FILTRO DE MICROONDAS Y DE ONDAS MILIMéTRICAS

Sector de la técnica

La presente invención está relacionada con ^• las estructuras basadas en lineas de transmisión con resonadores, en tecnología plana, proponiendo un filtro de microondas y de ondas milimétricas,- que se implementa sin modificación del plano de masa, con un diseño mediante lineas de transmisión que contienen pares resonadores basados en anillos abiertos complementarios, acoplados mediante un gap capacitivo, y pares resonadores con etapas de lineas acopladas.

Estado de la técnica

Las microondas y ondas milimétricas son ondas de una alta frecuencia, entre 1 GHz y 300 GHz, lo cual hace que la forma de tratarlas sea diferente al tratamiento de las señales de mayor amplitud.

Generalmente los medios electrónicos necesarios para tratar estas ondas están compuestos por una base o sustrato sobre el que se insertan láminas metálicas, conformando una estructura que sirve para el transporte de la señal, pudiendo haber varias alturas de metal en función de la complejidad del elemento.

Por otro lado, según sea la geometría de las láminas metálicas, se consiguen diferentes estructuras que modifican la señal adaptándola a las necesidades generadas.

Los filtros son estructuras que limitan el paso de una determinada parte de la señal, permitiendo el paso.

del resto de la señal, en función de lo cual existen filtros de: paso alto, paso bajo, paso banda y rechazo banda.

Los filtros de paso alto son aquellos que limitan el paso de señal por encima de un valor concreto de frecuencia, en tanto que los filtros de paso bajo permiten el .. paso de señal por debajo de un valor concreto de frecuencia.

Los filtros de paso banda permiten en su caso el paso de la señal cuya frecuencia se encuentre entre dos valores concretos; y los filtros de rechazo banda permiten pasar la señal que tenga un valor inferior a un valor concreto o superior a otro valor mayor que el primero.

Son conocidas a su vez estructuras basadas en resonadores distribuidos para el diseño de dichos filtros de microondas y de ondas milimétricas, con una respuesta en frecuencia deseada.

Dichas estructuras se basan en la propiedad de que para determinadas frecuencias se producen resonancias dinámicas, es decir, dependientes de sus dimensiones físicas, que permiten, acoplando adecuadamente los distintos resonadores que forman el dispositivo, la obtención de las respuestas frecuenciales buscadas.

Como se ha comentado, las resonancias y respuestas finales en estos dispositivos dependen de las dimensiones de los distintos componentes que forman la estructura: impedancia de línea, longitud de línea, etc., y debido a la relación entre la longitud de onda y la frecuencia, las respuestas tienen un comportamiento

periódico en frecuencia, por lo que se pueden obtener bandas frecuenciales no deseadas, denominadas comúnmente espurios frecuenciales, en bandas de interés.

También son conocidas estructuras de filtrado frecuencial basadas en lineas 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 lineas de transmisión, de modo que en la proximidad de la frecuencia de resonancia de los mencionados resonadores se producen bandas de rechazo o de paso, siendo necesario en este último caso introducir además elementos adicionales, tales como gaps capacitivos, en configuración . serie con la linea de transmisión y/o uniones metálicas entre la tira central conductora y el plano de masa.

Dichos gaps capacitivos son huecos realizados en la linea de transmisión, delimitando las dos caras de un condensador, entre las cuales se interrumpe la transmisión directa de señal, al mismo tiempo que se producen en ella alteraciones.

Para el control del ancho de banda en estas estructuras son conocidas soluciones basadas en anillos abiertos complementarios grabados en el plano de masa, etapas de acoplo en la tira conductora, elementos metálicos o "stubs" a modo de inducciones entre la tira

conductora y el plano de masa, y vias que conectan la tira conductora con el plano de masa.

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 que dependen de la longitud de

-onda a la frecuencia caracteristica del filtro. Además, en tales estructuras se producen bandas de frecuencia espurias, que pueden ocurrir a frecuencias relativamente cercanas a las bandas de interés.

Una limitación de las estructuras basadas en anillos abiertos complementarios, radica en que la modificación del plano de masa impide la integración de estos dispositivos en estructuras de tecnologia "chip" (PCB) para su producción industrial, limitando también el posible apantallamiento de los dispositivos generados a partir de estas estructuras.

Objeto de la invención

La presente invención tiene como fin resolver los inconvenientes mencionados de las estructuras basadas en lineas de transmisión y resonadores que requieren modificar el plano de masa o establecer conexiones con el mismo, desarrollando un filtro operativo a frecuencias de microondas y ondas milimétricas, basado en resonadores sin alteración del plano de masa, y en el cual se puede controlar el ancho de banda, la respuesta frecuencial y los niveles de rechazo, pudiendo ser implementado en tecnologia planar, ya sea en substratos de microondas o de ondas milimétricas de bajas pérdidas, en substratos multicapa, o bien mediante tecnologías microelectrónicas de fabricación.

De acuerdo con este objetivo, el filtro de la invención se caracteriza por el hecho de incluirse en un medio de transmisión planar, o linea de transmisión, que comprende una tira conductora, un plano de masa metálico (que en ningún caso es alterado) , y un substrato dieléctrico; por el hecho de que comprende al menos un resonador basado en anillos abiertos complementarios, modificado para incluir en su interior un gap capacitivo de acoplo (que entra a formar parte de la construcción) ; y por el hecho de que opcionalmente se puede controlar el nivel de rechazo banda con la aportación de una o más etapas de lineas acopladas, que en tal caso entran a formar parte del filtro.

Estas caracteristicas permiten realizar un filtro de reducidas dimensiones sin modificación del plano de masa, 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 y a que la construcción se define completamente en la tira conductora. Además, gracias a la combinación de los citados resonadores de anillos abiertos complementarios, modificados con un gap capacitivo con elementos adicionales, tales como etapas de lineas acopladas, se consigue controlar el nivel de rechazo del filtro aumentándolo, con la ventaja añadida de que el gap capacitivo que forma parte del resonador complementario permite tener control sobre el ancho de banda del filtro.

También, en la medida que los dieléctricos y metales utilizados para su fabricación tengan bajos niveles de pérdidas y resistividad, respectivamente, este filtro de la invención presenta bajas pérdidas de inserción en la banda de paso, su diseño es simple y su proceso de fabricación es compatible con las tecnologias

de fabricación de circuitos impresos e integrados.

Los resonadores de anillos abiertos complementarios, modificados para incluir el gap capacitivo, están grabados en la linea de transmisión, pudiendo 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, y además la construcción no tiene por qué ser simétrica con respecto al eje del gap, de modo que los semianillos abiertos complementarios que se presentan a ambos lados del gap pueden estar descentrados, y entre ellos no sólo pueden tener centros geométricos distintos, sino que puede diferir su geometría, la cual puede ser circular o poliédrica en general, con uno o más cortes diferentes en cada anillo del par que se forme a cada lado del gap; y opcionalmente, uno o los dos lados del resonador entorno al gap, pueden implementarse mediante espirales.

Además del grado de libertad que aporta el tener dos semi-resonadores dentro de la misma construcción, el propio gap capacitivo proporciona en tal caso un control efectivo del ancho de banda.

Según otra realización, una o más etapas, no necesariamente idénticas, de resonadores de anillos abiertos complementarios, modificados para incluir en su interior un gap capacitivo, aparecen interactuando con una o más etapas, no necesariamente idénticas, de lineas acopladas, lo cual proporciona mayor nivel de rechazo y un control del mismo mediante el diseño de las lineas acopladas y con el número de etapas de lineas acopladas que se incluya.

Cada una de las etapas de líneas acopladas empleada constituye un acoplo magneto-inductivo entre dos pistas conductoras separadas que presentan una longitud de acoplo determinada a. lo largo de cualquier trayectoria, no teniendo porqué ser ambas pistas idénticas, y pudiendo estar grabadas en el mismo o en distintos niveles de metalización.

Además una misma pista conductora puede formar parte de más de una etapa de líneas acopladas, y cada una de las pistas conductoras a lo largo del acoplo, dentro de una misma etapa, puede presentar cualquier tipo de perfil.

Preferiblemente, la línea de transmisión planar es de tipo microtira, coplanar, cinta, o variantes de las mismas, gracias a lo cual el filtro se puede implementar en cualquier tipo de tecnología planar compatible con los procesos de fabricación de circuitos impresos o integrados, siendo la línea de transmisión de cinta conocida como "stripline".

Ventajosamente, el filtro de la presente invención permite sintetizar respuestas con bandas de paso ultra anchas, con importantes niveles de rechazo, y con la presencia de espurios frecuenciales alejados de la banda frecuencial de interés. Otra gran ventaja es la obtención de estos resultados sin modificación del plano de masa, . lo que es especialmente conveniente para trabajar con líneas de transmisión de tipo microtira y stripline, facilitando su integración en chips PCB.

Adicionalmente, se pueden añadir en las etapas de entrada y/o salida del filtro resonadores de anillos cortados o resonadores de anillos cortados

complementarios, para eliminar los espurios frecuenciales .

Descripción de las figuras

La figura IA muestra una realización de un filtro de paso banda según la invención.

La figura IB es un detalle ampliado de la zona central del filtro de la figura anterior.

La figura IC muestra la respuesta en frecuencia medida del filtro anterior.

La figura 2A muestra otra configuración de un filtro de paso banda.

La figura 2B representa la respuesta en frecuencia obtenida mediante simulación del filtro mostrado en la figura anterior.

La figura 3A muestra otra posible implementación del filtro de la invención.

La figura 3B representa la respuesta en frecuencia obtenida mediante simulación del filtro de la figura anterior.

Descripción detallada de la invención

El objeto de la invención consiste en un filtro de paso banda implementado en tecnología microtira, que puede disponer de un número indeterminado de etapas (3) tanto a la entrada como a la salida, comprendiendo una metalización superior (1) situada sobre un sustrato

dieléctrico (2) que a su vez se dispone sobre otra metalización (no representada) .

En las figuras IA y IB se representa un ejemplo de realización del filtro preconizado, comprendiendo cuatro etapas (3) de lineas acopladas, dos a la entrada y dos a la salida; mientras que en la figura 2A se halla representado otro ejemplo del filtro, bajo el mismo concepto de la invención, con una etapa (3) en la entrada y otra en la salida.

En el tramo central (4) de la parte metálica conductora (1) se determina un resonador (5) formado por anillos abiertos, el cual se ha modificado para incluir en su interior un gap capacitivo (6). Alternativamente pueden implementarse uno o más tramos (4) con uno o más resonadores (5) formados por anillos abiertos complementarios, modificados o no, con distintos radios, formas, e incluso descentrados del gap capacitivo (6) central.

Los resonadores (5) formados por anillos abiertos complementarios, modificados para incluir en su interior un gap capacitivo (6) de acoplo, pueden tener también geometría poliédrica y/o pueden presentar más de una abertura y/o pueden realizarse en configuración de espiral con distintas morfologías.

Las etapas (3) de lineas acopladas de la entrada o de la salida, asi como su morfología, además de variar en número, también pueden ser sustituidas por una linea de transmisión.

Circunstancialmente, también pueden colocarse, en la vecindad de las secciones de lineas acopladas, o en

otros lugares del chip, resonadores de anillos abiertos (10) , como muestra la figura 3A, con el objetivo de eliminar espurios frecuenciales.

En cualquier caso el filtro se puede implementar mediante cualquier otro tipo de medio de transmisión planar, o en estructuras multicapa.

La respuesta en frecuencia de la señal de salida (7) de cada filtro, es el producto de conseguir minimizar el valor de la señal en las frecuencias ajenas a la banda de paso (9) determinada por el filtro en la señal de entrada y mantener la ganancia unitaria en el rango de frecuencias pertenecientes a dicha banda de paso (9) . De la misma manera se obtiene una señal con las componentes de la señal de entrada, fuera del rango de frecuencias (8) delimitado por el filtro, que es reflejada, con lo que esos valores quedan anulados en la señal de salida (7).

Aunque se han representado tres realizaciones del filtro de la invención, tales realizaciones no tienen carácter limitativo, ya que con el mismo concepto y sin salirse del marco de la invención se pueden adoptar otras formas técnicamente equivalentes del filtro para cumplir la misma función,