Diseño e implementación de técnicas disruptivas de filtros resintonizables en banda Ku/Ka

Abstract

[SPA] El desarrollo de filtros de microondas resintonizables es un requisito para los nuevos sistemas de comunicación. El mercado demanda sistemas flexibles, que permitan adaptar su funcionamiento a los nuevos requerimientos del servicio. En los sistemas de comunicación, los filtros son una parte fundamental cuya finalidad es transmitir las frecuencias seleccionadas, mientras que el resto se eliminan. Sin embargo, los filtros de microondas sintonizables requieren componentes adicionales que proporcionan la capacidad de cambiar la frecuencia de funcionamiento y las características de la banda de paso. Por lo tanto, en esta tesis doctoral se presenta todo el proceso de diseño, desde el análisis inicial de los resonadores hasta el diseño final de nuevas estructuras de filtro sintonizables. Las principales tecnologías exploradas en este trabajo son la guía de onda integrada en sustrato (SIW por sus siglas en inglés) y la guía de onda rectangular convencional. El primero se selecciona debido a la fácil integración de componentes electrónicos, como diodos varactores, condensadores, etc., que son necesarios para la sintonía. El segundo es el preferido para aplicaciones que requieren un factor de calidad alto (pocas pérdidas de inserción) y aplicaciones que requieren un manejo de alta potencia, como en los sistemas de comunicación por satélite. Sin embargo, la integración de los componentes de sintonía en las estructuras de las guías de onda es siempre una tarea difícil. Por lo tanto, esto implica añadir algunas estructuras adicionales, por ejemplo, sustratos como soporte para componentes electrónicos. Otra forma de sintonizar los filtros de guía de onda es tener algunos actuadores mecánicos, como motores paso a paso o actuadores piezoeléctricos.\\ Los filtros desarrollados en esta tesis doctoral se centran principalmente en la sintonía eléctrica para la banda Ku y la sintonía mecánica para la banda Ka. De hecho, esto se debe a las limitaciones de los diodos varactores a altas frecuencias en términos de rango de capacidad, altas pérdida. Para estudiar los filtros con capacitancias variables, hemos encontrado interesante analizarlos en dos etapas. La primera etapa está compuesta por una capacidad distribuida a lo largo de una superficie, que conecta completamente las dos partes metálicas involucradas en la sintonía. Como ventaja importante, las simulaciones de onda completa presentan una mejor convergencia lo que nos lleva a simulaciones más rápidas, lo que permite un análisis más detallado de los resonadores o filtros en estudio. Además, en esta etapa, problemas tales como frecuencias resonantes espurias cerca de la banda de paso o problemas con la radiación producida en estos filtros pueden ser resueltos o minimizados de manera efectiva. Después de eso, la segunda etapa es considerar las capacidades como superficies rectangulares que modelan de manera más realista una encapsulación de diodo varactor. En este momento, es crucial asegurar que el rango de capacidad requerido para sintonizar el resonador esté disponible en diodos varactores comerciales para construir un filtro realizable. Mediante el uso de la sintonía electrónica, se investigan tres tipos de filtros en esta tesis. El primer tipo es el de los filtros SIW evanescentes sintonizables, que presentan un amplio rango de sintonía y unas bajas perdidas por radiación. También se presenta un filtro de guía de onda rectangular que utiliza el mismo tipo de resonadores. El segundo tipo es un filtro de guía de onda rectangular evanescente sintonizable; estos filtros presentan un rango de sintonía moderado y se debe considerar la posibilidad de insertar componentes eléctricos con la ayuda de sustratos dieléctricos introducidos como parte del filtro. Estos sustratos dieléctricos se han utilizado para dos propósitos diferentes: soporte para los componentes electrónicos y para minimizar los problemas de radiación que presentan en un primer momento estos filtros. El tercer tipo de filtros investigados en este trabajo consiste en utilizar conductores magnéticos artificiales sintonizables (AMC por sus siglas en inglés) fabricados con capacidades variables. Su principio de funcionamiento se basa en la modificación de la anchura efectiva de las guías de onda rectangulares para desplazar sus resonancias. El capítulo correspondiente de este documento muestra un estudio en profundidad de la importancia de los parámetros de los AMCs en el diseño de este tipo de filtros sintonizables.\\ En cuanto a la sintonía mecánica, hay tres áreas principales de interés: filtros con elementos rotativos, filtros con tornillos móviles y filtros con dieléctricos móviles. Los filtros con elementos rotativos son interesantes, ya que algunos autores destacan la robustez y precisión de los motores paso a paso para la sintonía angular, junto con los rangos de sintonía adecuados que se pueden conseguir. En la segunda área, se investigan algunos filtros evanescentes con tornillos ajustables. Para estos filtros, se muestra una configuración con ancho de banda sintonizable utilizando resonadores no resonantes (resonadores utilizados como acoplamientos). Finalmente, se presentan dos resonadores diferentes con cilindros circulares dieléctricos móviles. Estos dos resonadores presentan un alto rango de sintonía y unos factores de calidad altos; por lo tanto, son muy interesantes para aplicaciones espaciales. Por último, para las aplicaciones espaciales en las que los efectos adversos de alta potencia como multipactor y corona son muy importantes, algunos filtros de paso bajo pueden ser requeridos junto con algunos filtros sintonizables, cuyos rangos libres de espurios no son lo suficientemente amplios como para ser empleados en sistemas de comunicación satélite por sí mismos. El uso de material dieléctrico en áreas donde es más probable que se produzca multipactor, evita el libre movimiento de los electrones en áreas críticas. Este concepto se aplica en los filtros paso bajo, elevando el umbral de multipactor. Del mismo modo, los materiales magnéticos con una constante de baja permeabilidad (que en realidad no se encuentra en la naturaleza) pueden ser empleados teóricamente para diseñar filtros de paso bajo, siguiendo los mismos principios de trabajo que los materiales dieléctricos. Sin embargo, debido al uso de estos materiales junto al poste metálico, hace resonar los inversores que componen los filtros de paso bajo. Esto, a su vez, provoca que aparezcan algunos ceros de transmisión debido a la interacción con estos inversores resonantes. En consecuencia, estos ceros de transmisión mejoran tanto la selectividad del filtro como el rango libre de espurios. [ENG] The development of tunable microwave filters is a requirement for new communications systems. The market demands flexible systems, which allow adapting their operation to the new requirements of the service. In communication systems, the filters are a fundamental part whose purpose is to transmit the selected frequencies, while the rest are removed. However, tunable microwave filters require additional components that provide the ability to change their operating frequency and passband characteristics. Therefore, in this Ph.D. dissertation it is presented the whole design process from the initial analysis of the resonators to the final design of novel tunable filter structures. The main technologies explored in this work are substrate integrated waveguide (SIW) and conventional rectangular waveguide. The first one is selected due to the easy integration of electronic components, such as varactor diodes, capacitors, etc., that are required for tuning. The second one is preferred for high-quality factor applications and applications that require high power handling, such as in satellite communication systems. However, the integration of tuning components in waveguide structures is always a difficult task. Thus, this involves adding some additional structures, for instance, substrates as support for electronic components. Another way to tune waveguide filters is to have some drive actuators, such as stepper motors or piezoelectric actuators. The filters developed in this PhD. thesis are mainly focused on electrical tuning for Ku-band and mechanical tuning for Ka-band. In fact, this is due to the limitations of the varactor diodes at high frequencies in terms of capacitance range, high losses and self resonances. In order to study filters with variable capacitances, we have found interesting analyzing them in two stages. The first stage is composed of a distributed capacitance along a surface, which fully connects the two metal parts involved in the tuning. As an important advantage, the full-wave simulations require less computational time, leading to faster analysis of resonators or filters under study. Moreover, in this stage, problems such as spurious resonant frequencies near to the passband or RF-leakage can effectively be solved or minimized. After that, the second stage is to consider the capacitances as rectangular surfaces that models more realistically a varactor diode encapsulation. At this moment, it is crucial to ensure that the capacitance range required for tuning the resonator is available in commercial varactor diodes in order to build a realizable filter By using electronic tuning, three kinds of filters are investigated in this thesis. The first kind is tunable evanescent SIW filters s, which present a wide tuning range and low RF-leakage. Also, a rectangular waveguide filters that uses the same kind of resonators is presented. The second kind is a tunable evanescent rectangular waveguide filters; these filters present a moderate tuning range and a way to insert electrical components with the aid of dielectric substrates introduced as a part of the filters must be envisaged. These dielectric substrates have been used for two different purposes: support for the electronic components and for minimization of RF-leakage. The third type of filters investigated in this work consists in using tunable artificial magnetic conductors (AMC) made with variable capacitances. Their working principle is based on modifying the effective width of rectangular waveguides in order to shift their resonances. The corresponding section in this document displays an in-depth study of the importance of the parameters of the AMCs in the design of this type of tunable filters s. As regards mechanical tuning, there are three main areas of interest: filters with rotating elements, filters with movable screws and filters with movable dielectrics. Filters with rotating elements are interesting, since some authors remark their robustness and precision of stepper motors for angular tuning, together with suitable tuning ranges that can be achieved. The second area, some evanescent filters with adjustable screws are investigated. For these filters s, a configuration with tunable bandwidth is shown by using non-resonating resonators (resonators used as couplings). Finally, two different resonators with movable dielectric circular cylinders are presented. These two resonators display a high tuning range and high-quality factors; thus, they are very interesting for space applications, in which high-quality factors are required. Finally, for space applications where high-power adverse effects like multifactor and corona are very important, some lowpass filters can be required alongside some tunable filters s, whose spurious free ranges are not wide enough to be employed in satellite communication systems by themselves. The use of dielectric material in areas where multifactor breakdown is more likely to occur, avoids the free electron movement in critical areas. This concept is applied in lowpass filters s, raising the multifactor breakdown threshold. Similarly, magnetic materials with low permeability constant (which actually cannot be found in a nature) can be theoretically employed to design lowpass filters s, following the same working principles of the dielectric materials. However, due to the use of these materials alongside the metallic post, makes the inverters, that compose lowpass filters s, resonant. This, in turn, provoke that some transmission zeros appear due to the interaction with these resonant inverters. Consequently, these transmission zeros improve the selectivity of the filters while the spurious free range is enhanced.