Diseño de filtros de guía de onda sintonizables en la región de frecuencia de ondas milimétricas

Abstract

En esta Tesis se presenta una nueva metodología de diseño para el desarrollo de filtros de guía de onda plano E sintonizables por medio de Sistemas Microelectromecánicos MEMS con aplicación en las telecomunicaciones inalámbricas que operan en la región del espectro de ondas milimétricas. La creciente demanda de ancho de banda en los servicios de comunicaciones inalámbricas de alta capacidad, así como la apertura comercial y flexibilidad de implementación de estos sistemas en las bandas de frecuencia de 60 GHz y 70/80 GHz nos alienta a investigar nuevas formas para diseñar filtros pasivos de ondas milimétricas. Con el propósito de generar una metodología efectiva para el diseño de filtros basados en guías de onda rectangulares se desarrolló un programa en MATLAB capaz de calcular la respuesta en frecuencia en transmisión y reflexión de la estructura total del filtro plano E. El elemento clave para la formulación de la herramienta de diseño es el análisis matemático y numérico del problema de la guía de onda bifurcada estudiado previamente por Mittra y Lee en [1] con la Técnica de Ajuste de Modos e Inversión Directa, en un esfuerzo para encontrar un conjunto de ecuaciones para los coeficientes o amplitudes modales de las ondas electromagnéticas que interactúan en la discontinuidad generada por un septo infinitamente largo e infinitesimalmente delgado. La implementación numérica de este conjunto de amplitudes modales en combinación con el método de Matriz de Dispersión Generalizada GSM presentado en [2] nos permiten describir de manera precisa el fenómeno de propagación de los campos incidentes y excitados dentro de las diferentes cavidades resonantes del filtro. En nuestra rutina de diseño se realiza la síntesis de una respuesta objetivo en transmisión del tipo Chebyshev para obtener los inversores de impedancia de un prototipo con elementos distribuidos de acuerdo a las fórmulas de Rhodes introducidas en [35]. Este proceso de síntesis nos permite obtener excelentes medidas iniciales para los septos y el espaciamiento necesario entre estos mismos dentro de la estructura del filtro. Las dimensiones de septos y resonadores del diseño inicial son utilizadas como punto de partida en un proceso de optimización en donde se minimiza el error cuadrático medio entre la respuesta actual del filtro y la respuesta objetivo Chebyshev. Una vez que contamos con un diseño optimizado nuestra herramienta computacional nos permitió llevar a cabo un estudio de sintonización, en donde se propone realizar variaciones de la permitividad relativa del dieléctrico y de las longitudes efectivas de los septos y resonadores que componen la estructura del filtro de guía de onda por medio de MEMS. Las curvas del coeficiente de transmisión y reflexión en potencia para el modo dominante se presentan en cada una de las etapas de diseño y se cuantifica el error absoluto y relativo del ancho de banda, frecuencia central y nivel de rizado para sustentar la validez del diseño final.