ES2296589T3 - Filtro de guia de ondas con una superficie selectiva de frecuencia. - Google Patents
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Abstract
Un filtro de guía de ondas incluyendo: (a) una guía de ondas (10; 32; 40; 48); (b) una superficie selectiva de frecuencia (12; 34; 42, 44, 46; 50) situada dentro de dicha guía de ondas (10; 32; 40; 48), incluyendo dicha superficie selectiva de frecuencia (12; 34; 42, 44, 46; 50) una película conductora eléctrica plana soportada en un sustrato dieléctrico situado dentro de dicha guía de ondas (10; 32; 40; 48) y orientada ortogonalmente a paredes de dicha guía de ondas (10; 32; 40; 48); caracterizado por (c) una microtira situada externamente a dicha guía de ondas (10; 32; 40; 48); y (d) una transición de guía de ondas a microtira (52), que acopla dicha guía de ondas (10; 32; 40; 48) a dicha microtira, donde al menos una porción de dicha transición de guía de ondas a microtira (52) está situada en dicho sustrato.
Description
Filtro de guía de ondas con una superficie
selectiva de frecuencia.
Esta invención se refiere en general a la
separación de diferentes longitudes de onda de ondas
electromagnéticas. Más específicamente, la invención se refiere a
la separación de ondas electromagnéticas utilizando una guía de
ondas que incorpora una superficie selectiva de frecuencia
bidimensional combinada con una transición de guía de ondas a
microtira.
La energía de microondas se puede propagar de
varios modos diferentes, y en varias estructuras físicas. La
energía de microondas propagada a través de tales estructuras puede
existir en cualquier frecuencia arbitraria o espectro de
frecuencias. En general, para una aplicación dada solamente se
utilizan frecuencias específicas del espectro. Por lo tanto, de
ordinario se colocan dispositivos conocidos como filtros en la
estructura para separar el amplio espectro de frecuencias de
microondas en frecuencias específicas.
Una de las estructuras comúnmente empleadas para
la transmisión de energía electromagnética es la guía de ondas. Las
guías de ondas ofrecen pérdida muy baja al paso de tales ondas, y
además, confinen la energía dentro de la guía de ondas. Una de las
funciones para las que se pueden usar las guías de ondas es dicha
filtración, es decir, la selección o supresión de una banda
específica de frecuencias de un amplio espectro de frecuencias.
Los filtros de guía de ondas convencionales para
separar frecuencias diferentes o longitudes de onda se basan
generalmente en estructuras tridimensionales que simulan, en forma
de onda electromagnética, los elementos de filtro conocidos que se
encuentran a frecuencias más bajas, tales como inductores,
condensadores, y combinaciones de mismos para formar circuitos
resonantes y antirresonantes. Estos elementos de filtro puede
consistir en postes, iris, y otras formas físicas situadas
transversal y longitudinalmente a lo largo de la guía de ondas. A
lo largo del eje longitudinal, los elementos de filtro están
separados por fracciones definidas de longitudes de ondas
electromagnéticas. Estas fracciones de longitudes de onda se definen
por relaciones matemáticas bien conocidas entre la frecuencia de la
banda de energía electromagnética transmitida y las dimensiones de
la guía de ondas. Cuantos más elementos de filtro se usan a lo
largo del eje longitudinal de la guía de ondas, más grande es el
efecto filtrante y, por desgracia, el tamaño de la guía de ondas.
Así, debido a la naturaleza de los elementos usados, los filtros de
guía de ondas convencionales son relativamente complejos así como
de gran tamaño, por lo que son desventajosos en aplicaciones donde
el bajo costo y el pequeño tamaño físico son esenciales.
Sin embargo, en algunos casos, un solo elemento
colocado transversalmente en la guía de ondas puede ser suficiente
para el grado de filtración deseado. Un ejemplo de esto es un simple
filtro corte de banda descrito en "Bandstop Iris for Rectangular
Waveguide" por N. G. Patterson e I. Anderson, en Electronics
Letters, 28 octubre 1976, Vol. 12, número 22. El elemento de filtro
tiene forma de un iris en el que la configuración metálica simula
un inductor y condensador en serie, (es decir una estructura de
corte de banda). Si el efecto filtrante es suficiente para un
requisito dado, tal estructura simple reduce la longitud de la guía
de ondas. Sin embargo, además del iris, a efectos de excitación, es
posible que la guía de ondas deba estar equipada con una transición
a otro medio (por ejemplo un cable coaxial o un circuito de
microtira) que requiere una longitud adicional de guía de ondas.
Otra estructura comúnmente usada para la
transmisión de energía electromagnética es la microtira.
Correspondientemente, se pueden construir filtros usando circuitos
de microtira. Un circuito de microtira consta de una traza metálica
de película fina depositada en un sustrato dieléctrico. Los filtros
de microtira convencionales constan de elementos conductores
planos, que simulan inductores, condensadores, y elementos
resonantes. Un problema que surge cuando se emplean filtros de
microtira para filtrar energía electromagnética es que la energía de
microondas fuera de la banda de frecuencia de interés puede dejar a
un lado la circuitería de microtira, produciendo así degradación
del efecto filtrante. Además del menor rendimiento de filtración en
comparación con los filtros de guía de ondas, los filtros de
microtira convencionales presentan una pérdida indeseada más alta a
la señal deseada seleccionada que los filtros de guía de ondas.
Otra estructura usada para filtrar señales
electromagnéticas se conoce como una superficie selectiva de
frecuencia (FSS).
Las FSSs, aunque son planas como las microtiras,
actúan en ondas que se propagan en el espacio libre. Se usan en
algunas configuraciones de antena para pasar una banda de
frecuencias y reflejar otra. Se pueden hacer usando una chapa
metálica con muescas (por ejemplo, agujeros de un cierto tamaño) o
una configuración metálica sobre un sustrato dieléctrico, similar a
un circuito de microtira con circuitos resonantes. Es posible
insertar tales estructuras planas en una guía de ondas para lograr
un efecto filtrante. Una característica importante, para la
finalidad de comparación con otras estructuras parecidas a FSS, es
el hecho de que cada elemento plano puede funcionar como un filtro
en sí mismo. La colocación de más elementos a lo largo del eje
longitudinal de la guía de ondas con espaciaciones apropiadas
intensifica la acción de filtración.
La Patente de Estados Unidos número 4.598.262
describe una estructura que, a primera vista, parece tener
semejanzas con un filtro de guía de ondas de tipo FSS. Usa una
serie de elementos reticulares transversales repetidos
longitudinalmente en una guía de ondas. Sin embargo, los elementos
reticulares individuales no exhiben selectividad de frecuencia por
sí solos. Más bien, pasan simplemente una señal con una cierta
polarización y reflejan una señal con polarización ortogonal a la
de la primera, independientemente de la frecuencia. La sensibilidad
de frecuencia, (es decir, el efecto filtrante) se logra aplicando la
señal en dos modos ortogonales a la guía de ondas y orientando las
redes en ángulos predefinidos. Esto, combinado con la espaciación
apropiada de los elementos reticulares individuales, da lugar a una
serie de transmisiones parciales y reflejos que se soportan o
cancelan en la banda de frecuencia a transmitir (o rechazar). Así,
este tipo de filtro es fundamentalmente diferente de los que usan
verdaderas estructuras FSS resonantes. También es voluminoso porque
requiere un convertidor de un solo modo a dos modos ortogonales en
cada extremo de la estructura.
Aparte de consideraciones de filtración en sí
mismas, frecuentemente hay que proporcionar una transición entre
ondas electromagnéticas existente en una guía de ondas y ondas
electromagnéticas en un medio externo, tal como una microtira.
Donde se requiere un filtro y una transición de microtira a guía de
ondas, es práctica común separar estas dos funciones.
Esta separación puede tener forma de filtros de
guía de ondas, situados dentro de la guía de ondas, o puede tener
forma de estructuras de microtira, situadas en el sustrato de
microtira, externo a la guía de ondas. La transición está en otra
posición física en la guía de ondas. La estructura resultante es
relativamente grande y costosa incluso en casos donde un filtro de
guía de ondas monoelemento sería suficiente para el grado de
filtración requerido.
Consiguientemente, un objeto de esta invención
es aplicar el principio FSS para obtener un filtro de guía de ondas
de alto rendimiento, adecuado para aplicaciones donde se requieren
bajo costo y pequeño tamaño físico.
En general, el filtro de guía de ondas de esta
invención consta de una superficie selectiva de frecuencia
orientada transversalmente dentro de la guía de ondas y con una
serie bidimensional de elementos conductores soportados por un
sustrato dieléctrico. La serie de elementos conductores está formada
por una configuración geométrica repetida. La configuración
geométrica repetida puede ser una multiplicidad de bucles abiertos,
cruces o rejillas. La disposición de la configuración geométrica
repetida da lugar a la formación de varios elementos inductivos y
capacitivos. La interacción de estos elementos ofrece poca oposición
a ciertas frecuencias mientras que bloquea otras frecuencias. La
determinación de qué frecuencias se dejan pasar a través del filtro,
y cuáles son opuestas, es una función de la forma, anchura y
espaciación de los elementos inductivos y capacitivos de la
superficie selectiva de frecuencia.
La guía de ondas, y por ello el filtro de guía
de ondas, de la presente invención puede tener cualquier forma en
sección transversal incluyendo cuadrada, rectangular y circular.
En una realización que tiene una guía de ondas
con una sección transversal rectangular y un filtro rectangular de
guía de ondas, la señal entra en la guía de ondas por un extremo, en
un modo transversal conocido como el modo TE_{1,0}. La señal se
propaga con baja pérdida en una dirección longitudinal dentro de la
guía de ondas. Dentro de la guía de ondas está situada
transversalmente una superficie sensible a la frecuencia. Ondas
electromagnéticas de las frecuencias especificadas pasan a través de
la superficie sensible a la frecuencia sin obstáculos, mientras que
otras son reflejadas por los elementos de filtro. Las ondas que son
seleccionadas y transmitidas a través de la película siguen
propagándose longitudinalmente a lo largo de la guía de ondas.
Una realización alternativa utiliza una guía de
ondas que tiene una sección transversal circular. En esta
realización, la superficie selectiva de frecuencia también es
circular, y los elementos de filtro en la superficie selectiva de
frecuencia pueden tener forma de secciones circulares
concéntricas.
En otra realización, se emplean múltiples
superficies selectivas de frecuencia, orientadas transversalmente y
desplegadas longitudinalmente a lo largo de una guía de ondas. La
necesaria separación entre tales superficies es una función de la
longitud de onda del espectro electromagnético a transmitir o
reflejar.
El filtro de guía de ondas de la presente
invención incluye adicionalmente, en un sustrato dieléctrico común,
una superficie selectiva de frecuencia combinada con una transición
de guía de ondas a microtira en forma de un tubo corto plano,
operativo para realizar un acoplamiento eficiente entre la
superficie selectiva de frecuencia y circuitería de microtira
externa.
Muchos objetos y ventajas de la presente
invención serán evidentes a los expertos en la técnica cuando esta
memoria descriptiva se lea en unión con los dibujos adjuntos donde
se aplican números de referencia análogos a elementos análogos y
donde:
La figura 1 es una vista cortada de una sección
de una guía de ondas rectangular que incorpora una superficie
selectiva de frecuencia.
La figura 2 es una vista de una realización
rectangular de la superficie selectiva de frecuencia de esta
invención.
La figura 3 es un diagrama de un circuito
equivalente de la superficie selectiva de frecuencia ilustrada en la
figura 2.
La figura 4 es una vista cortada de una sección
de una guía de ondas cilíndrica que incorpora una superficie
circular selectiva de frecuencia.
La figura 5 es una vista cortada de una sección
de una guía de ondas rectangular incluyendo una pluralidad de
superficies selectivas de frecuencia.
La figura 6 es una vista cortada de una sección
de una guía de ondas rectangular incluyendo una superficie
selectiva de frecuencia con una transición de guía de ondas a
microtira.
Y la figura 7 es un gráfico que ilustra el
acoplamiento y operación de filtración del filtro de guía de ondas
de la figura 6.
Con referencia a la figura 1, una sección de una
guía de ondas rectangular 10 se representa con una superficie
selectiva de frecuencia 12 insertada dentro. La superficie selectiva
de frecuencia 12 puede tener alguna de varias configuraciones,
elegida con el fin de realizar la acción de filtración deseada.
Con referencia a la figura 2 se representa una
realización de la superficie selectiva de frecuencia 12. La
superficie selectiva de frecuencia 12 consta de una configuración
bidimensional producida en una película metálica soportada por un
sustrato dieléctrico. La configuración bidimensional producida en la
película metálica consta de una serie de elementos conductores
exteriores 14 y elementos conductores interiores 16. Los elementos
conductores exteriores e interiores 14 y 16 están formados de un
metal conductor eléctrico. El metal conductor puede ser cobre, oro,
platino o cualquier material capaz de conducir electricidad y
adecuado para deposición sobre un sustrato dieléctrico. Los
elementos conductores exteriores 14 y los elementos conductores
interiores 16 están separados por espacios que se pueden formar por
ataque químico selectivo de lámina metálica fina. Los elementos
conductores exteriores 14 constan de bucles discretos de centro
abierto. El bucle de cada elemento conductor exterior 14 comienza y
termina en la superficie interior de la guía de ondas 10. Los
elementos conductores exteriores 14 forman una configuración
simétrica repetida que se puede repetir cualquier número de réplicas
requeridas para realizar una aplicación específica.
Los elementos conductores interiores 16 están
dispuestos en una serie periódica. Las porciones 18 de los elementos
conductores interiores 16 que son paralelas al componente de campo
eléctrico de las microondas dentro de la guía de ondas actúan como
elementos inductivos (la dirección del componente de campo eléctrico
se indica por la flecha A de la figura 1).
Con referencia a las figuras 2 y 3, las
porciones 18 de los elementos conductores interiores 16 crean
elementos inductivos dentro de la guía de ondas que son
funcionalmente similares al inductor 27 (L1), en el circuito
equivalente de elementos discretos 26. Los bordes 20 del elemento
conductor interior 16 que son perpendiculares al componente de
campo eléctrico dentro de la guía de ondas, en unión con los bordes
22 de los elementos conductores exteriores 14, que son
perpendiculares al componente de campo eléctrico dentro de la guía
de ondas, actúan como un elemento capacitivo. Este elemento
capacitivo es funcionalmente similar al condensador 30 (C), como se
representa en la figura 3. Las porciones de los elementos
conductores exteriores 14 que son paralelas al componente de campo
eléctrico dentro de la guía de ondas son funcionalmente similares al
inductor 28 (L2), también representado en la figura 3.
Con referencia a la figura 4, una realización
alternativa del filtro de guía de ondas de esta invención se
ilustra con una superficie circular selectiva de frecuencia. La
superficie selectiva de frecuencia se forma por el ataque químico
selectivo de una lámina metálica fina que produce elementos
conductores 36 y 38. La superficie circular selectiva de frecuencia
resultante 34 es utilizada dentro de una guía de ondas cilíndrica
32.
Con referencia a la figura 5, múltiples
superficies selectivas de frecuencia 42, 44 y 46 se representan
desplegadas en una sección de guía de ondas 40, donde la guía de
ondas tiene una sección transversal rectangular. También se pueden
desplegar múltiples filtros de guía de ondas circulares dentro de
una guía de ondas cilíndrica.
La figura 6 representa un filtro de guía de
ondas en el que una superficie selectiva de frecuencia 50 ha sido
combinada con una transición de guía de ondas a microtira 52.
Esencialmente, la transición es un tubo corto plano.
La transición está situada conjuntamente con la
superficie selectiva de frecuencia en un sustrato de soporte. El
sustrato con la transición de guía de ondas a microtira 52 y la
superficie selectiva de frecuencia 50 se inserta transversalmente
en la guía de ondas rectangular 48. Un orificio de salida 54 está
situado en la pared de la guía de ondas 48 para poder acoplar la
transición de guía de ondas a microtira 52 a circuitería de
microtira externa (no representada).
La superficie selectiva de frecuencia 50 consta
de una superficie plana formada de un sustrato dieléctrico
recubierto con una película conductora eléctrica metálica. Porciones
específicas de la película metálica se han quitado para formar
elementos de circuito. La película metálica residual incluye una
serie de elementos filtrantes de superficie selectiva de frecuencia
56 y una transición de guía de ondas a microtira 52. Los elementos
filtrantes 56 constan de una multiplicidad de bucles cuadrados
discretos de centro abierto. Los tamaños de estos bucles se
determinan matemáticamente a partir de las frecuencias a reflejar o
transmitir. Aunque esta invención no se limita a ninguna
configuración, se representa una configuración específica con el fin
de explicar el funcionamiento de la invención.
De nuevo con referencia a la figura 6, la
transición de microtira a guía de ondas 52 está situada
aproximadamente en el centro con respecto a la superficie selectiva
de frecuencia 50. Las dimensiones de la transición de guía de ondas
a microtira 52 se determinan por la impedancia del circuito de
microtira de conexión (no representado) que es externo a la guía de
ondas 48, y las dimensiones de la guía de ondas 48. Con el fin de
obtener un acoplamiento eficiente entre la guía de ondas 48 y el
circuito de microtira externo, se pueden variar las dimensiones de
la transición de guía de ondas a microtira 52 o se puede emplear
circuitería de adaptación de impedancia en el circuito de microtira
externo.
El sustrato dieléctrico que soporta la
superficie selectiva de frecuencia 50 y la transición de guía de
ondas a microtira 52 está situado un cuarto de una longitud de onda
eléctrica separado del extremo cortocircuitado 58 de la guía de
ondas 48, siendo dicha longitud de onda la de la señal en el centro
de la banda de frecuencia que se desea transmitir eficientemente a
través de la estructura. Esto asegura que la transición de guía de
ondas a microtira 52 esté situada en un punto de máxima intensidad
eléctrica de campo, que a su vez permite un acoplamiento óptimo
entre la guía de ondas y el circuito de microtira externo.
Con referencia a la figura 7, se puede ver que
el rendimiento de la transición de microtira a guía de ondas y
filtro integrados insertados en una guía de onda, consta de una
banda de paso en la que existe transmisión eficiente y simétrica
entre la guía de ondas y el circuito de microtira externo. Además,
la acción de filtración quedó demostrada por la supresión de la
señal en ambos extremos de la porción de paso de banda. No se ha
previsto limitar esta invención a las características de filtración
y acoplamiento ilustradas en la figura 7. Dichas características
son representativas de una realización solamente, para ilustrar a
modo de ejemplo los resultados que se puede obtener con esta
invención.
Claims (7)
1. Un filtro de guía de ondas incluyendo:
(a) una guía de ondas (10; 32; 40; 48);
(b) una superficie selectiva de frecuencia (12;
34; 42, 44, 46; 50) situada dentro de dicha guía de ondas (10; 32;
40; 48), incluyendo dicha superficie selectiva de frecuencia (12;
34; 42, 44, 46; 50) una película conductora eléctrica plana
soportada en un sustrato dieléctrico situado dentro de dicha guía de
ondas (10; 32; 40; 48) y orientada ortogonalmente a paredes de
dicha guía de ondas (10; 32; 40; 48); caracterizado por
(c) una microtira situada externamente a dicha
guía de ondas (10; 32; 40; 48); y
(d) una transición de guía de ondas a microtira
(52), que acopla dicha guía de ondas (10; 32; 40; 48) a dicha
microtira, donde al menos una porción de dicha transición de guía de
ondas a microtira (52) está situada en dicho sustrato.
2. El filtro de guía de ondas según la
reivindicación 1, donde dicha película es atacada selectivamente
para formar elementos inductivos y conductores.
3. El filtro de guía de ondas según la
reivindicación 2, donde dicha película conductora eléctrica es una
película de cobre.
4. El filtro de guía de ondas según la
reivindicación 1, donde dicha guía de ondas tiene una sección
transversal rectangular y dicha superficie selectiva de frecuencia
tiene una forma rectangular complementaria de dicha sección
transversal de dicha guía de ondas.
5. El filtro de guía de ondas de la
reivindicación 1, donde dicha superficie selectiva de frecuencia
está situada a una distancia de un extremo cortocircuitado de dicha
guía de ondas, siendo dicha distancia igual a un cuarto de una
longitud de onda eléctrica de una señal que está en el centro de una
banda de frecuencia que se desea pasar eficientemente a través de
dicho filtro de guía de ondas.
6. El filtro de guía de ondas de la
reivindicación 1, donde dicho filtro de guía de ondas incluye una
pluralidad de superficies selectivas de frecuencia
longitudinalmente espaciadas a lo largo del interior de dicha guía
de ondas y orientadas ortogonalmente con respecto a dichas paredes
de dicha guía de ondas.
7. El filtro de guía de ondas de la
reivindicación 1, donde dicha microtira incluye adicionalmente
circuitería de adaptación de impedancia.
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