ES2272145A1 - Planar filters for microwaves and millimetre waves, which contain open-loop resonators - Google Patents
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Abstract
Description
Filtros planares para microondas y ondas milimétricas que contienen resonadores de anillos abiertos.Microwave and wave planar filters millimeters containing open ring resonators.
La presente invención se refiere a filtros planares de microondas y de ondas milimétricas implementados mediante líneas de transmisión y etapas acopladas que contienen resonadores de anillos abiertos.The present invention relates to filters microwave and millimeter wave planners implemented through transmission lines and coupled stages containing open ring resonators.
Son conocidas estructuras basadas en resonadores distribuidos para la síntesis de filtros de microondas y de ondas milimétricas, ya sean de rechazo de banda, pasa banda, de paso alto o de paso bajo. Dichas estructuras se basan en el hecho de que para determinadas frecuencias se producen resonancias dinámicas, a partir de las cuales, y mediante un acoplo conveniente entre los resonadores que forman la estructura, es posible la generación de las respuestas antes mencionadas. En estas estructuras las dimensiones escalan con la longitud de onda a la frecuencia característica del filtro, y además se producen bandas de frecuencia espurias, estando éstas relacionadas con la dependencia periódica de los parámetros eléctricos de la estructura, tales como la impedancia de línea, con la frecuencia.Resonator-based structures are known distributed for microwave and wave filter synthesis millimeters, whether band rejection, band pass, high pass or low pass. These structures are based on the fact that for certain frequencies dynamic resonances occur, at from which, and through a convenient coupling between resonators that form the structure, it is possible to generate The answers mentioned above. In these structures the dimensions scale with wavelength at frequency filter characteristic, and frequency bands also occur spurious, these being related to the periodic dependence of the electrical parameters of the structure, such as impedance of line, with the frequency.
También son conocidas estructuras de filtrado frecuencial basadas en líneas de transmisión y en resonadores concentrados, tales como resonadores de anillos abiertos o resonadores de anillos abiertos complementarios y topologías de ellos derivadas. En tales estructuras, los resonadores de anillos abiertos o los resonadores de anillos abiertos complementarios se disponen de manera tal que se produzca un determinado acoplamiento magnético y/o eléctrico entre dichos resonadores y las líneas de transmisión, de manera tal que en la vecindad de la frecuencia de resonancia de los mencionados resonadores se producen bandas de rechazo o de paso, siendo necesario en este último caso que además se introduzcan elementos adicionales tales como brechas capacitivas (en inglés, "gaps capacitivos") en configuración serie con la línea de transmisión y/o uniones metálicas entre la tira conductora y el plano de masa metálico. En estas estructuras, se consiguen respuestas frecuenciales selectivas en frecuencia, pero en ningún caso se tiene control sobre la respuesta frecuencial, que permita sintetizar respuestas conocidas (o aproximaciones estándar) con ancho de banda controlable.Filtering structures are also known. frequency based on transmission lines and resonators concentrates, such as open ring resonators or complementary open ring resonators and topologies of They derived. In such structures, ring resonators open or complementary open ring resonators will they have such a way that a certain coupling occurs magnetic and / or electrical between said resonators and the lines of transmission, so that in the vicinity of the frequency of resonance of the mentioned resonators bands of rejection or passing, being necessary in the latter case that in addition additional elements such as capacitive gaps are introduced (in English, "capacitive gaps") in serial configuration with the transmission line and / or metal joints between the conductive strip and the plane of metallic mass. In these structures, they are achieved selective frequency responses in frequency, but in no case you have control over the frequency response, which allows synthesize known responses (or standard approximations) with controllable bandwidth.
Una limitación de las mencionadas estructuras basadas en resonadores distribuidos para su uso como filtros es el hecho de que sus dimensiones pueden ser considerables por cuanto éstas dependen de la longitud de onda a la frecuencia característica del filtro. Además, en tales estructuras se producen bandas de frecuencia espurias que pueden ocurrir a frecuencias relativamente cercanas a la banda de interés.A limitation of the mentioned structures based on resonators distributed for use as filters is the fact that its dimensions can be considerable because these depend on the wavelength at the characteristic frequency of the filter. In addition, in such structures bands of spurious frequency that can occur at relatively frequent frequencies close to the band of interest.
Una limitación de las mencionadas estructuras basadas en resonadores concentrados de anillos abiertos o de anillos abiertos complementarios, radica en el hecho de que mediante tales estructuras no se controla a voluntad la respuesta frecuencial del filtro, ya sea el ancho de banda, o el nivel de rechazo fuera de la banda de paso, o la selectividad frecuencial, o al menos no se controla de forma simultanea.A limitation of the mentioned structures based on open ring or ring concentrated resonators complementary openings, lies in the fact that through such structures the frequency response of the filter, either bandwidth, or rejection level outside the pass band, or frequency selectivity, or at least not Control simultaneously.
Otra importante limitación de todas las estructuras mencionadas anteriormente se refiere al hecho de que mediante las mismas es difícil conseguir sintetizar respuestas con grandes anchos de banda.Another important limitation of all structures mentioned above refers to the fact that through them it is difficult to synthesize responses with large bandwidths
Para la generación de respuestas con gran ancho de banda son conocidas estructuras basadas en la disposición en cascada de celdas consistentes en elementos concentrados mediante los cuales se obtienen respuestas de paso alto y de paso bajo, pero en ningún caso dichas celdas consisten en resonadores de anillos abiertos, mediante los cuales se consiga controlar a voluntad el ancho de banda gracias al nivel de acoplamiento entre los mismos.For the generation of responses with wide width band structures are known based on the arrangement in cascade of cells consisting of elements concentrated by which get high pass and low pass responses, but in no case do these cells consist of ring resonators open, through which you can control at will the bandwidth thanks to the level of coupling between same.
El objetivo de la presente invención es resolver los inconvenientes mencionados referidos a las estructuras basadas en líneas de transmisión y resonadores de anillos abiertos, desarrollando filtros operativos a frecuencias de microondas y ondas milimétricas, basados en tales resonadores de anillos abiertos, en los cuales se puede controlar el ancho de banda y la respuesta frecuencial, y pueden ser implementados en tecnología planar, ya sea en substratos de microondas o milimétricas de bajas pérdidas, en substratos multicapa, o bien mediante tecnologías microelectrónicas de fabricación.The objective of the present invention is to solve the mentioned drawbacks related to the structures based in transmission lines and open ring resonators, developing operational filters at microwave frequencies and waves millimeters, based on such open ring resonators, in which can control bandwidth and response frequency, and can be implemented in planar technology, either in microwaves or millimetric substrates of low losses, in multilayer substrates, or by microelectronic technologies of manufacturing.
De acuerdo con este objetivo, los filtros de la presente invención se caracterizan por el hecho de que comprenden un medio de transmisión planar, o línea de transmisión, que comprende una tira conductora, plano de masa metálico y substrato dieléctrico, por el hecho de que comprende al menos un resonador de anillos abiertos y un elemento adicional para el control del ancho de banda del filtro (típicamente una conexión metálica entre la tira conductora y el plano de masa metálico) y por el hecho de que se controla el nivel de acoplamiento entre los resonadores que forman parte del filtro ya sea mediante el uso de secciones de línea de transmisión de anchura controlable y/o longitud eléctrica controlable o mediante gaps capacitivos, en todos los casos emulándose un inversor de admitancias para controlar el citado nivel de acoplamiento.In accordance with this objective, the filters of the present invention are characterized by the fact that they comprise a planar transmission medium, or transmission line, comprising a conductive strip, metal mass plane and dielectric substrate, by the fact that it comprises at least one ring resonator open and an additional element for bandwidth control of the filter (typically a metallic connection between the strip conductive and the plane of metallic mass) and by the fact that controls the level of coupling between the resonators that form part of the filter either by using line sections of transmission of controllable width and / or electrical length controllable or through capacitive gaps, in all cases emulating an admittance investor to control the said level of coupling.
Estas características permiten realizar filtros de reducidas dimensiones, debido a que las dimensiones de los resonadores de anillos abiertos son menores que la longitud de onda a la frecuencia de resonancia de los mismos. Además, gracias a la combinación de los citados resonadores de anillos abiertos con elementos adicionales tales como uniones metálicas entre el plano de masa metálico y la tira conductora, se consigue controlar el ancho de banda de los filtros e incluso se puede controlar de forma efectiva el nivel de selectividad en la banda de transición superior, o bien se pueden eliminar bandas espurias, gracias a la presencia de ceros de transmisión, cuya posición se puede controlar a voluntad.These features allow filters to be made. of reduced dimensions, because the dimensions of the open ring resonators are less than the wavelength at the resonant frequency thereof. Also, thanks to the combination of the aforementioned open ring resonators with additional elements such as metal joints between the plane of metallic mass and the conductive strip, you can control the width of filter band and can even be controlled so effective level of selectivity in the transition band superior, or you can eliminate spurious bands, thanks to the presence of transmission zeros, whose position can be controlled at will
Además, en la medida que los dieléctricos y metales utilizados para su fabricación tengan bajos niveles de pérdidas y resistividad, respectivamente, los filtros objeto de la presente invención presentan bajas pérdidas de inserción en la banda de paso, su diseño es simple y su proceso de fabricación es compatible con las tecnologías de fabricación de circuitos impresos e integrados.In addition, to the extent that dielectrics and metals used for their manufacture have low levels of losses and resistivity, respectively, the filters object of the The present invention has low insertion losses in the band by the way, its design is simple and its manufacturing process is compatible with printed circuit manufacturing technologies and integrated.
Preferiblemente los resonadores de anillos abiertos son complementarios, están grabados en el plano de masa metálico o en la tira conductora y están acoplados eléctricamente a la línea de transmisión. Dichos resonadores de anillos abiertos complementarios pueden ser de geometría circular o poliédrica en general, y pueden tener uno o más cortes en cada anillo del par. Alternativamente, los resonadores se pueden implementar mediante espirales complementarias, igualmente grabadas en el plano de masa metálico o en la tira conductora. Para conseguir controlar el ancho de banda de forma efectiva, además se dispone un elemento metálico (en inglés, "stub") a modo de inducción entre la tira conductora y el plano de masa metálico. Además se controla el acoplamiento entre los diferentes resonadores que forman la estructura mediante inversores de impedancia que pueden ser implementados mediante gaps capacitivos grabados en la tira conductora.Preferably ring resonators open are complementary, are engraved in the mass plane metallic or on the conductive strip and are electrically coupled to the transmission line These open ring resonators complementary can be circular or polyhedral geometry in general, and may have one or more cuts in each ring of the pair. Alternatively, the resonators can be implemented by complementary spirals, also recorded in the mass plane metallic or on the conductive strip. To get control of the width band effectively, a metal element is also available (in English, "stub") as an induction between the strip conductive and the plane of metallic mass. In addition, the coupling between the different resonators that form the structure using impedance inverters that can be implemented by capacitive gaps recorded on the strip conductive
Alternativamente, los inversores de impedancia se pueden implementar mediante líneas de transmisión de anchura y/o longitud eléctrica controlable dispuestas entre resonadores adyacentes. Para compactar la estructura, tales líneas de transmisión se pueden grabar mediante meandros.Alternatively, impedance inverters they can be implemented through transmission lines of width and / or controllable electrical length arranged between resonators adjacent. To compact the structure, such lines of Transmission can be recorded using meanders.
Según otra realización, los resonadores concentrados se implementan mediante resonadores de anillos abiertos metálicos, los cuales están magnéticamente acoplados a la línea de transmisión planar. Dichos resonadores de anillos abiertos pueden ser de geometría circular o poliédrica en general, y pueden tener uno o más cortes en cada anillo del par. Alternativamente, los resonadores se pueden implementar mediante espirales metálicas, o bien mediante anillos grabados en diferentes niveles de metal para conseguir un mayor acoplo capacitivo entre los anillos que forman el resonador y por tanto un mayor nivel de miniaturización de tales resonadores.According to another embodiment, the resonators concentrates are implemented by open ring resonators metallic, which are magnetically coupled to the line of planar transmission Such open ring resonators can be of circular or polyhedral geometry in general, and may have one or more cuts in each ring of the pair. Alternatively, the resonators can be implemented by metal spirals, or well by rings engraved on different levels of metal to achieve a greater capacitive coupling between the rings that form the resonator and therefore a higher level of miniaturization of such resonators
Ventajosamente los anillos abiertos poseen las aberturas de cada anillo en la misma posición y se encuentran topológicamente conectados de forma cruzada en las aberturas, obteniéndose la topología correspondiente a una espiral.Advantageously the open rings possess the openings of each ring in the same position and are topologically cross-connected in the openings, obtaining the topology corresponding to a spiral.
Con el objeto de controlar el ancho de banda del filtro se disponen gaps capacitivos en la tira conductora y elementos de acoplamiento entre etapas resonadoras que consisten en uniones metálicas entre la tira conductora y el plano de masa metálico o bien líneas de transmisión de anchura y/o longitud eléctrica controlable, comportándose como filtro pasa banda de ancho de banda controlable.In order to control the bandwidth of the filter capacitive gaps are arranged on the conductive strip and coupling elements between resonant stages consisting of metal joints between the conductive strip and the ground plane metallic or transmission lines of width and / or length controllable electric, behaving as a filter passes bandwidth Controllable band.
Preferiblemente, la línea de transmisión planar es de tipo microtira (en inglés, "microstrip"), coplanar, cinta (en inglés "stripline"), o variantes de las mismas. Gracias a esta característica, los filtros se pueden implementar en cualquier tipo de tecnología planar, compatible con los procesos de fabricación de circuitos impresos o integrados.Preferably, the planar transmission line it is microtira type (in English, "microstrip"), coplanar, tape (in English "stripline"), or variants thereof. Thanks to This feature, filters can be implemented in any type of planar technology, compatible with the processes of manufacture of printed or integrated circuits.
Ventajosamente, los filtros de la presente invención permiten sintetizar respuestas con bandas de paso ultra anchas y con la presencia de espurios frecuenciales alejados de la banda frecuencial de interés. Adicionalmente, se puede añadir en las etapas de entrada y/o salida del filtro resonadores de anillos cortados o resonadores de anillos cortados complementarios para eliminar dichos espurios frecuenciales.Advantageously, the filters of the present invention allow synthesizing responses with ultra-pass bands wide and with the presence of frequent spurious away from the frequency band of interest. Additionally, it can be added in the input and / or output stages of the ring resonators filter cutters or resonators of complementary cut rings for eliminate such frequent spurious.
Para mayor comprensión de cuanto se ha expuesto, se acompañan unos dibujos en los que, esquemáticamente y sólo a título de ejemplo no limitativo, se representa una realización preferida de los filtros objeto de la presente invención y la respuesta frecuencial correspondiente.For more understanding of how much has been exposed, some drawings are accompanied in which, schematically and only to non-limiting example title, an embodiment is represented preferred of the filters object of the present invention and the corresponding frequency response.
En dichos dibujos,In these drawings,
La figura 1a muestra la cara anterior de una realización preferida para un filtro pasa banda de tres etapas de resonadores de anillos abiertos complementarios, implementado mediante tecnología microtira.Figure 1a shows the front face of a preferred embodiment for a three stage band pass filter of complementary open ring resonators, implemented by microtira technology.
La figura 1b muestra la cara posterior de una realización preferida para un filtro pasa banda de tres etapas de resonadores de anillos abiertos complementarios, implementado mediante tecnología microtira.Figure 1b shows the back side of a preferred embodiment for a three stage band pass filter of complementary open ring resonators, implemented by microtira technology.
La figura 1c muestra una vista en perspectiva de una realización preferida para un filtro pasa banda de tres etapas de resonadores de anillos abiertos complementarios, implementado mediante tecnología microtira.Figure 1c shows a perspective view of a preferred embodiment for a three stage band pass filter of complementary open ring resonators, implemented by microtira technology.
La figura 2a muestra un gráfico de la respuesta frecuencial medida del filtro de la invención correspondiente a la realización preferida.Figure 2a shows a graph of the response measured frequency of the filter of the invention corresponding to the preferred embodiment
La figura 2b muestra un detalle de la banda de paso de la respuesta frecuencial medida del filtro de la invención correspondiente a la realización preferida.Figure 2b shows a detail of the band of step of the measured frequency response of the filter of the invention corresponding to the preferred embodiment.
Las figuras 1a, 1b y 1c de la presente invención muestran un filtro pasa banda implementado en tecnología microtira. Se muestra la cara anterior 1 y posterior 2 del substrato dieléctrico 3. En la cara posterior del substrato se han grabado resonadores de anillos cortados complementarios 4 en el plano de masa metálico 5. En la cara anterior los gaps capacitivos 6 se disponen en serie con la tira conductora 7 y las uniones metálicas entre la tira conductora y el plano de masa metálico se realizan mediante tiras (o "stubs") 8 en el extremo de las cuales se perfora el substrato y se metaliza formándose una vía 9 para conseguir el contacto eléctrico entre los niveles de metal superior e inferior.Figures 1a, 1b and 1c of the present invention show a band pass filter implemented in microtira technology. The front side 1 and back 2 of the substrate are shown dielectric 3. On the back side of the substrate have been engraved resonators of complementary cut rings 4 in the plane of metallic mass 5. On the front side the capacitive gaps 6 are They are fitted in series with the conductive strip 7 and the metal joints between the conductive strip and the plane of metallic mass are made by strips (or "stubs") 8 at the end of which the substrate is perforated and metallized forming a path 9 to get electrical contact between the upper metal levels and lower.
Alternativamente, los resonadores de anillos cortados complementarios pueden tener geometría poliédrica y/o pueden presentar más de una abertura y/o pueden realizarse en configuración de espiral.Alternatively, ring resonators complementary cuts may have polyhedral geometry and / or they can have more than one opening and / or they can be made in spiral configuration.
Alternativamente, entre los resonadores de anillos complementarios, se pueden sustituir los gaps capacitivos por secciones de línea de transmisión de anchura y/o longitud eléctrica controlable.Alternatively, between the resonators of complementary rings, capacitive gaps can be replaced by sections of transmission line of width and / or length controllable electric.
Alternativamente el filtro se puede implementar mediante cualquier otro tipo de medio de transmisión planar y mediante resonadores de anillos abiertos metálicos en acoplamiento magnético con la línea de transmisión. En este caso, los resonadores de anillos abiertos metálicos se grabarán de manera que se magnifique tal acoplamiento magnético. También en este caso, se dispondrán gaps capacitivos serie y/o uniones metálicas ("stubs") y/o líneas de transmisión entre los resonadores de anchura y/o longitud eléctrica controlable, al efecto de poder controlar las características del filtro.Alternatively the filter can be implemented by any other type of planar transmission medium and by means of open ring ring resonators in coupling Magnetic with the transmission line. In this case, the resonators of open metal rings will be engraved so that magnify such magnetic coupling. Also in this case, it they will have series capacitive gaps and / or metal joints ("stubs") and / or transmission lines between the resonators of width and / or electrical length controllable, to the effect of power Control filter characteristics.
La figura 2a muestra el gráfico correspondiente a la respuesta frecuencial 10 del filtro 1 descrito en la presente invención con tres etapas de resonadores de anillos abiertos complementarios, donde se observan los bajos valores de pérdidas en la banda de paso. Un detalle de la mencionada banda de paso se muestra en el gráfico de la figura 2b.Figure 2a shows the corresponding graph to the frequency response 10 of filter 1 described herein invention with three stages of open ring resonators complementary, where the low loss values are observed in The passing band. A detail of the mentioned pass band is shown in the graph of figure 2b.
A pesar de que se ha descrito y representado una realización concreta de la presente invención, es evidente que el experto en la materia podrá introducir variantes y modificaciones, o sustituir los detalles por otros técnicamente equivalentes, sin apartarse del ámbito de protección definido por las reivindicaciones adjuntas.Although it has been described and represented a concrete embodiment of the present invention, it is evident that the subject matter expert may introduce variants and modifications, or replace the details with technically equivalent ones, without depart from the scope of protection defined by the claims attached.
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20070416 Kind code of ref document: A1 |
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| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2272145B1 Country of ref document: ES |
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| FD2A | Announcement of lapse in spain |
Effective date: 20180809 |