Substrate Integrated Coaxial Filters with Fixed and Tunable Responses

Abstract

Wireless and mobile communications are already playing an important role in our lives, and this will can only grow more and more due to the predominant importance and use of modern smartphones, tablets and any kind of connected devices. With this is mind, the spectrum for wireless and mobile communications is becoming incredibly overcrowded, leading to increasing requirements for RF front-end filters. This progress has encouraged an impressive need for developing low-cost, high performance, mass-producible, small footprint, and highly integrated front-end solutions for microwave and millimeter-wave systems and applications including emerging 5G and future wireless platforms. In this context, high quality factor resonators are usually typical basic building blocks of many high performance passive and active circuits, and its design has become even more challenging in the last decade. As a result, Substrate Integrated Waveguide (SIW) technology has attracted scientific community and industry attention as a very good candidate for developing such desired high-Q planar microwave devices. Recently, SIW is demonstrating to be a successful approach for implementing microwave and mm-wave filters with high Q-factor, easy integration with other planar circuits, and for mass-production manufacturing processes in many technologies (i.e. Printed Circuit Board (PCB) and Low Temperature Co-fired Ceramics (LTCC) technologies among them). Its enormous similarity with waveguides is probably one of the main reasons why the development of SIW-based components and circuits is rapidly growing among the research community. Other potential features that, combined with the former advantages, could be of huge interest in a wide range of wireless and mobile applications are a lively set of research subjects, such as compactness, advanced filtering responses, and recently frequency-agility capabilities. These key features have been recently introduced in the design of microwave filters for the next-generation wireless systems. Taking into account the above-mentioned background, the work carried out during the course of this PhD Thesis has been directed towards a further study of SIW technology to propose, analyze and develop an innovative and original resonator topology. The proposed topology is based on the extension of the classical coaxial waveguide resonator to SIW technology, and must take advantage of the characteristics of SIW devices to allow the design of improved and innovative microwave resonator filters for advanced wireless systems. This PhD Thesis includes the latest improvements made on this topic, from the working principles of the basic coaxial SIW block, until different applications for the design of compact quasi-elliptic and reconfigurable microwave filters. The results are promising and demonstrate the validity of the proposed topology for the design of high-Q microwave filters, as well as its potential application to implement complex designs. The general knowledge gained from these cases of study can be considered a good base for further developing this technology, which can help to improve its EM performance, and also contribute to a more general use in the market.

Las comunicaciones inalámbricas y móviles juegan un papel importante en nuestras vidas, y esto sólo puede ir a más debido a su enorme importancia y al uso de los modernos teléfonos inteligentes (del inglés, smartphones), tabletas y toda clase de dispositivos inalámbricos. Con todo esto en mente, el espectro electromagnético para comunicaciones inalámbricas y móviles se está saturando cada día más, lo que conlleva un constante aumento de los requisitos para los filtros de radio-frecuencia usados en las cabeceras de dichos sistemas. Este progreso ha llevado a un creciente interés en desarrollar componentes de microondas de bajo coste, alto rendimiento, pequeño tamaño, que permitan implementar soluciones altamente integradas para sistemas de alta frecuencia (i.e. microondas y ondas milimétrica) y sus aplicaciones, incluyendo entre ellas la emergente conexión 5G y las futuras plataformas inalámbricas. En este contexto, los resonadores de elevado factor de calidad constituyen generalmente los bloques básicos para el diseño de muchos circuitos pasivos (entre ellos filtros) y activos de alto rendimiento. Su diseño se ha convertido por tanto en un reto aún mayor en la última década. Como resultado de ello, la tecnología de guía de ondas integradas en substrato (Substrate Integrated Waveguide, SIW) ha atraído la atención de la comunidad científica e industrial, al revelarse como una buena aproximación para el desarrollo de dispositivos planares de microondas con excelentes prestaciones eléctricas, y en particular para la implementación de filtros de microondas y onda milimétrica de bajas pérdidas y elevada integración con circuitos en tecnología planar. Además, su flexibilidad se caracteriza también por su adecuación a diferentes procesos de fabricación y producción en masa, en tecnologías tales como los circuitos impresos (Printed Circuit Board, PCB) o la tecnología de materiales cerámicos multi-capa co-sinterizados a baja temperatura (Low Temperature Co-fired Ceramics, LTCC) entre otras. Su enorme similitud con las ya largamente estudiadas guías de onda es, probablemente, una de las principales razones por las cuales el desarrollo de dicho circuitos está creciendo rápidamente entre la comunidad de investigadores. Cabe mencionar como, además de las anteriores ventajas, otras características de la tecnología SIW que podrían ser de gran interés en una amplia gama de aplicaciones inalámbricas y móviles son la miniaturización, la posibilidad de implementar respuestas avanzadas de filtrado y, recientemente, las capacidades de sintonía en frecuencia de los componentes de microondas. De este modo, el trabajo desarrollado a lo largo de esta Tesis Doctoral se ha orientado hacia el planteamiento, análisis y desarrollo de una topología de resonador innovadora y original. Dicha topología se basa en una extensión de las cavidades coaxiales en guía de onda metálica a una implementación integrada en substrato inspirada en la tecnología SIW. Esta Tesis Doctoral recapitula los últimos avances que se han producido sobre este tema, empezando desde la descripción de los principios fundamentales de funcionamiento de las estructuras, hasta la demostración de varias aplicaciones concretas útiles para el diseño de filtros de microondas muy compactos, con respuestas filtrantes avanzadas y reconfigurables. Los resultados que se van a mostrar a continuación son prometedores, y demuestran la validez de la topología propuesta. El conocimiento general obtenido de los diferentes prototipos fabricados y caracterizados experimentalmente puede considerarse una buena base para seguir desarrollando esta tecnología, lo que puede ayudar a mejorar su rendimiento electromagnético, así como a contribuir a un uso más extendido de estos dispositivos en el mercado.

Les comunicacions sense fils i mòbils juguen un paper important en les nostres vides, i això només pot anar a més a causa de la gran importància i l'ús dels moderns telèfons intel·ligents (de l'anglès, smartphones), tablets i tota classe de dispositius sense fil. Tenint en compte tot açò, l'espectre electromagnètic per a comunicacions sense fils i mòbils s'està saturant cada dia més, el que comporta un constant augment dels requisits per als filtres de radiofreqüència usats en les capçaleres d'aquests sistemes. Aquest progrés ha portat a un creixent interès en desenvolupar components de microones de baix cost, alt rendiment, volum reduït, que permeten implementar solucions altament integrades per a sistemes d'alta freqüència (ie. microones i ones mil·limètriques) i les seves aplicacions, incloent l'emergent connexió 5G i les futures plataformes sense fils. En aquest context, els ressonadors d'elevat factor de qualitat constitueixen generalment els blocs bàsics per al disseny de molts circuits passius (entre ells filtres) i actius d'alt rendiment. El seu disseny s'ha convertit per tant en un repte encara més gran en l'última dècada. Com a resultat d'això, la tecnologia de guia d'ones integrades en substrat (Substrate Integrated Waveguide, SIW) ha atret l'atenció de la comunitat científica i industrial, al revelar-se com una bona aproximació per al desenvolupament de dispositius planars de microones amb excel·lents prestacions elèctriques , i en particular per a la implementació de filtres de microones i ones mil·limètriques de baixes pèrdues i elevada integració amb circuits en tecnologia planar. A més, la seua flexibilitat es caracteritza també per la seua adequació a diferents processos de fabricació i producció en massa, en tecnologies com ara els circuits impresos (Printed Circuit Board, PCB) o la tecnologia de materials ceràmics multicapa co-sinteritzats a baixa temperatura (Low Temperature Co-Fired Ceramics, LTCC) entre d'altres. La seua enorme similitud amb les ja llargament estudiades guies d'ona és, probablement, una de les principals raons per les quals el desenvolupament d'aquests circuits està creixent ràpidament entre la comunitat d'investigadors. Cal destacar com, a més de les anteriors avantatges, altres característiques de la tecnologia SIW que podrien ser de gran interès en una àmplia gamma d'aplicacions sense fils i mòbils són la miniaturització, la possibilitat d'implementar respostes avançades de filtrat i, recentment, les capacitats de sintonia en freqüència dels components de microones. Aquestes característiques clau s'han introduït recentment en el disseny de filtres microones per als sistemes sense fils de pròxima generació, convertint-se en objecte prioritari d'estudi per part de la comunitat científica. D'aquesta manera, el treball desenvolupat al llarg d'aquesta tesi doctoral s'ha orientat cap al plantejament, anàlisi i desenvolupament d'una topologia de ressonador innovadora i original. Aquesta topologia es basa en una extensió de les cavitats coaxials en guia d'ona metàl·lica a una implementació integrada a substrat inspirada en la tecnologia SIW. Aquesta tesi doctoral recapitula els últims avanços que s'han produït sobre aquest tema, començant des de la descripció dels principis fonamentals de funcionament de les estructures, fins a la demostració de diverses aplicacions concretes útils per al disseny de filtres i microones molt compactes, amb respostes de filtrat avançades i reconfigurables. Els resultats que es mostraran a continuació són prometedors, i demostren la validesa de la topologia proposada. El coneixement general obtingut dels diferents prototips fabricats i caracteritzats experimentalment es pot considerar com una bona base per seguir desenvolupant aquesta tecnologia, el que pot ajudar a millorar el seu rendiment electromagnètic, així com a contribuir a un ús més estès d'aquests dispositius en el mer