Resumen de Advanced design methods of microwave planar filters
Due to the widespread use and growth of microwave applications, such as wireless communication systems, microwave filters with very exigent features are highly demanded. The main required specifications are generally respect to the filter response (e.g., looking for wideband and selective responses and/or with spurious free band), size, losses and cost. In addition, there is currently a great interest in the development of microwave systems with multifunction capabilities. To carry out this adaptive frequency band selection, the development of electronically reconfigurable filters able to provide good performances for all their operation modes in a broad band is essential. In this context, planar filters implemented in microstrip, coplanar or stripline technologies are very appropriate because of the advantages of compact size, low cost and easy fabrication and integration.
In the light of this scenario, this PhD dissertation presents new design techniques, strategies and filtering structures for the design of microwave planar filters with advanced performances. To this aim, this dissertation is divided into three parts:
-- The first part is dedicated to the filter design based on signal interference techniques. In this part, signal interference based filtering structures are proposed providing different type of wideband responses (UWB bandpass and bandstop, lowpass, highly selective wideband and dual band bandpass). All proposed filters present selective responses with multiple transmission zeros, flat group delay, low losses and simple circuitry. These features make the proposed filters very interesting for their use in future wireless communication systems.
-- The second part is devoted to the design of coupled-line filters with improved characteristics. For this, the coupling between resonators is calculated from an energetic point of view, which provides a complete coupling control, resulting in closed-form equations and guidelines which are exploited to obtain better filter features. In particular, by using this approach, it is possible to implement coupled-line filters with reduced occupation area, larger passband bandwidth and improved stopband performance.
-- Finally, in the third part, the signal interference technique concept is applied to the design of discrete reconfigurable filters. It is done by managing the signal paths (and therefore, the interferences) of the interference filtering structure through the use of switched elements as p-i-n diodes. Two reconfigurable blocks based on this approach are presented, one for the design of reconfigurable lowpass filters and another for the design of reconfigurable bandwidth bandpass filters. Among their main features, their very broad tuning ratio, multiple out of band transmission zeros for all tuned states and circuit simplicity are highlighted. These results show the potential of signal interference techniques to design electronically reconfigurable filters.
For all proposed design techniques and filtering configurations, exhaustive analyses are done, and design equations and guide rules are provided. Moreover, all the proposed schemes and/or ideas have been experimentally validated through the design, implementation and measurement of different filters, in planar technology, manly in microstrip but also in coplanar waveguide.
En castellano: Resumen Debido al uso extendido y creciente de las aplicaciones de microondas, como son por ejemplo, los sistemas inalámbricos de comunicaciones, existe una gran demanda de filtros de microondas de altas prestaciones. Las principales especificaciones requeridas para los filtros son generalmente con respecto al tipo de respuesta (p.e., filtros selectivos y de banda ancha, o con banda libre de espurios), tamaño, pérdidas y coste. Actualmente, hay además un gran interés en el desarrollo de sistemas de microondas multifuncionales.
El éxito de estos sistemas va ligado a que haya circuitería capaz de trabajar en distintas bandas frecuenciales bajo selección, por lo que el desarrollo de filtros reconfigurables que presenten un comportamiento excelente en todos sus modos de funcionamiento es esencial para dicho éxito. Bajo este contexto, la tecnología de implantación planar parece la más adecuada para la fabricación de los filtros, por su tamaño compacto, bajo coste y fácil fabricación e integración.
Ante este escenario, en esta tesis se presentan nuevas técnicas y estrategias de diseño así como nuevas topologías filtrantes con el objetivo de diseñar filtros planares de prestaciones avanzadas. Con este fin, la tesis se divide en tres bloques:
-- En el primer bloque se aborda el diseño de filtros basados en técnicas de interferencia de señal. Se proponen estructuras filtrantes que presentan todo tipo respuestas de banda ancha (paso banda, banda eliminada, paso bajo, paso banda altamente selectivo y de doble banda pasante). Todos los filtros propuestos presentan respuestas selectivas con múltiples ceros de transmisión, retardo de grupo plano, bajas pérdidas y simple implementación. Por todo ello, parecen indicados para su inclusión en los sistemas inalámbricos emergentes.
-- En la segunda parte se propone el diseño de filtros de líneas acopladas con características mejoradas. Ello se consigue realizando un análisis del acoplo entre resonadores usando un enfoque energético. Este enfoque proporciona un control total del acoplo, el cual da lugar a ecuaciones analíticas y pautas de diseño que pueden ser explotadas para el diseño de filtros con características avanzadas. En particular, usando este enfoque es posible implementar filtros de líneas acopladas con tamaño reducido, con ancho de banda maximizado y con bandas de rechazo extendidas.
-- Finalmente, en el tercer bloque, el concepto de técnica de interferencia de señal se enfoca al diseño de filtros electrónicamente reconfigurables. La idea principal es controlar los caminos de señal (y por tanto, las interferencias) de la estructura filtrante interferencial usando interruptores electrónicos, como por ejemplo diodos p-i-n. Controlando estas interferencias electrónicamente, se pueden conseguir distintos estados variopintos. Se proponen dos configuraciones reconfigurables, una para la síntesis de filtros reconfigurables paso bajo, y otro para el diseño de filtros paso banda reconfigurables en ancho de banda. Entre sus principales características, cabe destacar los amplios rangos de sintonía que se pueden conseguir con estas topologías, así como la presencia de multitud de ceros de transmisión en las respuestas y la simplicidad de los circuitos. Estos resultados demuestran el potencial que presentan las técnicas de interferencia de señal para el diseño de filtros reconfigurables.
Para todas las técnicas y topologías filtrantes propuestas, se han realizado análisis teóricos, que han dado lugar a ecuaciones y pautas de diseño para la síntesis de filtros con distintas especificaciones. Además, todos los diseños propuestos se han validado experimentalmente a partir de la fabricación y caracterización de múltiples filtros, todos ellos implementados en tecnología microstrip (principalmente) y coplanar.
