una amplia gama de circuitos que pueden implementarse con líneas de transmisión. Estos incluyen filtros, divisores de potencia, acopladores direccionales, redes de adaptación de impedancia y circuitos de choque para suministrar polarización a componentes activos. La principal ventaja de los tipos planares es que pueden fabricarse utilizando los mismos procesos que se emplean para fabricar circuitos impresos e integrados, particularmente a través del proceso de fotolitografía. Las tecnologías planares son, por lo tanto, especialmente adecuadas para la producción en masa de estos componentes.

El uso de elementos de circuito construidos con líneas de transmisión es más útil a frecuencias de microondas. A frecuencias más bajas, la mayor longitud de onda hace que estos componentes sean demasiado voluminosos. A las frecuencias de microondas más altas, los tipos de líneas de transmisión planares suelen tener demasiadas pérdidas, por lo que se utiliza la guía de ondas. Sin embargo, las guías de ondas son más voluminosas y costosas de fabricar. A frecuencias aún más altas, las guías de ondas dieléctricas (como la fibra óptica) se convierten en la tecnología preferida, aunque existen tipos planares de guías de ondas dieléctricas. Los tipos de líneas de transmisión planar más ampliamente utilizados son stripline, microstrip, suspended stripline y guía de ondas coplanaria.

Modos miniaturadeimagen|Patrones de campo para modos seleccionados: A: Quasi-TEM en microstrip. B: Quasi-TEM en CPW (modo par). C: Modo slotline en CPW (modo impar). Un parámetro importante para las líneas de transmisión es el modo de transmisión utilizado. Este modo describe los patrones del campo electromagnético generados por la geometría de la estructura de transmisión. Es posible que varios modos existan simultáneamente en la misma línea. Por lo general, se toman medidas para suprimir todos los modos excepto el deseado. Sin embargo, algunos dispositivos, como los filtros de modo dual, aprovechan la transmisión de más de un modo.

Modo TEM El modo encontrado en cables y conductores ordinarios es el modo transversal electromagnético (TEM). Este es también el modo dominante en algunas líneas de transmisión planar. En el modo TEM, los vectores de intensidad del campo eléctrico y magnético son transversales a la dirección de propagación de la onda y ortogonales entre sí. Este modo puede utilizarse en frecuencias bajas, hasta llegar a cero (es decir, corriente continua o CC).

Una propiedad importante del modo TEM es que, en una línea ideal de transmisión (una que cumpla con la condición Heaviside), los parámetros de transmisión (impedancia característica y velocidad de grupo) no varían con la frecuencia de transmisión. Por esta razón, las líneas de transmisión TEM ideales no sufren dispersión, una forma de distorsión en la que los diferentes componentes de frecuencia viajan a velocidades distintas. La dispersión «desdibuja» la forma de la onda (que puede representar la información transmitida) a lo largo de la longitud de la línea. Todos los demás modos sufren de dispersión, lo que limita el ancho de banda alcanzable.

Modos cuasi-TEM Algunas líneas planar, como el microstrip, no tienen un dieléctrico homogéneo; el material dieléctrico por encima y por debajo de la línea es diferente. Estas geometrías no pueden soportar un modo TEM verdadero, ya que hay un componente del campo electromagnético paralelo a la dirección de la línea. Sin embargo, la transmisión puede ser casi TEM, y a este modo se le llama cuasi-TEM. En una línea TEM, las discontinuidades (como huecos y postes, usados para filtros y otros dispositivos) tienen una impedancia puramente reactiva, es decir, pueden almacenar energía pero no disiparla. En la mayoría de las líneas quasi-TEM, estas estructuras también tienen un componente resistivo en su impedancia debido a la radiación desde la estructura, lo que causa pérdidas en el circuito. Problemas similares ocurren en curvas y esquinas de la línea. Estas pérdidas pueden mitigarse utilizando un material de alta permitividad como sustrato, que permite que una mayor proporción de la onda quede contenida en el dieléctrico, haciendo que el medio de transmisión sea más homogéneo y el modo más cercano a TEM.

Modos transversales

En las guías de onda metálicas huecas y las guías de onda ópticas, puede existir un número ilimitado de modos transversales. Sin embargo, el modo TEM no puede propagarse, ya que requiere dos o más conductores separados para hacerlo. Los modos transversales se clasifican como eléctricos transversales (TE, o modos H) o magnéticos transversales (TM, o modos E), dependiendo de si todo el campo eléctrico o todo el campo magnético, respectivamente, es transversal. Siempre hay un componente longitudinal de uno de los campos. El modo exacto se identifica mediante un par de índices que cuentan el número de longitudes de onda o semilongitudes de onda a lo largo de dimensiones transversales específicas. Estos índices suelen escribirse sin separador, por ejemplo: TE10. La definición exacta depende de si la guía de onda es rectangular, circular o elíptica. En resonadores de guía de onda, se introduce un tercer índice para los modos, que indica el número de semilongitudes de onda en la dirección longitudinal.

Una característica de los modos TE y TM es que existe una frecuencia de corte definida por debajo de la cual no se produce transmisión. Esta frecuencia de corte depende del modo, y el modo con la frecuencia de corte más baja se denomina modo dominante. La propagación multimodo es generalmente indeseable. Por esta razón, los circuitos suelen diseñarse para operar en el modo dominante a frecuencias inferiores al límite de corte del siguiente modo más alto. Solo puede existir un modo, el dominante, en este rango de frecuencias.