ES2335633B1 - Filtro paso-bajo para señales electromagneticas. - Google Patents
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Abstract
Filtro paso-bajo para señales
electromagnéticas, formado por una sucesión de elementos de rechazo,
definidos por stubs (2) de longitud \lambda_{g}/4, con una
distancia pequeña o nula entre ellos, los cuales elementos se
sintonizan a diferentes frecuencias determinando la banda de
rechazo.
Description
Filtro paso-bajo para señales
electromagnéticas.
La presente invención está relacionada con el
tratamiento de las señales electromagnéticas, proponiendo un filtro
paso-bajo en guía onda o línea de transmisión de
gran ancho de banda rechazado y con características de diseño que
permiten una alta potencia y una longitud reducida del
dispositivo.
Existen técnicas en guía de onda y línea de
transmisión para diseñar dispositivos de tratamiento en frecuencia
de las señales electromagnéticas (Microwave filters,
impedance-matching networks and coupling structures;
Matthai, Young and Jones; Artech House 1980, capítulos 9 y 12),
entre las que podemos destacar dispositivos de los siguientes
tipos:
- Filtros paso-banda, basados en
la utilización de stubs de longitud \lambda_{g}/2 (siendo
\lambda_{g} la velocidad de fase dividida por la frecuencia de
diseño) con separación \lambda_{g}/4 entre ellos (Wavequide
components for Antenna Feed Systems: Theory and CAD; Uher, Bornemann
and Rosemberg; Artech House 1993, páginas
185-189).
- Filtros rechazo-banda, basados
en la utilización de stubs de longitud \lambda_{g}/4 con
separación \lambda_{g}/4 entre ellos (Wavequide components for
Antenna Feed Systems: Theory and CAD; Uher, Bornemann and Rosemberg;
Artech House 1993,páginas 185-189).
- Filtros paso-bajo de tipo
corrugado en guía de onda (Wavequide components for Antenna Feed
Systems: Theory and CAD; Uher, Bornemann and Rosemberg; Artech House
1993, páginas 200-207). Dichos filtros se
estructuran como deformaciones o corrugaciones de la pared tubular
del filtro. Si bien estos filtros se denominan
paso-bajo, todos los filtros en guía de onda
presentan la particularidad de que únicamente permiten la
transmisión de señales cuya frecuencia sea superior a una
determinada frecuencia, denominada frecuencia de corte. Para el caso
concreto de la guía de onda de sección rectangular, esta frecuencia
de corte está determinada (analíticamente) por la anchura de la
guía. Por ello, incluso los denominados filtros
paso-bajo, en guía de onda presentan un
comportamiento paso-banda, de manera que la
frecuencia inferior de la banda de paso se controla variando la
frecuencia de corte de la
guía.
guía.
El problema principal de los filtros
paso-bajo diseñados con las técnicas clásicas de
filtros corrugados, es que la respuesta paso-bajo se
mantiene mientras exista un comportamiento monomodo, es decir,
cuando únicamente se propaga por el filtro el modo fundamental, que
es el primero de los que pueden propagarse por la guía de onda.
Por lo tanto, si se desea rechazar frecuencias
altas en guías de onda de sección rectangular (por ejemplo hasta el
tercer armónico de la banda de paso), sólo es posible lograrlo con
filtros de mayor complejidad como los de tipo
waffle-iron (descritos por ejemplo en la Patente US
6285267), y diseñados específicamente para ello. Sin embargo, los
diseños waffle-iron obligan a tener unos gaps
físicos (separación en altura entre las paredes de la guía por el
interior) muy pequeños, de manera que por ellos sólo puede pasar una
cantidad de potencia reducida. Además, estos filtros
waffle-iron necesitan tener una longitud
relativamente larga para obtener una transición abrupta entre la
banda de paso (rango de frecuencias que pueden pasar por la guía) y
la banda de rechazo (rango de frecuencias que la guía no deja
pasar).
En este sentido, la Patente US 2007024394
describe un dispositivo que se forma a base de un filtro
paso-bajo corrugado de alta potencia (que no permite
rechazar hasta el tercer armónico), a cuya salida se añade una
estructura basada en el fenómeno de la reflexión Bragg (dicho
fenómeno explica que es posible rechazar una frecuencia con un
periodo adecuado en la perturbación que se realiza en la guía). De
este modo se consigue rechazar hasta el tercer armónico, igual que
podríamos conseguir con un diseño waffle-iron pero
con un gap suficientemente elevado en toda la estructura como para
permitir el paso de gran cantidad de potencia. Sin embargo, la
concatenación de de las dos estructuras lleva en general a
dispositivos de gran longitud. En este sentido, si bien podríamos
plantearnos rechazar las bajas frecuencias también con reflexión
Bragg y prescindir del filtro corrugado, el periodo que habría que
utilizar en la estructura Bragg seria largo y, para conservar buenas
prestaciones frecuenciales con un número suficiente de periodos, la
longitud de la estructura Bragg tendría que ser muy grande.
De acuerdo con la invención se propone un filtro
paso-bajo de gran ancho de banda rechazado y con
características de diseño que permiten una alta potencia y una
longitud reducida del dispositivo.
Este filtro objeto de la invención se estructura
preferentemente según una guía tubular de sección rectangular, en la
cual se determinan una sucesión continua de elementos de rechazo
(stop elements), utilizando preferentemente stubs (secciones de guía
transversal a la dirección de propagación) de longitud
\lambda_{g}/4 sin separación entre ellos a lo largo de la
dirección de propagación, de manera que sobre dicha sucesión de
stubs se aplica un enventanado cuya función está geométricamente
definida por la sucesión de los máximos de los stubs (envolvente
exterior) y por la sucesión de los gaps mínimos de dichos stubs
(envolvente interior).
En la realización del filtro, a lo largo de la
guia se determinan tres zonas estructuralmente diferenciadas, en una
de las cuales, correspondiente al extremo de entrada al filtro, la
envolvente interior disminuye progresivamente, mientras que la
envolvente exterior aumenta de una manera progresiva muy
ligeramente. En la segunda zona, correspondiente a la parte
intermedia de la longitud, la envolvente interior permanece
constante, mientras que la envolvente exterior aumenta
progresivamente de manera acusada. Y en la tercera zona,
correspondiente al extremo de salida del filtro, la envolvente
interior aumenta progresivamente, mientras que la envolvente
exterior disminuye progresivamente de manera muy acusada.
Los stubs son preferentemente sinusoidales ya
que así se obtienen unas prestaciones óptimas del filtro en su
comportamiento funcional. Sin embargo, otras formas (rectangular,
triangular o incluso definido a puntos), también son posibles para
el stub siempre y cuando se comporten como un elemento de
rechazo.
Con el filtro paso-bajo de la
invención se obtienen unas buenas pérdidas de retorno en la banda de
paso (debido al enventanado progresivo y a la topología suave de los
stubs), una pendiente muy abrupta entre la banda de paso y la banda
de rechazo (debido a la utilización de los stubs \lambda_{g}/4)
y una longitud total del dispositivo muy pequeña (debido a que no
hay separación entre los stubs).
Este filtro permite además rechazar frecuencias
hasta el tercer armónico de la banda de paso, y al mismo tiempo
presenta perfiles suaves con un gap mínimo lo suficientemente grande
para permitir el paso de una gran cantidad de potencia. Además, si
la potencia no es un requisito, el dispositivo puede diseñarse de
manera todavía más compacta.
Por todo ello, dicho filtro objeto de la
invención resulta de unas características ciertamente ventajosas,
adquiriendo vida propia y carácter preferente respecto de los
filtros convencionales de su misma aplicación.
La figura 1 muestra en sección longitudinal
esquemática un ejemplo de realización del filtro preconizado.
La figura 2 es una representación en perspectiva
del filtro de la figura anterior.
La figura 3 es una gráfica de la respuesta en
frecuencia del filtro preconizado, incluyendo la respuesta en
reflexión y la respuesta en transmisión.
El objeto de la invención se refiere a un filtro
de tipo paso-bajo en guía de onda, destinado para el
tratamiento de las señales electromagnéticas, con el fin de limitar
el paso de dichas señales en una determinada banda de frecuencias.
Además de bloquear el paso en rangos frecuenciales donde otras
propuestas no lo logran, con el filtro propuesto se conservan
simultáneamente características de uso práctico muy importantes
tales como el tamaño compacto o la posibilidad de manejar alta
potencia.
Este filtro objeto de la invención se constituye
por una guía metálica (1) de forma tubular rectangular, en las
paredes superior e inferior de la cual se define longitudinalmente
una perturbación con conformaciones (stubs) de perfil sinusoidal
(2), correspondientemente enfrentadas, que actúan como elementos de
rechazo.
Cuando se diseña un filtro
paso-bajo como el de la invención, el tipo de guía
que se utiliza viene impuesto por la aplicación especifica.
Generalmente será utilizada una guía de onda de sección rectangular,
aunque guías de onda de sección circular o de secciones más
complejas, como por ejemplo la guía ridge, podrán también ser
utilizadas. También será posible la utilización de líneas de
transmisión como coaxial, microstrip, stripline, etc.
Dichos stubs (2) de las paredes de la guía (1)
quedan definidos de manera continua sin separación entre ellos,
siendo cada uno de estos stubs (2) de una longitud (h =
\lambda_{g}/4) entre la cresta y el fondo, en donde
\lambda_{g} es la velocidad de fase dividida por la frecuencia
de diseño.
Sobre los mencionados stubs (2) se determina una
configuración de perfil variable, definiendo típicamente en el
conjunto longitudinal de la guía (1) tres zonas (A, B, C)
diferenciadas, de manera que:
- En la zona (A), que corresponde al extremo de
entrada al filtro, la envolvente interior disminuye progresivamente,
mientras que la envolvente exterior aumenta progresivamente.
- En la zona (B), correspondiente a la zona
intermedia de la longitud, la envolvente interior se mantiene
constante, mientras que la envolvente exterior aumenta
progresivamente de manera acusada.
- Y en la zona (C), que corresponde al extremo
de salida del filtro, la envolvente interior aumenta
progresivamente, mientras que la envolvente exterior disminuye
progresivamente de manera muy acusada.
En esa disposición, cada stub (2) refleja una
frecuencia que viene determinada por la longitud de estos elementos
de rechazo, de manera que con la variación de sus diferentes
alturas, los stubs (2) de la guía (1) permiten rechazar distintas
frecuencias, impidiendo su propagación por la estructura del filtro.
Además, esta frecuencia de rechazo también puede modificarse
variando la posición relativa del stub con respecto a la altura del
puerto de la guía, y la anchura de la base del stub (distancia entre
dos gaps mínimos consecutivos).
Se puede configurar así un filtro con una amplia
banda de rechazo que permite eliminar todas las frecuencias hasta el
tercer armónico de la banda de paso y que incluso puede llegar a
rechazar frecuencias más altas. Además, la invención presenta al
mismo tiempo un gap mínimo (g) lo suficientemente elevado y perfiles
suaves para permitir el paso de gran cantidad de potencia. Todo esto
se consigue con una longitud total reducida en comparación con otras
soluciones disponibles.
La zona intermedia (B) del conjunto longitudinal
del filtro se halla formada por una serie de stubs (2) de diferentes
longitudes (h), los cuales producen el rechazo de distintas
frecuencias, determinando la banda de rechazo del filtro. La
distribución de los stubs, que conforman la parte intermedia de este
dispositivo, viene determinada por las especificaciones de la banda
de rechazo que se desee conseguir.
Las zonas extremas (A y C) definen por su parte
unos tramos enventanados de stubs (2), que permiten obtener unas
pérdidas de retorno buenas en la banda de paso (baja reflexión hacia
el puerto de entrada), a la vez que permiten alcanzar las alturas
estándar en los puertos de entrada (3) y de salida (4) del filtro,
para el acoplamiento a otros sistemas. Estos enventanados
responderán a las especificaciones de la banda de paso, pudiendo ser
por tanto de tipo Gaussiano, Kaiser, Hanning, Hamming, etc.
Aunque para este caso concreto el dispositivo
final queda definido por las zonas (A, B y C), esto es particular de
la respuesta en frecuencia elegida. Sin embargo, pueden existir
otras respuestas en frecuencia para las que la distribución de los
elementos de rechazo puede ser distinta, resultando un dispositivo
donde las zonas anteriormente mencionadas pueden no ser tan
claramente diferenciables. Por tanto, como resultado de la
aplicación de esta técnica, puede aparecer una distribución
arbitraria de los máximos y de los mínimos de los stubs (2) a lo
largo del dispositivo.
La configuración sinusoidal de los stubs (2)
simétricos con respecto al eje de propagación es preferente,
pudiendo adoptar también otras configuraciones semejantes, como por
ejemplo en forma rectangular (con o sin escalones), triangular o
incluso definido de cualquier forma arbitraria, siempre y cuando se
comporten como un elemento de rechazo. Además también pueden
utilizarse cualesquiera de estos elementos de rechazo de manera
asimétrica, es decir, que la distribución de longitudes de los stubs
(2) de la parte superior no coincida con la inferior, pudiéndose
incluso prescindir de los stubs (2) en una de ellas.
De igual manera, la separación entre los
elementos de rechazo será preferentemente nula. Si esto no fuera
posible debido a la forma de los stubs (2) o a otros requerimientos
de diseño, la distancia entre ellos convendría que fuera
suficientemente pequeña como para obtener un dispositivo
compacto.
La respuesta en frecuencia de los filtros se
define a partir de su coeficiente de reflexión y su coeficiente de
transmisión, siendo el coeficiente de reflexión la relación entre la
potencia que se introduce en el filtro por el puerto de entrada (3)
y la potencia que se recibe en el propio puerto de entrada (3)
debido a las reflexiones que se producen en el dispositivo. El
coeficiente de transmisión es la relación entre la potencia que se
introduce en el filtro por el puerto de entrada (3) y la potencia
que se recibe en el puerto de salida (4).
La figura 3 representa el comportamiento en
frecuencia del filtro realizado según la forma de la invención, en
donde la línea (R) corresponde al coeficiente de reflexión, pudiendo
observarse que hasta 12.5 GHz (gigahercios) se reflejan al menos 20
dB (decibelios) menos de los que se introducen, es decir que apenas
se produce reflexión; pero a partir de 16.4 GHz el filtro hace que
prácticamente se refleje toda la potencia que se introduce.
En las mismas condiciones, la línea (T)
corresponde al coeficiente de transmisión, pudiendo observarse que
hasta los 12.5 GHz llega al puerto de salida (4) prácticamente toda
la potencia que se introduce, mientras que a partir de 16.4 GHz se
reciben en el puerto de salida 50 dB menos de los que se introducen,
es decir, que casi toda la potencia se rechaza en el filtro a partir
de esa frecuencia.
En la respuesta en frecuencia del filtro se
pueden distinguir, por lo tanto, los siguientes parámetros:
- Banda de paso de 8.2 GHz a 12.5 GHz, que
corresponde al rango frecuencial de la zona (5), de manera que las
señales que tengan una frecuencia incluida en este rango pueden
pasar por el filtro, quedando definida esta banda por unas pérdidas
de inserción (determinadas por el coeficiente de transmisión) muy
bajas (aproximadamente 0 dB) y por unas pérdidas de retorno
(determinadas por el coeficiente de reflexión) muy altas (entorno a
20 dB).
- Banda de rechazo de 16.4 GHz a 37.5 GHz, que
corresponde al rango frecuencial de la zona (7), de manera que las
señales que tengan una frecuencia incluida en este rango son
rechazadas.
- Banda de transición de 12.5 GHz a 16.4 GHz,
que corresponde al rango frecuencial de la zona (6), y que se define
como el rango frecuencial entre la banda de paso y la banda de
rechazo.
Idealmente, un filtro paso-bajo
deja pasar hasta una frecuencia toda la potencia (nulas pérdidas de
inserción e infinitas pérdidas de retorno) y justo a partir de esa
frecuencia no deja pasar nada de potencia (infinitas pérdidas de
inserción) de manera que en el filtro ideal la banda de transición
tiene una anchura de 0 Hz.
Claims (9)
1. Filtro paso-bajo para señales
electromagnéticas, para limitar el paso de rangos frecuenciales por
una guía de onda o línea de transmisión, caracterizado porque
consta de una sucesión de elementos de rechazo, que presentan una
distancia pequeña o nula entre ellos, los cuales se sintonizan a
diferentes frecuencias determinando la banda de rechazo.
2. Filtro paso-bajo para señales
electromagnéticas, de acuerdo con la primera reivindicación,
caracterizado porque los elementos de rechazo vienen
definidos por stubs (2) de longitud \lambda_{g}/4 y que
presentan forma sinusoidal, rectangular o cualquier forma
arbitraria, siendo simétricos o no con respecto a la dirección de
propagación.
3. Filtro paso-bajo para señales
electromagnéticas, de acuerdo con la segunda reivindicación,
caracterizado por poseer una distancia mínima de separación
entre los stubs (2), en la dirección de propagación.
4. Filtro paso-bajo para señales
electromagnéticas, de acuerdo con la segunda reivindicación,
caracterizado por poseer una distribución arbitraria de los
máximos y de los mínimos de los stubs (2), a lo largo del
dispositivo.
5. Filtro paso-bajo para señales
electromagnéticas, de acuerdo con la segunda reivindicación,
caracterizado por implementarse en guías de onda de sección
rectangular, de sección circular o de secciones más complejas, como
por ejemplo una guía ridge.
6. Filtro paso-bajo para señales
electromagnéticas, de acuerdo con la segunda reivindicación,
caracterizado porque se constituye por una guía de onda de
sección rectangular, en la que las paredes superior e inferior
definen longitudinalmente una perturbación con conformaciones de
perfil sinusoidal, que tienen una separación nula entre ellas y
están correspondientemente enfrentadas, determinando una envolvente
interior y una envolvente exterior que son variables, de modo que en
función de dicha configuración interior y exterior se determinan
tres zonas consecutivas (A, B y C) de diferente comportamiento
funcional en relación con las señales que transcurren por el
interior de la guía.
7. Filtro paso-bajo para señales
electromagnéticas, de acuerdo con la sexta reivindicación,
caracterizado porque la zona longitudinal (A) que corresponde
a la parte extrema de entrada al filtro, queda definida con una
envolvente interior que disminuye progresivamente y con una
envolvente exterior que aumenta progresivamente de una manera
ligera.
8. Filtro paso-bajo para señales
electromagnéticas, de acuerdo con la sexta reivindicación,
caracterizado porque la zona longitudinal intermedia (B)
queda definida con una envolvente interior que se mantiene
constante, y con una envolvente exterior que aumenta progresivamente
de manera acusada.
9. Filtro paso-bajo para señales
electromagnéticas, de acuerdo con la sexta reivindicación,
caracterizado porque la zona longitudinal (C) que corresponde
a la parte extrema de salida del filtro, queda definida con una
envolvente interior que aumenta progresivamente y con una envolvente
exterior que disminuye progresivamente de manera muy acusada.
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