ES2272145B1 - Filtros planares para microondas y ondas milimetricas que contiene resonadores de anillos abiertos. - Google Patents
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Abstract
Filtros planares para microondas y ondas milimétricas que contienen resonadores de anillos abiertos. Comprenden un medio de transmisión planar que incluye una tira conductora, plano de masa metálico y substrato dieléctrico. Se caracterizan por el hecho de que comprenden por lo menos una etapa consistente en un resonador de anillos abiertos, un elemento para el control del ancho de banda de tal etapa y un elemento de acoplamiento entre etapas. Se consigue realizar filtros de reducidas dimensiones, controlar el ancho de banda, controlar de forma efectiva el nivel de selectividad en la banda de transición superior y eliminar bandas espurias.
Description
Filtros planares para microondas y ondas
milimétricas que contienen resonadores de anillos abiertos.
La presente invención se refiere a filtros
planares de microondas y de ondas milimétricas implementados
mediante líneas de transmisión y etapas acopladas que contienen
resonadores de anillos abiertos.
Son conocidas estructuras basadas en resonadores
distribuidos para la síntesis de filtros de microondas y de ondas
milimétricas, ya sean de rechazo de banda, pasa banda, de paso alto
o de paso bajo. Dichas estructuras se basan en el hecho de que para
determinadas frecuencias se producen resonancias dinámicas, a
partir de las cuales, y mediante un acoplo conveniente entre los
resonadores que forman la estructura, es posible la generación de
las respuestas antes mencionadas. En estas estructuras las
dimensiones escalan con la longitud de onda a la frecuencia
característica del filtro, y además se producen bandas de frecuencia
espurias, estando éstas relacionadas con la dependencia periódica de
los parámetros eléctricos de la estructura, tales como la impedancia
de línea, con la frecuencia.
También son conocidas estructuras de filtrado
frecuencial basadas en líneas de transmisión y en resonadores
concentrados, tales como resonadores de anillos abiertos o
resonadores de anillos abiertos complementarios y topologías de
ellos derivadas. En tales estructuras, los resonadores de anillos
abiertos o los resonadores de anillos abiertos complementarios se
disponen de manera tal que se produzca un determinado acoplamiento
magnético y/o eléctrico entre dichos resonadores y las líneas de
transmisión, de manera tal que en la vecindad de la frecuencia de
resonancia de los mencionados resonadores se producen bandas de
rechazo o de paso, siendo necesario en este último caso que además
se introduzcan elementos adicionales tales como brechas capacitivas
(en inglés, "gaps capacitivos") en configuración serie con la
línea de transmisión y/o uniones metálicas entre la tira conductora
y el plano de masa metálico. En estas estructuras, se consiguen
respuestas frecuenciales selectivas en frecuencia, pero en ningún
caso se tiene control sobre la respuesta frecuencial, que permita
sintetizar respuestas conocidas (o aproximaciones estándar) con
ancho de banda controlable.
Una limitación de las mencionadas estructuras
basadas en resonadores distribuidos para su uso como filtros es el
hecho de que sus dimensiones pueden ser considerables por cuanto
éstas dependen de la longitud de onda a la frecuencia característica
del filtro. Además, en tales estructuras se producen bandas de
frecuencia espurias que pueden ocurrir a frecuencias relativamente
cercanas a la banda de interés.
Una limitación de las mencionadas estructuras
basadas en resonadores concentrados de anillos abiertos o de anillos
abiertos complementarios, radica en el hecho de que mediante tales
estructuras no se controla a voluntad la respuesta frecuencial del
filtro, ya sea el ancho de banda, o el nivel de rechazo fuera de la
banda de paso, o la selectividad frecuencial, o al menos no se
controla de forma simultanea.
Otra importante limitación de todas las
estructuras mencionadas anteriormente se refiere al hecho de que
mediante las mismas es difícil conseguir sintetizar respuestas con
grandes anchos de banda.
Para la generación de respuestas con gran ancho
de banda son conocidas estructuras basadas en la disposición en
cascada de celdas consistentes en elementos concentrados mediante
los cuales se obtienen respuestas de paso alto y de paso bajo, pero
en ningún caso dichas celdas consisten en resonadores de anillos
abiertos, mediante los cuales se consiga controlar a voluntad el
ancho de banda gracias al nivel de acoplamiento entre los
mismos.
El objetivo de la presente invención es resolver
los inconvenientes mencionados referidos a las estructuras basadas
en líneas de transmisión y resonadores de anillos abiertos,
desarrollando filtros operativos a frecuencias de microondas y ondas
milimétricas, basados en tales resonadores de anillos abiertos, en
los cuales se puede controlar el ancho de banda y la respuesta
frecuencial, y pueden ser implementados en tecnología planar, ya sea
en substratos de microondas o milimétricas de bajas pérdidas, en
substratos multicapa, o bien mediante tecnologías microelectrónicas
de fabricación.
De acuerdo con este objetivo, los filtros de la
presente invención se caracterizan por el hecho de que comprenden un
medio de transmisión planar, o línea de transmisión, que comprende
una tira conductora, plano de masa metálico y substrato dieléctrico,
por el hecho de que comprende al menos un resonador de anillos
abiertos y un elemento adicional para el control del ancho de banda
del filtro (típicamente una conexión metálica entre la tira
conductora y el plano de masa metálico) y por el hecho de que se
controla el nivel de acoplamiento entre los resonadores que forman
parte del filtro ya sea mediante el uso de secciones de línea de
transmisión de anchura controlable y/o longitud eléctrica
controlable o mediante gaps capacitivos, en todos los casos
emulándose un inversor de admitancias para controlar el citado nivel
de acoplamiento.
Estas características permiten realizar filtros
de reducidas dimensiones, debido a que las dimensiones de los
resonadores de anillos abiertos son menores que la longitud de onda
a la frecuencia de resonancia de los mismos. Además, gracias a la
combinación de los citados resonadores de anillos abiertos con
elementos adicionales tales como uniones metálicas entre el plano de
masa metálico y la tira conductora, se consigue controlar el ancho
de banda de los filtros e incluso se puede controlar de forma
efectiva el nivel de selectividad en la banda de transición
superior, o bien se pueden eliminar bandas espurias, gracias a la
presencia de ceros de transmisión, cuya posición se puede controlar
a voluntad.
Además, en la medida que los dieléctricos y
metales utilizados para su fabricación tengan bajos niveles de
pérdidas y resistividad, respectivamente, los filtros objeto de la
presente invención presentan bajas pérdidas de inserción en la banda
de paso, su diseño es simple y su proceso de fabricación es
compatible con las tecnologías de fabricación de circuitos impresos
e integrados.
Preferiblemente los resonadores de anillos
abiertos son complementarios, están grabados en el plano de masa
metálico o en la tira conductora y están acoplados eléctricamente a
la línea de transmisión. Dichos resonadores de anillos abiertos
complementarios pueden ser de geometría circular o poliédrica en
general, y pueden tener uno o más cortes en cada anillo del par.
Alternativamente, los resonadores se pueden implementar mediante
espirales complementarias, igualmente grabadas en el plano de masa
metálico o en la tira conductora. Para conseguir controlar el ancho
de banda de forma efectiva, además se dispone un elemento metálico
(en inglés, "stub") a modo de inducción entre la tira
conductora y el plano de masa metálico. Además se controla el
acoplamiento entre los diferentes resonadores que forman la
estructura mediante inversores de impedancia que pueden ser
implementados mediante gaps capacitivos grabados en la tira
conductora.
Alternativamente, los inversores de impedancia
se pueden implementar mediante líneas de transmisión de anchura y/o
longitud eléctrica controlable dispuestas entre resonadores
adyacentes. Para compactar la estructura, tales líneas de
transmisión se pueden grabar mediante meandros.
Según otra realización, los resonadores
concentrados se implementan mediante resonadores de anillos abiertos
metálicos, los cuales están magnéticamente acoplados a la línea de
transmisión planar. Dichos resonadores de anillos abiertos pueden
ser de geometría circular o poliédrica en general, y pueden tener
uno o más cortes en cada anillo del par. Alternativamente, los
resonadores se pueden implementar mediante espirales metálicas, o
bien mediante anillos grabados en diferentes niveles de metal para
conseguir un mayor acoplo capacitivo entre los anillos que forman el
resonador y por tanto un mayor nivel de miniaturización de tales
resonadores.
Ventajosamente los anillos abiertos poseen las
aberturas de cada anillo en la misma posición y se encuentran
topológicamente conectados de forma cruzada en las aberturas,
obteniéndose la topología correspondiente a una espiral.
Con el objeto de controlar el ancho de banda del
filtro se disponen gaps capacitivos en la tira conductora y
elementos de acoplamiento entre etapas resonadoras que consisten en
uniones metálicas entre la tira conductora y el plano de masa
metálico o bien líneas de transmisión de anchura y/o longitud
eléctrica controlable, comportándose como filtro pasa banda de ancho
de banda controlable.
Preferiblemente, la línea de transmisión planar
es de tipo microtira (en inglés, "microstrip"), coplanar, cinta
(en inglés "stripline"), o variantes de las mismas. Gracias a
esta característica, los filtros se pueden implementar en cualquier
tipo de tecnología planar, compatible con los procesos de
fabricación de circuitos impresos o integrados.
Ventajosamente, los filtros de la presente
invención permiten sintetizar respuestas con bandas de paso ultra
anchas y con la presencia de espurios frecuenciales alejados de la
banda frecuencial de interés. Adicionalmente, se puede añadir en las
etapas de entrada y/o salida del filtro resonadores de anillos
cortados o resonadores de anillos cortados complementarios para
eliminar dichos espurios frecuenciales.
Para mayor comprensión de cuanto se ha expuesto,
se acompañan unos dibujos en los que, esquemáticamente y sólo a
título de ejemplo no limitativo, se representa una realización
preferida de los filtros objeto de la presente invención y la
respuesta frecuencial correspondiente.
En dichos dibujos,
La figura 1a muestra la cara anterior de una
realización preferida para un filtro pasa banda de tres etapas de
resonadores de anillos abiertos complementarios, implementado
mediante tecnología microtira.
La figura 1b muestra la cara posterior de una
realización preferida para un filtro pasa banda de tres etapas de
resonadores de anillos abiertos complementarios, implementado
mediante tecnología microtira.
La figura 1c muestra una vista en perspectiva de
una realización preferida para un filtro pasa banda de tres etapas
de resonadores de anillos abiertos complementarios, implementado
mediante tecnología microtira.
La figura 2a muestra un gráfico de la respuesta
frecuencial medida del filtro de la invención correspondiente a la
realización preferida.
La figura 2b muestra un detalle de la banda de
paso de la respuesta frecuencial medida del filtro de la invención
correspondiente a la realización preferida.
Las figuras 1a, 1b y 1c de la presente invención
muestran un filtro pasa banda implementado en tecnología microtira.
Se muestra la cara anterior 1 y posterior 2 del substrato
dieléctrico 3. En la cara posterior del substrato se han grabado
resonadores de anillos cortados complementarios 4 en el plano de
masa metálico 5. En la cara anterior los gaps capacitivos 6 se
disponen en serie con la tira conductora 7 y las uniones metálicas
entre la tira conductora y el plano de masa metálico se realizan
mediante tiras (o "stubs") 8 en el extremo de las cuales se
perfora el substrato y se metaliza formándose una vía 9 para
conseguir el contacto eléctrico entre los niveles de metal superior
e inferior.
Alternativamente, los resonadores de anillos
cortados complementarios pueden tener geometría poliédrica y/o
pueden presentar más de una abertura y/o pueden realizarse en
configuración de espiral.
Alternativamente, entre los resonadores de
anillos complementarios, se pueden sustituir los gaps capacitivos
por secciones de línea de transmisión de anchura y/o longitud
eléctrica controlable.
Alternativamente el filtro se puede implementar
mediante cualquier otro tipo de medio de transmisión planar y
mediante resonadores de anillos abiertos metálicos en acoplamiento
magnético con la línea de transmisión. En este caso, los resonadores
de anillos abiertos metálicos se grabarán de manera que se
magnifique tal acoplamiento magnético. También en este caso, se
dispondrán gaps capacitivos serie y/o uniones metálicas
("stubs") y/o líneas de transmisión entre los resonadores de
anchura y/o longitud eléctrica controlable, al efecto de poder
controlar las características del filtro.
La figura 2a muestra el gráfico correspondiente
a la respuesta frecuencial 10 del filtro 1 descrito en la presente
invención con tres etapas de resonadores de anillos abiertos
complementarios, donde se observan los bajos valores de pérdidas en
la banda de paso. Un detalle de la mencionada banda de paso se
muestra en el gráfico de la figura 2b.
A pesar de que se ha descrito y representado una
realización concreta de la presente invención, es evidente que el
experto en la materia podrá introducir variantes y modificaciones, o
sustituir los detalles por otros técnicamente equivalentes, sin
apartarse del ámbito de protección definido por las reivindicaciones
adjuntas.
Claims (8)
1. Filtro para microondas y ondas milimétricas,
que comprende un medio de transmisión planar que incluye una tira
conductora (7), plano de masa metálico (5) y substrato dieléctrico
(3), caracterizado por el hecho de que comprende por lo menos
una etapa consistente en un resonador de anillos abiertos, un
elemento para el control del ancho de banda de tal etapa y un
elemento de acoplamiento entre etapas.
2. Filtro según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que dicho medio de transmisión
planar está basado en líneas de transmisión convencionales
(microtira, coplanar, cinta) o variantes de las mismas.
3. Filtro según las reivindicaciones 1 o 2,
caracterizado por el hecho de que el/los resonadores de
anillos abiertos son complementarios y están grabados en el plano de
masa metálico (5) o bien en la tira conductora (7).
4. Filtro según la reivindicación 3,
caracterizado por el hecho de que existen uniones metálicas
entre la tira conductora (7) y el plano de masa metálico (5) y
elementos de acoplamiento entre etapas resonadoras que consisten en
gaps capacitivos (6) grabados en la tira conductora (7) o bien
líneas de transmisión de anchura y/o longitud eléctrica controlable,
comportándose como filtro pasa banda de ancho de banda
controlable.
5. Filtro según las reivindicaciones 1 o 2,
caracterizado por el hecho de que el/los resonadores de
anillos abiertos son metálicos y están grabados de manera que se
produzca acoplamiento magnético entre la tira conductora y tales
resonadores de anillos abiertos metálicos.
6. Filtro según la reivindicación 5,
caracterizado por el hecho de que existen gaps capacitivos
(6) en la tira conductora (7) y elementos de acoplamiento entre
etapas resonadoras que consisten en uniones metálicas entre la tira
conductora (7) y el plano de masa metálico (5) o bien líneas de
transmisión de anchura y/o longitud eléctrica controlable,
comportándose como filtro pasa banda de ancho de banda
controlable.
7. Filtro según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que los anillos abiertos son de geometría circular o poliédrica,
presentan una pluralidad de aberturas y o elementos metálicos
grabados en uno o más niveles de metal.
8. Filtro según las reivindicaciones 1, 2, 3, 4,
5 o 6, caracterizado por el hecho de que los anillos abiertos
poseen las aberturas de cada anillo en la misma posición y se
encuentran topológicamente conectados de forma cruzada en las
aberturas, obteniéndose la topología correspondiente a una
espiral.
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