WO2006070036A1 - Filtros planares para microondas y ondas milimétricas que contienen resonadores de anillos abiertos - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to microwave and millimeter wave planar filters implemented by means of transmission lines and coupled stages containing open ring resonators.
- Distributed resonator-based structures are known for the synthesis of microwave filters and millimeter waves, whether band rejection, band pass, high pass or low pass. These structures are based on the fact that for certain frequencies dynamic resonances are produced, from which, and by a convenient coupling between the resonators that form the structure, it is possible to generate the aforementioned responses. In these structures the dimensions scale with the wavelength at the characteristic frequency of the filter, and in addition spurious frequency bands are produced, these being related to the periodic dependence of the electrical parameters of the structure, such as line impedance, with the frequency.
- Frequency filtering structures based on transmission lines and concentrated resonators such as open ring resonators or complementary open ring resonators and derived topologies thereof, are also known.
- open ring resonators or complementary open ring resonators are arranged such that a certain magnetic and / or electrical coupling occurs between said resonators and transmission lines, in such a way that in the vicinity of the resonance frequency of the aforementioned resonators there are rejection or passing bands, it being necessary in the latter case that additional elements such as capacitive gaps (in English, "capacitive gaps”) in serial configuration with the transmission line and / or metal junctions between the conductive strip and the metal mass plane.
- capacitive gaps in English, "capacitive gaps”
- the objective of the present invention is to solve the aforementioned drawbacks related to structures based on transmission lines and open ring resonators, developing operational filters at microwave frequencies and millimeter waves, based on such open ring resonators, in which it is possible control bandwidth and frequency response, and can be implemented in planar technology, either in microwave or millimeter substrates with low losses, in multilayer substrates, or through microelectronic manufacturing technologies.
- the filters of the present invention are characterized by the fact that they comprise a planar transmission means, or transmission line, comprising a conductive strip, metal mass plane and dielectric substrate, by the fact that It comprises at least one open ring resonator and an additional element for the control of the bandwidth of the filter (typically a metallic connection between the conductive strip and the metal mass plane) and by the fact that the coupling level between the resonators that are part of the filter either by using width transmission line sections controllable and / or electrical length controllable or by capacitive gaps, in all cases a admittance inverter curling up to control said coupling level.
- the filters object of the present invention have low insertion losses in the pass band, its design is simple and its process of Manufacturing is compatible with printed and integrated circuit manufacturing technologies.
- the open ring resonators are complementary, are engraved in the metal mass plane or in the conductive strip and are electrically coupled to the transmission line.
- Said complementary open ring resonators may be of circular or polyhedral geometry in general, and may have one or more cuts in each ring of the pair.
- the resonators can be implemented by means of complementary spirals, also recorded in the plane of metallic mass or in the conductive strip.
- a metal element in English, "stub" is also provided as an induction between the conductive strip and the metal mass plane.
- the coupling between the different resonators that form the structure is controlled by impedance inverters that can be implemented by capacitive gaps recorded on the conductive strip.
- impedance inverters can be implemented by controllable width and / or electrical length transmission lines arranged between adjacent resonators. To compact the structure, such transmission lines can be recorded by meanders.
- the concentrated resonators are implemented by metal open ring resonators, which are magnetically coupled to the planar transmission line. Said open ring resonators may be of circular or polyhedral geometry in general, and may have one or more cuts in each ring of the pair.
- the resonators can be implemented by means of metal spirals, or by rings engraved on different metal levels to achieve a greater capacitive coupling between the rings that form the resonator and therefore a higher level of miniaturization of such resonators.
- capacitive gaps are arranged in the conductive strip and coupling elements between resonant stages consisting of metal junctions between the conductive strip and the metal mass plane or transmission lines of width and / or controllable electrical length, behaving as a filter passes bandwidth of controllable bandwidth.
- the planar transmission line 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 manufacturing processes of printed or integrated circuits.
- the filters of the present invention allow synthesizing responses with ultra-wide pass bands and with the presence of frequency spurs away from the frequency band of interest. Additionally, resonators of cut rings or complementary cut ring resonators can be added in the input and / or output stages of the filter to eliminate said spurious frequencies.
- the figure shows the front face of a preferred embodiment for a three-stage band-pass filter of complementary open ring resonators, implemented by microtire technology.
- Figure Ib shows the rear face of a preferred embodiment for a three stage band pass filter of complementary open ring resonators, implemented by microtire technology.
- Figure Ic shows a perspective view of a preferred embodiment for a three stage band pass filter of complementary open ring resonators, implemented by technology microtira
- Figure 2a shows a graph of the measured frequency response of the filter of the invention corresponding to the preferred embodiment.
- Figure 2b shows a detail of the pass band of the measured frequency response of the filter of the invention corresponding to the preferred embodiment.
- Figures la, Ib and Ic of the present invention show a band pass filter implemented in microtire technology.
- the front side 1 and back 2 of the dielectric substrate 3 are shown.
- complementary cut ring resonators 4 have been recorded in the metal mass plane 5.
- the capacitive gaps 6 are arranged in series with the conductive strip 7 and the metal joints between the conductive strip and the metal mass plane are made by strips (or "stubs") 8 at the end of which the substrate is perforated and metallized forming a path 9 to achieve contact electric between the upper and lower metal levels.
- complementary cut ring resonators may have polyhedral geometry and / or may have more than one opening and / or may be made in a spiral configuration.
- capacitive gaps can be replaced by sections of control line of width and / or controllable electrical length.
- the filter can be implemented by any other type of planar transmission medium and by open ring resonators. metallic in magnetic coupling with the transmission line. In this case, the metal open ring resonators will be recorded so that such magnetic coupling is magnified. Also in this case, series capacitive gaps and / or metal joints will be available
- stubs and / or transmission lines between the resonators of width and / or controllable electrical length, in order to control the characteristics of the filter.
- Figure 2a shows the graph corresponding to the frequency response 10 of the filter 1 described in the present invention with three stages of complementary open ring resonators, where the low values of losses in the pass band are observed. A detail of the mentioned pass band is shown in the graph of Figure 2b.
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Abstract
Filtros planares para microondas y ondas milimétricas que contienen resonadores de anillos abiertos.Comprenden un medio de transmisión planar que incluye una tira conductora ,plano de masa y substrato dieléctrico (3). Se caracterizan por el hecho de que comprenden por lo menos una etapa consistente en un resonador de anillos abiertos, un elemento para el control del ancho de banda (9) de tal etapa y un elemento de acoplamiento entre etapas. Se consigue realizar filtros de reducidas dimensiones,controlar el nivel de selectividad en banda de transición y eliminar bandas espurias.
Description
FILTROS PLANARES PARA MICROONDAS Y ONDAS MILIMÉTRICAS QUE CONTIENEN RESONADORES DE ANILLOS ABIERTOS
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.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
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.
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. 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.
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.
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. 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.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El objetivo de la presente invención es resolver los inconvenientes mencionados referidos a las estructuras basadas en lineas 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.
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 enrulándose un inversor de admitancias para controlar el citado nivel de acoplamiento. 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.
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.
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.
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. 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.
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.
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.
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.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
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.
En dichos dibujos,
La figura la 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.
La figura Ib 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.
La figura Ic 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.
La figura 2a muestra un gráfico de la respuesta frecuencial medida del filtro de la invención correspondiente a la realización preferida. 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.
DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERIDA
Las figuras la, Ib y Ic 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. 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.
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.
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.
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.
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.
Claims
1. Filtro para microondas y ondas milimétricas, que comprende un medio de transmisión planar que incluye una tira conductora (7) , plano de masa metálico (5) y substrato dieléctrico (3) , caracterizado por el hecho de que comprende por lo menos una etapa consistente en un resonador de anillos abiertos, un elemento para el control del ancho de banda de tal etapa y un elemento de acoplamiento entre etapas.
2. Filtro según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que dicho medio de transmisión planar está basado en líneas de transmisión convencionales (microtira, coplanar, cinta) o variantes de las mismas.
3. Filtro según las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por el hecho de que el/los resonadores de anillos abiertos son complementarios y están grabados en el plano de masa metálico (5) o bien en la tira conductora (7) .
4. Filtro según la reivindicación 3, caracterizado por el hecho de que existen uniones metálicas entre la tira conductora (7) y el plano de masa metálico (5) y elementos de acoplamiento entre etapas resonadoras que consisten en gaps capacitivos (6) grabados en la tira conductora (7) o bien líneas de transmisión de anchura y/o longitud eléctrica controlable, comportándose como filtro pasa banda de ancho de banda controlable.
5. Filtro según las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por el hecho de que el/los resonadores de anillos abiertos son metálicos y están grabados de manera que se produzca acoplamiento magnético entre la tira conductora y tales resonadores de anillos abiertos metálicos.
6. Filtro según la reivindicación 5, caracterizado por el hecho de que existen gaps capacitivos (6) en la tira conductora (7) y elementos de acoplamiento entre etapas resonadoras que consisten en uniones metálicas entre la tira conductora (7) y el plano de masa metálico
(5) o bien líneas de transmisión de anchura y/o longitud eléctrica controlable, comportándose como filtro pasa banda de ancho de banda controlable.
7. Filtro según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que los anillos abiertos son de geometría circular o poliédrica, presentan una pluralidad de aberturas y o elementos metálicos grabados en uno o más niveles de metal .
8. Filtro según las reivindicaciones I7 2, 3, 4, 5 o 6, caracterizado por el hecho de que 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 .
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| ES200403096A ES2272145B1 (es) | 2004-12-28 | 2004-12-28 | Filtros planares para microondas y ondas milimetricas que contiene resonadores de anillos abiertos. |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application | ||
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
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| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 05850514 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |