ES2396341B2 - Multi-band microwave pass-band filter with an arbitrary number of pass bands - Google Patents
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Abstract
Filtro paso-banda multi-banda de microondas con un número arbitrario de bandas de paso.#Esta estructura está formada por la conexión en cascada de varios bloques. Las secciones de interferencia transversal de señales, basadas en dos líneas de transmisión en paralelo (2 y 4), confieren la acción filtrante multi-banda al circuito total. Las etapas de entrada y salida (1 y 5) son líneas de transmisión adaptadoras que minimizan las pérdidas de retomo de potencia en las bandas de paso. El elemento intermedio (3) es una línea de transmisión que permite la conexión adecuada de las secciones interferenciales para aumentar el rechazo de potencia fuera de banda. Se trata de una topología filtrante compacta y de alta selectividad, apta como circuito selector de bandas en aplicaciones de comunicaciones multi-canal y sistemas radar multi-frecuencia.Multi-band microwave band-pass filter with an arbitrary number of step bands. # This structure is formed by cascading several blocks. The cross-sectional signal interference sections, based on two parallel transmission lines (2 and 4), give the multi-band filter action to the total circuit. The input and output stages (1 and 5) are adaptive transmission lines that minimize losses of power return in the passbands. The intermediate element (3) is a transmission line that allows the proper connection of the interference sections to increase the rejection of out-of-band power. It is a compact and high selectivity filter topology, suitable as a band selector circuit in multi-channel communications applications and multi-frequency radar systems.
Description
SECTOR DE LA TÉCNICA La presente invención se enmarca dentro del sector técnico de las tecnologías de alta frecuencia, y más concretamente en la temática del diseño de filtros pasivos paso-banda multi-banda para rangos espectrales de microondas y milimétricas. TECHNICAL SECTOR The present invention is part of the technical sector of high frequency technologies, and more specifically in the subject of passive multi-band passive filter design for microwave and millimeter spectral ranges.
ESTADO DE LA TÉCNICA Actualmente, resulta innegable el creciente interés en el diseño de circuitos de microondas multi-frccucl1cia, capaces de operar simultáneamente en distintas bandas espectrales. Esto ha venido motivado por las últimas tendencias en el sector de las telecomunicaciones hacia el desarrollo de equipos de radiofrecuencia multifunción, como soporte hardware de las nuevas aplicaciones de comunicaciones inalámbricas multi-cstándar y sistemas radar multi-frecucncia, Dicha necesidad también ha quedado patente en la implementación de conceptos emergentes dentro de este ámbito, tales como la "radio definida por sofmure" y la "radio cognitiva", STATE OF THE TECHNIQUE Currently, it is undeniable the growing interest in the design of multi-frequency microwave circuits, capable of operating simultaneously in different spectral bands. This has been motivated by the latest trends in the telecommunications sector towards the development of multifunction radio frequency equipment, such as hardware support of the new multi-standard wireless communications applications and multi-frequency radar systems. This need has also been evident in the implementation of emerging concepts within this field, such as the "radio defined by sofmure" and the "cognitive radio",
Sin lugar a dudas, uno de los principales exponentes dentro de esta corriente de investigación son los filtros paso-banda de microondas con múltiples bandas de paso, Nótese que cualquier equipo multi-frecuencia ha de proceder, en algún punto de su cadena, a una selección espectral multi-banda para su correcto funcionamiento: en la faceta transmisora, para emitir una señal multi-canal pura, sin componentes annónicos fuera de banda que puedan interferir a otros sistemas; en la función receptora, para eliminar espurios y ruido fuera de banda presentes junto a la señal de interés, posibilitando el consiguiente procesado multi-banda de la misma, Undoubtedly, one of the main exponents within this research current is the microwave pass-band filters with multiple pass bands, Note that any multi-frequency equipment must proceed, at some point in its chain, to a multi-band spectral selection for proper operation: in the transmitting facet, to emit a pure multi-channel signal, without out-of-band annonic components that may interfere with other systems; in the receiving function, to eliminate spurious and out-of-band noise present next to the signal of interest, enabling the consequent multi-band processing thereof,
La forma tradicional de diseñar circuitos selectores multi-frectlencia se ha basado en el empleo de bancos canalizados de filtros interconectados a entrada y salida por un divisor y un combinador de potencia, respectivamente. No obstante, son muchos los inconvenientes de esta solución que desac.onsejan su uso práctico. Entre ellos, cabe mencionar su excesivo tamaño fisico y volumen, su ineficiencia en potencia debido a fenómenos de desadaptación entre etapas y disipación en el bloque combinador, y su complejidad de diseño. Una modificación de esta estructura, de cara a disminuir sus dimensiones, ha consistido en reemplazar el conjunto banco-de-filtros/divisor-depotencia por un multiplexor. Desafortunadamente, la implementación del multiplexor, así como su conexión con la etapa combinadora, son tareas dificiles de abordar. The traditional way of designing multi-frequency selector circuits has been based on the use of channeled filter banks interconnected at the input and output by a divider and a power combiner, respectively. However, there are many drawbacks of this solution that discourage its practical use. Among them, it is worth mentioning its excessive physical size and volume, its inefficiency in power due to phenomena of mismatch between stages and dissipation in the combiner block, and its design complexity. A modification of this structure, in order to reduce its dimensions, has been to replace the filter-bank / power-divider-set with a multiplexer. Unfortunately, the implementation of the multiplexer, as well as its connection to the combiner stage, are difficult tasks to tackle.
Es por ello que la investigación en el campo de filtros paso-banda multi-banda de microondas ha suscitado una gran atención, de cara a supemr todas las limitaciones existentes en los circuitos selectores multi-frecuencia convencionales. De este modo, se ha propuesto en los últimos años multitud de topologías de filtros paso-banda con varias bandas de paso, sobre todo para tecnologías planares. Dichas estructuras se fundamentan principalmente en esquemas de resonadores acoplados más o menos complejos, dependiendo de las prestaciones pretendidas. En cualquier caso, sólo algunas de dichas configuraciones permiten obtenc'f todos los requisitos deseables para estos circuitos; entre ellos: 1) alta selectividad filtrante mediante la generación de ceros de tmnsmisión entre las bandas de paso, 2) compacidad física, 3) disponibilidad de metodología teórica de diseño y 4) extrapolación para la síntesis de cualquier número de bandas. En relación a este último punto, cabe mencionar que el número máximo de bandas de paso demostrado hasta la fecha en desarrollos experimentales de filtro multibanda ha sido cuatro. No obstante, se trata de estructuras obtenidas empíricamente, carentes de procedimiento analítico de diseño y difícilmente generalizables para conformar un mayor número de bandas. Además, como inconveniente añadido de todas estas soluciones basadas en resonadores acoplados, ha de señalarse su dificil aplicación en sistemas de banda ultra-ancha debido a limitaciones tecnológicas. Efectivamente, anchos de banda relativos mayores al 20% son difíciles de alcanzar debido a la mínima separación realizable entre líneas resonantes acopladas. That is why research in the field of multi-band microwave band-pass filters has attracted great attention, in order to overcome all the limitations existing in conventional multi-frequency selector circuits. In this way, a multitude of top-band filter topologies with several step bands have been proposed in recent years, especially for planar technologies. These structures are based mainly on more or less complex coupled resonator schemes, depending on the intended performance. In any case, only some of these configurations allow obtaining all desirable requirements for these circuits; among them: 1) high filter selectivity by generating transmission zeros between the pass bands, 2) physical compactness, 3) availability of theoretical design methodology and 4) extrapolation for the synthesis of any number of bands. In relation to this last point, it should be mentioned that the maximum number of passbands shown to date in experimental developments of multiband filter has been four. However, these are empirically obtained structures, lacking an analytical design procedure and hardly generalizable to form a greater number of bands. In addition, as an added drawback of all these solutions based on coupled resonators, its difficult application in ultra-wideband systems due to technological limitations should be noted. Indeed, relative bandwidths greater than 20% are difficult to achieve due to the minimum achievable separation between coupled resonant lines.
En la última década, ha surgido una nueva filosofía de filtrado de radiofrecuencia basada en técnicas de interferencia de señales. Dicho concepto toma su punto de partida en los principios clásicos de filtrado digital basados en estructuras transversales multicaminO. Así pues, la implementación directa de estos esquemas mediante configumciones activas de microondas más O menos generalizadas ha conducido a acciones filtrantes de alta frecuencia de gran selectividad. Más recientemente, también se ha demostrado la aplicabilidad de estos métodos interferenciales en la realización de filtros paso-banda pasivos haciendo uso de circuitos selectivos no convencionales; por ejemplo, acopladores y divisores de potencia funcionando en modo tmnsversal, O secciones interferenciales constituidas por dos lineas de transmisión en paralelo. El éxito de dichas topologías filtrantes ha quedado validado en aplicaciones de banda estrecha, moderada y ultra-ancha, para funciones de transferencia mono-banda y de banda doble. In the last decade, a new philosophy of radiofrequency filtering based on signal interference techniques has emerged. This concept takes its starting point in the classic principles of digital filtering based on multicamin transverse structures. Thus, the direct implementation of these schemes through more or less generalized active microwave configurations has led to high-frequency filter actions of high selectivity. More recently, the applicability of these interferential methods has also been demonstrated in the realization of passive pass-band filters using unconventional selective circuits; for example, couplers and power dividers operating in tmnsversal mode, or interferential sections consisting of two parallel transmission lines. The success of these filter topologies has been validated in narrow-band, moderate and ultra-wide applications, for mono-band and double-band transfer functions.
La presente invención se presenta como una alternativa sencilla para la realización de filtros multi-banda pasivos de microondas de reducido tamaño y alta selectividad filtrante, fundamentada en técnicas de interferencia de señales. Dicha invención, mediante el empico de secciones de interferencia formadas por dos líneas de tmnsmisión conectadas en paralelo, permite sintetizar respuestas filtrantes multi-banda con un número arbitrario de bandas de paso. Seguidamente, se procede a la descripció n minuciosa de esta topología filtrante multi-banda y su metodología de diseño, ejemplificada para un filtro con seis bandas de paso. The present invention is presented as a simple alternative for the realization of passive multi-band microwave filters of reduced size and high filter selectivity, based on signal interference techniques. Said invention, by means of the interference interference sections formed by two transmission lines connected in parallel, makes it possible to synthesize multi-band filter responses with an arbitrary number of passing bands. Next, we proceed to the detailed description of this multi-band filter topology and its design methodology, exemplified for a filter with six pass bands.
EXPLICACiÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención hace uso de dos secciones de interferencia de señales idénticas (2 y 4), formadas cada una por la conexión en paralelo de dos tramos de línea de transmisión distintos. La función de transferencia de cada sección aislada es de alta selectividad, es decir, exhibe una transición muy abrupta entre cada banda de paso y las atenuadas adyacentes, así como un fuerte rechazo de potencia fuera de banda. Esto se consigue mediante la generación de ceros de transmisión de potencia entre cada par de bandas de paso consecutivas. EXPLANATION OF THE INVENTION The present invention makes use of two identical signal interference sections (2 and 4), each formed by the parallel connection of two different transmission line sections. The transfer function of each isolated section is of high selectivity, that is, it exhibits a very abrupt transition between each passing band and the adjacent attenuations, as well as a strong rejection of out-of-band power. This is achieved by generating power transmission zeros between each pair of consecutive passbands.
Los bloques correspondientes a las seccIones de interferencia de señales (2 y 4) producen ceros de transmisión de potencia entre las bandas de paso, a la vez que generan interferencias constructivas para conformar las mismas. Para ello, es preciso The blocks corresponding to the signal interference sections (2 and 4) produce power transmission zeros between the passbands, while generating constructive interference to form them. For this, it is necessary
que las longitudes eléctricas de los tramos de línea que forman las secciones presenten valores adecuados a la frecuencia central del rango espectral en el que se conforma la acción filtrante multi-banda (frecuencia de diseño). Concretamente, la longitud eléctrica del tramo de línea más corto (6) ha de ser el número de bandas a generar multiplicado por rc/2 radianes (90 grados), mientras que el tramo de línea más largo (7) debe tener una longitud eléctrica adicional de 1t radianc:s (180 grados). También es necesario que la resta de los inversos de las impedancias características del tramo de línea de transmisión más corto (6) y más largo (7) sea igual al inverso de la impedancia de referencia. Por impedancia de referencia se entiende el valor de la impedancia equivalente de generador y carga que verá el circuito a su entrada y salida, respectivamente. that the electrical lengths of the sections of the line that form the sections have values appropriate to the central frequency of the spectral range in which the multi-band filter action (design frequency) is formed. Specifically, the electrical length of the shortest line segment (6) must be the number of bands to be generated multiplied by rc / 2 radians (90 degrees), while the longest line section (7) must have an electrical length additional 1t radianc: s (180 degrees). It is also necessary that the subtraction of the inverse of the characteristic impedances of the shortest (6) and longest (7) transmission line section is equal to the inverse of the reference impedance. Reference impedance means the equivalent generator and load impedance value that the circuit will see at its input and output, respectively.
De lo anterior, se deduce que a medida que la longitud eléctrica de las líneas (6) y (7) aumenta se genera un mayor número de bandas de paso, lográndose interferencias constructivas perfectas en las mismas y cancelaciones de señal entre cada par de bandas de paso consecutivas. La separación entre bandas continuas resulta ser igual a dos veces la frecuencia de diseño dividido por el número de bandas de paso producidas más la unidad. From the above, it follows that as the electrical length of the lines (6) and (7) increases, a greater number of passbands is generated, achieving perfect constructive interference in them and signal cancellations between each pair of bands consecutive way. The separation between continuous bands turns out to be twice the design frequency divided by the number of pass bands produced plus the unit.
Las líneas adaptadoras de entrada y salida (1 y 5) son líneas de impedancias características similares a la de referencia y de longitudes eléctricas habitualmente de rrJ2 ó 1t radianes (90 ó 180 grados). Mediante la optimización de los valores de las impedancias características, se logra obtener adaptaciones de potencia mayores de 10 dB para todas las bandas de paso sintetizadas. Por otro lado, la línea de cascada (3) entre las dos secciones interfercncialcs (2 y 4) permite una conexión fisica adecuada de las mismas (2 y 4). Esto se hace para aumentar el rechazo global en todas las bandas atenuadas del filtro, respecto al ofrecido por una sola sección interferencia\. The input and output adapter lines (1 and 5) are lines of characteristic impedances similar to the reference and electrical lengths usually of rrJ2 or 1t radians (90 or 180 degrees). By optimizing the values of the characteristic impedances, power adaptations greater than 10 dB are achieved for all synthesized passbands. On the other hand, the cascade line (3) between the two interfering sections (2 and 4) allows an adequate physical connection of them (2 and 4). This is done to increase the overall rejection in all the attenuated bands of the filter, compared to that offered by a single interference section.
DESCRIPC iÓN DE LOS DIBUJOS Figura I es el diagrama de bloques conceptual de la presente invención, constituido por la conexión en cascada de una línea adaptadora de entrada (1), una sección de interferencia de señales (2), una línea de cascada (3), una sección de interferencia de señales (4), y una línea adaptadora de salida (5). DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure I is the conceptual block diagram of the present invention, consisting of the cascade connection of an input adapter line (1), a signal interference section (2), a cascade line (3 ), a signal interference section (4), and an output adapter line (5).
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Figura 2 muestra la implementación circuital de la sección de interferencia de señales, formada por la conexión en paralelo de dos tramos de línca de transmisión de distintas longitudes eléctricas (6 y 7). Figura 3 es una gráfica que representa la respuesta normalizada de transmisión de potencia (8) y de reflexión de potencia (9) para el prototipo de filtro multibanda construido con seis bandas de paso. El eje Y se corresponde con la amplitud en decibelios, mientras que el eje X muestra la frecuencia nonnalizada respecto a la frecuencia central (frecuencia de diseño) del filtro de seis bandas. Figure 2 shows the circuit implementation of the signal interference section, formed by the parallel connection of two sections of transmission line of different electrical lengths (6 and 7). Figure 3 is a graph representing the standardized power transmission response (8) and power reflection (9) for the multi-band filter prototype constructed with six passbands. The Y axis corresponds to the amplitude in decibels, while the X axis shows the unchanged frequency with respect to the center frequency (design frequency) of the six-band filter.
MODO DE REALIZACiÓN Un modo de realización de la presente invención es un filtro paso-banda con seis bandas de paso, formado por la conexión en cascada de una línea adaptadora de entrada ( 1), una sección de interferencia de señales (2), una línea de cascada (3), una sección de interferencia de señales (4) idéntica a (2), y una línea adaptadora de salida (5). MODE OF EMBODIMENT An embodiment of the present invention is a six-band pass-band filter, formed by the cascade connection of an input adapter line (1), a signal interference section (2), a cascade line (3), a signal interference section (4) identical to (2), and an output adapter line (5).
Las secciones interferencia les (2 y 4) son indistinguibles entre sí. Cada una de ellas se realiza mediante la conexión en paralelo de dos tramos de línea de transmisión de distinta longitud eléctrica (6 y 7). La línea más corta (6) tiene una longitud eléctrica a la frecuencia de diseño de valor 4)'[ (720 grados), mientras que la línea más larga (7) tiene una longitud eléctrica a la frecuencia de diseño de valor 5)'[ radianes (900 grados). Para satisfacer la relación necesaria entre las impedancias características de ambas líneas, la impedancia camcterística de la línea más corta (6) es la mitad de la impedancia de referencia y la impedancia característica de la línea más larga (7) es igual a la impedancia de referencia. The interference sections (2 and 4) are indistinguishable from each other. Each of them is done by connecting two sections of a transmission line of different electrical lengths in parallel (6 and 7). The shortest line (6) has an electrical length at the design frequency of value 4) '[(720 degrees), while the longest line (7) has an electrical length at the design frequency of value 5)' [radians (900 degrees). In order to satisfy the necessary relationship between the characteristic impedances of both lines, the camometric characteristic of the shortest line (6) is half of the reference impedance and the characteristic impedance of the longest line (7) is equal to the impedance of reference.
Las etapas adaptadoras de entrada y salida (l y 5) son también idénticas y se realizan, cada una de ellas, mediante una línea de transmisión de longitud eléctrica Tt!2 radianes (90 grados) a la frecuencia de diseño. The adaptive input and output stages (1 and 5) are also identical and are performed, each of them, by a transmission line of electrical length Tt! 2 radians (90 degrees) at the design frequency.
Finalmente, un modo de realización de la etapa de cascada (3) consiste en el uso de una línea de tmnsmisión de longitud eléctrica 1t radianes (1 80 grados) a la frecuencia de diseño. Finally, one embodiment of the cascade stage (3) consists in the use of a transmission line of electric length 1t radians (1 80 degrees) at the design frequency.
En Fig. 3 se observan las seis bandas de paso sintetizadas, correctamente adaptadas, en las respuestas de tmnsmisión (8) y reflexión (9) de potencia. In Fig. 3 the six synthesized pass bands, correctly adapted, are observed in the transmission (8) and reflection (9) power responses.
APLICACIÓN INDUSTRIAL La presente invención supone una potenc.ial aplicación en el sector técnico de las tecnologias de alta frecuencia. En particular, pennite el diseño y desarrollo de estructuras filtmntes multi-banda altamente selectivas para las cadenas de radiofrecuencia dirigidas a sistemas de comunicaciones inalámbricas multi-estándar y radar multi-frccuencia. INDUSTRIAL APPLICATION The present invention is a potential application in the technical sector of high frequency technologies. In particular, the design and development of highly selective multi-band filtering structures for radio frequency chains aimed at multi-standard wireless communications systems and multi-frequency radar is important.
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B B
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11. D. M. Pozar, Microwave Engineering, 2nd ed. New York: Wiley, 1998. 10 11. D. M. Pozar, Microwave Engineering, 2nd ed. New York: Wiley, 1998. 10
Claims (5)
- 2. 2.
- Filtro pasivo paso-banda multi-banda de microondas altamente selectivo, según la reivindicación 1, caracterizado porque las secciones intcrfcrcnciales se forman con dos líneas de transmisión distintas en paralelo, con longitudes eléctricas diferenciadas en 7r radianes (180 grados) y siendo la longitud eléctrica de la línea más corta igual al número de band.as de paso a obtener multiplicado por ¡rJ2 radianes (90 grados). Passive multi-band passive multi-band microwave filter according to claim 1, characterized in that the cross-sectional sections are formed with two different transmission lines in parallel, with differentiated electrical lengths in 7r radians (180 degrees) and the electrical length being of the shortest line equal to the number of band.as of passage to be multiplied by ¡rJ2 radians (90 degrees).
- 3. 3.
- Filtro pasivo paso-banda multi-banda de microondas altamente selectivo, según la reivindicación 1, caracterizado porque las etapas adaptatoras y de cascada se realizan mediante líneas de transmisión de longitudes e impedancia característ icas adecuadas. Passive multi-band passive multi-band microwave filter according to claim 1, characterized in that the adaptive and cascade stages are carried out by means of transmission lines of suitable characteristic lengths and impedance.
- 4. Four.
- Filtro pasivo paso-banda multi-banda de microondas altamente selectivo, según la reivindicación 2, caracterizado porque las secciones de interferencia son idénticas. Passive multi-band passive multi-band microwave filter according to claim 2, characterized in that the interference sections are identical.
- 5. 5.
- Filtro pasivo paso-banda multi-banda de microondas altamente selectivo, según la reivindicación 2, caracterizado po:r pemitir su implementación en tecnologías planares, tales como stripline, microstrip y guía de ondas coplanar. Passive multi-band passive multi-band microwave filter, according to claim 2, characterized by allowing its implementation in planar technologies, such as stripline, microstrip and coplanar waveguide.
Priority Applications (1)
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Family Applications (1)
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| FG2A | Definitive protection |
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