FILTROS RF Y MICROONDAS PASO BAJO USANDO LINEAS MICROTIRA Y GUIAS COPLANARES COMBINADAS.

Filtros RF y microondas bajo paso usando líneas microtira y guías coplanares combinadas.

La presente invención se refiere a la implementación de filtros paso bajo de tamaño reducido y bajas pérdidas haciendo uso de la combinación en el mismo área del sustrato de estructuras tipo microtira y guía coplanar, explotando la posibilidad de utilizar las dos caras metalizadas del sustrato, con el objeto de añadir flexibilidad al diseño

Filtros RF y Microondas paso bajo usando líneas microtira y guías coplanares combinadas.

Objeto de la invención

La presente invención se refiere a la implementación de filtros paso bajo de tamaño reducido y bajas pérdidas haciendo uso de la combinación en el mismo área del sustrato de estructuras tipo microtira y guía coplanar, explotando la posibilidad de utilizar las dos caras metalizadas del sustrato, con el objeto de añadir flexibilidad al diseño.

Estado de la técnica

Los filtros paso bajo (FPB) son componentes muy utilizados en sistemas de comunicaciones que se suelen usar para eliminar armónicos no deseados o bandas espurias a frecuencias de RF, microondas o milimétricas. El filtro convencional paso bajo de salto de impedancia consiste en la cascada de secciones de líneas de transmisión de alta y baja impedancia característica que aproximan una red en escalera de componentes cuasi-localizados LC (autoinducción en serie y condensador en paralelo). La realización de este tipo de filtros en tecnología impresa (microtira) se encuentra entre las más usadas debido a la sencillez de su diseño y a su bajo coste. Sin embargo, esta clase de filtros presenta de forma inherente al menos dos problemas prácticos. El primero es la degradación del nivel de rechazo de la señal fuera de la banda de paso a causa de la manifestación del carácter distribuido de las secciones de línea de transmisión de tamaño finito más allá de la frecuencia de corte del filtro. El segundo problema procede de las limitaciones de la tecnología microtira para conseguir impedancias características elevadas que requieren la utilización de pistas conductoras extremadamente estrechas y de difícil realización práctica.

El nivel de rechazo en la región externa a la banda de paso de los filtros de salto de impedancia cuando se usan diseños Tchebyshev o Butterworth es relativamente pobre. Se puede mejorar aumentando el orden del filtro, pero esto conlleva un incremento del tamaño del circuito y de las pérdidas de inserción. Una forma alternativa más eficaz es usar diseños de tipo Chebyshev generalizado o elíptico, que introducen ceros de transmisión en la banda rechazada en la vecindad de la banda de paso, lo que permite obtener una respuesta en frecuencia más selectiva. Pero la implementación de los componentes del prototipo localizado del filtro elíptico con líneas microtira no es obvia. En esta patente se describe un método para sintetizar los componentes del filtro elíptico combinando líneas microtira y guía coplanar en el mismo área del substrato usado para fabricar el filtro.

Descripción de las figuras

Figura 1.-

Layout de ejemplo (A) y circuito equivalente (B) de un filtro paso bajo elíptico de tres polos.

Figura 2.-

(a) Respuesta del filtro A (medidas, simulación, circuito equivalente y realización Chebyshev equivalente.

(b) Detalle de las pérdidas de inserción

Figura 3.-

(a) Respuesta del filtro B (medidas, simulación, circuito equivalente y realización Chebyshev equivalente.

(b) Detalle de las pérdidas de inserción

Figura 4.-

Línea recta de alta impedancia (a) y su equivalente en bucles conectados en serie (b).

Figura 5.-

Layout de la versión miniaturizada del filtro B (a), respuesta eléctrica del filtro simulada y medida (b) y detalle de las pérdidas de inserción.

Descripción de la invención

La presente invención describe el diseño de un filtro paso bajo de respuesta elíptica que retiene la simplicidad de diseño de los filtros de salto de impedancia y da lugar a un mejor aprovechamiento del área de substrato que otras implementaciones posibles. El método se basa en la implementación de los componentes del filtro explotando la posibilidad de utilizar las dos caras metalizadas del substrato (circuitos integrados de doble cara). Se saca partido del uso de diferentes medios de transmisión en cada una de las caras del substrato (microtira sobre plano de masa ranurado o guía coplanar) con el objeto de añadir flexibilidad al diseño. En la Figura 1(a) se muestra el "layout" elemental que ilustra el concepto en cuestión (en este caso es un filtro de tres polos con un cero de transmisión) y en la Figura 1(b) se muestra su circuito equivalente de parámetros localizados. Las regiones sombreadas corresponden a regiones metalizadas, mientras que las que aparecen en blanco son las regiones del substrato de las que se ha retirado el recubrimiento metálico.

Debe observarse que la sección LC en paralelo se implementa en una sola etapa que involucra las dos caras del substrato (ensanchamiento de dimensiones w_c x I₂ en la cara superior del substrato junto al mismo ensanchamiento asociado a dos tramos cortos de guía coplanar de anchura w_b y longitud I_p2 en la cara inferior del substrato). Las autoinducciones en serie, L_si, son realizadas mediante secciones eléctricamente cortas de líneas de alta impedancia (líneas de anchura w_t en la cara superior del substrato). La ranura en el plano de masa (cara inferior) contribuye a alcanzar valores de la impedancia característica más elevados que los que se obtienen con líneas microtira convencionales. En un primer orden de aproximación, las secciones de baja impedancia se asimilan a condensadores de placas paralelas para aproximar las capacidades conectadas en las ramas paralelo del circuito en escalera, C_pi. A continuación, con el objeto de sintetizar los ceros de transmisión propios del diseño elíptico, estos condensadores están conectados en serie con secciones de línea de transmisión guía coplanar de alta impedancia característica que actúan como las auto-inducciones presentes en las ramas paralelo, L_pi. Estas líneas de alta impedancia cumplen también la misión de cortocircuitar los modos de ranura no deseados que podrían propagarse por la estructura ranurada perjudicando al comportamiento eléctrico del filtro. Debido a su pequeño tamaño, las ranuras en el plano de masa no radian demasiado en el rango de frecuencias de interés, aunque la radiación podría ser importante a altas frecuencias.

Los parámetros geométricos del "layout" se obtienen partiendo de los componentes del circuito de parámetros localizados equivalente que se encuentran convenientemente tabulados de forma estándar. Las longitudes de las líneas de alta impedancia que simulan autoinducciones se obtienen a partir del circuito equivalente para líneas eléctricamente cortas usando los algoritmos pertinentes para calcular las impedancias características de líneas microtira sobre plano de masa ranurado o para guías coplanares. Las longitudes de las secciones de baja impedancia pueden obtenerse a partir de simulaciones con simuladores electromagnéticos de estructuras planas comerciales. Finalmente, con el objeto de reducir el tamaño global del filtro, las líneas microtira de alta impedancia rectas pueden sustituirse por una serie de bucles conectados en serie que proporcionen la misma autoinducción.

Modo de realización de la invención

Para ilustrar el procedimiento de diseño, se realizan dos filtros elípticos paso bajo de órdenes 3 y 5. Las especificaciones de los filtros y los correspondientes parámetros localizados se muestran en las tablas 1 y 2.

El objetivo es diseñar y fabricar los filtros A y B usando un substrato comercial de constante dieléctrica relativa e_r=10,2 y espesor h=0,635 mm. Conocida la impedancia característica de los tramos de línea microtira y de guía coplanar, Z₀, que aproximan las autoinducciones, L, obtenemos la longitud, I, de tales tramos aplicando la fórmula:

I/L = v_f/Z₀ = c/(Z₀surde_ef)

donde v_f es la velocidad de fase del modo fundamental cuasi-TEM, e_ef es la constante dieléctrica efectiva de tal modo, y c es la velocidad de la luz en el vacío.

Para clarificar el método de diseño, enumeramos a continuación los pasos seguidos para obtener la geometría del filtro A, aunque la del filtro B se obtiene de forma similar:

        1)        Determinación...

1. Filtro elíptico paso bajo para RF, microondas o milimétricas basado en el uso simultáneo de las dos caras metalizadas del sustrato, combinando tecnología microtira con tecnología guía onda coplanar caracterizado porque las autoinducciones serie del prototipo de parámetros localizados se implementan con tramos rectos de línea microtira sobre plano de masa con ranura, preferentemente, mediante serie de bucles abiertos equivalentes.

2. Filtro elíptico paso bajo para RF, microondas o milimétricas basado en el uso simultáneo de las dos caras metalizadas del sustrato, combinando tecnología microtira con tecnología guía onda coplanar según reivindicación 1 caracterizado porque las autoinducciones de la rama paralelo del prototipo de parámetros localizados se implementan con secciones cortas de guía coplanar de alta impedancia.

3. Filtro elíptico paso bajo para RF, microondas o milimétricas basado en el uso simultáneo de las dos caras metalizadas del sustrato, combinando tecnología microtira con tecnología guía onda coplanar según reivindicaciones anteriores caracterizado porque los condensadores de las ramas paralelo del prototipo de parámetros localizados se implementan mediante el enfrentamiento de regiones metálicas ensanchadas en los dos planos metalizados: el plano superior, donde están impresas las líneas microtira, y el plano inferior, que también hace de plano de masa, en el que está impreso el circuito en guía de onda coplanar.