ES2235623A1 - Filtros y antenas de microondas y milimetricas basados en resonadores de anillos abiertos y en lineas de transmision planares. - Google Patents
Filtros y antenas de microondas y milimetricas basados en resonadores de anillos abiertos y en lineas de transmision planares.Info
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Abstract
Filtros y antenas de microondas y milimétricas basados en resonadores de anillos abiertos y en líneas de transmisión planares. Filtro para microondas y ondas milimétricas, que se caracteriza por el hecho de que comprende un medio de transmisión planar (1) que incluye una tira conductora (3), plano de masa metálico (4) y substrato dieléctrico (2) y por el hecho de que comprende por lo menos un resonador de anillos abiertos (5a, 5b, 5c, 5d, 5e y 5f).
Description
Filtros y antenas de microondas y ondas
milimétricas basados en resonadores de anillos abiertos y en líneas
de transmisión planares.
La presente invención se refiere a filtros y
antenas de microondas y ondas milimétricas basados en resonadores
de anillos abiertos y líneas de transmisión planares.
Son conocidas estructuras periódicas basadas en
resonadores de anillos abiertos para sintetizar respuestas
frecuenciales de rechazo de banda y para conseguir propiedades de
focalización de ondas electromagnéticas propagándose en el espacio.
Dichas estructuras se basan en el hecho de que en la vecindad de la
frecuencia de resonancia, tales anillos se pueden comportar como un
medio efectivo con valores extremos de permeabilidad (positiva por
debajo de la resonancia y negativa por encima de ella). Para ello
es necesario que dichas estructuras periódicas sean irradiadas con
el campo magnético polarizado paralelamente al eje de los anillos.
Siendo así, se inhibe la propagación de señales electromagnéticas
en una banda de frecuencias estrecha alrededor de la frecuencia de
resonancia, y, por tanto, se obtiene un comportamiento de rechazo
de banda.
También son conocidas estructuras periódicas
basadas en resonadores de anillos abiertos para sintetizar
respuestas pasa banda. En este caso se requiere, además de los
anillos, de una estructura adicional superpuesta capaz de
proporcionar un valor negativo de la permitividad efectiva del medio
hasta valores frecuenciales por encima de la frecuencia de
resonancia de los anillos abiertos. De esta forma, en aquella
región donde coexistan valores negativos para la permeabilidad y
permitividad efectivas, será posible la propagación de señales, y
por tanto se obtendrá una respuesta pasa banda, resultando un medio
de transmisión en el que la velocidad de fase y grupo son
antiparalelas (material zurdo). Entre estas estructuras, cabe citar
las basadas en resonadores de anillos abiertos y postes metálicos
colocados en filas alternadas. Dichos postes metálicos emulan un
plasma escalado a frecuencias de microondas y milimétricas,
confiriendo un valor negativo de la permitividad al medio hasta una
frecuencia (frecuencia plasma) que depende de las dimensiones
radiales de los postes y de la separación de los mismos. También se
han propuesto estructuras basadas en resonadores de anillos
abiertos incrustados en una guía de ondas rectangular, la cual
también emula un plasma de microondas hasta la frecuencia de corte
de la guía.
Por otra parte, estas estructuras se comportan
como elementos de corriente eléctrica o magnética que posibilitan la
emisión y recepción de ondas electromagnéticas a modo de antena.
Mediante una agrupación periódica de tales estructuras, se puede
observar experimentalmente la emisión o recepción de radiación
gracias a que la estructura permite la propagación de ondas
rápidas.
Una limitación de las anteriores estructuras para
su utilización práctica como filtros, antenas, etc., es el hecho de
que no son compatibles con las tecnologías de fabricación de
circuitos (circuitos impresos o tecnologías microelectrónicas),
pues se trata de estructuras tridimensionales.
Otra importante limitación de las citadas
estructuras se refiere al hecho que presentan pérdidas muy
significativas en la banda de paso, siendo inviable el uso de las
mismas como filtros y antenas. Tales pérdidas no son tanto debidas
a radiación o a pérdidas óhmicas o dieléctricas, sino que más bien
son consecuencia de la falta de adaptación entre el medio y las
sondas de medida.
Son conocidas estructuras basadas en líneas de
transmisión planares en las que coexisten valores negativos de
permeabilidad y permitividad efectivas en un determinado rango de
frecuencia, pero en ningún caso se trata de estructuras resonantes,
ni en dichas estructuras se utilizan resonadores de anillos cortados
para la obtención de respuestas de rechazo de banda o pasa banda
estrechas.
El objetivo de la presente invención es resolver
los inconvenientes mencionados referidos a las estructuras basadas
en anillos abiertos, desarrollando un filtro basado en un medio de
transmisión planar que puede actuar como filtro pasa banda, de
rechazo de banda o antenas elementales o agrupaciones de las
mismas, operativo a frecuencias de microondas y ondas milimétricas
y compatible con las tecnologías planares de fabricación de
circuitos, y con las modernas técnicas de micromecanizado.
De acuerdo con este objetivo, el filtro para
microondas y ondas milimétricas de la presente invención, se
caracteriza por el hecho de que comprende un medio de transmisión
planar que incluye una tira conductora, plano de masa metálico y
substrato dieléctrico y por el hecho de que comprende por lo menos
un resonador de anillos abiertos.
Esta característica permite realizar filtros de
dimensiones muy reducidas, debido a que las dimensiones de los
resonadores de anillos abiertos son mucho menores que la longitud
de onda a la frecuencia de resonancia de los anillos abiertos.
Además, dichos filtros presentan bajas pérdidas
de inserción en la banda de paso, su diseño es muy simple y su
proceso de fabricación es compatible con las tecnologías de
fabricación de circuitos impresos e integrados.
Presentan también una elevada selectividad
frecuencial como consecuencia del elevado factor de calidad de los
resonadores de anillos abiertos.
Preferiblemente, los resonadores de anillos
abiertos son metálicos y están dispuestos en acoplamiento magnético
con el medio de transmisión planar.
Dichos resonadores de anillos abiertos comprenden
al menos un par de anillos metálicos concéntricos (mismo nivel) o
bien un par de anillos dispuestos uno encima del otro, con aberturas
en algún punto de los mismos al efecto de conseguir una estructura
resonante. Se incluyen también los resonadores de anillos abiertos
en espiral.
Para conseguir una respuesta en frecuencia del
filtro tipo pasa banda, es necesario introducir un tipo de
periodicidad al medio de transmisión planar consistente en la
disposición de uniones metálicas entre la tira conductora y los
planos de masa metálicos de dicho medio de transmisión planar.
Según otra realización, la tira conductora está
separada eléctricamente del plano de masa metálico, comportándose
como un filtro de rechazo de banda. En este caso, por el hecho de
que no existe unión entre la tira conductora y los planos de masa
metálicos, es decir, están totalmente separados, el filtro presenta
una respuesta en frecuencia tipo de rechazo de banda.
Según aún otra realización, los resonadores de
anillos abiertos de la última topología presentada son metálicos y
están dispuestos en serie con la tira conductora. La inserción en
serie a lo largo de la línea de transmisión de varios de estos
anillos arriba mencionados, permite obtener filtros con respuesta
frecuencial tipo pasa banda, con una impedancia inusualmente alta,
excepto en la frecuencia de resonancia, donde se hacen
"transparentes" para la propagación electromagnética.
Preferiblemente el medio de transmisión planar
está basado en líneas de transmisión convencionales (coplanar,
microtira, cinta) o variantes de las mismas. Gracias a esta
característica, los filtros se pueden implementar en cualquier tipo
de línea de transmisión compatible con las tecnologías de circuitos
impresos o integrados. La línea de transmisión de cinta es conocida
como "stripline".
Alternativamente, los resonadores de anillos
abiertos están grabados en el plano de masa metálico siendo su
superficie la negativa de la de los resonadores de anillos abiertos
metálicos (anillos complementarios).
Según una realización correspondiente a
resonadores de anillos abiertos complementarios, existen brechas
capacitivas periódicas en la tira conductora (también conocidas
como "gaps" capacitivos), comportándose la estructura como un
filtro pasa banda.
Según otra realización para los resonadores de
anillos abiertos complementarios, la tira conductora presenta
continuidad, comportándose como un filtro de rechazo de banda. En
este caso, por el hecho de que no existen brechas capacitivas
("gaps" capacitivos) en la tira conductora, es decir, existe
continuidad en toda la tira conductora, el filtro presenta una
respuesta en frecuencia tipo de rechazo de banda.
Según otra realización, para los resonadores de
anillos abiertos complementarios de la última topología
representada, la tira conductora presenta continuidad,
comportándose como un filtro pasa banda. Sólo en este caso, por el
hecho de que no existen brechas capacitivas ("gaps"
capacitivos) en la tira conductora de la última configuración de
anillos abiertos, es decir, existe continuidad en toda la tira
conductora, el filtro presenta una respuesta en frecuencia tipo
pasa banda.
Según otra realización, el filtro comprende
resonadores de anillos abiertos metálicos en acoplamiento magnético
con el medio de transmisión planar y resonadores de anillos
abiertos complementarios grabados en el plano de masa metálico,
obteniéndose una respuesta pasa banda.
Adicionalmente, los anillos abiertos son de
geometría circular o poliédrica, presentan una pluralidad de
elementos metálicos y/o aberturas grabados en uno o más niveles de
metal.
La combinación de todas estas características de
los anillos abiertos, permite conseguir una estructura resonante en
un amplio margen frecuencial.
Ventajosamente, el filtro presenta múltiples
bandas de paso o de rechazo, con ancho de banda controlable
mediante el número de aberturas y/o la disposición de los
resonadores de anillos abiertos y/o de su geometría
Ventajosamente, el filtro es reconfigurable
electrónicamente e incorpora interruptores microelectromecánicos
(MEMS).
Adicionalmente, se puede implementar una antena
para microondas u ondas milimétricas según cualquiera de las
realizaciones anteriores.
El hecho de que los diagramas de radiación
presentan unos buenos niveles de directividad y polarización,
permite que el filtro se comporte como una antena, ya que elimina
las ondas incidentes mediante la radiación de las mismas. Además se
pueden implementar variantes basadas en agrupaciones de antenas en
batería. Un ajuste adecuado de las propiedades de los anillos
permite enfatizar las propiedades de radiación de dichas
estructuras permitiendo su empleo para la emisión y recepción de
ondas electromagnéticas.
Para mayor comprensión de cuanto se ha expuesto,
se acompañan unos dibujos en los que, esquemáticamente y solo a
título de ejemplos no limitativos, se representa una realización
preferida del medio de transmisión planar y varias topologías de
resonadores de anillos.
La figura 1 muestra en perspectiva un medio de
transmisión planar consistente en una guía de ondas coplanar
enterrada (es decir, con substrato dieléctrico por arriba y por
debajo de la tira conductora y los planos de masa).
En la figura 2 se muestran algunas topologías de
resonadores de anillos abiertos, en espiral y en configuración
serie.
La figura 3 muestra la topología de una
realización preferida para un filtro pasa banda con tres etapas de
resonadores de anillos y realizado mediante una guía de ondas
coplanar enterrada (es decir rodeada de substrato dieléctrico por
arriba y por abajo), con los anillos grabados en las caras
exteriores del substrato dieléctrico, y con uniones metálicas
estrechas entre la tira conductora central y los planos de masa de
la guía de ondas coplanar situadas al mismo nivel de los
anillos.
La figura 4 muestra un gráfico de la respuesta
frecuencial medida del filtro de la invención correspondiente a la
realización preferida, y la figura 5 muestra un diagrama de
radiación típico de las estructuras reivindicadas de esta
invención.
La figura 1 de la presente invención muestra una
estructura de medio de transmisión planar 1 tipo guía de ondas
coplanar enterrada, es decir, con substrato dieléctrico 2 a ambos
lados del plano metálico central 10 en el que se define la tira
conductora 3, separada de los planos de masa metálicos 4 por las
ranuras 9, también llamadas slots. Alternativamente, la guía de
ondas coplanar puede consistir de la misma estructura que la
mostrada en la figura 1, pero solamente con substrato dieléctrico 2
a uno de los lados del plano metálico central 10, que contiene el
conductor central y los planos de masa metálicos 4. O cualquier
otro tipo de configuración con múltiples capas de substrato
dieléctrico 2. También son posibles otros medios de propagación,
tales como la línea de transmisión microtira, de cinta, también
llamada "stripline", y en general cualquier medio de
transmisión planar.
Para la realización de los filtros y antenas de
altas prestaciones, es conveniente el uso de substrato dieléctricos
2 con bajas pérdidas dieléctricas para obtener respuestas
frecuenciales con las menores pérdidas posibles en la banda de paso
13 de los mencionados filtros y antenas.
La figura 2 muestra algunos ejemplos de
resonadores de anillos abiertos 5, los cuales se caracterizan por
presentar dos anillos abiertos 8 metálicos, es decir, con aberturas
7 en algún punto.
La topología 5a comprende dos anillos abiertos 8
metálicos concéntricos cada uno de ellos con una abertura 7,
estando dispuestas dichas aberturas 7 a 180º.
La topología 5b comprende dos anillos abiertos 8
metálicos concéntricos cada uno de ellos con dos aberturas 7
dispuestas a 180º entre sí, estando dispuestas dichas aberturas 7
en la misma posición y estando unidos un extremo del anillo abierto
8 metálico con el extremo opuesto del otro.
La topología 5c comprende dos anillos abiertos 8
metálicos superpuestos en diferentes planos, cada uno de ellos con
una abertura 7, estando dispuestas dichas aberturas 7 a 180º.
La topología 5d comprende dos anillos abiertos 8
metálicos concéntricos cada uno de ellos con dos aberturas 7
dispuestas a 180º entre sí, estando dispuestas las aberturas 7 de
un anillo a 90º respecto de las del otro.
La topología 5e comprende dos anillos abiertos 8
metálicos concéntricos en espiral, cada uno de ellos con una
abertura 7, estando dispuestas dichas aberturas 7 en la misma
posición y estando unido un extremo del anillo abierto 8 metálico
con el extremo opuesto del otro.
La topología 5f comprende dos anillos abiertos 8
metálicos concéntricos simétricos, cada uno de ellos con una
abertura 7, estando dispuestas dichas aberturas 7 en la misma
posición y dispuestos en serie con la tira conductora 3.
La figura 3 muestra la topología de un filtro 11
con estructura de guía de ondas coplanar enterrada y basada en
resonadores de anillos abiertos 5 metálicos, con aberturas 7 en
lados opuestos, y grabados en las caras exteriores del substrato
dieléctrico 2. En dicha topología, que proporciona una respuesta
frecuencial tipo pasa banda, se aprecian además uniones metálicas 6
estrechas, entre la tira conductora 3 y los planos de masa
metálicos 4. El diseño del filtro 11, con respuesta tipo pasa
banda, se basa en el hecho de que las uniones metálicas 6 entre la
tira conductora 3 y los planos de masa metálicos 4 confieren a la
estructura un comportamiento tipo plasma hasta una frecuencia
(frecuencia plasma) que se controla con la anchura de las
mencionadas uniones metálicas 6 y la separación entre las mismas, y
que debe estar por encima de la frecuencia de resonancia de los
resonadores de anillos abiertos 5a, 5b, 5c, 5d y 5e. Hasta dicha
frecuencia plasma, las uniones metálicas 6 proporcionan al medio de
propagación una permitividad efectiva con valor negativo. Además el
diseño del filtro 11 se basa en las dimensiones de los resonadores
de anillos abiertos 5a, 5b, 5c, 5d y 5e, incluyendo la separación
entre los mismos y su anchura, que no tiene por qué ser idéntica en
cada anillo abierto 8 del resonador de anillos abiertos 5a, 5b, 5c,
5d y 5e. Dichas dimensiones determinan el valor de la frecuencia de
resonancia del resonador de anillos abiertos 5a, 5b, 5c, 5d y 5e,
mediante la cual se controla la posición de la banda de paso 13 del
filtro 11, que comienza en la frecuencia de resonancia del
resonador de anillos abiertos 5a, 5b, 5c, 5d y 5e. Los resonadores
de anillos abiertos 5a, 5b, 5c, 5d y 5e, estando en acoplamiento
magnético con el medio de propagación, confieren al medio de
propagación un valor negativo de la permeabilidad efectiva en una
región frecuencial angosta, extendiéndose la banda de paso 13 del
filtro 11 en dicha región donde coexisten valores negativos de la
permitividad y permeabilidad efectivas.
Al objeto de obtener una banda de paso 13 con
bajas pérdidas de inserción, el medio de transmisión planar 1 (guía
de onda coplanar enterrada) debe diseñarse con valores de la
anchura de las ranuras 9 y de la tira conductora 3 para
proporcionar un valor de la impedancia característica de dicho medio
de transmisión planar 1 igual a 50\Omega.
El filtro 11 se puede realizar también mediante
otras topologías de resonadores de anillos abiertos 5 y con
diferentes tipos de geometrías de tales resonadores de anillos
abiertos 5 (redonda, cuadrada, y poliédrica en general). También es
posible la realización del filtro 11 mediante resonadores de anillos
abiertos complementarios 5 y gaps capacitivos en la tira
conductora 3.
La figura 4 muestra el gráfico correspondiente a
la respuesta frecuencial 12 (perdida de inserción 12a y pérdida de
retorno 12b) del filtro 11 descrito en la presente invención, con
tres etapas de resonadores de anillos abiertos 5, donde se observan
los bajos valores de pérdidas en la banda de paso 13 y el corte
abrupto en las zonas de transición 14.
También se pueden realizar filtros de rechazo de
banda con un diseño idéntico al descrito pero sin uniones metálicas
6 entre la tira conductora 3 y los planos de masa metálicos 4.
Con un diseño adecuado de las dimensiones de la
estructura, las características de radiación de la misma son
potenciadas permitiendo su empleo como antena elemental o en
agrupación de las mismas como se muestra en la figura 5, en la que
se observa un diagrama de radiación típico para una frecuencia de
6,5 GHz.
Claims (15)
1. Filtro para microondas y ondas milimétricas,
caracterizado por el hecho de que comprende un medio de
transmisión planar (1) que incluye una tira conductora (3), plano
de masa metálico (4) y substrato dieléctrico (2) y por el hecho de
que comprende por lo menos un resonador de anillos abiertos (5a, 5b,
5c, 5d, 5e y 5f).
2. Filtro según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que los resonadores de anillos
abiertos (5a, 5b, 5c, 5d y 5e) son metálicos y están dispuestos en
acoplamiento magnético con el medio de transmisión planar.
3. Filtro según la reivindicación 2,
caracterizado por el hecho de que existen uniones metálicas
(6) entre la tira conductora (3) y el plano de masa metálico (4),
comportándose como un filtro pasa banda.
4. Filtro según la reivindicación 2,
caracterizado por el hecho de que la tira conductora (3)
está separada eléctricamente del plano de masa metálico (4),
comportándose como un filtro de rechazo de banda.
5. Filtro según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que los resonadores de anillos
abiertos (5f) son metálicos y están dispuestos en serie con la tira
conductora (3).
6. Filtro según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que dicho medio de transmisión
planar (1) está basado en líneas de transmisión convencionales
(coplanar, microtira, cinta) o variantes de las mismas.
7. Filtro según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que los resonadores de anillos
abiertos (5a, 5b, 5c, 5d, 5e y 5f) están grabados en el plano de
masa metálico (4) siendo su superficie la negativa de la de los
resonadores de anillos abiertos (5a, 5b, 5c, 5d, 5e y 5f)
metálicos.
8. Filtro según la reivindicación 7,
caracterizado por el hecho de que para los resonadores de
anillos abiertos (5a, 5b, 5c, 5d y 5e) existen brechas capacitivas
en la tira conductora (3), comportándose como un filtro pasa
banda.
9. Filtro según la reivindicación 7,
caracterizado por el hecho de que para los resonadores de
anillos abiertos (5a, 5b, 5c, 5d y 5e), la tira conductora (3)
presenta continuidad, comportándose como un filtro de rechazo de
banda.
10. Filtro según la reivindicación 7,
caracterizado por el hecho de que para los resonadores de
anillos abiertos (5f), la tira conductora (3) presenta
continuidad, comportándose como un filtro pasa banda.
11. Filtro según la reivindicación 1, 2 y 7,
caracterizado por el hecho de que comprende resonadores de
anillos abiertos (5a, 5b, 5c, 5d y 5e) metálicos en acoplamiento
magnético con el medio de transmisión planar (1) y resonadores de
anillos abiertos (5a, 5b, 5c, 5d, 5e) grabados en el plano de masa
metálico (4).
12. Filtro según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de los anillos abiertos (8) son
de geometría circular o poliédrica, presentan una pluralidad de
elementos metálicos y/o aberturas (7) grabados en uno o más niveles
de metal.
13. Filtro según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que presenta múltiples bandas de paso (13) o de rechazo, con ancho
de banda controlable mediante el número de aberturas (7) y/o la
disposición de los resonadores de anillos abiertos (5a, 5b, 5c, 5d,
5e y 5f) y/o de su geometría.
14. Filtro según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que es reconfigurable electrónicamente e incorpora interruptores
microelectrómecánicos (MEMS).
15. Antena para microondas y ondas milimétricas
que comprende por lo menos un filtro según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores.
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