Circuitos diferenciales de microondas con rechazo del modo común basados en conceptos de metamateriales y en resonadores semidiscretos

Abstract

El uso de dispositivos que operen con señales diferenciales y simultáneamente supriman el modo común cada vez atrae más la atención de los ingenieros de microondas. El contenido de esta tesis está enfocado en el estudio y diseño de circuitos balanceados de microondas utilizando técnicas avanzadas de diseño y conceptos derivados de los metamateriales así como el uso de resonadores semidiscretos. Mediante estos conceptos avanzados se han diseñado componentes de doble banda (dual) y filtros diferenciales de microondas con buen comportamiento y dimensiones reducidas. Para sintetizar estructuras diferenciales con supresión del modo común, se ha utilizado líneas de transmisión artificiales basadas en componentes semidiscretos y mediante resonadores concentrados como pueden ser el OSRR y el OCSRR. Mediante el uso de dichas partículas se han obtenido filtros diferenciales con elevados anchos de banda, así como inversores de impedancia duales diferenciales y divisores de potencia balanceados. Todas las implementaciones que se encuentran en este trabajo proporcionan la capacidad para rechazar el modo común de manera inherente (sin la necesidad de añadir etapas adicionales al diseño). Primeramente se han diseñado filtros balanceados mediante resonadores en salto de impedancia en configuración diferencial e inversores de admitancia. Posteriormente se han utilizado líneas con comportamiento compuesto zurdo/diestro (CRLH) con topología diferencial para diseñar inversores de impedancia duales y su aplicación más directa como son los divisores de potencia diferenciales basados en la unión en Y. A continuación se ha explorado la opción de ensanchar los anchos de banda de operación de filtros diferenciales de microondas mediante resonadores concentrados y semidiscretos. Todos los conceptos explorados en esta tesis han sido validados mediante prototipos que han demostrado un buen ajuste entre simulación circuital, simulación electromagnética y medida. Mediante el concepto de cristal electromagnético (o Electromagnetic BandGap –EBG-), se han diseñado filtros diferenciales capaces de cubrir el espectro UWB y con un buen comportamiento fuera de la banda de interés, así como la supresión del modo común en la banda filtrante. También se ha explorado la opción de diseñar reflectores en líneas diferenciales (microstrip), para la cancelación del modo común mediante la teoría derivada del acoplo de modos. Los resultados obtenidos después de caracterizar las estructuras, validan los circuitos propuestos. De manera adicional, se ha realizado un estudio teórico sobre las redes en celosía y como su topología puede proporcionar características diferentes a las obtenidas mediante líneas artificiales CRLH basadas en un modelo en T o en π. Estas diferencias se hacen patentes en su impedancia característica ya que, bajo ciertas limitaciones, ésta no depende de la frecuencia. Este fenómeno ha sido aprovechado para obtener divisores de potencia operativos en dos bandas mostrando un ensanchamiento del ancho de banda operativo del dispositivo.

The use of devices that operate with differential signals as well as simultaneously suppress the common mode has increased the attention of microwave engineers. This thesis is focused on the study and design of microwave balanced circuits using advanced design techniques, metamaterials concepts and semilumped resonators. Through these advanced concepts dual-band components and differential microwave filters with good performance and small size have been designed. To synthesize differential structures with common mode suppression, artificial transmission lines based on semilumped resonators and electrically small resonators (OSRR and OCSRR) have been chosen. Such particles allow designing broadband differential filters, differential dual-band impedance inverters and balanced power dividers. All implementations reported in this work are able to reject the common mode inherently, that is without the need to add additional design stages. Firstly balanced filters are designed using stepped impedance resonators in differential configuration together with admittance inverters. Later, differential-mode composite right/left handed (DM-CRLH) transmission lines are used for dual-band impedance inverters design and its direct application to differential power dividers based on Y-junction. As a continuation, the option of widen the operating bandwidth differential microwave filters by means of concentrate and semilumped resonators has been explored. All the concepts explored in this thesis have been validated through prototypes that have demonstrated a good agreement between circuit simulation, electromagnetic simulation and measurement. On the other hand, by means of electromagnetic crystal concept (or Electromagnetic Bandgap-EBG-) differential filters have also been designed to cover the UWB spectrum with good behavior out of the interest band, as well as the suppression of common-mode in differential pass band. It was also explored the option of designing differential lines reflectors in order to suppress the common mode by means of coupled mode theory. The results obtained after characterize the structures validated the proposed circuits. Finally, a theoretical study of lattice networks and how their topology can provide differences from those obtained by artificial CRLH lines based on T or π model was carried out. Such differences are evident in its characteristic impedance and that, under certain limitations, it is not frequency dependent. This phenomenon has been taken advantage to obtain dual-band power dividers, showing a widening of the operating bandwidth of the device.