ES2208949T3 - Filtro de modo evanescente integrado con atenuador ajustable. - Google Patents
Filtro de modo evanescente integrado con atenuador ajustable.Info
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Abstract
UN FILTRO DE MODO EVANESCENTE DE GUIA DE ONDAS (8) ESTA INTEGRADO CON UN CIRCUITO INTEGRADO DE MICROONDAS MONOLITICO (MMIC) AL LADO (6) FORMANDO LOS CIRCUITOS MMIC (10) Y EL FILTRO DE GUIA DE ONDAS (8) SOBRE UN SUSTRATO INDIVIDUAL QUE FORMA UNA PLACA DE MASA (15) COMUN PARA AMBOS ELEMENTOS. LA GUIA DE ONDAS (14) TIENE UNA SUPERESTRUCTURA CON UN ENCASTRE INTERNO QUE ESTA PERFILADO PARA PROPORCIONAR LA FRECUENCIA DE CORTE DESEADA. LA PARTE SUBYACENTE DE LA PLACA DE MASA PUEDE FORMAR LA PARTE INFERIOR DE LA GUIA DE ONDAS (14) Y PUEDE TAMBIEN ESTAR PERFILADA PARA DEFINIR LA FRECUENCIA DE CORTE. SE PROPORCIONA ATENUACION AJUSTABLE MEDIANTE UNA TARJETA RESISTIVA (26) QUE PUEDE INSERTARSE EN DIFERENTES CANTIDADES EN LA GUIA DE ONDAS (14).
Description
Filtro de modo evanescente integrado con
atenuador ajustable.
Esta invención se refiere a un filtro en guía de
ondas de modo evanescente con un atenuador ajustable integrado que
es compatible para su integración en un módulo de circuito
integrado monolítico de microondas (MMIC) y, particularmente, a un
módulo de circuito monolítico integrado de microondas que comprende
un plano de tierra conductivo; circuitería de MMIC sobre dicho
plano de tierra; una guía de ondas y conexiones de señal entre
dicha guía de ondas y dicha circuitería MMIC.
Los filtros en guía de ondas pueden obtener
fácilmente una baja pérdida de inserción de banda de paso y un
rechazo alto fuera de banda, que son características deseables en
un filtro. Se sabe que una guía de ondas tiene una frecuencia de
corte por debajo de la cual una señal no puede propagarse a través
de la guía de ondas. Para una guía de ondas rectangular que tiene
una anchura (a), la atenuación de la guía de ondas a una frecuencia
por debajo de la frecuencia de corte está caracterizada por la
siguiente ecuación:
(1)\alpha = \frac{\pi}{a}
\sqrt{1-(\frac{f}{f_{c}})^{2}}
donde \alpha=atenuación en neperios/metro, a =
ancho de guía de ondas, f = frecuencia, f_{C}= frecuencia de
corte = (c/2a) para el modo TE_{10}, donde c es la velocidad de
propagación de las ondas electromagnéticas. Esta característica de
guía de ondas para una frecuencia por debajo de la de corte es
llamada un modo evanescente, y está descrita por S. Ramo et alt., en
Fields and Waves in Communication Electronics, John Wiley
& Sons, Inc., 2^{nd} ed., 1984, páginas
444-446.
Con esta característica de la guía de ondas,
puede realizarse un filtro de pasa-altos mediante
un progresivo estrechamiento de la anchura de la guía de ondas
rectangular para eliminar las señales de baja frecuencia no deseadas
y permitir el paso de las señales de alta frecuencia a través de la
guía de ondas. Este filtro es llamado un filtro de modo
evanescente.
Se puede insertar una tarjeta resistiva delgada
en la guía de ondas desde una ranura que se abre en una de las
paredes anchas de la guía de ondas para formar un atenuador
ajustable, como lo describe R.E. Collin, en Foundations for
Microwave Engineering, McGraw-Hill, Inc., 1966,
página 262. La cantidad de atenuación puede ser controlada
ajustando la profundidad de penetración de la tarjeta. El atenuador
proporciona atenuación para todas las frecuencias que pasan a
través de la guía de ondas.
En frecuencias de microondas y ondas
milimétricas, los dispositivos pasivos en un módulo MMIC son
típicamente dispositivos con circuitos de microcinta o línea de
cinta, que incluyen filtros y atenuadores. Ejemplos de filtros en
microcinta o línea de cinta para aplicaciones de MMIC son descritos
en la patente norteamericana número 5,485,131 y la patente
norteamericana número 5,319,329. Los filtros realizados en
circuitos microcinta y línea de cinta generalmente tienen elevadas
pérdidas de inserción de banda de paso y bordes de rechazo fuera de
banda pobres en comparación con las de un filtro en guía de
ondas.
Los circuitos de microcinta y línea de cinta
muestran modelos de campo electromagnético transversal (TEM), y los
componentes pasivos variables son difíciles de realizar en
circuitos TEM. Los atenuadores variables han sido realizados en
circuitos MMIC usando circuitos de transistores de efecto de campo
(FET), como se describen en la patente norteamericana número
4,837,530, la patente norteamericana número 4,875,023, la patente
norteamericana número 4,890,077, patente norteamericana número
4,996,504 y la patente norteamericana número 5,309,048. Sin
embargo, estos circuitos son complicados y requieren componentes
activos, es decir, transistores FET. Los atenuadores variables que
usan medios pasivos puros son difíciles de implementar en un
circuito microcinta o línea de cinta.
En un módulo MMIC convencional para aplicaciones
de ondas milimétricas, se requerían conjuntos separados para un
filtro y un atenuador ajustable, dando como resultado un volumen
mayor, más peso y mayor coste.
El documento US 4,716,387 describe un convertidor
guía de ondas-línea de microcinta para ser usado en
combinación con una guía de ondas, para la conversión de modo en la
transmisión de una señal desde la guía de ondas a una línea de
microcinta. Este documento describe, además, un filtro de paso de
banda que incorpora los convertidores guía de
ondas-línea de microcinta. Una pluralidad de
resonadores de guías de ondas encapsulados con un dieléctrico están
conectados y un par de guías de ondas encapsulados con un
dieléctrico están dispuestas en los extremos opuestos del conjunto
de resonadores de guías de ondas, respectivamente. Un par de
convertidores guía de ondas-línea de microcinta
están dispuestos en el lado externo de las guías de ondas y están
conectados a las líneas de microcinta previstas sobre un substrato
MIC.
El documento US 4,803,446 describe un
amplificador de microondas de ruido bajo en el que una longitud de
un par de paredes anchas o más anchas dentro de una guía de ondas
rectangular es acortada al menos cerca de una porción donde se
provee una sonda para introducir una señal de microondas en la
porción de amplificación.
El documento US 5,202,648 describe un módulo de
transmisión guía de
ondas-a-microcinta que transmite
energía electromagnética capturada entre una guía de ondas y
circuitería de tratamiento de señales.
El documento US 3,209,288 describe una guía de
ondas que comprende medios para insertar de forma variable una
porción de un sustrato de material dieléctrico de cara a atenuar la
energía de microondas conducida en la guía de ondas.
El documento US 4,994,775 describe un filtro de
microondas de pasa-altos con baja pérdida para
circuitos de microcinta. El filtro de microondas comprende una guía
de ondas con resalte único que está conectada a un circuito de
microcinta de manera que se establezca una frecuencia de corte del
circuito.
El documento US 3,958,194 describe un atenuador
de guía de ondas que puede ser usado en una guía de ondas de modo
dominante.
El artículo "A beyond-cutoff
waveguide-dielectric filter using microstrip
lines", M.N. Berger et alt., telecommunications and radio
engineering, vol. 34/35, nº 6 junio 1.980, páginas
95-97, describe una guía de ondas montada sobre un
substrato que está también provisto de una línea de microcinta. La
guía de ondas mostrada tiene una forma rectangular y una capa plana
de dieléctrico.
En vista de las dificultades que presentan los
circuitos de microcinta y línea de cinta para microondas y ondas
milimétricas para realizar un filtro con respuestas de frecuencia
satisfactorias y un atenuador ajustable viable, la presente
invención proporciona un dispositivo combinado de filtro en guía de
ondas y atenuador que es compatible para su integración en un
circuito MMIC. La invención es definida por las reivindicaciones
anexas.
Esta invención permite un filtro en guía de ondas
con un atenuador ajustable para ser fabricado sobre un módulo MMIC,
usando técnicas de bajo coste tales como moldeado a presión o
moldeado de plásticos por inyección metalizada, y no obstante
proporciona un comportamiento del filtro y una capacidad de ajuste
del atenuador que solamente consiguen los filtros en guía de ondas y
los atenuadores ajustables separados. Comparado con filtros en guía
de ondas y atenuadores separados, el filtro/atenuador integrado
realizado en esta invención es físicamente más pequeño y menos caro
de llevar a la práctica y es, por ello, adecuado para aplicaciones
comerciales tales como electrónica de comunicaciones y
automoción.
En una realización preferida, el plano E, que es
el plano según la anchura de la guía de ondas, está centrado en
torno a un plano de tierra liso, con una sección de tapa única que
incluye una pluralidad de transformadores de impedancia como
sección de filtro. Esto permite que una pared de la guía de ondas
sea abierta para aceptar una tarjeta resistiva delgada, la cual
atenúa las señales que pasan a través de la sección central de la
guía de ondas. La penetración de la tarjeta dentro de la guía de
ondas es ajustable moviendo la tarjeta desde el exterior de la guía
de ondas proporcionando con ello una atenuación variable de las
señales.
Estas y otras características y ventajas de la
invención quedarán claras a los expertos en la técnica a partir de
la siguiente descripción detallada, tomada junto a los dibujos que
acompañan, en los cuales:
la Figura 1 es una vista en planta de un módulo
MMIC que tiene un conjunto superior de filtro/atenuador con
acoplamientos de sonda en la entrada y en la salida del filtro de
acuerdo con la invención;
la Figura 2 es una vista en sección dada a lo
largo de la línea de sección 2-2 de la Figura 1,
que muestra variaciones escalonadas en las porciones rebajadas del
plano de tierra y del conjunto superior de la guía de ondas;
la Figura 3, es una vista en sección de otra
realización similar a la Figura 2, pero con variaciones escalonadas
sólo en la porción del conjunto superior de la guía de ondas;
la Figura 4 es una vista en sección de otra
realización similar a las Figuras 2 y 3, pero con variaciones
progresivas en la porción de conjunto superior de la guía de
ondas;
la Figura 5 es una vista en sección extrema dada
a lo largo de la línea de sección 5-5 de la Figura
1, que muestra los extremos de la guía de ondas en las
realizaciones de las Figuras 2, 3 y 4.
La presente invención proporciona un filtro en
guía de ondas y atenuador integrado que es fácilmente fabricado
sobre un módulo de circuito integrado monolítico de microondas
(MMIC) con buenas prestaciones, bajo coste y un alto rendimiento de
fabricación.
La Figura 1 muestra un módulo MMIC 6 en el cual
están integrados un filtro/atenuador 8 y otras partes de un circuito
MMIC 10. El filtro/atenuador 8 tiene un conjunto superior 12 que
cubre una guía de ondas 14. El conjunto superior 12 está fijado
preferiblemente a un plano de tierra 15 del módulo MMIC 6 por una
pluralidad de tornillos 17. La guía de ondas 14 tiene un hueco
interior rodeado por paredes conductoras y está definido por el
conjunto superior 12 y el plano de tierra 15. La guía de ondas 14
tiene una sonda de acoplamiento de entrada 16 cerca de una de un
extremo para recibir microondas y una sonda de acoplamiento de
salida 18 cerca del otro extremo para transmitir ondas filtradas
y/o atenuadas.
La guía de ondas 14 incluye una pluralidad de
transformadores de impedancia 20, los cuales son variaciones en la
anchura de la guía de ondas 14 a lo largo de su longitud, mostradas
en la Figura 2. Cuando la guía de ondas es usada para un filtro de
pasa-altos, la anchura de la guía de ondas se
estrecha más allá del acoplamiento de entrada para rechazar las
frecuencias de microondas de entrada por debajo de la frecuencia de
corte. La frecuencia de corte f_{C} del modo TE_{10} de una guía
de ondas rectangular está determinada por la anchura (a) de la guía
de ondas mediante la relación
(2)f_{c}=\frac{c}{2a}
donde c es la velocidad de propagación de las
ondas electromagnéticas. Para una guía de ondas rectangular, el
modo TE_{10} es el modo dominante de propagación y tiene la
frecuencia más baja de
corte.
En frecuencias por debajo de la frecuencia de
corte, las señales de entrada se atenúan y no se propagan a través
de la guía de ondas. La atenuación dentro de una guía de ondas
rectangular por debajo de la frecuencia de corte está caracterizada
por la ecuación (1) dada previamente.
Un filtro de pasa-altos es
realizado reduciendo la anchura de la guía de ondas 14. Para un
coste bajo y una fabricación fiable del filtro, se prefiriere que
la sección recta de la guía de ondas sea cambiada abruptamente en
localizaciones discretas a lo largo de su longitud. En una
realización preferida, una pluralidad de transformadores de
impedancia 20 escalonados están incorporados a lo largo de la
longitud de la guía de ondas 14. Cada uno de los transformadores 20
tiene una longitud de aproximadamente un cuarto de la longitud de
onda entre discontinuidades escalonadas adyacentes para la
adaptación de impedancia. Preferiblemente, los transformadores se
forman mecanizando el conjunto superior 12 y el plano de tierra 15
usando las técnicas de mecanizado electrodinámico, moldeo o
estampación. La anchura (a) mínima de la guía de ondas determina la
frecuencia de corte f_{C} del filtro. Una sección 22 de la guía
de ondas tiene una abertura 24 en forma de ranura para recibir una
tarjeta resistiva delgada 26 que penetra en el interior de la
sección 22. La abertura 24 en forma de ranura está enrasada,
preferiblemente, con la superficie superior del plano de tierra 15.
La tarjeta resistiva 26 actúa como atenuador variable que atenúa
señales de todas las frecuencias que viajan a través de la guía de
ondas. La tarjeta resistiva 26 está hecha preferiblemente de un
material de alta resistencia tal como carbono. La tarjeta resistiva
26 es movible de forma que su penetración en la guía de ondas sea
ajustable. En una realización preferida, un extremo de la tarjeta
resistiva 26 está mantenido por un pivote 28 y puede girar alrededor
del pivote 28. La tarjeta resistiva 26 es ajustada girándola
manualmente y es mantenida en su lugar por la fuerza de rozamiento
entre el pivote 28 y la tarjeta resistiva 26. La atenuación de todas
las frecuencias de señales en la guía de ondas se incrementa cuanto
más profundamente penetra la tarjeta resistiva 26 en la sección 22
de la guía de ondas.
La guía de ondas puede tener muchas formas
diferentes en sección recta, tales como rectangular, circular,
elíptica u oblonga. Para una fabricación fácil de la guía de ondas
en un módulo MMIC usando técnicas tales como moldeado a presión o
moldeado de plásticos por inyección metalizada, preferiblemente
tiene sección recta rectangular.
El acoplamiento de la energía de microondas a la
entrada y la salida de la guía de ondas se obtienen mediante la
sonda de entrada 16 y la sonda de salida 18, respectivamente. Las
sondas 16 y 18 son segmentos de línea de transmisión conductiva que
penetran parcialmente en la pared ancha de la guía de ondas 22,
cerca de los extremos de cortocircuito 28 y 30 de la guía de ondas.
Debido a que el filtro integrado con el atenuador ajustable tiene
una sección recta lateral sustancialmente simétrica, la entrada y
la salida del dispositivo son intercambiables en
funcionamiento.
En una realización preferida, mostrada en la
Figura 3, el plano de tierra 46 de un módulo MMIC 48 tiene un
rebaje 50 que forma una porción 52 de la guía de ondas, pero la
porción rebajada 50 es plana a lo largo de toda la longitud de la
guía de ondas y no contiene discontinuidades escalonadas. En la
porción superior 54 de la guía de ondas definida por el conjunto
superior 56, una serie de transformadores escalonados 58 que
tienen, cada uno, una longitud aproximadamente igual a un cuarto de
la longitud de onda, es formada por cambios abruptos en
localizaciones discretas sólo en la porción del conjunto superior 54
de la guía de ondas 52. Debido a que el plano de tierra 46 del
módulo MMIC 48 tiene un rebaje rectangular plano sin variaciones en
la profundidad del rebaje, esta configuración permite un bajo coste
y un alto rendimiento de fabricación del dispositivo
filtro/atenuador.
En otra configuración, mostrada en la Figura 4,
los transformadores escalonados de las Figuras 2 y 3 son
reemplazados por una variación progresiva en la anchura de la guía
de ondas 60 a lo largo de su longitud. El plano de tierra 62 del
módulo MMIC 64 tiene un rebaje rectangular plano 66 para formar la
porción inferior de la guía de ondas 60. El conjunto superior 68
proporciona la porción superior de la guía de ondas 60 y tiene
transiciones 70 progresivas desde los dos extremos de la guía de
ondas 60 hacia el centro. La anchura (a) mínima de la guía de ondas
determina la frecuencia de corte.
Existen muchas posibles configuraciones para el
acoplamiento de la energía de microondas a la entrada y la salida
del dispositivo de filtro en guía de ondas y atenuador. En una
realización preferida que facilita la ejecución práctica de los
acoplamientos de entrada y de salida en una guía de ondas en un
módulo MMIC, se usan sondas para acoplar la energía a la entrada y a
la salida del dispositivo. En la Figura 5, el plano de tierra 15
está parcialmente rebajado y está alineado con el conjunto superior
12 para formar una guía de ondas 14 rectangular. La sonda MMIC 16,
que es un segmento de línea de transmisión conductiva que se
extiende desde una línea de cinta o una microcinta, penetra
parcialmente en la guía de ondas 14. La longitud de penetración de
la sonda y la distancia de la sonda 16 desde el extremo de
cortocircuito 28 de la guía de ondas están determinadas con
precisión para minimizar la reflexión y las pérdidas cuando la
energía de microondas es acoplada a la entrada o a la salida de la
guía de ondas 14 a través de la sonda 16.
Claims (9)
1. Un módulo de circuito integrado monolítico de
microondas (MMIC) (6; 48; 64), que comprende:
un plano de tierra conductivo (15; 46; 62);
circuitería MMIC (10) en dicho plano de tierra
(15; 46; 62);
una guía de ondas (14; 52; 60); y
conexiones de señales entre dicha guía de ondas
(14; 52; 60) y dicha circuitería MMIC (10), en el que dicha guía de
ondas (14; 52; 60) tiene una sección recta transversal y se
extiende en una dirección longitudinal sobre dicho plano de tierra
(15; 46; 62), incluyendo dicha guía de ondas (14; 52; 60) una
pluralidad de variaciones en la dimensión de su sección recta
transversal a lo largo de la dirección longitudinal, determinando
la menor sección recta (a) la frecuencia de corte de la guía de
ondas por debajo de la cual las ondas electromagnéticas son
suprimidas en amplitud, caracterizado por
un atenuador ajustable (22) situado para atenuar
de forma ajustable las ondas electromagnéticas que se propagan a
través de dicha guía de ondas (14; 52; 60).
2. El módulo de la reivindicación 1,
caracterizado porque dicha sección recta transversal tiene
forma rectangular.
3. Un módulo como en una de las reivindicaciones
1-2, caracterizado porque dichas conexiones
de señales comprenden, además, dos sondas (16, 18) situadas para
acoplar dichas ondas electromagnéticas de entrada y de salida de
dicha guía de ondas (14; 52; 60), penetrando cada una de las sondas
(16, 18) en dicha guía de ondas (14; 52; 60) y teniendo una
longitud de penetración y una localización determinadas de forma
precisa para minimizar las pérdidas de inserción.
4. Un módulo como el de una de las
reivindicaciones 1-3, caracterizado porque
dichas variaciones en la sección recta transversal de dicha guía de
ondas (14; 52) comprenden una pluralidad de transformadores de
impedancia escalonados (20; 58) formados por cambios abruptos en la
dimensión de la sección recta transversal a lo largo de la
dimensión longitudinal de dicha guía de ondas (14; 52).
5. El módulo de la reivindicación 4,
caracterizado porque dicha guía de ondas (14; 52; 60) está
definida por un rebaje (50; 66) en el plano de tierra (15; 46; 62)
y un conjunto superior (12; 56) que tiene un rebaje, teniendo cada
uno de dichos rebajes una pluralidad de cambios abruptos en su
profundidad para formar dicha pluralidad de transformadores de
impedancia escalonados (20).
6. El módulo de la reivindicación 4,
caracterizado porque dicha guía de ondas (52) está definida
por un rebaje (50) en el plano de tierra (46) y un conjunto
superior (56) que tiene un rebaje (54), teniendo dicho rebaje (50)
del plano de tierra una profundidad sustancialmente constante y
teniendo dicho rebaje (54) del conjunto superior una pluralidad de
cambios abruptos en la profundidad de su rebaje para formar dicha
pluralidad de transformadores de impedancia escalonados (20).
7. Un módulo como el de una de las
reivindicaciones 1-3, caracterizado porque
dichas variaciones en la sección recta transversal de dicha guía de
ondas (60) comprenden cambios continuos en la dimensión de la
sección recta transversal.
8. El módulo de la reivindicación 7,
caracterizado porque dicha guía de ondas (60) está definida
por un rebaje (66) en el plano de tierra (62) y un conjunto
superior (68) que tiene un rebaje (70), teniendo dicho rebaje (62)
del plano de tierra una profundidad sustancialmente constante y
teniendo dicho rebaje (70) del conjunto superior cambios continuos
en la profundidad del rebaje (70) para formar dichas variaciones en
la sección recta transversal.
9. El módulo de la reivindicación 1,
caracterizado porque dicho atenuador ajustable (22)
comprende, además, una abertura (24) en dicha guía de ondas (14;
52; 60) adaptada para aceptar una tarjeta resistiva (26) que es
movible para permitir una profundidad de penetración variable de
dicha tarjeta (26) en dicha guía de ondas (14; 52; 60), por lo cual
dicha profundidad de penetración variable determina la cantidad de
atenuación en dicho atenuador ajustable (22).
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| US707277 | 1996-09-03 | ||
| US08/707,277 US5786739A (en) | 1996-09-03 | 1996-09-03 | Integrated evanescent mode filter with adjustable attenuator |
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