Un filtro de guía de ondas es un filtro electrónico construido con tecnología de guía de ondas . Las guías de ondas son conductos metálicos huecos dentro de los cuales se puede transmitir una onda electromagnética . Los filtros son dispositivos que se utilizan para permitir el paso de señales en algunas frecuencias (la banda de paso ), mientras que otras se rechazan (la banda de parada ). Los filtros son un componente básico de los diseños de ingeniería electrónica y tienen numerosas aplicaciones. Estos incluyen la selección de señales y la limitación del ruido . Los filtros de guía de ondas son más útiles en el microondas.banda de frecuencias, donde tienen un tamaño conveniente y tienen poca pérdida . Se encuentran ejemplos del uso de filtros de microondas en las comunicaciones por satélite , las redes telefónicas y la transmisión de televisión .
Los filtros de guía de ondas se desarrollaron durante la Segunda Guerra Mundial para satisfacer las necesidades de los radares y las contramedidas electrónicas , pero luego pronto encontraron aplicaciones civiles, como su uso en enlaces de microondas . Gran parte del desarrollo de la posguerra se preocupó por reducir el volumen y el peso de estos filtros, primero mediante el uso de nuevas técnicas de análisis que llevaron a la eliminación de componentes innecesarios, luego mediante innovaciones como cavidades de modo dual y materiales novedosos como resonadores cerámicos .
Una característica particular del diseño del filtro de guía de ondas se refiere al modo de transmisión. Los sistemas basados en pares de cables conductores y tecnologías similares tienen un solo modo de transmisión. En los sistemas de guía de ondas, es posible cualquier número de modos. Esto puede ser tanto una desventaja, ya que los modos espurios con frecuencia causan problemas, como una ventaja, ya que un diseño de modo dual puede ser mucho más pequeño que el diseño de modo único de guía de ondas equivalente. Las principales ventajas de los filtros de guía de ondas sobre otras tecnologías son su capacidad para manejar alta potencia y su baja pérdida. Las principales desventajas son su volumen y costo en comparación con tecnologías como los filtros de microbanda .
Existe una amplia gama de diferentes tipos de filtros de guía de ondas. Muchos de ellos consisten en una cadena de resonadores acoplados de algún tipo que pueden modelarse como una red en escalera de circuitos LC . Uno de los tipos más comunes consiste en varias cavidades resonantes acopladas . Incluso dentro de este tipo, existen muchos subtipos, en su mayoría diferenciados por medio de acoplamientos . Estos tipos de acoplamiento incluyen aberturas, iris [w] , [x] y postes. Otros tipos de filtros de guía de ondas incluyen filtros de resonador dieléctrico , filtros de inserción, filtros de línea fina, filtros de guía de ondas corrugada y filtros de talón. Varios componentes de guías de ondas tienen la teoría de filtros aplicada a su diseño, pero su propósito es algo diferente al de filtrar señales. Dichos dispositivos incluyen componentes de adaptación de impedancia , acopladores direccionales y diplexores . Estos dispositivos suelen adoptar la forma de un filtro, al menos en parte.
Alcance
El significado común de guía de ondas , cuando el término se usa sin calificar, es el tipo de metal hueco (u ocasionalmente lleno de dieléctrico ), pero son posibles otras tecnologías de guía de ondas. [1] El alcance de este artículo se limita al tipo de conducto metálico. La estructura de la guía de ondas posterior a la pared es algo así como una variante, pero está lo suficientemente relacionada como para incluirla en este artículo: la onda está rodeada principalmente por material conductor. Es posible construir guías de ondas a partir de varillas dieléctricas , [2] el ejemplo más conocido son las fibras ópticas . Este tema está fuera del alcance del artículo con la excepción de que a veces se utilizan resonadores de varilla dieléctrica dentro de guías de ondas metálicas huecas. Las tecnologías de línea de transmisión [o] , como los cables conductores y las microbandas, pueden considerarse guías de ondas, [3] pero no se denominan comúnmente como tales y también están fuera del alcance de este artículo.
Conceptos básicos
Filtros
En electrónica , los filtros se utilizan para permitir el paso de señales de una determinada banda de frecuencias mientras se bloquean otras. Son un componente básico de los sistemas electrónicos y tienen muchas aplicaciones. Entre los usos de los filtros de guía de ondas se encuentran la construcción de duplexores , diplexores , [d] y multiplexores ; selectividad y limitación de ruido en receptores ; y supresión de distorsión armónica en transmisores . [4]
Guías de ondas
Las guías de ondas son conductos de metal que se utilizan para confinar y dirigir señales de radio. Suelen estar hechos de latón, pero también se utilizan aluminio y cobre. [5] Por lo general, son rectangulares, pero son posibles otras secciones transversales , como circular o elíptica. Un filtro de guía de ondas es un filtro compuesto por componentes de guía de ondas. Tiene una gama de aplicaciones muy parecida a la de otras tecnologías de filtrado en la ingeniería electrónica y de radio, pero es muy diferente desde el punto de vista mecánico y en principio de funcionamiento. [6]
La tecnología utilizada para construir filtros se elige en gran medida por la frecuencia de operación que se espera, aunque existe una gran cantidad de superposición. Las aplicaciones de baja frecuencia, como la electrónica de audio, utilizan filtros compuestos de inductores y condensadores discretos . En algún lugar de la banda de muy alta frecuencia , los diseñadores pasan a utilizar componentes hechos de piezas de línea de transmisión. [p] Este tipo de diseños se denominan filtros de elementos distribuidos . Los filtros hechos de componentes discretos a veces se denominan filtros de elementos agrupados para distinguirlos. A frecuencias aún más altas, las bandas de microondas , el diseño cambia a filtros de guía de ondas o, a veces, a una combinación de guías de ondas y líneas de transmisión. [7]
Los filtros de guía de ondas tienen mucho más en común con los filtros de líneas de transmisión que los filtros de elementos agrupados; no contienen condensadores o inductores discretos. Sin embargo, el diseño de la guía de ondas con frecuencia puede ser equivalente (o aproximadamente) a un diseño de elementos agrupados. De hecho, el diseño de filtros de guía de ondas comienza con frecuencia a partir de un diseño de elementos agrupados y luego convierte los elementos de ese diseño en componentes de guía de ondas. [8]
Modos
Una de las diferencias más importantes en el funcionamiento de los filtros de guía de ondas en comparación con los diseños de líneas de transmisión se refiere al modo de transmisión de la onda electromagnética que transporta la señal. En una línea de transmisión, la onda está asociada con corrientes eléctricas en un par de conductores. Los conductores restringen las corrientes para que sean paralelas a la línea y, en consecuencia, tanto los componentes magnético como el eléctrico del campo electromagnético son perpendiculares a la dirección de desplazamiento de la onda. Este modo transversal se denomina TEM [l] (electromagnético transversal). Por otro lado, hay infinitos modos que puede admitir cualquier guía de ondas completamente hueca, pero el modo TEM no es uno de ellos. Los modos de guía de ondas se designan TE [m] (eléctrico transversal) o TM [n] (magnético transversal), seguidos de un par de sufijos que identifican el modo preciso. [9]
Esta multiplicidad de modos puede causar problemas en los filtros de guía de ondas cuando se generan modos espurios. Los diseños generalmente se basan en un solo modo y con frecuencia incorporan funciones para suprimir los modos no deseados. Por otro lado, se puede tener la ventaja de elegir el modo correcto para la aplicación e incluso, a veces, hacer uso de más de un modo a la vez. Cuando solo se utiliza un modo, la guía de ondas se puede modelar como una línea de transmisión conductora y se pueden aplicar los resultados de la teoría de la línea de transmisión. [10]
Cortar
Otra característica peculiar de los filtros de guía de ondas es que hay una frecuencia definida, la frecuencia de corte , por debajo de la cual no puede tener lugar ninguna transmisión. Esto significa que, en teoría , los filtros de paso bajo no se pueden hacer en guías de ondas. Sin embargo, los diseñadores con frecuencia toman un diseño de filtro de paso bajo de elemento agrupado y lo convierten en una implementación de guía de ondas. En consecuencia, el filtro es de paso bajo por diseño y puede considerarse un filtro de paso bajo para todos los propósitos prácticos si la frecuencia de corte está por debajo de cualquier frecuencia de interés para la aplicación. La frecuencia de corte de la guía de ondas es una función del modo de transmisión, por lo que a una frecuencia determinada, la guía de ondas se puede utilizar en algunos modos pero no en otros. Asimismo, la longitud de onda guía [h] (λ g ) y la impedancia característica [b] ( Z 0 ) de la guía a una frecuencia dada también dependen del modo. [11]
Modo dominante
El modo con la frecuencia de corte más baja de todos los modos se denomina modo dominante. Entre el corte y el siguiente modo más alto, este es el único modo que es posible transmitir, por lo que se describe como dominante. Cualquier modo espurio generado se atenúa rápidamente a lo largo de la guía y pronto desaparece. Los diseños de filtros prácticos se hacen con frecuencia para operar en el modo dominante. [12]
En la guía de ondas rectangular, el modo TE 10 [q] (que se muestra en la figura 2) es el modo dominante. Existe una banda de frecuencias entre el corte del modo dominante y el siguiente corte del modo más alto en el que la guía de ondas puede funcionar sin ninguna posibilidad de generar modos espurios. Los siguientes modos de corte más altos son TE 20 , [r] exactamente al doble del modo TE 10 , y TE 01 [s], que también es el doble de TE 10 si la guía de ondas utilizada tiene la relación de aspecto de uso común de 2: 1. El modo TM de corte más bajo es TM 11 [t] (mostrado en la figura 2) que esveces el modo dominante en la guía de ondas 2: 1. Por lo tanto, hay una octava sobre la cual el modo dominante está libre de modos espurios, aunque generalmente se evita operar demasiado cerca del corte debido a la distorsión de fase. [13]
En la guía de ondas circular, el modo dominante es TE 11 [u] y se muestra en la figura 2. El siguiente modo más alto es TM 01 . [v] El rango sobre el cual se garantiza que el modo dominante está libre de modo espurio es menor que el de la guía de ondas rectangular; la relación de la frecuencia más alta a la más baja es de aproximadamente 1,3 en la guía de ondas circular, en comparación con 2,0 en la guía rectangular. [14]
Modos evanescentes
Los modos evanescentes son modos por debajo de la frecuencia de corte. No pueden propagarse por la guía de ondas a ninguna distancia, muriendo exponencialmente. Sin embargo, son importantes en el funcionamiento de ciertos componentes del filtro, como iris y postes, que se describen más adelante, porque la energía se almacena en los campos de ondas evanescentes. [15]
Ventajas y desventajas
Al igual que los filtros de línea de transmisión, los filtros de guía de ondas siempre tienen múltiples bandas de paso , réplicas del prototipo del elemento agrupado . En la mayoría de los diseños, solo la banda de paso de frecuencia más baja es útil (o las dos más bajas en el caso de los filtros de parada de banda ) y el resto se considera artefactos espurios no deseados. Esta es una propiedad intrínseca de la tecnología y no se puede diseñar, aunque el diseño puede tener cierto control sobre la posición de frecuencia de las bandas espúreas. En consecuencia, en cualquier diseño de filtro dado, existe una frecuencia superior más allá de la cual el filtro no podrá realizar su función. Por esta razón, los verdaderos filtros de paso bajo y paso alto no pueden existir en la guía de ondas. A alguna frecuencia alta habrá una banda de paso o banda de supresión espúrea que interrumpe la función prevista del filtro. Pero, de forma similar a la situación con la frecuencia de corte de la guía de ondas, el filtro puede diseñarse de modo que el borde de la primera banda espuria esté muy por encima de cualquier frecuencia de interés. [dieciséis]
El rango de frecuencias en el que los filtros de guía de ondas son útiles está determinado en gran medida por el tamaño de guía de ondas necesario. A frecuencias más bajas, la guía de ondas debe ser imprácticamente grande para mantener la frecuencia de corte por debajo de la frecuencia operativa. Por otro lado, los filtros cuyas frecuencias de funcionamiento son tan altas que las longitudes de onda son submilimétricas no se pueden fabricar con los procesos normales del taller de máquinas . En frecuencias, esta alta tecnología de fibra óptica comienza a convertirse en una opción. [17]
Las guías de onda son un medio de baja pérdida. Las pérdidas en las guías de ondas provienen principalmente de la disipación óhmica causada por las corrientes inducidas en las paredes de las guías de ondas. La guía de onda rectangular tiene una pérdida menor que la guía de onda circular y suele ser el formato preferido, pero el modo circular TE 01 tiene una pérdida muy baja y tiene aplicaciones en comunicaciones de larga distancia. Las pérdidas se pueden reducir puliendo las superficies internas de las paredes de la guía de ondas. En algunas aplicaciones que requieren un filtrado riguroso, las paredes se recubren con una fina capa de oro o plata para mejorar la conductividad de la superficie . Un ejemplo de tales requisitos son las aplicaciones de satélite que requieren bajas pérdidas, alta selectividad y retardo de grupo lineal de sus filtros. [18]
Una de las principales ventajas de los filtros de guía de ondas sobre las tecnologías del modo TEM es la calidad de sus resonadores . La calidad del resonador se caracteriza por un parámetro llamado factor Q , o simplemente Q . La Q de los resonadores de guía de ondas es de miles, órdenes de magnitud más alta que los resonadores del modo TEM. [19] La resistencia de los conductores, especialmente en los inductores bobinados, limita la Q de los resonadores TEM. Esta Q mejorada conduce a filtros de mejor rendimiento en las guías de onda, con un mayor rechazo de la banda de parada. La limitación de Q en las guías de ondas proviene principalmente de las pérdidas óhmicas en las paredes descritas anteriormente, pero el plateado de las paredes internas puede duplicar Q con creces . [20]
Las guías de ondas tienen una buena capacidad de manejo de potencia, lo que conduce a aplicaciones de filtros en radares . [21] A pesar de las ventajas de rendimiento de los filtros de guía de ondas, la microbanda es a menudo la tecnología preferida debido a su bajo costo. Esto es especialmente cierto para los artículos de consumo y las frecuencias de microondas más bajas. Los circuitos de microbanda se pueden fabricar con tecnología de circuito impreso barata , y cuando se integran en la misma placa impresa que otros bloques de circuitos, incurren en un pequeño costo adicional. [22]
Historia
La idea de una guía de ondas para ondas electromagnéticas fue sugerida por primera vez por Lord Rayleigh en 1897. Rayleigh propuso que se podría quitar el conductor central de una línea de transmisión coaxial , y las ondas aún se propagarían por el interior del conductor cilíndrico restante a pesar de que ya no hubiera un circuito electrico completo de conductores. Describió esto en términos de la onda que se refleja repetidamente en la pared interna del conductor exterior en forma de zig-zag a medida que avanza por la guía de ondas. Rayleigh también fue el primero en darse cuenta de que había una longitud de onda crítica, la longitud de onda de corte, proporcional al diámetro del cilindro, por encima de la cual no es posible la propagación de la onda. Sin embargo, el interés en las guías de ondas disminuyó porque las frecuencias más bajas eran más adecuadas para la comunicación por radio de larga distancia. Los resultados de Rayleigh se olvidaron por un tiempo y tuvieron que ser redescubiertos por otros en la década de 1930 cuando revivió el interés por las microondas. Las guías de ondas fueron desarrolladas por primera vez, en forma circular, por George Clark Southworth y JF Hargreaves en 1932. [23]
El primer diseño de filtro analógico que fue más allá de un simple resonador fue creado por George Ashley Campbell en 1910 y marcó el comienzo de la teoría del filtro. El filtro de Campbell era un diseño de elementos agrupados de condensadores e inductores sugeridos por su trabajo con bobinas de carga . Otto Zobel y otros desarrollaron rápidamente esto aún más. [24] El desarrollo de filtros de elementos distribuidos comenzó en los años previos a la Segunda Guerra Mundial. Mason y Sykes publicaron un importante artículo sobre el tema en 1937; [25] una patente [26] presentada por Mason en 1927 puede contener el primer diseño de filtro publicado utilizando elementos distribuidos. [27]
El trabajo de Mason y Sykes se centró en los formatos de cable coaxial y pares de cables balanceados , pero otros investigadores luego aplicaron los principios a las guías de ondas también. Gran parte del desarrollo de los filtros de guía de ondas se llevó a cabo durante la Segunda Guerra Mundial impulsado por las necesidades de filtrado del radar y las contramedidas electrónicas . Mucho de esto fue en el Laboratorio de Radiación del MIT (Rad Lab), pero también participaron otros laboratorios en los EE. UU. Y el Reino Unido, como el Establecimiento de Investigación de Telecomunicaciones en el Reino Unido. Entre los científicos e ingenieros de renombre de Rad Lab se encontraban Julian Schwinger , Nathan Marcuvitz , Edward Mills Purcell y Hans Bethe . Bethe estuvo en Rad Lab por poco tiempo, pero produjo su teoría de apertura mientras estaba allí. La teoría de la apertura es importante para los filtros de cavidad de guía de ondas, que se desarrollaron por primera vez en Rad Lab. Su trabajo fue publicado después de la guerra en 1948 e incluye una descripción temprana de cavidades de modo dual por Fano y Lawson. [28]
El trabajo teórico posterior a la guerra incluyó la teoría de la línea proporcional de Paul Richards . Las líneas proporcionales son redes en las que todos los elementos tienen la misma longitud (o en algunos casos, múltiplos de la unidad de longitud), aunque pueden diferir en otras dimensiones para dar impedancias características diferentes. [a] La transformación de Richards permite que cualquier diseño de elemento agrupado se tome "tal cual" y se transforme directamente en un diseño de elemento distribuido utilizando una ecuación de transformación muy simple. En 1955 K. Kuroda publicó las transformaciones conocidas como identidades de Kuroda . Esto hizo que el trabajo de Richard fuera más utilizable en formatos desequilibrados y de guía de ondas al eliminar los elementos conectados en serie problemáticos , pero pasó algún tiempo antes de que el trabajo japonés de Kuroda se hiciera ampliamente conocido en el mundo de habla inglesa. [29] Otro desarrollo teórico fue el enfoque de filtro de síntesis de red de Wilhelm Cauer en el que utilizó la aproximación de Chebyshev para determinar los valores de los elementos. El trabajo de Cauer se desarrolló en gran medida durante la Segunda Guerra Mundial (Cauer fue asesinado hacia el final de la misma), pero no se pudo publicar ampliamente hasta que terminaron las hostilidades. Si bien el trabajo de Cauer se refiere a elementos agrupados, es de cierta importancia para los filtros de guía de ondas; El filtro Chebyshev , un caso especial de la síntesis de Cauer, se usa ampliamente como filtro prototipo para diseños de guías de ondas. [30]
Los diseños en la década de 1950 comenzaron con un prototipo de elemento agrupado (una técnica que todavía se usa en la actualidad), que llega después de varias transformaciones en el filtro deseado en forma de guía de ondas. En ese momento, este enfoque producía anchos de banda fraccionales de no más de aproximadamente1/5. En 1957, Leo Young del Stanford Research Institute publicó un método para diseñar filtros que comenzó con un prototipo de elemento distribuido, el prototipo de impedancia escalonada. Este filtro se basó en transformadores de impedancia de cuarto de onda de varios anchos y pudo producir diseños con anchos de banda de hasta una octava (un ancho de banda fraccional de 2/3). El artículo de Young aborda específicamente los resonadores de cavidad acoplados directamente, pero el procedimiento se puede aplicar igualmente a otros tipos de resonadores acoplados directamente. [31]
El primer relato publicado de un filtro de acoplamiento cruzado se debe a John R. Pierce de Bell Labs en una patente de 1948. [32] Un filtro de acoplamiento cruzado es aquel en el que se acoplan resonadores que no son inmediatamente adyacentes. Los grados de libertad adicionales así proporcionados permiten al diseñador crear filtros con un rendimiento mejorado o, alternativamente, con menos resonadores. Una versión del filtro de Pierce, que se muestra en la figura 3, utiliza resonadores de cavidad de guía de ondas circulares para enlazar entre resonadores de cavidad de guía rectangular. Este principio no fue muy utilizado al principio por los diseñadores de filtros de guías de ondas, pero fue ampliamente utilizado por los diseñadores de filtros mecánicos en la década de 1960, particularmente RA Johnson en Collins Radio Company . [33]
La aplicación inicial no militar de los filtros de guía de ondas se realizó en los enlaces de microondas utilizados por las empresas de telecomunicaciones para proporcionar la columna vertebral de sus redes. Estos enlaces también fueron utilizados por otras industrias con grandes redes fijas, en particular las emisoras de televisión. Estas aplicaciones formaban parte de grandes programas de inversión de capital. Ahora también se utilizan en sistemas de comunicaciones por satélite . [34]
La necesidad de un retardo independiente de la frecuencia en las aplicaciones de satélite llevó a más investigación sobre la encarnación de guías de ondas de los filtros de acoplamiento cruzado. Anteriormente, los sistemas de comunicaciones por satélite usaban un componente separado para la ecualización de retardo . Los grados de libertad adicionales obtenidos de los filtros de acoplamiento cruzado ofrecían la posibilidad de diseñar un retardo plano en un filtro sin comprometer otros parámetros de rendimiento. Un componente que funcionara simultáneamente como filtro y ecualizador ahorraría un peso y un espacio valiosos. Las necesidades de las comunicaciones por satélite también impulsaron la investigación de los modos de resonador más exóticos en la década de 1970. De particular importancia a este respecto es el trabajo de EL Griffin y FA Young, quienes investigaron mejores modos para la banda de 12-14 GHz cuando comenzó a usarse para satélites a mediados de la década de 1970. [35]
Otra innovación que ahorra espacio fue el resonador dieléctrico , que se puede utilizar en otros formatos de filtro, así como en guía de ondas. El primer uso de estos en un filtro fue por SB Cohn en 1965, utilizando dióxido de titanio como material dieléctrico. Los resonadores dieléctricos utilizados en la década de 1960, sin embargo, tenían coeficientes de temperatura muy pobres, típicamente 500 veces peores que un resonador mecánico hecho de invar , lo que conducía a la inestabilidad de los parámetros del filtro. Los materiales dieléctricos de la época con mejores coeficientes de temperatura tenían una constante dieléctrica demasiado baja para ser útiles para ahorrar espacio. Esto cambió con la introducción de resonadores cerámicos con coeficientes de temperatura muy bajos en la década de 1970. El primero de ellos fue de Massé y Pucel que utilizó tetratitanato de bario [nota 1] en Raytheon en 1972. Bell Labs y Murata Manufacturing informaron de nuevas mejoras en 1979 . El resonador de nonatitanato de bario [nota 2] de Bell Labs tenía una constante dieléctrica de 40 y una Q de 5000-10 000 a 2-7 GHz . Los materiales modernos estables a la temperatura tienen una constante dieléctrica de aproximadamente 90ºC a frecuencias de microondas, pero la investigación continúa para encontrar materiales con bajas pérdidas y alta permitividad; Los materiales de menor permitividad, como el titanato de estannato de circonio [nota 3] (ZST) con una constante dieléctrica de 38, todavía se utilizan a veces por su propiedad de bajas pérdidas. [36]
Se proporcionó un enfoque alternativo para diseñar filtros de guía de ondas más pequeños mediante el uso de modos evanescentes que no se propagan. Jaynes y Edson propusieron filtros de guía de ondas de modo evanescente a fines de la década de 1950. Los métodos para diseñar estos filtros fueron creados por Craven y Young en 1966. Desde entonces, los filtros de guía de ondas de modo evanescente han tenido un uso exitoso donde el tamaño o el peso de la guía de ondas son consideraciones importantes. [37]
Una tecnología relativamente reciente que se utiliza dentro de los filtros de guía de ondas de metal hueco es finline, una especie de guía de ondas dieléctrica plana. Finline fue descrita por primera vez por Paul Meier en 1972. [38]
Historia del multiplexor
Los multiplexores fueron descritos por primera vez por Fano y Lawson en 1948. Pierce fue el primero en describir multiplexores con bandas de paso contiguas. La multiplexación con filtros direccionales fue inventada por Seymour Cohn y Frank Coale en la década de 1950. Los multiplexores con resonadores de immitancia compensadores en cada unión son en gran parte obra de EG Cristal y GL Matthaei en la década de 1960. Esta técnica todavía se usa a veces, pero la disponibilidad moderna de potencia informática ha llevado al uso más común de técnicas de síntesis que pueden producir directamente filtros coincidentes sin la necesidad de estos resonadores adicionales. En 1965, RJ Wenzel descubrió que los filtros que tenían una terminación simple, [k] en lugar de los habituales biterminados, eran complementarios, exactamente lo que se necesitaba para un diplexor. [c] Wenzel se inspiró en las conferencias del teórico de circuito Ernst Guillemin . [39]
Harold Schumacher de Microphase Corporation investigó los multiplexores multicanal y multioctava, y sus resultados se publicaron en 1976. El principio de que los filtros del multiplexor pueden combinarse cuando se unen modificando los primeros elementos, eliminando así los resonadores compensadores , fue descubierto accidentalmente por EJ Curly alrededor de 1968 cuando sintonizó mal un diplexor. Una teoría formal para esto fue proporcionada por JD Rhodes en 1976 y generalizada a multiplexores por Rhodes y Ralph Levy en 1979. [40]
A partir de la década de 1980, las tecnologías planas, especialmente las microstrip, han tendido a reemplazar otras tecnologías utilizadas para la construcción de filtros y multiplexores, especialmente en productos destinados al mercado de consumo. La reciente innovación de la guía de ondas post-wall permite que los diseños de guías de ondas se implementen en un sustrato plano con técnicas de fabricación de bajo costo similares a las que se utilizan para microcinta. [41]
Componentes
Los diseños de filtros de guía de ondas suelen constar de dos componentes diferentes que se repiten varias veces. Normalmente, un componente es un resonador o una discontinuidad con un circuito agrupado equivalente a un inductor, condensador o circuito resonante LC. A menudo, el tipo de filtro tomará su nombre del estilo de este componente. Estos componentes están separados por un segundo componente, un tramo de guía que actúa como un transformador de impedancia. Los transformadores de impedancia tienen el efecto de hacer que las instancias alternativas del primer componente parezcan tener una impedancia diferente. El resultado neto es un circuito equivalente de elementos agrupados de una red en escalera. Los filtros de elementos agrupados son comúnmente de topología en escalera , y dicho circuito es un punto de partida típico para los diseños de filtros de guía de ondas. La figura 4 muestra una escalera de este tipo. Normalmente, los componentes de la guía de ondas son resonadores, y el circuito equivalente serían resonadores LC en lugar de los condensadores e inductores que se muestran, pero los circuitos como la figura 4 todavía se utilizan como filtros prototipo con el uso de una transformación de paso de banda o de parada de banda. [42]
Los parámetros de rendimiento del filtro, como el rechazo de la banda de supresión y la velocidad de transición entre la banda de paso y la banda de supresión, se mejoran agregando más componentes y aumentando así la longitud del filtro. Cuando los componentes se repiten de manera idéntica, el filtro es un diseño de filtro de parámetros de imagen y el rendimiento se mejora simplemente agregando más elementos idénticos. Este enfoque se utiliza normalmente en diseños de filtros que utilizan una gran cantidad de elementos poco espaciados, como el filtro de gofres . Para diseños donde los elementos están más espaciados, se pueden obtener mejores resultados utilizando un diseño de filtro de síntesis de red, como el filtro Chebyshev común y los filtros Butterworth . En este enfoque, los elementos del circuito no tienen todos el mismo valor y, en consecuencia, los componentes no tienen todas las mismas dimensiones. Además, si el diseño se mejora agregando más componentes, entonces todos los valores de los elementos deben calcularse nuevamente desde cero. En general, no habrá valores comunes entre las dos instancias del diseño. Los filtros de guía de ondas Chebyshev se utilizan cuando los requisitos de filtrado son rigurosos, como las aplicaciones de satélite. [43] [44]
Transformador de impedancia
Un transformador de impedancia es un dispositivo que hace que una impedancia en su puerto de salida aparezca como una impedancia diferente en su puerto de entrada. En guía de ondas, este dispositivo es simplemente una pequeña longitud de guía de ondas. Especialmente útil es el transformador de impedancia de cuarto de onda que tiene una longitud de λ g / 4. Este dispositivo puede convertir capacitancias en inductancias y viceversa. [45] También tiene la útil propiedad de convertir elementos conectados en derivación en elementos conectados en serie y viceversa. De lo contrario, los elementos conectados en serie son difíciles de implementar en la guía de ondas. [46]
Reflexiones y discontinuidades
Muchos componentes del filtro de la guía de ondas funcionan introduciendo un cambio repentino, una discontinuidad, en las propiedades de transmisión de la guía de ondas. Tales discontinuidades son equivalentes a elementos de impedancia agrupados colocados en ese punto. Esto surge de la siguiente manera: la discontinuidad provoca una reflexión parcial de la onda transmitida hacia abajo de la guía en la dirección opuesta, la relación de las dos se conoce como coeficiente de reflexión . Esto es completamente análogo a una reflexión en una línea de transmisión donde existe una relación establecida entre el coeficiente de reflexión y la impedancia que causó la reflexión. Esta impedancia debe ser reactiva , es decir, debe ser una capacitancia o una inductancia. No puede ser una resistencia ya que no se ha absorbido energía; todo se transmite hacia adelante o se refleja. Ejemplos de componentes con esta función incluyen iris, stubs y posts, todos descritos más adelante en este artículo bajo los tipos de filtro en los que ocurren. [47]
Paso de impedancia
Un paso de impedancia es un ejemplo de un dispositivo que introduce una discontinuidad. Se logra mediante un cambio escalonado en las dimensiones físicas de la guía de ondas. Esto da como resultado un cambio escalonado en la impedancia característica de la guía de ondas. El paso puede estar en el plano E [f] (cambio de altura [j] ) o en el plano H [g] (cambio de ancho [i] ) de la guía de ondas. [48]
Filtro de cavidad resonante
Resonador de cavidad
Un componente básico de los filtros de guía de ondas es el resonador de cavidad . Consiste en un tramo corto de guía de ondas bloqueado en ambos extremos. Las ondas atrapadas dentro del resonador se reflejan de un lado a otro entre los dos extremos. Una geometría de cavidad dada resonará a una frecuencia característica. El efecto de resonancia se puede utilizar para pasar selectivamente ciertas frecuencias. Su uso en una estructura de filtro requiere que se permita que parte de la onda pase de una cavidad a otra a través de una estructura de acoplamiento. Sin embargo, si la abertura en el resonador se mantiene pequeña, entonces un enfoque de diseño válido es diseñar la cavidad como si estuviera completamente cerrada y los errores serán mínimos. Se utilizan varios mecanismos de acoplamiento diferentes en diferentes clases de filtro. [49]
La nomenclatura para modos en una cavidad introduce un tercer índice, por ejemplo TE 011 . Los dos primeros índices describen la onda que viaja hacia arriba y hacia abajo a lo largo de la cavidad, es decir, son los números de modo transversal como para los modos en una guía de ondas. El tercer índice describe el modo longitudinal causado por el patrón de interferencia de las ondas que viajan hacia adelante y reflejadas. El tercer índice es igual al número de medias longitudes de onda a lo largo de la guía. Los modos más comunes utilizados son los modos dominantes: TE 101 en guía de ondas rectangular y TE 111 en guía de ondas circular. El modo circular TE 011 se usa cuando se requiere una pérdida muy baja (por lo tanto, un Q alto ) pero no se puede usar en un filtro de modo dual porque es circularmente simétrico. Los mejores modos para la guía de ondas rectangular en filtros de modo dual son TE 103 y TE 105 . Sin embargo, aún mejor es el modo de guía de ondas circular TE 113 que puede alcanzar una Q de 16.000 a 12 GHz . [50]
Tornillo de afinación
Los tornillos de afinación son tornillos que se insertan en cavidades resonantes que se pueden ajustar externamente a la guía de ondas. Proporcionan un ajuste fino de la frecuencia resonante insertando más o menos hilo en la guía de ondas. Se pueden ver ejemplos en el post-filtro de la figura 1: cada cavidad tiene un tornillo de ajuste asegurado con contratuercas y compuesto de bloqueo de roscas . Para tornillos insertados solo una pequeña distancia, el circuito equivalente es un condensador de derivación, cuyo valor aumenta a medida que se inserta el tornillo. Sin embargo, cuando el tornillo se ha insertado una distancia λ / 4, resuena equivalente a un circuito LC en serie. Insertarlo más hace que la impedancia cambie de capacitiva a inductiva, es decir, cambia el signo aritmético. [51]
Iris
Un iris es una placa de metal delgada que atraviesa la guía de ondas con uno o más orificios. Se utiliza para acoplar dos longitudes de guía de ondas y es un medio de introducir una discontinuidad. Algunas de las posibles geometrías de los iris se muestran en la figura 5. Un iris que reduce el ancho de una guía de ondas rectangular tiene un circuito equivalente a una inductancia en derivación, mientras que uno que restringe la altura equivale a una capacitancia en derivación. Un iris que restringe ambas direcciones es equivalente a un circuito resonante LC paralelo . Se puede formar un circuito LC en serie separando la parte conductora del iris de las paredes de la guía de ondas. Los filtros de banda estrecha utilizan con frecuencia iris con pequeños orificios. Estos son siempre inductivos independientemente de la forma del orificio o de su posición en el iris. Los orificios circulares son fáciles de mecanizar, pero los orificios alargados, o los orificios en forma de cruz, son ventajosos para permitir la selección de un modo particular de acoplamiento. [52]
Los iris son una forma de discontinuidad y funcionan excitando modos superiores evanescentes. Los bordes verticales son paralelos al campo eléctrico (campo E) y excitan los modos TE. La energía almacenada en los modos TE se encuentra predominantemente en el campo magnético (campo H) y, en consecuencia, el equivalente agrupado de esta estructura es un inductor. Los bordes horizontales son paralelos al campo H y excitan los modos TM. En este caso, la energía almacenada está predominantemente en el campo E y el equivalente concentrado es un condensador. [53]
Es bastante sencillo hacer iris ajustables mecánicamente. Se puede empujar una placa delgada de metal hacia adentro y hacia afuera por una ranura estrecha en el costado de la guía de ondas. La construcción del iris se elige a veces por esta capacidad de hacer un componente variable. [54]
Filtro acoplado a iris
Un filtro acoplado al iris consiste en una cascada de transformadores de impedancia en forma de cavidades resonantes de guía de ondas acopladas entre sí por iris. [43] En aplicaciones de alta potencia se evitan los iris capacitivos. La reducción en la altura de la guía de ondas (la dirección del campo E) hace que la intensidad del campo eléctrico a través del espacio aumente y el arco (o ruptura dieléctrica si la guía de ondas está llena de un aislante) ocurrirá a una potencia menor de la que tendría de otra manera. . [55]
Publicar filtro
Los postes son barras conductoras, generalmente circulares, fijadas internamente a lo largo de la altura de la guía de ondas y son otro medio de introducir una discontinuidad. Un poste delgado tiene un circuito equivalente a un inductor de derivación. Una fila de postes puede verse como una forma de iris inductivo. [56]
Un posfiltro consta de varias filas de postes a lo ancho de la guía de ondas que separan la guía de ondas en cavidades resonantes como se muestra en la figura 7. Se pueden usar diferentes números de postes en cada fila para lograr valores variables de inductancia. Se puede ver un ejemplo en la figura 1. El filtro funciona de la misma manera que el filtro acoplado al iris, pero difiere en el método de construcción. [57]
Guía de ondas post-muro
Una guía de ondas post-muro, o guía de ondas integrada en el sustrato, es un formato más reciente que busca combinar las ventajas de baja pérdida de radiación, alto Q y manejo de alta potencia de la guía de onda de tubería de metal hueco tradicional con el tamaño pequeño y la facilidad de fabricación de planar. tecnologías (como el formato microstrip ampliamente utilizado). Consiste en un sustrato aislado perforado con dos filas de postes conductores que representan las paredes laterales de la guía de ondas. La parte superior e inferior del sustrato están cubiertas con láminas conductoras, lo que lo convierte en una construcción similar al formato triplado . Las técnicas de fabricación existentes de placa de circuito impreso o cerámica cocida a baja temperatura se pueden utilizar para hacer circuitos de guía de ondas post-pared. Este formato se presta naturalmente a diseños de posfiltros de guías de ondas. [58]
Filtro de modo dual
Un filtro de modo dual es una especie de filtro de cavidad resonante, pero en este caso cada cavidad se utiliza para proporcionar dos resonadores empleando dos modos (dos polarizaciones), de modo que se reduce a la mitad el volumen del filtro para un orden determinado. Esta mejora en el tamaño del filtro es una gran ventaja en aplicaciones espaciales y de aviónica de aeronaves . Los filtros de alta calidad en estas aplicaciones pueden requerir muchas cavidades que ocupan un espacio significativo. [59]
Filtro resonador dieléctrico
Los resonadores dieléctricos son piezas de material dieléctrico que se insertan en la guía de ondas. Suelen ser cilíndricas ya que se pueden fabricar sin mecanizar pero se han utilizado otras formas. Se pueden hacer con un agujero en el centro que se usa para asegurarlos a la guía de ondas. No hay ningún campo en el centro cuando se utiliza el modo circular TE 011 , por lo que el agujero no tiene ningún efecto adverso. Los resonadores se pueden montar coaxialmente a la guía de ondas, pero normalmente se montan transversalmente a lo ancho como se muestra en la figura 8. Esta última disposición permite sintonizar los resonadores insertando un tornillo a través de la pared de la guía de ondas en el orificio central de la guía de ondas. resonador. [60]
Cuando los resonadores dieléctricos están hechos de un material de alta permitividad , como uno de los titanatos de bario , tienen una importante ventaja de ahorro de espacio en comparación con los resonadores de cavidad. Sin embargo, son mucho más propensos a los modos falsos. En aplicaciones de alta potencia, se pueden incorporar capas de metal en los resonadores para conducir el calor, ya que los materiales dieléctricos tienden a tener baja conductividad térmica . [61]
Los resonadores se pueden acoplar con iris o transformadores de impedancia. Alternativamente, pueden colocarse en una carcasa lateral en forma de trozo y acoplarse a través de una pequeña abertura. [62]
Insertar filtro
En los filtros de inserción, una o más láminas de metal se colocan longitudinalmente a lo largo de la guía de ondas, como se muestra en la figura 9. Estas láminas tienen agujeros perforados para formar resonadores. El dieléctrico del aire le da a estos resonadores un Q alto . Se pueden utilizar varios insertos paralelos en la misma longitud de guía de ondas. Se pueden lograr resonadores más compactos con una hoja delgada de material dieléctrico y metalización impresa en lugar de agujeros en las hojas de metal a costa de un resonador Q más bajo . [63]
Filtro finline
Finline es un tipo diferente de tecnología de guía de ondas en la que las ondas en una tira delgada de dieléctrico están restringidas por dos tiras de metalización. Hay una serie de posibles disposiciones topológicas de las tiras dieléctricas y metálicas. Finline es una variación de la guía de ondas de ranura, pero en el caso de finline toda la estructura está encerrada en un escudo metálico. Esto tiene la ventaja de que, al igual que la guía de ondas de metal hueco, no se pierde energía por radiación. Los filtros finline se pueden fabricar imprimiendo un patrón de metalización en una hoja de material dieléctrico y luego insertando la hoja en el plano E de una guía de ondas de metal hueco, como se hace con los filtros de inserción. La guía de ondas de metal forma el escudo de la guía de ondas de línea fina. Los resonadores se forman metalizando un patrón en la hoja dieléctrica. Patrones más complejos que el filtro de inserción simple de la figura 9 se logran fácilmente porque el diseñador no tiene que considerar el efecto sobre el soporte mecánico de remover metal. Esta complejidad no se suma a los costos de fabricación, ya que la cantidad de procesos necesarios no cambia cuando se agregan más elementos al diseño. Los diseños Finline son menos sensibles a las tolerancias de fabricación que los filtros de inserción y tienen anchos de banda amplios. [64]
Filtro de modo evanescente
Es posible diseñar filtros que operen internamente completamente en modos evanescentes. Esto tiene ventajas de ahorro de espacio porque la guía de ondas del filtro, que a menudo forma la carcasa del filtro, no necesita ser lo suficientemente grande para soportar la propagación del modo dominante. Normalmente, un filtro de modo evanescente consta de una longitud de guía de ondas más pequeña que la guía de ondas que alimenta los puertos de entrada y salida. En algunos diseños, esto se puede doblar para lograr un filtro más compacto. Los tornillos de sintonización se insertan a intervalos específicos a lo largo de la guía de ondas produciendo capacitancias agrupadas equivalentes en esos puntos. En diseños más recientes, los tornillos se reemplazan con inserciones dieléctricas. Estos condensadores resuenan con la longitud anterior de la guía de ondas de modo evanescente que tiene el circuito equivalente de un inductor, produciendo así una acción de filtrado. La energía de muchos modos evanescentes diferentes se almacena en el campo alrededor de cada una de estas discontinuidades capacitivas. Sin embargo, el diseño es tal que solo el modo dominante llega al puerto de salida; los otros modos decaen mucho más rápidamente entre los condensadores. [sesenta y cinco]
Filtro de guía de ondas corrugado
Los filtros de guía de ondas corrugada , también llamados filtros de guía de ondas con rebordes, constan de una serie de rebordes o dientes que reducen periódicamente la altura interna de la guía de ondas como se muestra en las figuras 10 y 11. Se utilizan en aplicaciones que requieren simultáneamente una banda de paso ancha , buena coincidencia de banda de paso y una banda de parada ancha. Son esencialmente diseños de paso bajo (por encima de la limitación habitual de la frecuencia de corte), a diferencia de la mayoría de las otras formas que suelen ser de paso de banda. La distancia entre los dientes es mucho menor que la distancia típica λ / 4 entre elementos de otros diseños de filtros. Por lo general, se diseñan mediante el método de parámetros de imagen con todas las crestas idénticas, pero se pueden lograr otras clases de filtro como Chebyshev a cambio de la complejidad de la fabricación. En el método de diseño de imágenes, el circuito equivalente de las crestas se modela como una cascada de medias secciones LC . El filtro opera en el modo dominante TE 10 , pero los modos espurios pueden ser un problema cuando están presentes. En particular, hay poca atenuación de la banda de supresión de los modos TE 20 y TE 30 . [66]
Filtro de gofres
El filtro de gofres es una variante del filtro de guía de ondas onduladas. Tiene propiedades similares a ese filtro con la ventaja adicional de que se suprimen los modos falsos TE 20 y TE 30 . En el filtro de gofres, los canales se cortan a través de las crestas longitudinalmente hacia abajo del filtro. Esto deja una matriz de dientes que sobresale internamente de las superficies superior e inferior de la guía de ondas. Este patrón de dientes se asemeja a una plancha para gofres , de ahí el nombre del filtro. [67]
Filtro de talón de guía de ondas
Un stub es una guía de ondas de longitud corta conectada a algún punto del filtro en un extremo y en cortocircuito en el otro extremo. Teóricamente también son posibles los stubs de circuito abierto, pero una implementación en la guía de ondas no es práctica porque la energía electromagnética se emitiría desde el extremo abierto del stub, lo que provocaría grandes pérdidas. Los stubs son una especie de resonador, y el elemento agrupado equivalente es un circuito resonante LC. Sin embargo, en una banda estrecha, los stubs pueden verse como un transformador de impedancia. El cortocircuito se transforma en una inductancia o una capacitancia dependiendo de la longitud del ramal. [68]
Un filtro de talón de guía de ondas se fabrica colocando uno o más talones a lo largo de la guía de ondas, generalmente separados por λ g / 4, como se muestra en la figura 12. Los extremos de los talones se tapan para cortocircuitarlos. [69] Cuando los terminales en cortocircuito miden λ g / 4 de largo, el filtro será un filtro de parada de banda y los terminales tendrán un circuito equivalente aproximado de elementos agrupados de circuitos resonantes en paralelo conectados en serie con la línea. Cuando los stubs miden λ g / 2 de largo, el filtro será un filtro de paso de banda . En este caso, el equivalente de elementos agrupados son circuitos resonantes LC en serie en serie con la línea. [70]
Filtro de absorción
Los filtros de absorción disipan la energía en frecuencias no deseadas internamente como calor. Esto contrasta con un diseño de filtro convencional donde las frecuencias no deseadas se reflejan desde el puerto de entrada del filtro. Estos filtros se utilizan cuando no es deseable que la energía se envíe de regreso a la fuente. Este es el caso de los transmisores de alta potencia en los que la potencia de retorno puede ser lo suficientemente alta como para dañar el transmisor. Puede utilizarse un filtro de absorción para eliminar las emisiones no esenciales del transmisor , como los armónicos o las bandas laterales no esenciales . Un diseño que ha estado en uso durante algún tiempo tiene ranuras cortadas en las paredes de la guía de ondas de alimentación a intervalos regulares. Este diseño se conoce como filtro de ondas con fugas . Cada ranura está conectada a una guía de ondas de menor calibre que es demasiado pequeña para soportar la propagación de frecuencias en la banda deseada. Por tanto, esas frecuencias no se ven afectadas por el filtro. Sin embargo, las frecuencias más altas en la banda no deseada se propagan fácilmente a lo largo de las guías laterales que terminan con una carga adaptada donde se absorbe la potencia. Estas cargas suelen ser una pieza en forma de cuña de material absorbente de microondas. [71] Otro diseño más compacto de filtro de absorción utiliza resonadores con un dieléctrico con pérdidas. [72]
Dispositivos con forma de filtro
Son muchas las aplicaciones de filtros cuyos objetivos de diseño son algo más que el rechazo o el paso de determinadas frecuencias. Con frecuencia, un dispositivo simple que está diseñado para funcionar solo en una banda estrecha o solo en una frecuencia puntual no se parecerá mucho a un diseño de filtro. Sin embargo, un diseño de banda ancha para el mismo artículo requiere muchos más elementos y el diseño adquiere la naturaleza de un filtro. Entre las aplicaciones más comunes de este tipo en la guía de ondas se encuentran las redes de adaptación de impedancia , los acopladores direccionales, los divisores de potencia , los combinadores de potencia y los diplexores . Otras posibles aplicaciones incluyen multiplexores , demultiplexores, amplificadores de resistencia negativa y redes de retardo de tiempo . [73]
Emparejamiento de impedancia
Un método simple de igualación de impedancia es la coincidencia de stub con un solo stub. Sin embargo, un solo stub solo producirá una coincidencia perfecta en una frecuencia particular. Por lo tanto, esta técnica solo es adecuada para aplicaciones de banda estrecha. Para ampliar el ancho de banda, se pueden utilizar varios stubs, y la estructura toma la forma de un filtro de stub. El diseño procede como si fuera un filtro excepto que se optimiza un parámetro diferente. En un filtro de frecuencia, el parámetro optimizado típicamente es el rechazo de la banda de parada, la atenuación de la banda de paso, la inclinación de la transición o algún compromiso entre estos. En una red de coincidencia, el parámetro optimizado es la coincidencia de impedancia. La función del dispositivo no requiere una restricción de ancho de banda, pero el diseñador se ve obligado a elegir un ancho de banda debido a la estructura del dispositivo. [74]
Los stubs no son el único formato de filtro que se puede utilizar. En principio, cualquier estructura de filtro podría aplicarse a la adaptación de impedancias, pero algunas darán como resultado diseños más prácticos que otras. Un formato que se utiliza con frecuencia para igualar la impedancia en la guía de ondas es el filtro de impedancia escalonada. Se puede ver un ejemplo en el módulo de impresión a doble cara [e] que se muestra en la figura 13. [75]
Acopladores direccionales y combinadores de potencia
Los acopladores direccionales, los divisores de potencia y los combinadores de potencia son todos esencialmente el mismo tipo de dispositivo, al menos cuando se implementan con componentes pasivos . Un acoplador direccional divide una pequeña cantidad de energía de la línea principal a un tercer puerto. Un dispositivo más fuertemente acoplado, pero por lo demás idéntico, puede denominarse divisor de potencia. Uno que acopla exactamente la mitad de la potencia al tercer puerto (un acoplador de 3 dB ) es el acoplamiento máximo que se puede lograr sin invertir las funciones de los puertos. Muchos diseños de divisores de potencia se pueden utilizar a la inversa, después de lo cual se convierten en combinadores de potencia. [76]
Una forma simple de acoplador direccional son dos líneas de transmisión paralelas acopladas entre sí sobre una longitud de λ / 4. Este diseño es limitado porque la longitud eléctrica del acoplador solo será λ / 4 a una frecuencia específica. El acoplamiento será máximo a esta frecuencia y caerá a ambos lados. De manera similar al caso de adaptación de impedancia, esto se puede mejorar mediante el uso de varios elementos, lo que da como resultado una estructura similar a un filtro. [77] Un análogo de guía de ondas de este enfoque de líneas acopladas es el acoplador direccional Bethe-hole en el que dos guías de ondas paralelas se apilan una encima de la otra y se proporciona un orificio para el acoplamiento. Para producir un diseño de banda ancha, se utilizan múltiples orificios a lo largo de las guías como se muestra en la figura 14 y se aplica un diseño de filtro. [78] No es solo el diseño de línea acoplada el que adolece de ser una banda estrecha, todos los diseños simples de acoplador de guía de ondas dependen de la frecuencia de alguna manera. Por ejemplo, el acoplador de carrera de ratas (que se puede implementar directamente en la guía de ondas) funciona con un principio completamente diferente, pero aún se basa en que ciertas longitudes sean exactas en términos de λ. [79]
Diplexores y duplexores
Un diplexor es un dispositivo que se utiliza para combinar dos señales que ocupan diferentes bandas de frecuencia en una sola señal. Esto suele ser para permitir que dos señales se transmitan simultáneamente en el mismo canal de comunicaciones, o para permitir la transmisión en una frecuencia mientras se recibe en otra. (Este uso específico de un diplexor se llama duplexor). El mismo dispositivo se puede usar para separar las señales nuevamente en el extremo más alejado del canal. La necesidad de filtrar para separar las señales durante la recepción es bastante evidente, pero también se requiere incluso cuando se combinan dos señales transmitidas. Sin filtrado, parte de la energía de la fuente A se enviará hacia la fuente B en lugar de la salida combinada. Esto tendrá los efectos perjudiciales de perder una parte de la potencia de entrada y de cargar la fuente A con la impedancia de salida de la fuente B, lo que provocará un desajuste. Estos problemas podrían superarse con el uso de un acoplador direccional de 3 dB , pero como se explicó en la sección anterior, un diseño de banda ancha también requiere un diseño de filtro para acopladores direccionales. [80]
Se pueden diplexar dos señales de banda estrecha muy espaciadas uniendo las salidas de dos filtros de paso de banda apropiados. Es necesario tomar medidas para evitar que los filtros se acoplen entre sí cuando están en resonancia, lo que podría causar una degradación de su rendimiento. Esto se puede lograr mediante un espaciado adecuado. Por ejemplo, si los filtros son del tipo de iris acoplado, entonces el iris más cercano a la unión del filtro del filtro A se coloca λ gb / 4 desde la unión donde λ gb es la longitud de onda guía en la banda de paso del filtro B. Asimismo, el el iris más cercano del filtro B se coloca λ ga / 4 desde la unión. Esto funciona porque cuando el filtro A está en resonancia, el filtro B está en su banda de parada y solo está débilmente acoplado y viceversa. Una disposición alternativa es tener cada filtro unido a una guía de ondas principal en uniones separadas. Se coloca un resonador de desacoplamiento λ g / 4 desde la unión de cada filtro. Esto puede ser en forma de un stub en cortocircuito sintonizado a la frecuencia resonante de ese filtro. Esta disposición se puede ampliar a multiplexores con cualquier número de bandas. [81]
En el caso de diplexores que se ocupan de bandas de paso contiguas, es necesario tener en cuenta en el diseño la consideración adecuada de las características de cruce de los filtros. Un caso especialmente común de esto es donde el diplexor se usa para dividir todo el espectro en bandas bajas y altas. Aquí se utilizan un filtro de paso bajo y uno de paso alto en lugar de filtros de paso de banda. Las técnicas de síntesis utilizadas aquí se pueden aplicar igualmente a multiplexores de banda estrecha y eliminan en gran medida la necesidad de desacoplar resonadores. [82]
Filtros direccionales
Un filtro direccional es un dispositivo que combina las funciones de un acoplador direccional y un diplexor. Como se basa en un acoplador direccional, es esencialmente un dispositivo de cuatro puertos, pero al igual que los acopladores direccionales, el puerto 4 normalmente tiene una terminación interna permanente. La energía que ingresa al puerto 1 sale del puerto 3 después de estar sujeta a alguna función de filtrado (generalmente de paso de banda). La energía restante sale del puerto 2, y dado que no se absorbe ni se refleja energía, este será el complemento exacto de la función de filtrado en el puerto 2, en este caso parada de banda. A la inversa, la energía que ingresa a los puertos 2 y 3 se combina en el puerto 1, pero ahora la energía de las señales rechazadas por el filtro se absorbe en la carga en el puerto 4. La Figura 15 muestra una posible implementación de guía de ondas de un filtro direccional. Dos guías de ondas rectangulares que operan en el modo dominante TE 10 proporcionan los cuatro puertos. Estos están unidos por una guía de ondas circular que opera en el modo circular TE 11 . La guía de ondas circular contiene un filtro acoplado al iris con tantos iris como sea necesario para producir la respuesta de filtro requerida. [83]
Glosario
- ^ apertura
- Una abertura en una pared de una guía de ondas o una barrera entre secciones de la guía de ondas a través de la cual se puede propagar la radiación electromagnética.
- ^ a b impedancia característica
- La impedancia característica , símbolo Z 0 , de una guía de ondas para un modo particular se define como la relación entre el campo eléctrico transversal y el campo magnético transversal de una onda que viaja en una dirección hacia abajo de la guía. La impedancia característica para la guía de ondas llena de aire está dada por,
- ^ c d e diplexor, duplexor
- Un diplexor combina o separa dos señales que ocupan diferentes bandas de paso. Un duplexor combina o divide dos señales que viajan en direcciones opuestas, o de diferentes polarizaciones (que también pueden estar en diferentes bandas de paso).
- ^ E-avión
- El plano E es el plano que se encuentra en la dirección del campo eléctrico transversal, es decir, verticalmente a lo largo de la guía. [85]
- ^ guía de longitud de onda
- La longitud de onda de la guía , símbolo λ g , es la longitud de onda medida longitudinalmente por la guía de ondas. Para una frecuencia dada, λ g depende del modo de transmisión y siempre es más larga que la longitud de onda de una onda electromagnética de la misma frecuencia en el espacio libre. λ g está relacionado con la frecuencia de corte, f c , por,
- ^ Plano H
- El plano H es el plano que se encuentra en la dirección del campo magnético transversal ( siendo H el símbolo de análisis de la intensidad del campo magnético ), es decir, horizontalmente a lo largo de la guía. [85]
- ^ i j alto, ancho
- De una guía rectangular, estos se refieren respectivamente a las pequeñas y grandes dimensiones internas de su sección transversal. La polarización del campo E del modo dominante es paralela a la altura.
- ^ iris
- Una placa conductora encajada transversalmente a través de la guía de ondas con una abertura, generalmente grande.
- ^ terminada individualmente, biterminada
- Un filtro biterminado (el caso normal) es aquel en el que el generador y la carga, conectados a los puertos de entrada y salida respectivamente, tienen impedancias que coinciden con la impedancia característica del filtro. Un filtro con terminación simple tiene una carga correspondiente, pero es impulsado por una fuente de voltaje de baja impedancia o una fuente de corriente de alta impedancia. [87]
- ^ Modo TEM
- Modo electromagnético transversal, un modo de transmisión en el que todo el campo eléctrico y todo el campo magnético son perpendiculares a la dirección de desplazamiento de la onda electromagnética. Este es el modo de transmisión habitual en pares de conductores. [88]
- ^ Modo TE
- Modo eléctrico transversal, uno de varios modos en los que todo el campo eléctrico, pero no todo el campo magnético, es perpendicular a la dirección de desplazamiento de la onda electromagnética. Se denominan modos H en algunas fuentes porque estos modos tienen un componente magnético longitudinal. El primer índice indica el número de medias longitudes de onda de campo a lo largo del ancho de la guía de ondas, y el segundo índice indica el número de medias longitudes de onda a lo largo de la altura. Correctamente, los índices deben separarse con una coma, pero generalmente se ejecutan juntos, ya que los números de modo en cifras dobles rara vez deben tenerse en cuenta. Algunos modos mencionados específicamente en este artículo se enumeran a continuación. Todos los modos son para guía de ondas rectangular a menos que se indique lo contrario. [89]
- ^ ModoTE 01
- Un modo con una media onda de campo eléctrico a lo largo de la altura de la guía y un campo eléctrico uniforme (cero medias ondas) a lo ancho de la guía.
- ^ ModoTE 10
- Un modo con media onda de campo eléctrico a lo ancho de la guía y campo eléctrico uniforme a lo largo de la altura de la guía.
- ^ ModoTE 20
- Un modo con dos medias ondas de campo eléctrico a lo ancho de la guía y un campo eléctrico uniforme a lo largo de la altura de la guía.
- ^ Modo circularTE 11
- Un modo con una onda completa de campo eléctrico alrededor de la circunferencia de la guía y una media onda de campo eléctrico a lo largo de un radio.
- ^ Modo TM
- Modo magnético transversal, uno de varios modos en los que todo el campo magnético, pero no todo el campo eléctrico, es perpendicular a la dirección de desplazamiento de la onda electromagnética. Se denominan modos E en algunas fuentes porque estos modos tienen un componente eléctrico longitudinal. Consulte el modo TE para obtener una descripción del significado de los índices. Algunos modos mencionados específicamente en este artículo son:
- ^ ModoTM 11
- Un modo con media onda de campo magnético a lo ancho de la guía y media onda de campo magnético a lo largo de la altura de la guía. Este es el modo TM más bajo, ya que los modos TM m 0 no pueden existir. [90]
- ^ TM 01 modo circular
- Un modo con campo magnético uniforme alrededor de la circunferencia de la guía y media onda de campo magnético a lo largo de un radio.
- ^ o p línea de transmisión
- Una línea de transmisión es un medio de transmisión de señales que consta de un par de conductores eléctricos separados entre sí, o un conductor y una ruta de retorno común. En algunos tratamientos, las guías de ondas se consideran dentro de la clase de líneas de transmisión, con las que tienen mucho en común. En este artículo no se incluyen guías de ondas para que los dos tipos de medios puedan distinguirse y referirse más fácilmente.
Notas
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Referencias
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