Filtro paso-bajo en guía-onda rectangular usando postes circulares.
El objeto principal de la presente invención es una nueva estructura de filtro paso-bajo en guía-onda rectangular usando por primera vez postes circulares, con lo que se evitan esquinas y aristas en los inversores de impedancia del filtro. Ello puede conducir a dispositivos que soporten niveles de potencia mayor, y que por tanto, puedan operar mejor en los transmisores de alta potencia utilizados en los sistemas espaciales basados en satélites.
La invención se enmarca dentro de los dispositivos utilizados para el filtrado paso-bajo de señales en aplicaciones espaciales basadas en satélites. Específicamente, en las cabeceras de radiofrecuencia de los transmisores, se suelen emplear filtro paso-bajo en guía-onda rectangular, ya que son capaces de soportar las altas potencias requeridas en los transmisores. La misión de estos filtros paso-bajo es rechazar las señales de interferencias que aparecen en las bandas espúreas de los filtros paso-banda empleados en las cabeceras de radiofrecuencia de los satélites.
Antecedentes de la invención
El uso de filtros paso-bajo en las cabeceras de radiofrecuencia, está muy extendido en los sistemas de comunicaciones por satélite [5, 6], Ello es debido a la necesidad de evitar interferencias en los sistemas por satélite ante señales extrañas, y a la necesidad de que las señales enviadas por el satélite a Tierra no interfieren en otros sistemas terrestres. Para cubrir las necesidades de filtrado en un satélite, se suelen emplear filtros de tipo paso-banda [7], Sin embargo, es conocido que estos sistemas de filtrado presentan bandas espúreas a las frecuencias armónicas de la fundamental. Esto quiere decir que los filtros permitirán el paso de señales indeseadas que estén en dichas bandas espúreas. Para eliminar estas señales, el uso de filtros paso bajo se hace indispensable [5, 6, 7],
En el pasado, los filtros paso-bajo en tecnología de guía-onda rectangular han estado basados en corrugaciones rectangulares capacitivas [8, 9] alternando secciones de alta impedancia con secciones de baja impedancia, o bien en ventanas rectangulares capacitivas que implementan los inversores de impedancia necesarios del filtro [6, 10, 11], El uso de estos elementos con esquinas y aristas en la estructura del filtro, los hace críticos desde el punto de vista de los niveles máximos de potencia que soportan antes de que se produzcan fenómenos de ruptura (multipactor, corona [3]) . Esto resulta crítico sobre todo, en las secciones del filtro que presentan espaciamientos estrechos entre placas (gaps estrechos) . Ello provoca la necesidad de realizar complejos y costosos procesos de ensayo, para asegurar el correcto funcionamiento del dispositivo con los niveles de potencia requeridos en los transmisores de los satélites (ensayos de corona y multipactor, [12]) . También, la presencia de esquinas y aristas provocan densidades de corriente grande incluidas en las proximidades de estos elementos, lo que resulta en mayores pérdidas de inserción en el dispositivo [13].
El inconveniente principal de los filtros paso-bajo actuales es que los niveles de potencia quedan limitados en las secciones donde las paredes de la guía-onda presentan espaciamientos estrechos (gaps estrechos) , debido a la aparición de fenómenos de ruptura (multipactor, corona, [1, 2]) , éstos están favorecidos por el uso de ventanas o corrugaciones rectangulares, que presentan esquinas y aristas [3, 4].
La invención propuesta, pretende resolver estos inconvenientes utilizando por primera vez postes circulares capacitivos para implementar los inversores de impedancia requeridos en la estructura del filtro paso-bajo. El uso de postes circulares evita las esquinas y aristas, lo que puede conducir a menores pérdidas de inserción que con los diseños tradicionales. También, las zonas de pequeños gaps no quedan entre placas paralelas como en las estructuras tradicionales. Con la nueva invención, la curvatura de los postes circulares va a contribuir alejar los electrones de las zonas de gaps estrechos, lo que podría incrementar los niveles de potencia máxima admisibles en el dispositivo. Por ello, la invención propuesta es más conveniente para aplicaciones de alta potencia en sistemas espaciales, con respecto a las estructuras existentes.
El documento "The design and analysis of waveguide e-plane filters with multiple round inductive posts using a moment-method approach" Meyer, P. [AFRICON, 1996., IEEE AFRICON 4th, 24-27 Sep 1996, 532 - 535 vol. 1, ISBN: 0-7803-3019-6, Digital Object Identifier: 10.1109/AFRCON. 1996.563170], En este documento se describe un procedimiento de diseño de filtros de guía de ondas utilizando postes conductores dispuestos en alineación con el eje y de la guía de ondas y que actúan como inversores de impedancia. El documento ofrece un análisis de los resultados del modelo y al menos un ejemplo de un filtro constituido por múltiples parejas de postes del mismo diámetro y una multiplicidad de espaciados entre los postes. El uso de estos postes en filtros inductivos en plano-E se viene utilizando desde hace algún tiempo para el diseño de filtros paso banda en guiaonda. Sin embargo, no existe ninguna propuesta previa para el uso de estos postes en filtros capacitivos en plano-H, lo que permite su uso por primera vez en el diseño de filtros paso-bajo en guiaonda.
No se ha encontrado ninguna referencia bibliográfica a un dispositivo de este tipo en el que los postes se dispongan en el plano horizontal de la guía de ondas. Sin embargo, el documento titulado "Scattering Matrix of Cylindrical Posts Centered on the Walls of rectangular Waveguides" [Filho, O.M.C.P.; da Silva, L.C.; Jul 1994; Volume: 42 Issue: 7, On page (s) : 1198 - 1206; ISSN: 0018-9480; Digital Object Identifier: 10.1109/22.299757], en el que se presenta un modelo para determinar la matriz de dispersión de un arreglo de postes circulares metálicos, dispuestos en las paredes horizontales y verticales de una guía de ondas rectangular, con un espacio vacío central en relación a los postes. El documento realiza un análisis para el caso de postes en las dos paredes, ya sean verticales u horizontales, aunque toda la discusión se plantea para el caso de postes en la dirección vertical, y se da por supuesto que el análisis puede ser extrapolado a unos postes en la dirección horizontal.
Cabe indicar frente a este documento que, aunque se plantea una técnica de análisis de postes en los dos planos de la guía, la aportación no contiene ninguna proposición sobre el uso práctico de estos postes en la implementación de dispositivos para filtrado. Por tanto, este documento contiene la primera propuesta del uso de postes en el plano horizontal (plano-H) para concebir filtros paso-bajo en guiaonda con aplicación directa en las cabeceras de radiofrecuencia de sistemas por satélite.
Referencias [1] J. Rodney M. Vaughan, "Multipactor", IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 35, No. 7, July 1988, pp. 1172-1180.
[2] Jen-Shih Chang, Phil A. Lawless and Toshiaki Yamamoto, "Corona Discharge Processes", IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 19, No. 6, December 1991, pp. 1152-1166.
[3] Manuel Jimenez Nogales, et al., "Analysis of the Electromagnetic Radiation Generated by a Multipactor Discharge Occurring Within a Microwave Passive Component", Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 43, September 2010, Ref. 395501. doi: 10.1088/ 0022-3727/ 43/ 39/ 395501.
[4] V. Semenov, E. Rakova, N. Zharova, D. Anderson, M. Lisak, J. Puech, "The Multipactor Effect in Hollow Waveguides with Rectangular and Wedge-Shaped Cross Section - a Comparison", European Space Agency, MULCOPIM 2008, 24-26 September 2008, Multipactor Session 2, Valencia, Spain.
[5] Jyh-Wen Sheen, "A Compact Semi-Lumped Low-Pass Filter for Harmonics and Spurious Suppression", IEEE Microwave and Guided Wave Letters, Vol. 10, No. 3, March 2000, pp. 92-93.
[6] Saad, A. M. K, "Novel Lowpass Harmonio Filters for Satellite Application", International Microwave Symposium Digest, 1984 IEEE MTT-S, May 30, 1984-June 1, 1984, pp. 292 - 294, San Francisco, California, USA.
[7] Ralph Levy, Richard V. Sny der, George Matthaei, "Design of Microwave Filters", IEEE Transactions on Microwave Theor y and Techniques, Vol. 50, No. 3, March 2002, pp. 783-793.
[8] Ralph Levy, "Tapered corrugated waveguide low-pass filters", IEEE Transactions on Microwave Theor y and Techniques, Vol. 21, No. 8, August 1973, pp. 526-532.
[9] Ralph Levy, "Aperiodic Tapered Corrugated Waveguide Filter", United States Patent, Appl No.: 880.556. Aug. 3, 1971. Patent Number: 3.597.710.
[10] Abdelmegid K. Saad, "Evanescent Mode Triple Ridge Lowpass Harmonic Filter", United States Patent, Cañada, Appl. No.: 667.824. Nov. 2, 1984. Patent Number: 4.673.903. Date of Patent: Jun. 16, 1987.
[11] Richard J. Cameron, Chandra M. Kudsia, Raafat R. Mansour, "Microwave Filters for Communication Systems", Wiley-Interscience, 2007.
[12] Bernard Mauconduit, "Corona Protection of Spacecraft Equipment in Thermal Vacuum Test", European Space Agency, MULCOPIM 2008, 24-26 September 2008, Corona Session 1, Valencia, Spain.
[13] J. Antonio Lorente, et al., "Single Part Microwave Filters Made From Direct Metal Laser Sintering", European Microwave Conference, EuMC 2009, Ref. 2148, pp. 1421-1424, 28 Sept. 1 October 2009, Rome Italy.
Descripción de la invención
La invención propuesta, consiste en un filtro paso-bajo en tecnología de guía-onda rectangular, estando basado su diseño en el concepto clásico de conectar secciones de líneas de transmisión a través de inversores de impedancia. En concreto, la concepción del diseño propuesto se corresponde a la variante en la que todas las secciones de las líneas de transmisión mantienen una misma impedancia característica, que están conectadas a través de inversores de impedancia de valores distintos. La novedad propuesta es el uso de postes capacitivos circulares como inversores de impedancia, en lugar de las tradicionales ventanas rectangulares.
Breve descripción de las figuras
A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.
Fig 1. muestra la estructura esquemática tridimensional, y la proyección en el plano (y, z) , se muestran ejes de coordenadas en las direcciones espaciales como referencia, se ha puesto como ejemplo, un filtro que contiene siete postes circulares, pero la idea se extiende a un número arbitrario de postes circulares, para aumentar el orden de la red de filtrado.
Fig 2. muestra una alternativa propuesta usando dos postes circulares en cada inversor de impedancia, los dos postes se sitúan equiespaciados a lo largo de la atura de la guía-onda base, los dos postes circulares que pertenecen a un mismo inversor de impedancia tienen el mismo radio.
Fig 3. muestra el circuito equivalente de los filtros propuestos, basados en secciones de línea conectadas por inversores de impedancia.
Fig 4. muestra la respuesta de un filtro diseñado con la estructura propuesta de la Fig. 1, en el estándar de guía-onda WR-75.
Realización preferente de la invención
La estructura propuesta del filtro puede verse en la Fig. 1 en su proyección de perfil. La dimensión 1b de la figura corresponde a la altura de la guía-onda rectangular usada como base del dispositivo. Dentro de la guía-onda base se sitúan varios postes circulares 1 de radio diferente (r1, r2, r3, r4) . Es importante señalar que los postes son invariantes a lo largo de la anchura 1a de la guía-onda, para obtener las discontinuidades capacitivas requeridas. El diferente tamaño de los postes es necesario para implementar los inversores de impedancia de valores requeridos, necesarios para obtener la función de transferencia deseada. El diseño se completa calculando la correcta separación (d1, d2, d3) entre los diferentes postes, para sintetizar las líneas de transmisión de longitud adecuada. Hay que resaltar que la altura de la guía-onda base no se ve modificada, lo que hace que todas las secciones de guía tienen la misma impedancia característica.
En una realización opcional, se pueden emplear dos postes circulares actuando como inversores de impedancia, tal y como muestra la Fig. 2. En este caso, se propone situar los dos postes circulares equi-espaciados en altura, modificando los radios de los postes por igual para obtener el valor de inversor de impedancia requerido (en la implementación propuesta, por tanto, los dos postes circulares pertenecientes a un mismo inversor de impedancia tendrán el mismo radio) .
La invención propuesta consiste en un filtro paso-bajo en guía-onda rectangular que utiliza inversores de impedancia de tipo capacitativo. La novedad principal de la invención es que se utilizan postes circulares como inversores de impedancia, según se muestra en las Fig. 1 y 2. El circuito equivalente de la estructura se presenta en la Fig. 3, lo que indica su comportamiento como filtro paso-bajo, apreciándose que la estructura consta de varías líneas de transmisión conectadas a través de inversores de impedancia.
La concepción del filtro se basa en la variante de mantener fija la impedancia característica de todas las secciones (Zc) , ajustando convenientemente los valores de los inversores de impedancia (K01, K12) para obtener la función de transferencia deseada. En la implementación física de las Fig. 1 y 2, la guía-onda base mantiene la altura constante a lo largo de toda la estructura, con lo que la impedancia de todas las secciones del filtro será la misma (Zc) . Por otro lado, los radios de los postes circulares capacitivos cambian, con el fin de ajustar los valores requeridos de los diferentes inversores de impedancia de la estructura (K01, K12) .
En la Fig. 4 se presenta como ejemplo, la respuesta de un filtro propuesto en la invención, utilizando el estándar de guía rectangular WR-75, cubriendo la banda Ku de explotación por satélites. La estructura consta de siete postes circulares como se indica en la Fig. 1 la separación entre postes y los radios de todos los postes se dan en la siguiente tabla.
Las dimensiones se han obtenido para una respuesta que presenta rizado constante en las pérdidas de retorno con un valor máximo de -20 dB.
La Fig. 2 muestra un tipo de configuración con doble poste circular, en dicho ejemplo de realización no limitativo, los dos postes circulares que forman cada inversor de impedancia están equi-espaciados a lo largo de toda la altura de la guía-onda, que actúa como base.
