Desarrollo de Nuevos Componentes Pasivos de Microondas en Tecnología Guiada para Bandas Altas de Frecuencia

Abstract

[ES] La presente tesis doctoral tiene como objetivo fundamental el desarrollo de nuevos componentes pasivos de microondas para bandas altas de frecuencia, que puedan llegar a operar, al menos, hasta la banda Ka. Estos nuevos componentes surgen en respuesta a la clara tendencia en el ámbito de las comunicaciones vía satélite de aumentar la frecuencia y el ancho de banda de trabajo, en aras de incrementar las velocidades de transmisión. Concretamente, se ha abordado el diseño de elementos básicos de un subsistema de comunicaciones vía satélite, como son las uniones en guía de onda y los filtros paso banda. Por una parte, se han desarrollado uniones compensadas en guía de onda double ridge (T en plano H, T en plano E y T mágica), superando las limitaciones en ancho de banda que presentan las uniones tradicionales construidas sobre guía rectangular. Se ha pretendido lograr el objetivo de desarrollar unas uniones capaces de interconectar elementos que cubran un amplio ancho de banda, lo que también incluye los filtros de nueva generación presentados en esta tesis. Por otro lado, se ha propuesto una novedosa técnica para el diseño de filtros paso banda con inversores de inmitancia, basada en el slope parameter. A diferencia de la técnica tradicional, este nuevo proceso tiene en cuenta la dependencia real de los elementos del filtro con la frecuencia, calculando y actualizando el slope parameter de cada resonador cargado con sus elementos de acoplo adyacentes en un proceso iterativo que llega a convergencia en pocas iteraciones. Así, este procedimiento basado en simulaciones electromagnéticas y cálculos, mejora la equivalencia entre el prototipo circuital y la estructura real sintetizada, ya que tiene en cuenta no sólo la dependencia con la frecuencia de los resonadores y los inversores individuales, sino también los efectos de carga que existen entre ellos. Además, se ha identificado que el mapeado en frecuencia elegido ha de ser el correcto para cada estructura y especificaciones del filtro. Como resultado, se obtienen unas mejores dimensiones iniciales, reduciendo de esta manera el coste computacional del paso final de optimización, que puede incluso llegar a ser innecesario en algunos casos. Este nuevo procedimiento se ha ilustrado mediante la síntesis de dos filtros de modo evanescente y mediante filtros radiantes que emplean una topología similar. Finalmente, se ha llevado a cabo el estudio de una nueva familia de filtros denominada Modified Hybrid Folded Rectangular Waveguide (MHFRW), que además de operar en las citadas bandas de frecuencia, son capaces de manejar altos niveles de potencia, son fáciles de diseñar y fabricar (sin requerir tornillos de sintonía en muchos casos) y además presentan bajas pérdidas. Todo ello con la ventaja añadida de poder poner un número de ceros de transmisión mayor al orden del filtro (filtros superelípticos) mediante el uso de stubs cortocircuitados de longitud adecuada. Para ilustrar su funcionamiento se han presentado dos ejemplos detallados. El primero de ellos, que no presenta ceros de transmisión, se ha diseñado mediante la nueva técnica del slope parameter. El segundo se trata de un filtro superelíptico, con 4 ceros de transmisión (2 antes de la banda de paso y 2 después) implementados con 4 stubs en un filtro de orden 3. Por último, se ha mostrado la gran potencialidad práctica de esta familia de filtros mediante su aplicación en complejos multiplexores para bancos de medida de intermodulación pasiva (PIM).

[CA] La present tesi doctoral té com a objectiu fonamental el desenvolupament de nous components passius de microones per a bandes altes de freqüència, que puguen arribar a operar almenys fins a la banda Ka. Aquests nous components sorgeixen en resposta a la clara tendència en l'àmbit de les comunicacions via satèl·lit d'augmentar la freqüència i l'amplada de banda de treball, a fi de incrementar les velocitats de transmissió. Concretament, s'ha abordat el disseny d'elements bàsics d'un subsistema de comunicacions via satèl·lit, com són les unions en guia d'ona i els filtres passabanda. D'una banda, s'han desenvolupat unions compensades en guia d'ona double ridge (T en pla H, T en pla E i T màgica), superant així les limitacions d'amplada de banda que presenten les unions tradicionals, construïdes sobre guia rectangular. S'ha pretès aconseguir l'objectiu de desenvolupar unes unions capaces d'interconnectar elements que cobrisquen una gran amplada de banda, cosa que inclou els filtres de nova generació presentats en aquesta tesi. D'altra banda, s'ha proposat una nova tècnica per al disseny de filtres passabanda amb inversors d'immitància, basada en l'slope parameter. A diferència de la tècnica tradicional, aquest nou procés té en compte la dependència real dels elements del filtre respecte de la freqüència, i calcula i actualitza l'slope parameter de cada ressonador carregat amb els elements d'acoblament adjacents, en un procés iteratiu que arriba a convergència en poques iteracions. Així, aquest procediment basat en simulacions electromagnètiques i càlculs millora l'equivalència entre el prototip circuital i l'estructura real sintetitzada, ja que té en compte no sols la dependència respecte de la freqüència dels ressonadors i els inversors individuals, sinó també els efectes de càrrega que hi ha entre aquests. A més, s'ha identificat que el mapatge en freqüència triat ha de ser el correcte per a cada estructura i especificacions del filtre. Com a resultat, s'obtenen unes millors dimensions inicials, i d'aquesta manera es redueix el cost computacional del pas final d'optimització, que fins i tot pot arribar a ser innecessari en alguns casos. Aquest nou procediment s'ha il·lustrat mitjançant la síntesi de dos filtres de mode evanescent i mitjançant filtres radiants que empren una topologia similar. Finalment, s'ha portat a terme l'estudi de una nova família de filtres denominada Modified Hybrid Folded Rectangular Waveguide (MHFRW), que, a més d'operar en les citades bandes de freqüència, són capaços de manejar alts nivells de potència, fàcils de dissenyar i fabricar (sense requerir caragols de sintonia en molts casos) i, a més, presenten baixes pèrdues. Tot això, amb l'avantatge afegit de poder posar un nombre de zeros de transmissió major que l'ordre del fltre (filtres superel·líptics) mitjançant l'ús de stubs curtcircuitats de longitud adequada. Per il·lustrar-ne el funcionament se n'han presentat dos exemples detallats. El primer d'aquests, que no presenta zeros de transmissió, s'ha dissenyat mitjançant la nova tècnica de l'slope parameter. El segon es tracta de un filtre superel·líptic, amb 4 zeros de transmissió (2 abans de la banda de pas i 2 després) implementats amb 4 slope en un filtre d'ordre 3. Finalment, s'ha mostrat la gran potencialitat pràctica d'aquesta família de filtres mitjançant l'aplicació en multiplexors complexos per a bancs de mesurament de la intermodulació passiva (PIM).

[EN] The main objective of this Ph.D. thesis is the development of new passive microwave components for high frequency bands, able to work at least up to Ka band. These new components aim at satisfying the needs of new communication systems, especially for satellite communications, where there is a trend to increase frequency and bandwidth of operation. Specifically, the design of basic hardware elements of satellite communication subsystems has been addressed, such as waveguide junctions and bandpass filters. On the one hand, compensated T-junctions have been developed in double ridge waveguide (H-plane T, E-plane T and magic T), in order to overcome the bandwidth limitations of traditional junctions built on rectangular waveguide technology. The development of junctions able of interconnecting elements over a wide bandwidth has been pretended, including also the new generation of filters presented in this Ph.D. thesis. On the other hand, a novel technique for the design of bandpass filters with immittance inverters has been proposed. This technique is based on the slope parameter. Unlike traditional techniques, this new process takes into account the actual dependence of filter elements with frequency, calculating and updating the slope parameter of each resonator loaded with its adjacent coupling elements in an iterative process. This process reaches convergence after few iterations. Therefore, this procedure (based on electromagnetic simulations and calculations) improves the equivalence between the circuit prototype and the real structure, since it takes into account the frequency dependence of resonators and individual inverters, including also the loading effects between them. In addition, it is important to point out that an appropriate frequency mapping must be chosen for each structure and filter specifications. As a result, better initial dimensions can be obtained, thus reducing the computational cost of the final optimization step, which can even become unnecessary in some cases. This new procedure has been illustrated by the synthesis of two evanescent-mode filters and several radiating filters based on a similar topology. Finally, the study of a new filter family called Modified Hybrid Folded Rectangular Waveguide (MHFRW) has been carried out. Besides operating in the mentioned frequency bands, theses filters are capable of handling high power levels, are easy to design and manufacture (without requiring tuning screws in many cases) and also present low losses. Likewise, this type of filters are able to generate a number of transmission zeros greater than the order of the filter (i.e., provide super-elliptic responses) by means of shortcircuited stubs. To illustrate its operation, two examples have been presented in detail. The first of them, which does not have transmission zeros, has been implemented using the new technique of slope parameter. Accordingly, the suitability of this method for this type of structure is demonstrated. The second is a super-elliptic filter, with 4 transmission zeros (2 before the passband and 2 after it) implemented with 4 stubs in a filter of order 3. To conclude and show the practical capabilities of the proposed family of filters, they have been successfully applied in the development of complex multiplexers for passive intermodulation (PIM) measurement test benches.