Diseño de filtros de microondas basados en líneas de transmisión de onda lenta mediante técnicas de space mapping

Abstract

Este trabajo representa una contribución a las líneas de transmisión artificiales. Específicamente se pudo diseñar de forma automática estructuras (líneas de transmisión) de onda lenta basadas en parches capacitivos de EBGs (del inglés, Electromagnetic Band Gaps) a frecuencias de microondas. Estas estructuras presentan una razón de onda lenta que produce una reducción del tamaño del circuito de microondas, puesto que la longitud de onda en la estructura es menor que en una línea de transmisión ordinaria. Además si se concatenan varias estructuras de onda lenta es posible obtener bandas de rechazo y así suprimir bandas espurias. Se dedica un capítulo a la síntesis de estas estructuras. Estas estructuras optimizadas podrán encontrar varias aplicaciones, donde se sustituye una línea de transmisión ordinaria por una línea de transmisión artificial. Se tomará en cuenta la impedancia característica de la línea ordinaria y su longitud eléctrica a una frecuencia de operación para la síntesis de estas líneas de transmisión de onda lenta. En la tesis se pudo aplicar éste método de diseño de estructuras de onda lenta a la síntesis automática de filtros pasabanda de banda ancha, en concreto, se realizó una mejora a los filtros de Levy. Se incorporaron estructuras EBG para reducir la longitud del filtro y además suprimir el primer espurio, se logró obtener una amplia banda de rechazo debido a la concatenación de varias estructuras de onda lenta. Para los filtros mejorados se obtuvo respuestas electromagnéticas que coinciden muy bien con el filtro canónico de Levy. Por último se pudo sintetizar filtros pasabanda basados en pares de líneas acopladas con carga capacitiva a frecuencias de microondas. Se presentaron dos ejemplos de filtros Chebyshev, se obtuvo una gran coincidencia (ajuste en los ceros de reflexión, ancho de banda y frecuencia central) en la respuesta electromagnética y el esquemático ideal al sintetizar cada sección de los filtros por separado y luego concatenar las secciones optimizadas. Estos filtros muestran el efecto de onda lenta y se reduce su longitud, además es posible suprimir las bandas espurias hasta varios armónicos. Debido a las propiedades de los EBG son filtros muy eficientes suprimiendo espurios. Ambas aplicaciones se implementan completamente en tecnología planar y su síntesis se debe gracias al funcionamiento en conjunto del programa Matlab y de un simulador electromagnético. A la vez estos resultados son posibles gracias a un algoritmo ASM (Aggressive Space Mapping) que permite obtener soluciones óptimas.

This work represents a contribution to the artificial transmission lines. Specifically had been designed automatically slow wave structures (artificial transmission lines) based on capacitive patches of EBGs (Electromagnetic Band Gaps) at microwave frequencies. These structures present a slow wave ratio that produces a miniaturization of the microwave circuit, since the wavelength in the structure is smaller than in an ordinary transmission line. Also, if several slow-wave structures are concatenated is possible to obtain stop bands and thus suppress spurious bands. A chapter of the thesis is devoted to the synthesis of these structures. These optimized structures will find various applications where an ordinary transmission line is replaced by an artificial transmission line. For the synthesis of these artificial transmission lines (slow wave structures), the characteristic impedance of the ordinary line and the electrical length at an operating frequency will be taken into account. On the thesis we could apply this method of designing slow wave structures to the automatic synthesis of wideband bandpass filters, in particular, an improvement was done to the Levy filters. EBG structures are incorporated to reduce the length of the filter and also to suppress the first spurious band, it was possible to obtain a wide rejection band due to the concatenation of several slow-wave structures. For the improved filters, the electromagnetic response matches very well with the canonical Levy filter response. Finally it was possible to synthesize bandpass filters based on Capacitively-Loaded Coupled Lines at microwave frequencies. Two examples of Chebyshev filters were reported, a great coincidence (adjustment of the reflection zeros, bandwidth and center frequency) in the electromagnetic response of the final layout and of the ideal schematic, synthesizing each section of the filters separately and then concatenating the optimized sections. These filters show the slow wave effect and its length are reduced, and it is also possible to suppress spurious bands up to several harmonics. Due to the properties of the EBG structures these filters are very efficient suppressing spurious bands. Both applications are fully implemented in planar technology and its synthesis is thanks to the whole operation of the Matlab program and of an electromagnetic simulator. Also these results are possible by an ASM (Aggressive Space Mapping) algorithm that allows to find optimal solutions.