FILTRO PASO-BAJO PARA SEÑALES ELECTROMAGNETICAS.

Filtro paso-bajo para señales electromagnéticas, formado por una sucesión de elementos de rechazo,

definidos por stubs (2) de longitud {la}{sub,g}/4, con una distancia pequeña o nula entre ellos, los cuales elementos se sintonizan a diferentes frecuencias determinando la banda de rechazo

Filtro paso-bajo para señales electromagnéticas.

Sector de la técnica

La presente invención está relacionada con el tratamiento de las señales electromagnéticas, proponiendo un filtro paso-bajo en guía onda o línea de transmisión de gran ancho de banda rechazado y con características de diseño que permiten una alta potencia y una longitud reducida del dispositivo.

Estado de la técnica

Existen técnicas en guía de onda y línea de transmisión para diseñar dispositivos de tratamiento en frecuencia de las señales electromagnéticas (Microwave filters, impedance-matching networks and coupling structures; Matthai, Young and Jones; Artech House 1980, capítulos 9 y 12), entre las que podemos destacar dispositivos de los siguientes tipos:

- Filtros paso-banda, basados en la utilización de stubs de longitud λ_g/2 (siendo λ_g la velocidad de fase dividida por la frecuencia de diseño) con separación λ_g/4 entre ellos (Wavequide components for Antenna Feed Systems: Theory and CAD; Uher, Bornemann and Rosemberg; Artech House 1993, páginas 185-189).

- Filtros rechazo-banda, basados en la utilización de stubs de longitud λ_g/4 con separación λ_g/4 entre ellos (Wavequide components for Antenna Feed Systems: Theory and CAD; Uher, Bornemann and Rosemberg; Artech House 1993,páginas 185-189).

- Filtros paso-bajo de tipo corrugado en guía de onda (Wavequide components for Antenna Feed Systems: Theory and CAD; Uher, Bornemann and Rosemberg; Artech House 1993, páginas 200-207). Dichos filtros se estructuran como deformaciones o corrugaciones de la pared tubular del filtro. Si bien estos filtros se denominan paso-bajo, todos los filtros en guía de onda presentan la particularidad de que únicamente permiten la transmisión de señales cuya frecuencia sea superior a una determinada frecuencia, denominada frecuencia de corte. Para el caso concreto de la guía de onda de sección rectangular, esta frecuencia de corte está determinada (analíticamente) por la anchura de la guía. Por ello, incluso los denominados filtros paso-bajo, en guía de onda presentan un comportamiento paso-banda, de manera que la frecuencia inferior de la banda de paso se controla variando la frecuencia de corte de la guía.

El problema principal de los filtros paso-bajo diseñados con las técnicas clásicas de filtros corrugados, es que la respuesta paso-bajo se mantiene mientras exista un comportamiento monomodo, es decir, cuando únicamente se propaga por el filtro el modo fundamental, que es el primero de los que pueden propagarse por la guía de onda.

Por lo tanto, si se desea rechazar frecuencias altas en guías de onda de sección rectangular (por ejemplo hasta el tercer armónico de la banda de paso), sólo es posible lograrlo con filtros de mayor complejidad como los de tipo waffle-iron (descritos por ejemplo en la Patente US 6285267), y diseñados específicamente para ello. Sin embargo, los diseños waffle-iron obligan a tener unos gaps físicos (separación en altura entre las paredes de la guía por el interior) muy pequeños, de manera que por ellos sólo puede pasar una cantidad de potencia reducida. Además, estos filtros waffle-iron necesitan tener una longitud relativamente larga para obtener una transición abrupta entre la banda de paso (rango de frecuencias que pueden pasar por la guía) y la banda de rechazo (rango de frecuencias que la guía no deja pasar).

En este sentido, la Patente US 2007024394 describe un dispositivo que se forma a base de un filtro paso-bajo corrugado de alta potencia (que no permite rechazar hasta el tercer armónico), a cuya salida se añade una estructura basada en el fenómeno de la reflexión Bragg (dicho fenómeno explica que es posible rechazar una frecuencia con un periodo adecuado en la perturbación que se realiza en la guía). De este modo se consigue rechazar hasta el tercer armónico, igual que podríamos conseguir con un diseño waffle-iron pero con un gap suficientemente elevado en toda la estructura como para permitir el paso de gran cantidad de potencia. Sin embargo, la concatenación de de las dos estructuras lleva en general a dispositivos de gran longitud. En este sentido, si bien podríamos plantearnos rechazar las bajas frecuencias también con reflexión Bragg y prescindir del filtro corrugado, el periodo que habría que utilizar en la estructura Bragg seria largo y, para conservar buenas prestaciones frecuenciales con un número suficiente de periodos, la longitud de la estructura Bragg tendría que ser muy grande.

Objeto de la invención

De acuerdo con la invención se propone un filtro paso-bajo de gran ancho de banda rechazado y con características de diseño que permiten una alta potencia y una longitud reducida del dispositivo.

Este filtro objeto de la invención se estructura preferentemente según una guía tubular de sección rectangular, en la cual se determinan una sucesión continua de elementos de rechazo (stop elements), utilizando preferentemente stubs (secciones de guía transversal a la dirección de propagación) de longitud λ_g/4 sin separación entre ellos a lo largo de la dirección de propagación, de manera que sobre dicha sucesión de stubs se aplica un enventanado cuya función está geométricamente definida por la sucesión de los máximos de los stubs (envolvente exterior) y por la sucesión de los gaps mínimos de dichos stubs (envolvente interior).

En la realización del filtro, a lo largo de la guia se determinan tres zonas estructuralmente diferenciadas, en una de las cuales, correspondiente al extremo de entrada al filtro, la envolvente interior disminuye progresivamente, mientras que la envolvente exterior aumenta de una manera progresiva muy ligeramente. En la segunda zona, correspondiente a la parte intermedia de la longitud, la envolvente interior permanece constante, mientras que la envolvente exterior aumenta progresivamente de manera acusada. Y en la tercera zona, correspondiente al extremo de salida del filtro, la envolvente interior aumenta progresivamente, mientras que la envolvente exterior disminuye progresivamente de manera muy acusada.

Los stubs son preferentemente sinusoidales ya que así se obtienen unas prestaciones óptimas del filtro en su comportamiento funcional. Sin embargo, otras formas (rectangular, triangular o incluso definido a puntos), también son posibles para el stub siempre y cuando se comporten como un elemento de rechazo.

Con el filtro paso-bajo de la invención se obtienen unas buenas pérdidas de retorno en la banda de paso (debido al enventanado progresivo y a la topología suave de los stubs), una pendiente muy abrupta entre la banda de paso y la banda de rechazo (debido a la utilización de los stubs λ_g/4) y una longitud total del dispositivo muy pequeña (debido a que no hay separación entre los stubs).

Este filtro permite además rechazar frecuencias hasta el tercer armónico de la banda de paso, y al mismo tiempo presenta perfiles suaves con un gap mínimo lo suficientemente grande para permitir el paso de una gran cantidad de potencia. Además, si la potencia no es un requisito, el dispositivo puede diseñarse de manera todavía más compacta.

Por todo ello, dicho filtro objeto de la invención resulta de unas características ciertamente ventajosas, adquiriendo vida propia y carácter preferente respecto de los filtros convencionales de su misma aplicación.

Descripción de las figuras

La figura 1 muestra en sección longitudinal esquemática un ejemplo de realización del filtro preconizado.

La figura 2 es una representación en perspectiva del filtro de la figura anterior.

La figura 3 es una gráfica de la respuesta en frecuencia del filtro preconizado, incluyendo la respuesta en reflexión y la respuesta en transmisión.

Descripción detallada de la invención

El objeto de la invención se refiere a un filtro de tipo paso-bajo en guía de onda, destinado para el tratamiento de las señales electromagnéticas, con el fin de limitar el paso de dichas señales en una determinada banda de frecuencias. Además de bloquear el paso en rangos frecuenciales donde otras propuestas no lo logran, con el filtro propuesto se conservan simultáneamente características de uso práctico muy importantes tales como el tamaño compacto o la posibilidad de manejar alta potencia.

Este filtro objeto de la invención se constituye por una guía metálica...

1. Filtro paso-bajo para señales electromagnéticas, para limitar el paso de rangos frecuenciales por una guía de onda o línea de transmisión, caracterizado porque consta de una sucesión de elementos de rechazo, que presentan una distancia pequeña o nula entre ellos, los cuales se sintonizan a diferentes frecuencias determinando la banda de rechazo.

2. Filtro paso-bajo para señales electromagnéticas, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado porque los elementos de rechazo vienen definidos por stubs (2) de longitud λ_g/4 y que presentan forma sinusoidal, rectangular o cualquier forma arbitraria, siendo simétricos o no con respecto a la dirección de propagación.

3. Filtro paso-bajo para señales electromagnéticas, de acuerdo con la segunda reivindicación, caracterizado por poseer una distancia mínima de separación entre los stubs (2), en la dirección de propagación.

4. Filtro paso-bajo para señales electromagnéticas, de acuerdo con la segunda reivindicación, caracterizado por poseer una distribución arbitraria de los máximos y de los mínimos de los stubs (2), a lo largo del dispositivo.

5. Filtro paso-bajo para señales electromagnéticas, de acuerdo con la segunda reivindicación, caracterizado por implementarse en guías de onda de sección rectangular, de sección circular o de secciones más complejas, como por ejemplo una guía ridge.

6. Filtro paso-bajo para señales electromagnéticas, de acuerdo con la segunda reivindicación, caracterizado porque se constituye por una guía de onda de sección rectangular, en la que las paredes superior e inferior definen longitudinalmente una perturbación con conformaciones de perfil sinusoidal, que tienen una separación nula entre ellas y están correspondientemente enfrentadas, determinando una envolvente interior y una envolvente exterior que son variables, de modo que en función de dicha configuración interior y exterior se determinan tres zonas consecutivas (A, B y C) de diferente comportamiento funcional en relación con las señales que transcurren por el interior de la guía.

7. Filtro paso-bajo para señales electromagnéticas, de acuerdo con la sexta reivindicación, caracterizado porque la zona longitudinal (A) que corresponde a la parte extrema de entrada al filtro, queda definida con una envolvente interior que disminuye progresivamente y con una envolvente exterior que aumenta progresivamente de una manera ligera.

8. Filtro paso-bajo para señales electromagnéticas, de acuerdo con la sexta reivindicación, caracterizado porque la zona longitudinal intermedia (B) queda definida con una envolvente interior que se mantiene constante, y con una envolvente exterior que aumenta progresivamente de manera acusada.

9. Filtro paso-bajo para señales electromagnéticas, de acuerdo con la sexta reivindicación, caracterizado porque la zona longitudinal (C) que corresponde a la parte extrema de salida del filtro, queda definida con una envolvente interior que aumenta progresivamente y con una envolvente exterior que disminuye progresivamente de manera muy acusada.