Unattended design of wideband planar filters based on stepped impedance resonators (SIRs) through aggressive space mapping (ASM)

Abstract

La síntesis de circuitos planares de microondas capaces de satisfacer un conjunto de especificaciones es un tema de interés en la actualidad dentro del campo de la ingeniería de microondas. A pesar de que la mayoría de las herramientas software de diseño asistido y los simuladores electromagnéticos disponibles en el mercado incluyen optimizadores, obtener la topología del circuito que cumple con las especificaciones es generalmente complicado. La convergencia a la solución óptima no está siempre garantizada a no ser que el layout inicial sea muy próximo al que ya proporciona la respuesta objetivo y la experiencia del diseñador juega un papel clave en este proceso de optimización a medida que la complejidad del circuito aumenta. Por otro lado, los filtros de microondas single-ended y, más concretamente, los filtros de microondas balanceados, se han convertido en dispositivos esenciales debido a los recientes avances en el desarrollo de las tecnologías de comunicación modernas, dónde elevados niveles de integración y sistemas más complejos son requerimientos fundamentales. Por lo tanto, un proceso sistemático capaz de proporcionar el layout del filtro que cumple con las especificaciones requeridas sería muy bien recibido para la comunidad de los ingenieros de microondas. Esta tesis está orientada a la síntesis automática de filtros de microondas planares single-ended y balanceados que proporcionan respuestas pasa banda y de banda ancha. Estas estructuras se basan en elementos resonantes semi-concentrados, implementados mediante una combinación de secciones de líneas de transmisión de alta y baja impedancia, más conocidos como Resonadores de Salto de Impedancia (SIRs). La estrategia de optimización, basada en la técnica de Aggressive Space Mapping (ASM), tiene el objetivo de generar el layout del filtro que satisface las especificaciones siguiendo un proceso totalmente desasistido. De este modo, este método de síntesis automática puede dar lugar a la implementación de una herramienta de optimización asociada a este tipo de filtros basados en SIRs, adecuada para ser incorporada en cualquier software existente en el mercado dedicado al diseño de dispositivos de microondas Con este propósito, algoritmos basados en ASM son desarrollados en esta tesis para la síntesis automática de distintas topologías de filtros de microondas single-ended y balanceados basados en SIRs. Los procedimientos para el diseño automático de éstos dispositivos son descritos en detalle y su funcionalidad es validada mediante su aplicación a la generación de distintos layouts destinados a satisfacer un conjunto particular de especificaciones en cada caso. Los procesos de síntesis automática desarrollados y los resultados obtenidos revelan que esta metodología de optimización puede ser aplicada a muchos otros tipos de filtros, y han conducido a este trabajo de investigación a contribuir en el estado del arte con nuevas estrategias en la formulación del ASM y con innovadoras topologías de filtros pasa banda de banda ancha.

The synthesis of planar microwave circuits able to satisfy a set of given specifications has been a subject of interest in the microwave community for years. Despite the fact that most commercially available computer aided design tools and electromagnetic solvers include optimizers, obtaining the circuit topologies that satisfy the design requirements is generally cumbersome. Convergence to the optimum solution is not always guaranteed unless the seeding layout is already very close to the one providing the target response, and designer experience plays a key role in such optimization process as long as the circuit complexity increases. On the other hand, single-ended and, more specially, balanced microwave filters have become essential devices with the recent advances in the development of wireless communication technologies, where higher levels of integration and more complex microwave systems are key requirements. Therefore, a systematic procedure able to provide the filter layout satisfying the required specifications would be very welcomed by microwave engineers. This thesis is focused on the automatic synthesis of single-ended and balanced planar microwave filters providing wideband bandpass responses. Such filter structures are based on semi-lumped resonant elements, implemented by a combination of high and low impedance transmission line sections, also known as Stepped Impedance Resonators (SIRs). The optimization approach, based on the Aggressive Space Mapping (ASM) technique, is aimed to generate the filter layout from design specifications following a completely unattended scheme. Therefore, such filter optimization scheme can represent the first step towards an optimization tool for this type of SIR-based filters suitable to be part of any commercially available engineering software focused on microwave design. To this end, specific ASM-based algorithms are developed in order to automatically synthesize multiple single-ended and balanced filter topologies based on SIRs. The proposed automatic design procedures are thoroughly detailed and validated through its application to generate several filter layouts starting from different sets of practical specifications. The reported procedures and the results obtained reveal that this optimization methodology can be extended to many other filter structures, and have lead this research work to contribute to the state of the art with innovative strategies in the ASM formulation as well as with novel synthesized passband filter topologies.