análisis y diseño de dispositivos en guía para sistemas de ... · analisis y diseño de...

1

Análisis y Diseño de dispositivos en guía para

sistemas de comunicaciones

(2) Dpto. de Electromagnetismo y Teoría de CircuitosUniversidad Politécnica de Madrid

[email protected]

(1) Escuela Politécnica Superior Universidad Autónoma de Madrid

Jorge A. Ruiz-Cruz (1) ,

José

R. Montejo

Garai

(2),

Jesús M. Rebollar Machain(2),

Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 2

ÍÍNDICENDICE

I. Presentación del grupo y actividadesII. Motivación

III. Herramientas

de análisis

III.1. Análisis

de guías

homogéneas

III.2. Análisis

de discontinuidades

III.3. Análisis

de uniones

en guías

IV. Algunos

ejemplos

de dispositivos

diseñados

IV.1. Acopladores

IV.2. Polarizadores

IV.3. Ortomodos

IV.4. Filtros

IV.5. Diplexores, triplexores

y multiplexores


Dpto. de Ingeniería Informática, Universidad Autónoma de Madrid

Escuela Politécnica Superior, C/ Francisco Tomás y Valiente 11,

28049 Madrid, Spainwww.uam.es - www.ii.uam.es

I. I. PresentaciPresentacióónn

del del GrupoGrupo

y y ActividadesActividades

Dpto. de Electromagnetismo y Teoría de Circuitos, Universidad Politécnica de Madrid

E.T.S.I. Telecomunicación,Ciudad Universitaria s/n 28040 Madrid, Spain

www.upm.es -

www.etsit.upm.es


Resumen

de dispositivos

diseñados

para

sistemas

de comunicaciones

Transiciones de banda ancha.Polarizadores.Divisores de Potencia / Beam Forming Networks.Ortomodos (OMT).Ortomodo Septum.Acopladores:

-

Branch-line ( 4 y 6 puertas).-

Tipo

Riblet.Filtros

-

dual-mode, triple-mode.-

paso-bajo: corrugados, Zolotarev.-

Respuesta

Chebychev.-

Respuestas

elípticas.Diplexores (H-plane, E-plane).Triplexores (H-plane, E-plane).Manifold Multiplexers.

Circular, rectangular, elliptical, stripline and ridge waveguide implementations.

Ku

band

Beam

Forming

Network, HISPASAT 1A-B

satellite


Satélites

con componentes

diseñados

por

el grupo

MARS EXPRESS HISPASAT-1DSPAINSATAMAZONASTELEDESICHERSCHEL-PLANCKKOREASATARABSATASTRA 1MAMOSEUTELSALT W2AASTRA-3BHISPASAT 1E

HISPASAT 1A-BARTEMISHOT-BIRD 3SESATSTENTORINMARSATHOT-BIRD +HISPASAT 1CASTRA-1KSKY-BRIDGEEUROPE-STARROSETTANEWBIRDSYRACUSE


Ka band, diplexer for ARTEMIS satellite.Ku band, triplexer for HOT-BIRD 3 satellite.Ku band, triplexer for SESAT satellite.Ku band, diplexer for HOT-BIRD + satellite.Ku band, diplexer for HISPASAT 1-C satellite.Ku band, diplexer for ASTRA 1-K satellite.Ku band, T-division H-plane diplexer for EUROPE-STAR satellite.X band, T-division E-plane diplexer for ROSETTA satellite.Ku band, T-division E-plane diplexer for NEWBIRD satellite.Ku band, T-division H-plane diplexer for SYRACUSE satellite.Ku band, diplexer for HISPASAT 1-D satellite.Ka band, T-division asymmetric H-plane diplexer for PARATEK Co.Ku band, diplexer for AMAZONAS satellite.Ku band, diplexer for HERSCHEL-PLANCK satellites.

...

Diplexores

y triplexores

embarcados

en satélites


X band, elliptic filter for HERSCHEL-PLANCK satellites.X band, elliptic filter for KOREASAT satellite.Ku band, elliptic filter for ASTRA 1-M satellite.Ka band elliptic and self-equalized filter (prototype).

Ku band, three channels contiguous band, all-pole channel response (prototype).

Ku band, five channels contiguous band, all-pole channel response (prototype).

Filtros

elípticos

embarcados

en satélites

Manifold multiplexers


ÍÍNDICENDICE

I. Presentación

del grupo

y actividades

II. MotivaciónIII. Herramientas

de análisis

III.1. Análisis

de guías

homogéneas

III.2. Análisis

de discontinuidades

III.3. Análisis

de uniones

en guías

IV. Algunos

ejemplos

de dispositivos

diseñados

IV.1. Acopladores

IV.2. Polarizadores

IV.3. Ortomodos

IV.4. Filtros


y multiplexores


1V1 VTX≡

FrequencyBand

2: RXBand

1: TX

1H1 HTX≡

2V2 VRX≡

2H2 HRX≡

TE10

: V2

TE01

: H1

TE10

: V1

TE01

: H2

TEs11

: V1+V2

TEc11

: H1+H2

II. Motivación

Diplexer

OMTV2

H1V1

V2

H2

H1

V1

V2

H1

H2

H2

V1

Diplexer

To

antenna: V1,H1 (TX)

TX:

RX:

TX:

RX:From

antenna: V2,H2 (RX)

Waveguide antenna feed

system


Análisis: Elementos

básicosDiseño: Síntesis

circuital y optimización

de onda

completa

Filters

Orthomodes

(OMTs)

Waveguide junctions

(volume-type)

Waveguide steps and

N-furcations

Waveguides

Multiplexers

Couplers

CAD CAD parapara

dispositivosdispositivos

en en guguííaa


Examples of some volume-type waveguide junctions which can not be modeled as waveguide steps:

EjemplosEjemplos

de de unionesuniones

en en guguííaa


Generalized Scattering and Admittance MatricesGeneralized Scattering and Admittance Matrices

( )g

(1)

( )G

Sg

n

zg

( )nb g( )

na g

n

( )nv g

( )nig( ) ( )( , )ε μg g

In all the homogeneous ports of a waveguide junction, the field can be always described as:

Generalized Admittance Matrix (GAM)

Generalized Scattering Matrix (GSM)

-

The amplitudes of these series (which are not restricted to propagating modes) can be related by:

This is a key concept for the efficient analysis of waveguide circuits, because it allows to decompose a complex problem into the cascading of simpler structures

(as long as a method can be found to compute the GSM/GAM of its parts)


EjemploEjemplo

de de segmentacisegmentacióónn

y enlacey enlace

Segmentation example: steps and volume junctions

Rectangular waveguide section

Constituent building blocks from an analysis point of view (as well as for design)

By cascading the GSM/GAM’s

the global response is

obtained

(Boifot-type orthomode)


TTéécnicascnicas

de de ananáálisislisis

de de ondaonda

completacompleta

Técnicas numéricas

Técnicas Híbridas basadas en la segmentanción

- FEM, FDTD, TLM, MoL, MoM ...

- Geometrías y materiales arbitrarios

- La estructura es segmentada en diferentes regiones

-

Cada segmentación se analiza individualmente mediante la técnica más adecuada

Técnicas quasi-analíticas (ex.: Mode-Matching, BI-RME, IE-MoM)- Geometrías específicas

Muy versátiles

Compromiso

flexibilidad-

eficiencia

Muy eficientes

Puesto que nuestro objetivo es el diseño avanzado de dispositivos en guíaonda, nos centramos en las técnicas quasi-

analíticas, principalmente en métodos de Mode-Matching.

Técn

icas

de A

nális

is


I. Presentación

del grupo

y actividades

II. Motivación

III. Herramientas de análisisIII.1. Análisis

de guías

homogéneas

III.2. Análisis

de discontinuidades

III.3. Análisis

de uniones

en guías

IV. Algunos

ejemplos

de dispositivos

diseñados

IV.1. Acopladores

IV.2. Polarizadores

IV.3. Ortomodos

IV.4. Filtros


y multiplexores

ÍÍNDICENDICE


Generalized Transverse Resonance

Boundary Contour Mode-Matching

Classic problem dealt with many techniques (general numeric such as FEM, quasi-analytical such as BI-RME, etc..)

- Cross-section divided into regions

- Contour divided into segments

Formulación

del

problema

Some used methods in

the next designs

Separation of variables- when possible (rect, circ, coaxial, elipt.)

III.1. III.1. AnAnáálisislisis de de guguííasas homoghomogééneasneas

C=∂S=C0+C1+...+Cp+...+CP

σ= ∞

C0 C1

Cp(ε,μ)

S

n

z


xy

2 2 2( ) ( )k kxi yi ck kγ = −

cos

sin( ) ( )

k k k kxi xix xk k k k k k k k

i i yii

A e B e k y yγ γψ α β− + ⎧= + + +⎨

⎩∑

TEM

1, reg. 1

, reg.

, reg.

k

N

k

N

ψ

φ ψ

ψ

⎧⎪⎪⎪= ⎨⎪⎪⎪⎩

M

M

(1) (k) (N)

xkyk

Segmentation of the longitudinal component (hz/ez) for TE/TM modes and potential for TEM mode:

Field-Matching to obtain the transversal scattering matrix

Cascading to obtain the characteristic equation

-Cutoff wavenumbers

kc

-Amplitudes of the series A,B

Generalized Transverse Resonance (GTR) Generalized Transverse Resonance (GTR)


s

t

t

a

α

r

s

b

a

wr

a

b

ar

b

a

w

r

c

: amplitudes of the circular waves

: cutoff wavenumber

of the mode

Unknowns of the problem:

Φ is represented by a Fourier-Bessel series (sum of circular waves)

-

satisfy the differential eq.

-

the boundary conditions must be impossed

Boundary Contour ModeBoundary Contour Mode--Matching (BCMM)Matching (BCMM)

J. Ruiz-Cruz et al., ¨¨Eigenmodes

of waveguides using a BCMM method with an FFT scheme¨, Int. J. RFMiCAE, May 2005


Aw

(εw ,μw )

Ac

z

( )wib( )wia

( , )s pjb

( , )s pja

z

(w)

(s)

As,p

(εsp

,μsp

)

z=0

(w) (s)

,w c s pp

A A A= + ∑sa

sb

wa

wb

(Disc.)

S

(w) (s)

Modal series expansion in each waveguide

Discontinuity characterization: GSM

Discontinuity between homogeneous waveguides

-

Formulation covers N-furcations

and may approximate losses in good conductors (Leontovich)

-

Modal spectrum of the wgs. must be known analytically (rect., elip., ) or numerically (GTR,BCMM..)

-

Boundary conditions at z=0 are imposed by a Galerkin

method: inner products

III.2. III.2. AnAnáálisislisis de de discontinuidadesdiscontinuidades en en guguííaa


z

(m)

zmzm-1z

Enlace de Enlace de discontinuidadesdiscontinuidades

en en guguííaa

(Disc.)

S

(Disc.)

S

(Disc.)

SStot

Each discontinuity is characterized by its GSM

The GSM computation requires to compute the inner products between the modes of the waveguides of the step

Modular approach: overall

response of

the

problem

is

obtained

by cascading

the

individual GSM’s

of

its

constituient

parts


-

Ridge wg. bifurcation

-

Stripline

bifurcation

-

Coax to rectangular waveguide transition-

H-plane filter -

Ridge to coax transition

AlgunosAlgunos

ejemplosejemplos

de de discontinuidadesdiscontinuidades

en en guguííaa caracterizadoscaracterizados

mediantemediante

ModeMode--Matching (MM)Matching (MM)


zplane

xz

plane

yz

yz-planes

Wg. cross-sections

along

x

IIIIII

IV

I II III IV

Xy-planes

IIIIIIIV

Wg. cross-sections

along

z

...z

plane

xz

plane

yz

III

III

IVV V

x

...z

x

zx y

1)

2)

Total EM field: essentially transversal to x (contained in yz-planes)

ModeloModelo

de un de un filtrofiltro

interdigitalinterdigital


12 13 14 15 16 17 18-25

-20

-15

-10

-5

0

(dB

)

F re que ncy (GHz)

MMHFS S

|S11|

|S21|

4.8

1.1

3.3 1.62

3.95

7.9SMA

zCoax

CoaxRec Ridge

Rec

z

Ejemplo: Transición Coaxial guía rectangular.

EjemploEjemplo

NumNumééricorico

-

Three steps between coaxial, coaxial with rectangular enclosure, ridge waveguide and rectangular waveguide

J. Ruiz-Cruz et al., ¨Mode-matching analysis of a coaxial-to-stripline

discontinuity applied to the modelling

of a coaxial probe¨, APS 2004


(1)( )G

( )VSσ

n

n

( ), ( )r rε μ

Sσ

( )g

Ag

1( ... ... )V GS V S A A Aσ= ∂ = + + + + +g

zg

( )nb g( )

na g

( )nv g

( )nig

Aλˆλz

( )λ

( )τAτ

ˆτz

GAM computation:

b) The excited H-field at port τ

is tested by the electric field of mode m to provide the GAM component:

a) All the ports are short-circuited, except λ, where the electric field of mode q is imposed. This

excites an EM field within V

III.3. III.3. AnAnáálisislisis de de unionesuniones en en guguííaa

The natural characterization of these problems is based on the GAM


z

y

x

z

2 (1)1R (1)

2R

(2)1R

(2)2R

( 1)λ =

( 2)λ =

1

1z1 0z =

2z

2 0z =

1A

2A

y

,ε μ

,ε μExample of GAM computation in a

bend with an inner obstacle

Steps and regions to compute the GAM:

All the partial problems

are made up of steps between homogeneous waveguides: MM is a suitable method to deal with these partial problems

GAM de GAM de unionesuniones

paralepipparalepipéédicasdicas

(GAM(GAM--GC)GC)


12

xy

t3

aa

t1 t2 t3

h1

h2

h3

t4

rb

b

t1 b

b

b

t2

h12

3 4

x

y1

23

45

xy

r

g

t1t2

1

23a

a

Ag

A1 A2

V

Sσ

Sσρ

ϕx

yz

Ag

A1 A2

V

Sσ

Sσρ

ϕx

yz

GAM de GAM de unionesuniones

arbitrariasarbitrarias

mediantemediante

BCMMBCMM

Geometries of some cylindrical problems solved by this method:

It is based on expanding the field within the junction in a series of cylindrical waves with unknown amplitudes, which must be matched with the modal series at the ports.

J. Ruiz-Cruz et al., ¨An Efficient BCMM of H-

and E-

Plane Junctions by a Fast Fourier Transform Algorithm¨, IEE PMAP, Oct 2003J. Ruiz-Cruz et al., ¨Analysis of waveguide junctions by the Boundary Contour Mode-Matching Method with segmented regions¨, APS 2003


I. Presentación

del grupo

y actividades

II. Motivación

III. Herramientas

de análisis

III.1. Análisis

de guías

homogéneas

III.2. Análisis

de discontinuidades

III.3. Análisis

de uniones

en guías

IV. Algunos ejemplos de dispositivos diseñadosIV.1. Acopladores

IV.2. Polarizadores

IV.3. Ortomodos

IV.4. Filtros


y multiplexores

ÍÍNDICENDICE


Geometric dimensions of the device EM Analysis S matrix of

the device

Cost function computation

(Comparison with circuit)

Dimensions update by the optimization algorithm

Specifications

Loop until desired response is achieved

Circuit design (Approximation theory

+circuit synthesis)

Example: Filter specifications

Center Frequency 11.8 GHz

100 MHz

≥ 20 dB

≥ 15 dB

Bandwidth

In-band Return loss

Out-of-band rejection

IV. Diseño de dispositivos en guía

Ejemplo de un proceso de diseño:


18 18.2 18.4 18.6 18.8 19 19.2 19.4 19.6 19.8 20-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20BCMM-FFTMeasurement

Frequency (GHz)

|Sij|

(dB)

Frequency (GHz)

|Sij|

(dB)

1

2

3

4

1

2

3

4

|S11|, |S41|

|S11|

|S41|

Acopladores tipo Riblet:

IV.1. IV.1. AcopladoresAcopladores

1 2

34

J. Ruiz-Cruz et al., ¨BCMM analysis of short-slot waveguide couplers with an FFT algorithm¨, APS, June 2003


9.5 10 10.5 11 11.5 12 12.5-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

BCMM-FFTHFSS

|S21|

|S22|

|S31|

|S11|

|S41|

1

2 3

4x

ya

Frequency (GHz)

|Sij|

(dB)

Frequency (GHz)

|Sij|

(dB)

Dimensions (mm): a=15.8, b=a/2, rint=4.5, rext=11.75

AcopladorAcoplador

ratrat--racerace

Simulación (BCMM y HFSS) de un acopladorrat-race plano-E:


AcopladorAcoplador

branchbranch--line en line en guguííaa

ridgeridge

1

2

4

3

There are gaps between the ridge

sections

The metallization layer is discontinuous

The multi-branch line coupler is composed of λ/4 transmission lines in ridge waveguide

Ridge wg

of port 1

Ridge wg. of port 4

Coupler cross-section

Metallization layer: separation between the ridge

waveguide ports

1

4

Ridge metals

1 2

4 3

1 2

4 3

J. Ruiz-Cruz et al., ¨Ridge waveguide branch-line directional couplers for wideband applications and LTCC technology¨, IMS05

M. Fahmi et al., ¨E & H-Plane Wide-Band Ridge Waveguide Couplers¨, accepted Int. J RFMiCAE


Simulations (MM and HFSS) of the coupler with stripline transitions for LTCC:

AcopladorAcoplador

branchbranch--line en line en guguííaa

ridgeridge

2.9 3.1 3.3 3.5 3.7 3.9 4.1 4.3 4.5 4.7 4.9 5.1-4

-3.8

-3.6

-3.4

-3.2

-3

-2.8

-2.6

-2.4

-2.2

-2

Frequency (GHz)

dB

S12S13

2 3 4 5 6-200

-100

0

100

200

Frequency (GHz)

(o )

2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 689

89.5

90

90.5

91

Frequency (GHz)

(o )

<S13-S12

<S12<S13<S13-S12

1

2

3

4 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Frequency (GHz)

dB

S11 (MM)S12 (MM)S13 (MM)S14 (MM)S11 (HFSS)S12 (HFSS)S13 (HFSS)S14 (HFSS)


I. Presentación

del grupo

y actividades

II. Motivación

III. Herramientas

de análisis

III.1. Análisis

de guías

homogéneas

III.2. Análisis

de discontinuidades

III.3. Análisis

de uniones

en guías

IV. Algunos

ejemplos

de dispositivos

diseñados

IV.1. Acopladores

IV.2. PolarizadoresIV.3. Ortomodos

IV.4. Filtros


y multiplexores

ÍÍNDICENDICE


IV.2. Polarizadores. IV.2. Polarizadores. Polarizador Doble Banda Ku

Tx

frequency band: 12.10-12.50 GHz.Rx frequency band: 17.30-17.70 GHz.Return losses: > 27 dBDifferential phase shift (Δφ

): 90º

±

1º


Polarizadores. Polarizadores.

Tx

frequency band: 12.10-12.50 GHz.Rx frequency band: 17.30-17.70 GHz.Return losses: > 23 dBDifferential phase shift (Δφ

): 90º

±

1.5º

Polarizador Doble Banda Ku para TT&C


I. Presentación

del grupo

y actividades

II. Motivación

III. Herramientas

de análisis

III.1. Análisis

de guías

homogéneas

III.2. Análisis

de discontinuidades

III.3. Análisis

de uniones

en guías

IV. Algunos

ejemplos

de dispositivos

diseñados

IV.1. Acopladores

IV.2. Polarizadores

IV.3. OrtomodosIV.4. Filtros


y multiplexores

ÍÍNDICENDICE


IV.3. IV.3. OrtomodosOrtomodos. .

Basic OMT junction with

septum

Common circular port (C)

Axial port

Lateral port

H

V

zx y

TE10

TE10

TEV11

,TEH11

TE10

,TE01

Metalic septumDetail of the

OMT kernel

iris

Square wg. (S)

From (or to) the antenna

Common square port (S)

Matching sections

square-circ transition


OMT including the transition to the horn; simulation (MM and HFSS) and measurements.

10.5 11 11.5 12 12.5 13 13.5 14 14.5 15-60

-50

-40

-30

-20

-10

0Vertical (GAM-GC)Vertical (HFSS)Horizon. (GAM-GC)Horizon. (HFSS)

Frequency (GHz)

|ρV|,

|ρH| (

dB)

Frequency (GHz)

|ρV|,

|ρH| (

dB) (H)

(V)

V

H

28.6% fractional bandwidth (maximum of 34%)

Satélite Amazonas

OrtomodoOrtomodo

asimasiméétricotrico

de de trestres

puertaspuertas


V

H

Lateral port: WR62

Axial port: WR75

Double septum

Common port: 12.5x12.5mm2

Satélite Hispasat 1D

-

Different bands for the vertical and horizontal polarization

Simulation (GAM-GC) and measurements:

13 13.5 14 14.5 15 15.5 16 16.5 17 17.5 18-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Vertical (GAM-GC)Vertical (Measurements)Horizon. (GAM-GC)Horizon. (Measurements)

Frequency(GHz)

| ρV|,

|ρH| (

dB)

Frequency(GHz)

| ρV|,

|ρH| (

dB)

(H)

(V)

V Mask

H Mask

V Mask

H Mask

OrtomodoOrtomodo

asimasiméétricotrico

de doble

septumseptum

J. Ruiz-Cruz et al., ¨Very Compact ortho-mode transducers with double-septum configuration¨, MOTL, Apr 2006


Axial port

Common port

Lateral branchesHV

Lateral port

septum

BØifot junction

Pol. Hor.

H

Lateral port

z

x

Lateral Branches

43

1

2b)

E-

plane bend

Double E-plane

bend

Pol. Vert.

E-

plane

bend

V

Axial port

Common

port

z

x

Boifot junction

Axial Branch

43

1

2 a)

Height

transf.

septum

VH

zxy

OrtomodoOrtomodo

con unicon unióón Bn BØØifotifot


Simulations (GAM-GC and HFSS) of the complete OMT:

OMT parts:

H

11 12 13 14 15 16 17 18 19-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

V (GAM-method)V (HFSS)H (GAM-method)H (HFSS)

Frequency (GHz)

|ρV|,

|ρH|(

dB)

Frequency (GHz)

|ρV|,

|ρH|(

dB)

(H)

(V)

V

OrtomodoOrtomodo



Test-bench to measure the vertical polarization with load at the

horizontal port12.5 13 13.5 14 14.5 15 15.5 16 16.5 17 17.5 18-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Vertical (Measurements)Horizon. (Measurements)

Frequency (GHz)

|ρV |

, |ρH

| (dB

)

Frequency (GHz)

|ρV |

, |ρH

| (dB

)

V H

HV

V H

HV

Measurements of the complete OMT:

J. Ruiz-Cruz et al., ¨Computer Aided Design of Wideband Orthomode

Transducers based on the Boifot

Junction¨, IMS 2006

J. Ruiz-Cruz et al., ¨Full-Wave Modeling and Optimization of Bøifot

Junction Ortho-Mode Transducers¨, accepted Int. J. RFMiCAE

OrtomodoOrtomodo



OrtomodoOrtomodo


1V

1H

2

3

Frequency

(GHz)3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5

-50-45-40-35-30-25-20-15-10-50

|S11

(VP)

| -|S

11(H

P)|(

dB)


OrtomodoOrtomodo


18 20 22 24 26 28 30 32-50-45-40-35-30-25-20-15-10-5

0

Frequency

(GHz)

|ρ| AxLat|ρ|

AxLat

|S11

(HP)

| -|S

11(V

P)|(

dB)

V

H

VH


They discriminate into separate ports two orthogonal circular polarizations:

Polarizador OMTPolarizador OMT--septumseptum

CCW Circular Polarization CW Circular Polarization


SeptumSeptum--OMT Banda X OMT Banda X --

INMARSATINMARSAT

Frequency

(GHz)

Isol

atio

n(d

B)

Theoretical

Experimental

Frequency

(GHz)

XPD

(dB

)

Frequency

(GHz)

Ret

rurn

loss

(dB

)


I. Presentación

del grupo

y actividades

II. Motivación

III. Herramientas

de análisis

III.1. Análisis

de guías

homogéneas

III.2. Análisis

de discontinuidades

III.3. Análisis

de uniones

en guías

IV. Algunos

ejemplos

de dispositivos

diseñados

IV.1. Acopladores

IV.2. Polarizadores

IV.3. Ortomodos

IV.4. FiltrosIV.5. Diplexores, triplexores

y multiplexores

ÍÍNDICENDICE


IV.4. Filtros. IV.4. Filtros.

Comparación de diferentes tecnologías en las bandas de microondas-milimétricas:

El tipo de respuesta necesaria es de vital importancia (Chebychev, elíptico,…)

J. Ruiz-Cruz et al., ¨Waveguide filters with elliptical function response: overview and results of different implementations¨, Int. J. RFMiCAE, Jan 2007


Especificaciones

Diseño Circuital

Diseño en guía

Optimization de onda completa

Dimensionesfinales

-

Selección

de la tecnología

y obtención

de unas

dimensiones

iniciales

de la geometría

en guía

y proceso

de optimización

para

obtención

de dimensiones

definitivas

-

… obtención

de la matriz

de acoplos

a sintetizar.

-Selección

de la función

de transferencia

adecuada

quesatisface

las

especificaciones

-

Síntesis

circuital de la función

de transferencia

selecionada

…

FiltrosFiltros: : etapasetapas

de de disediseññoo


6 6.5 7 7.5 8 8.5 9-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Frequency (GHz)

|s21

| |s

11|

(dB

)

N= 4 TZ= 2

N= 7 TZ= 0

FiltrosFiltros: ceros de : ceros de transmisitransmisióónn

N=7, TZ=0

N=4, TZ=2|S11

|,|S 1

2| (d

B)

Comparación de dos filtros con y sin ceros de transmisiónen frecuencias finitas:

-

Pérdidas

de inserción

menores

-

Menor

masa

y volumenSi se reduce el orden:


L

S 1

N

2

N -1

Cross-coupling network (including source-load coupling)

Ladder network. Extracted pole technique

Z=0 Z=0 Z=0

Y=0 Y=0 Y=0 Y=0

Ceros de Ceros de TransmisiTransmisióónn

en en frecuenciasfrecuencias

impuestasimpuestas


FiltroFiltro

en en cavidadescavidades

rectangularesrectangulares

input

output

N=4 2 CT


zx y

Rout

M12

M34

M23

Rin

M14

1 2

4 3

zx y

zx y

Filter with inductive irises and a capacitive coupling to achieve an elliptic response:

Input/Output in rectangular waveguide

Input/Output in SMA coaxial

FiltroFiltro



J. Ruiz-Cruz et al., ¨Design of elliptic filters in rectangular waveguide with capacitive and inductive irises and integrated coaxial excitation¨, IMS 2005


4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Mode-MatchingMeasurement

Frequency (GHz)

|S11

|, |S

21| (

dB)

Frequency (GHz)

|S11

|, |S

21| (

dB)

3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0


Frequency (GHz)

|S21

| (dB

)

Frequency (GHz)

|S21

| (dB

)

4.4 4.5 4.6-0.9

-0.6

-0.3

0

Detail of the In-Band Insertion Loss

Simulation (MM) and measurements:

(CICYT,Univ. Maryland)

SMA

FiltroFiltro




x

y

y y y

y

xx x

x

V

V V

V

H

H H

H

a)

c) d) e)

b)

φ=π/2

φ=π/4 φ=0φ≅0

φ≅π/2

b)

c)

Rout

M12

M34

M23

Rin

M14

R1 R2

R4 R3

-

The rotation between both cavities generate both polarizations

Fundamento de trabajo en Dual-Mode con cavidad elíptica:

-

The axial ration is used to tune the resonant frequencies

FiltroFiltro

con con cavidadescavidades

elelíípticaspticas


11.65 11.7 11.75 11.8 11.85 11.9 11.95-40

-30

-20

-10

0


Frequency (GHz)

|S11

|, |S

21| (

dB)

Frequency (GHz)

|S11

|, |S

21| (

dB)

11.72 11.76 11.8 11.84 11.88-2

-1.6

-1.2

-0.8

-0.4

0

10 11 12 13 14 15-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0Mode-MatchingMeasurement

Frequency (GHz)

|S11

|, |S

21| (

dB)

Frequency (GHz)

|S11

|, |S

21| (

dB)

Simulación (MM) y medidas de un filtro de orden cuatro dual-mode:

FiltroFiltro


elelíípticaspticas


zxy

1 2

Rout

Rinn

M 1,2n

M 2n-1,2n

M 2,2n-1

2n 2n-1 n+1

M n,n+1

M1,2

Ridge wg. resonators

Coupling windows (center/sides)

Input

Output

Short

Metallic blocks

(Univ. Maryland, USA Scientific Microwave, Canada)

Configuracióncanónica de filtro elíptico

In/Out SMA

FiltroFiltro


en Ridgeen Ridge

J. Ruiz-Cruz et al., ¨Canonical ridge waveguide filters in LTCC or metallic cavities¨, IEEE TMTT Jan 2005


1.5 2 2.5 3 3.5 4-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10


Frequency (GHz)

|S21

| (dB

)

Frequency (GHz)

|S21

| (dB

)

1.85 1.9 1.95 2 2.05 2.1 2.15-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5


Frequency (GHz)

|S11

|, |S

21| (

dB)

Frequency (GHz)

|S11

|, |S

21| (

dB)

1.95 2 2.05-2

-1.6

-1.2

-0.8

-0.4

0

Detail of the In-Band Insertion Loss

Simulatción (MM) y medidas:

FiltroFiltro


en Ridgeen Ridge


ImplementaciImplementacióónn

en en tecnologtecnologííaa

LTCCLTCC

Metallic

enclosure

Via

fence

wall

to

approx. the

solid

metallic

wall

LTCC metallization

layers

Metallic

block

Homogeneous

dielectric

Stack-up LTCC dielectric

layers

to

approx. homogeneous

dielectric

Guía Ridge asimétrica convencional:

Guía Ridge en LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic):


Filtro en ridge de orden nueve en LTCC (con transición a stripline):

Simulaciones (MM y HFSS) y medidas:

(Univ. Maryland, USA Kyocera, USA)

FiltrosFiltros

ridge de ridge de bandabanda

ultraultra--anchaancha

en LTCCen LTCC

c)

a) b)

d)

zxy

zxy

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

MeasurementsMode-Matching (solid wall ridge wgs)HFSS (solid wall ridge wgs with losses and er=6.3)

Frequency (GHz)

|S11

|, |S

21| (

dB)

Frequency (GHz)

|S11

|, |S

21| (

dB)

J. Ruiz-Cruz et al., ¨Ultra-Wideband LTCC Ridge Waveguide Filters¨, IEEE MWCL Feb 2007


Frequency (GHz)

|S11

|, |S

21| (

dB)

Frequency (GHz)

|S11

|, |S

21| (

dB)

0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

MeasurementsHFSS (with losses)MM (Only TEMs)

Filtro interdigital en stripline acoplada de orden diez en LTCC:

Simulaciones (TEM-MM y HFSS) y medidas:

(Univ. Maryland, USA Kyocera, USA)

FiltrosFiltros

striplinestripline

en LTCCen LTCC

J. Ruiz-Cruz et al., ¨TEM Mode-Matching Analysis of Multi-coupled Strip-line Filters¨, IMS07


FiltrosFiltros

de de polospolos

extraextraíídosdos

φ K2 K1

K1

K2

Input

Output

w1,b1

φ1 K φ2 φ4 φ3

w2,b2

C1,jB1 C2,jB2

Input

Output

Extracted cavity

Bandpass prototype

Lowpass prototype

Fundamento: La estructura trabaja como una cavidad resonante entransmisión a la frecuencia central de la banda de paso y simultáneamenteintroduce un cero de transmisión controlado fuera de la banda de paso.


7.6 7.8 8 8.2 8.4 8.6-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0GAM-GCMeasurement

Frequency (GHz)

|S11

|, |S

21| (

dB)

Frequency (GHz)

|S11

|, |S

21| (

dB)

11

22

7.8 8 8.2 8.4-0.9

-0.6

-0.3

0

|S11|

|S21|

6.8 7 7.2 7.4 7.6 7.8 8 8.2 8.4 8.6 8.8-120

-100

-80

-60

-40

-20

0GAM-GCMeasurement

Frequency (GHz)

|S11

|, |S

21| (

dB)

Frequency (GHz)

|S11

|, |S

21| (

dB)

11

22

7 7.2 7.4-0.9

-0.6

-0.3

0 Herschel Plancksatellite

Config. (4-2-0)

Config. (8-2-0)

J. Montejo-Garai

et al., ¨Synthesis and Design of In-Line N-Order Filters with N Real Transmission Zeros by Means of Extracted Poles Implemented in Low Cost Rectangular H-Plane Waveguide¨, IEEE TMTT , May 2005

FiltrosFiltros

de de polospolos



J. Montejo-Garai

et al., ¨Design of Self-Equalised

Elliptic Filter Channels in Ka-Band Implemented in Rectangular H-Plane Waveguide¨, EuMC

2006

FiltrosFiltros

de de polospolos


-60

Frequency

(GHz)|S

11|,|

S 12|

(dB)

-40

-30

29.9 29.95 30

-50

-20

-10

0

30.05

___ Circuit- - - Mode-Matching

S12

S11

-60

Frequency

(GHz)|S

11|,|

S 12|

(dB)

-40

-30

29.9 29.95 30

-50

-20

-10

0

30.05

-40

-30

29.9 29.95 30

-50

-20

-10

0

30.05


S12

S11 Filtro elíptico en bandaKa (orden 6, 2 ceros de

transmisión)


Filtro elíptico auto-ecualizado en banda Ka (orden 10, 4 ceros

de transmisión, 2 ceros de ecualización)

29.94 29.95 29.96 29.97 29.98 29.99 300

10

20

30

40

50

Frecuencia (GHz)

-60

Frequency (GHz)Frequency (GHz)

____ Circuit- - - - Mode-Matching

|S11

|,|S 1

2| (d

B)

Gro

up d

elay

(nse

c)

-40

-30

29.9 29.95 30

-50

-20

-10

0

30.05


S12

S11

FiltrosFiltros

de de polospolos



29.8 29.85 29.9 29.95 30 30.05 30.1 30.15 30.2-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Frequency (GHz)

1/S

11 (d

B) circuital

MMS 1

1, S 1

2(d

B)

FiltroFiltro

de de polospolos


Filtro elíptico auto-ecualizado en banda Ka (orden 10, 4 ceros de

transmisión, 2 ceros de ecualización)


FiltroFiltro

de de dobledoble

bandabanda

Simulación (MM, HFSS, circuital) de un filtro de doblebanda en tecnología plano-H:

S21

S11

Zhang et al., ¨Analytical Synthesis of Generalized Multi-band Microwave Filters¨, IMS07


I. Presentación

del grupo

y actividades

II. Motivación

III. Herramientas

de análisis

III.1. Análisis

de guías

homogéneas

III.2. Análisis

de discontinuidades

III.3. Análisis

de uniones

en guías

IV. Algunos

ejemplos

de dispositivos

diseñados

IV.1. Acopladores

IV.2. Polarizadores

IV.3. Ortomodos

IV.4. Filtros


y multiplexores

ÍÍNDICENDICE


DiplexorDiplexor

satsatéélitelite

ARTEMIS ARTEMIS

Transmit band (TX): 17.7 - 20.2 GHzReceive band (RX): 27.5 - 30.0 GHz

Insertion loss: < 0.2 dBIsolation: > 50 dBReturn loss: > 27 dB


Ku-band triplexerSESAT satellite

Ku-band triplexerHOTBIRD satellite

TriplexoresTriplexores

-40

-30

-20

-10

0

11 11.5 12 12.5 13 13.5 14 14.5Frequency

(GHz)

|S11| (dB)

-40

-30

-20

-10

0

11 11.5 12 12.5 13 13.5 14 14.5

MeasurementsSimulation

11 11.5 12 12.5 13 13.5 14 14.5-90-80-70-60-50-40-30-20-10

0

Frequency

(GHz)

|S21|- |S31

|- |S41| (dB)

11 11.5 12 12.5 13 13.5 14 14.511 11.5 12 12.5 13 13.5 14 14.5-90-80-70-60-50-40-30-20-10

0

-90-80-70-60-50-40-30-20-10

0|S21|- |S31

|- |S41| (dB)

SimulationMeasurements


TriplexorTriplexor

EutelsatEutelsat

W2AW2A

12 13 14 15 16 17 18 19-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Frequency

(GHz)

|Sij|

(dB)

S21S31S41

medidas

Si j MM


Channel

Filter

2

Channel Filter N

Channel Filter 1

w1p w2p w3p w4p w5p

L1p L2p L3p L4pa

t

ρ1

ρ2

ρN

hp mp

T-junction sp

a

a

a a

t

ρp

ρp

R1

RN

R2

Rp

dsh

dch1,2

Common port

short

Configuración Manifold para multiplexores de banda contigua:

-

Channel filters: singly terminated

-

Manifold

-

T-junctions

MultiplexoresMultiplexores

en Manifolden Manifold

J. Montejo-Garai

et al., ¨Full-wave design of H-plane contiguous manifold output multiplexers using the fictitious reactive load concept¨, IEEE TMTT, Aug 2005


-

Three layers manufacturing:

MultiplexorMultiplexor

en Manifold de en Manifold de trestres

canalescanales

10.8 10.9 11 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

GAM-GCMeasurements

Inpu

tref

lect

ion

(dB)

Frequency

(GHz)

Inpu

tref

lect

ion

(dB

)

GAM-GCMeasurements

Frequency

(GHz)10.8 10.9 11 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Tran

smis

sion

(dB

)


-

5 channels of 90 MHz at 11, 11.16, 11.32, 11.48 and 11.64 GHz

-

Return loss mask: 23 dB

-

Measured Insertion Loss: 0.8 dB

Simulation (MM) and measurements:


en Manifold de en Manifold de cincocinco

canalescanales

10.8 10.9 11 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

10.8 10.9 11 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Inpu

tref

lect

ion

(dB)

GAM-GCMeasurements

Frequency

(GHz) GAM-GCMeasurements

Frequency

(GHz)10.8 10.9 11 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10.8 10.9 11 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Tran

smis

sion

(dB

)



en Manifold de en Manifold de cuatrocuatro

canalescanalescon ceros de con ceros de transmisitransmisióónn


11.95 12 12.05 12.1 12.15 12.2 12.25-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

GAM-GCMeasurements

Frequency

(GHz)

Tran

smis

sion

(dB

)

GAM-GCMeasurements

11.95 12 12.05 12.1 12.15 12.2 12.25-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Frequency

(Ghz)

Inpu

tref

lect

ion

(dB)


Antena SAR: Banda X

InputRed Divisora

10-puertas

Red ecualizadora

Array de antenas de

ranuras

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10

Ley de amplitud (dB):TR(10)= -14.9TR(9)= -16.7 TR(8)= -6.2TR(7)= -9.3TR(6)= -7.1TR(5)= -9.3TR(4)= -10.8TR(3)= -8.4TR(2)= -15.7TR(1)= -15.9Tol: ±

0.1 dBVSWR: < 1.2

Fases:Fi (10)= 343.65-360Fi (9)=27.93Fi (8)=29Fi (7)=48.5Fi (6)=65.95Fi (5)=28Fi (4)=283.38-360Fi (3)=217-360Fi (2)=132.74Fi (1)=14.5

Tol: ± 0.5º


Gracias por su atención

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