BRPI0804306A2 - filtro de microondas passa-faixa planar triplo-modo - Google Patents
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Abstract
FILTRO DE MICROONDAS PASSA-FAIXA PLANAR TRIPLO-MODO. A presente invenção refere-se a um filtro de microondas passa-faixa planar, compree:ndendo um filtro passa-faixa triplo-modo com um único ressoador de geometria circular bidimensional (patch) com quatro fendas radiais e linhas de transmissão de entrada e saída do sinal de microondas diretamente acopladas ao ressoador bidimensional (patch).
Description
FILTRO DE MICROONDAS PASSA-FAIXA PLANAR TRIPLO-MODO
CAMPO DA INVENÇÃO
A presente invenção se refere de um modo geral a umfiltro de microondas passa faixa planar "triplo-modo", maisespecificamente, se refere a um filtro de microondas passafaixa planar "triplo-modo" usando um ressoador do tipobidimensional ("patch") circular com quatro fendas radiais.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
Os filtros são basicamente classificados em quatrotipos, de acordo com sua característica de resposta emfreqüência: filtro passa-baixa, que transmite com minimaperda as freqüências abaixo de sua freqüência de corte,enquanto as freqüências acima dela são atenuadas; filtropassa-faixa, que transmite uma faixa de freqüências combaixas perdas e atenua as demais freqüências; filtro passa-alta, ao contrário do filtro passa-baixa, atenua asfreqüências abaixo de sua freqüência de corte, enquantotransmite as freqüências acima dela com minima perda; efiltro rejeita-faixa, que rejeita ou atenua uma faixadeterminada de freqüências, transmitindo as demais com baixasperdas.
Um filtro é formado pelo acoplamento de linhas deentrada e de saida de sinal a um ou mais ressoadoresacoplados entre si.
Filtros em RF/Microondas são essenciais para sistemas decomunicação receptores ou transmissores de sinais. Os filtrossão utilizados para atenuar os sinais em bandas defreqüências indesejadas, ao mesmo tempo em que permitem suapassagem na banda desejada com perdas minimas.
Nas últimas décadas, verificou-se uma grande expansãodos sistemas de comunicação sem fio, que transmitem sinais demicroondas portadores de informação, seja ela voz, imagem oudados. Nesses sistemas de comunicação modernos, são cada vezmais necessários filtros com baixas perdas, baixo custo,facilidade de fabricação, miniaturização, leveza, além derejeição de respostas espúrias. Particularmente nas áreas decomunicação móvel e por satélite, onde a facilidade deintegração e a redução do tamanho dos circuitos sãoexpectativas do mercado, os filtros planares patch dual-mode,se destacam por apresentarem tais características.
Filtros planares são vantajosos por serem de fácilfabricação, teste e integração em circuitos e sistemas. Osrecentes avanços das ferramentas computacionais de ComputerAided Design (CAD) e simuladores eletromagnéticos (EM) full-wave foram tais que revolucionaram o projeto de filtros demicroondas, permitindo o estudo de novas topologias. Alémdisso, a ampla variedade de substratos para circuitosplanares de microondas, disponíveis no mercado internacional,dão flexibilidade ao projetista para escolher o melhorcompromisso entre dimensões, desempenho elétrico e custo.
Com isso, diversos tipos de filtros planares com as maisvariadas características vêm sendo demonstrados,especialmentedo tipo passa-faixa. Esse tipo de filtro pode ser formado porressoadores unidimensionais, como de linhas acopladas,meander loop, loop aberto ou anéis ou por ressoadoresbidimensionais, como os patches. Os filtros patch apresentambaixas perdas no condutor e boa capacidade de potência,embora sofram perdas por irradiação, quando comparados aosfiltros unidimensionais Os filtros, em geral, podem serprojetados para operar como single-mode ou dual-mode.
0 termo single-mode significa que cada ressoador queforma o filtro, determina um pólo em sua banda de passagem edual-mode significa que cada ressoador que forma o filtrodetermina dois pólos em sua banda de passagem. Filtros dual-mode têm características mais atrativas quando comparados aossingle-mode, apresentando configuração mais compacta e maiorcontrole de banda de passagem de sinal.
Ressoadores são estruturas que ressoara em freqüênciasbem determinadas, dependentes da tecnologia, geometria emateriais que os compõem. Uma das aplicações de ressoadores éa formação de filtros. Os ressoadores de microondas podem serconstruídos em variadas tecnologias, como cavidades em guiade onda, ressoador dielétrico e ressoador planar. A geometriados ressoadores pode ser circular, eliptica, quadrada,retangular, em anel, etc. e utilizar os diversos materiaisdielétricos disponíveis.
Filtros planares podem ser classificados em filtrosunidimensionais ou bidimensionais, dependendo do tipo deressoador utilizado.
Os filtros planares unidimensionais são aqueles cujosressoadores são formados por microlinhas de transmissão. Osmais convencionais filtros unidimensionais são os filtros comdegrau de impedância, filtros de linhas acopladas pelaextremidade ou paralelamente, filtros hairpin, filtrosinterdigitais e filtros combline. Os filtros com degrau deimpedância são .largamente utilizados em filtros passa-baixa,enquanto os outros são utilizados em filtros passa-faixa.
Filtros passa-faixa planares bidimensionais {Filtrospatch) se diferenciam dos filtros apresentados acima. Neles,o estudo foi baseado nas características das linhas detransmissão utilizadas como ressoadores e do acoplamentoentre elas. 0 filtro patch deixa a convencional utilização demicrolinhas como ressoador e parte para a utilização deoutras figuras geométricas, deixando as microlinhas apenaspara as interfaces de entrada e de saida sendo, então, umfiltro bidimensional. A análise de campos EM dessesressoadores em forma de figuras geométricas é fundamentalpara o entendimento do funcionamento dos filtros patch. Osressoadores planares podem ser tratados como cavidade em guiade onda, cujas camadas superior e inferior são paredeselétricas perfeitas, cercadas lateralmente por paredesmagnéticas perfeitas. Assim, considera-se que os campos EM noressoador planar bidimensional são do tipo TransversalMagnético na direção do eixo z perpendicular ao plano terra(TMZ) , cuja formulação é bem conhecida e foi utilizada para aanálise dos campos. Cada modo ressoa em uma determinadafreqüência, na qual há minima atenuação. 0 primeiro modo,denominado fundamental ou dominante, ressoa na menorfreqüência permitida pelas características do ressoador.Acima dessa, há outros modos ressonantes, que geram bandas depassagem espúrias na resposta em freqüência do filtro.
ESTADO DA TÉCNICA
A patente US 7.042.314, publicada em 09/05/2006,"Dielectric Mono-Block Triple-Mode Microwave Delay Filter"descreve um filtro de retardo que usa um ressoador triple-mode mono-bloco e uma única estrutura de acoplamento inter-ressoadores tendo menor volume e capacidade mais elevada demanipulação de potência. O ressoador mono-bloco triple-modetem três ressoadores em um bloco. Uma sonda de entrada/saidaé conectada a cada bloco dielétrico metalizado paratransmitir sinais de microondas. Cortes de canto acoplam ummodo orientado em uma direção a um modo orientado em umasegunda direção mutuamente ortogonais. Uma abertura entre osdois blocos acopla todos os seis modos ressonantes e geradois acoplamentos indutivos por campos magnéticos entre doismodos e um acoplamento capacitivo por campos elétricos. Assondas de entrada/saida acoplando os cortes de canto eaberturas são alinhadas, tal que, todos os seis ressoadoressejam acoplados no valor e sinal desejado, assim retardoconstante sobre o sinal transmitido dentro de certa largurade banda pode ser alcançado. Ao ligar as sondas de entrada esaida ao circuito impresso da base, o filtro de retardo écapaz de ser montado em superfície.
O documento WO 93/01626, publicado em 21/01/93, "TripleMode Microwaver Filter" descreve um filtro de microondastriple mode compreendendo uma primeira e segunda cavidaderessonantes (10, 20) acopladas pelo alinhamento da iris (6,7) em que acopla apenas um único modo ressonante da primeiracavidade a apenas um único modo ressonante da segundacavidade. Os pólos de atenuação do filtro podem serselecionados independentemente um do outro: a passa-faixa temseis pólos e o filtro é capaz de uma resposta de função-eliptica.A patente EP O 789 417, publicado em 03/04/2002"Dielectric Resonator" descreve um ressoador dielétrico queinclui um orifício cilíndrico (4b) formado na intersecção dedois elementos ressoador (2a, 2b) formando um elementoressoador dielétrico duplo-modo TM (2). O orifício (4b)estende-se em uma direção em toda a espessura do elementoressoador dielétrico duplo-modo TM (2). Além disso, umorifício em forma de pirâmide quadrangular (4a) tendo umaextremidade fechada é formado em cada parte de conexão entrecada elemento ressoador (2a, 2b) e uma parede da cavidade, demodo que cada orifício (4a) estende-se da superfície externada parede da cavidade em direção a porção interna de cadaelemento ressoador (2), onde a parede interna de cadaorifício (4a) é coberta com um condutor (3a) eletricamenteconectado a um condutor de cavidade (3) . As formas dosorifícios acima (4a, 4b) são determinadas, de modo a que oelemento ressoador dielétrico duplo-modo TM (2) tenha a mesmafreqüência de ressonância para os dois modos TMno e TM2io. 0referido arranjo faz com que seja possível fornecer umressoador dielétrico de baixo custo e alto desempenho tendocaracterísticas semelhantes aqueles de um ressoadordielétrico triple-mode, e que pode ser produzido em umpequeno tamanho. Porém, esta patente não trata de umressoador triple-mode.
A patente US 4.675.630, publicado em 23/06/1987 "TripleMode dielectric Loaded Bandpass Filter" descreve um filtropassa faixa triple mode dieletricamente carregado tendo pelomenos uma cavidade ressonante com três modos ortogonaisindependentes. Uma cavidade triple mode pode ser montadaadjacente a cavidades single, dual ou triple mode.Acoplamento de inter-cavidade é alcançado através da iris comduas aberturas separadas que juntas formam uma forma-T. Ascavidades podem ser montadas planares. O filtro é designadopara utilização na indústria da comunicação via satélite eresulta em economias substanciais em termos de peso etamanho, quando comparado aos filtros anteriores.Os documentos de filtros triple-mode supracitados,utilizam-se de cavidades ressonantes, projetados com oobjetivo principal de se obter maior redução em tamanho doque os filtros dual-mode. Portanto, não existem referênciasde filtro passa-faixa triple-mode em tecnologia planarutilizando um único ressoador.
As maiores dificuldades e desvantagens de desempenho dosfiltros passa-faixa planares patch single-mode e dual-moderelatados na literatura são: altas perdas por irradiação e/oubanda de passagem espúria na faixa de freqüência da segundaharmônica, transmitindo espúrios indesejados para o sistemae/ou bandas de passagem relativamente estreitas; área ocupadapelo filtro relativamente grande e pouca flexibilidade deprojeto de filtros quanto a largura de banda de passagem efreqüência central.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
Para solucionar os problemas acima mencionados, apresente invenção propiciará vantagens significativas emrelação aos filtros planares de microondas existentespossibilitando um aumento do seu desempenho e apresentandouma relação custo/beneficio mais favorável.
A presente invenção se refere a filtro de microondas dotipo passa-faixa, construído em tecnologia planar de linhasde transmissão, que utiliza um ressoador do tipobidimensional (patch) com geometria circular contendo quatrofendas dispostas radialmente e posicionadas a 90° das fendasadjacentes As fendas alteram a distribuição de camposeletromagnéticos dos três primeiros modos ressoantes doressoador bidimensional (patch) circular, cujas freqüênciasde ressonância se aproximam, compondo a banda de passagem dofiltro. Dessa forma, obtém—se um filtro triple-mode, queapresenta uma resposta em freqüência de terceira ordem com ouso de um único ressoador, o que resulta em significativaminiaturização do mesmo. As dimensões das fendas controlam ascaracterísticas da resposta em freqüência do filtro, dandoflexibilidade ao projeto.BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
A estrutura e operação da invenção, juntamente comvantagens adicionais da mesma podem ser mais bem entendidasmediante referência aos desenhos em anexo e a seguintedescrição:
Fig. 1 representa uma vista em perspectiva do filtropassa-faixa bidimensional circular triplo-modo da presenteinvenção.
Fig. 2 representa uma vista frontal do filtro passa-faixa bidimensional circular triplo-modo da presenteinvenção.
Fig. 3 representa uma vista lateral do filtro passa-faixa bidimensional circular triplo-modo da presenteinvenção.
Fig. 4 representa uma vista frontal do ressoadorbidimensional (patch) circular triplo-modo da presenteinvenção.
Fig. 5 representa um leiaute do filtro passa-faixabidimensional (patch) circular triplo-modo (dimensões em mm).
Fig. 6 representa um gráfico de resposta em freqüênciana banda de passagem do filtro passa-faixa bidimensionalcircular triplo-modo.
Fig. 7 representa um gráfico de resposta em freqüênciaem banda larga do filtro passa-faixa bidimensional circulartriplo-modo.
Fig. 8 representa um leiaute do filtro bidimensional(patch) circular triplo-modo de sexta ordem (dimensões emmm) .
Fig. 9 representa uma vista em perspectiva do filtrobidimensional (patch) circular triplo-modo de sexta ordem.
Fig. 10 representa um gráfico de resposta em freqüênciana banda de passagem do filtro bidimensional circular triplo-modo de sexta ordem.
Fig. 11 representa um gráfico de resposta em freqüênciaem banda larga do filtro bidimensional circular triplo-modode sexta ordem.DESCRIÇÃO DETALHADA DA MODALIDADE PREFERIDA
Embora uma modalidade preferida da presente invençãoseja mostrada e descrita, é previsto que aqueles versados natécnica podem elaborar várias modificações da presenteinvenção sem se afastar de seu espirito e escopo.
A presente invenção é um filtro passa-faixa formado porum ressoador patch e linhas de transmissão de entrada e desaida, construídos em tecnologia planar sobre um substratodielétrico de microondas. 0 filtro é apresentadogenericamente na Figura 1.
As linhas de entrada e saida do sinal do filtro sãolinhas de transmissão planares diretamente acopladas aoressoador patch. Essas linhas estão dispostasperpendicularmente entre si e alinhadas diametralmente com oressoador, conforme mostra a Figura 2.
0 substrato é uma camada dielétrica com baixas perdas emfreqüências de microondas. As faces inferior e superior dosubstrato são recobertas por uma camada condutora. Na facesuperior do substrato são gravados o ressoador patch e aslinhas de acesso do filtro, sendo que a metalização da faceinferior do mesmo constitui o plano terra do filtro, conformemostra a Figura 3.
0 ressoador patch tem geometria circular, na qualexistem quatro fendas retangulares distribuídas radialmente apartir das bordas do circulo, separadas de 90°, comoapresentado na Figura 4. O par de fendas A-A' é constituídopor fendas de mesmas dimensões, o mesmo ocorrendo com o parde fendas B-B'. No entanto, cada um desses pares utilizafendas com comprimentos distintos de modo a separar asfreqüências.dos modos fundamentais degenerados TMn0.
A presente invenção foi desenvolvida baseada emressoadores bidimensionais patch com geometria regularcircular. Esses ressoadores, além da geometria regular,apresentam eixos de simetria bem definidos e, por isso,suportam modos ressonantes degenerados, que são de interessepara projeto de filtros mui ti-modo.O filtro passa-faixa é utilizado em sistemas decomunicação de microondas permitindo que determinada faixa defreqüências seja transmitida para o restante do sistema semperdas significantes, ao mesmo tempo em que rejeitafreqüências fora de sua banda de passagem.
A presente invenção é um filtro passa-faixa circulartriplo-modo que acopla três dos modos ressonantes presentesno ressoador bidimensional (patch), sendo que cada um dessesmodos determina um pólo de.freqüência na banda de passagem dofiltro. Os três modos acoplados são os dois modosfundamentais degenerados - modos transversais magnéticos TMuo- e o segundo modo de ressonância - modo transversalmagnético TM2io-
Para os modos se acoplarem, é necessária a alteração ouperturbação do ressoador. As fendas utilizadas na geometriacircular do ressoador bidimensional provocam essa perturbação(ver Figuras 1, 2 e 3) . A posição, o comprimento e a larguradas fendas determinam o melhor acoplamento dos três modos.Cada par de fendas . presente no ressoador reduzindividualmente a freqüência de um dos modos fundamentaisdegenerados, ao mesmo tempo em que ambos os pares reduzem afreqüência do segundo modo de ressonância. Portanto, apresença dos dois pares de fendas faz com que a freqüência dosegundo modo de ressonância seja reduzida mais fortemente,aproximando-se da freqüência dos modos fundamentaisdegenerados. A diferença de dimensões entre cada par defendas provoca a separação das freqüências de ressonância dosmodos fundamentais degenerados obtendo-se, então, oacoplamento desses três modos.
Acoplando os três modos citados, cada ressoador patchcircular com quatro fendas pode ser modelado por uma funçãode transferência de terceira ordem, ou seja, cada ressoadorfaz o papel de três ressoadores single-mode. Portanto, ofiltro que utiliza este ressoador alcança ótimo nivel deminiaturização, redução de peso e maior largura de banda depassagem.Como a freqüência do segundo modo de ressonância dofiltro é reduzida para formar sua banda de passagem, obtêm-sealta rejeição na faixa de freqüência de segunda harmônica.
As linhas de entrada e saida do sinal são posicionadasde forma a excitar os citados modos de ressonância noressoador circular. As linhas são diretamente conectadas aoressoador para diminuir as perdas por irradiação do filtro.
O ajuste das dimensões das fendas permite a alteração dafreqüência central do filtro e da largura de sua banda depassagem, o que torna o projeto do filtro passa-faixabastante flexível. A Tabela I apresenta os resultados dassimulações computacionais eletromagnéticas tridimensionaisdesse filtro, considerando-se o uso do substrato Rogers 3010,com constante dielétriea relativa de 10,2 e espessura de0,635 mm. Os resultados consideram perdas de transmissãomenores que 1 dB e perdas de reflexão maiores que 10 dB nabanda de passagem.
Tabela I - Simulações da presente invenção variando-se ocomprimento das fendas.
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A fabricação desse filtro envolve técnicas tradicionaisde fotogravação de circuito impresso, com leiaute sem nenhumatrilha ou fenda com dimensões criticas para fabricação,facilitando sua construção e reduzindo seu custo.
Um filtro passa-faixa circular triplo-modo de três pólosfoi construído, segundo a invenção, na freqüência central de2,45 GHz com banda de passagem de 3 dB de 30%, usando osubstrato Rogers 3010. A Figura 5 apresenta o leiaute dessefiltro.
A Figura 6 apresenta a resposta em freqüência do filtrona banda de passagem e a Figura 7 apresenta a resposta emfreqüência do filtro em banda larga obtida experimentalmente,bem como os resultados das simulações computacionaiscorrespondentes. Esse filtro resultou em uma significativaminiaturização, apresentando redução de 51% em área emrelação a um filtro usando ressoador patch circular single-mode.
O ressoador bidimensional {patch) operando em triplo-modo permite a realização de filtros de ordem mais elevada,por meio do acoplamento de dois ou mais desses ressoadores.As Figuras 8 e 9 apresentam um filtro passa-faixa circulartriplo-modo de sexta ordem, empregando dois ressoadores dapresente invenção, em cascata. A resposta em freqüência dessefiltro obtida através de simulação computacionaleletromagnética tridimensional é apresentada nas Figura 10 e11.
A presente invenção possui desempenho que supera todasas dificuldades supracitadas, caracterizando-se por baixasperdas, boa rejeição na faixa de freqüência da segundaharmônica, banda larga de passagem, alto nivel deminiaturização e grande flexibilidade de projeto. Além disso,sua fabricação é simples e de baixo custo e um leiauteinovador que emprega um ressoador bidimensional (patch)circular modificado pela inserção de fendas em seu interior elinhas de transmissão de entrada e saida do sinal demicroondas diretamente acopladas ao ressoador bidimensional(patch).
O leiaute do ressoador bidimensional (patch) da presenteinvenção possibilita o acoplamento de três modos deressonância do mesmo, inovando ao apresentar um ressoadorbidimensional (patch) triplo-modo e sua aplicação em filtrospassa-faixa planares de microondas.Embora uma modalidade preferida da presente invençãoseja mostrada e descrita, é previsto que aqueles versados natécnica podem elaborar várias modificações da presenteinvenção sem. se afastar de seu espirito e escopo.
Claims (4)
1. Filtro de microondas passa-faixa planar triplo-modo, caracterizado pelo fato de que compreende:um ressoador do tipo bidimensional (patch) com geometriacircular, contendo quatro . fendas dispostas radialmente eposicionadas a 90° das fendas adjacentes, em que o filtrotriplo-modo apresenta uma resposta em freqüência de terceiraordem com o uso de um único ressoador.
2. Filtro de microondas, de acordo com a reivindicação-1, caracterizado pelo fato de que o ressoador bidimensional(patch) permite a realização de filtros de ordem mais elevadapelo acoplamento de. dois ou mais desses ressoadores.
3. Filtro de microondas, de acordo com a reivindicação-1, caracterizado pelo fato de que as dimensões das fendascontrolam as características da resposta em freqüência dofiltro, dando flexibilidade ao mesmo.
4. Filtro de microondas, de acordo com a reivindicação-1, caracterizado pelo fato de que a banda de passagem éformada pelo acoplamento dos modos ressonantes degeneradosTMno e do modo ressonante TM2io.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102222810A (zh) * | 2011-03-23 | 2011-10-19 | 上海海事大学 | 一种微带双模带通滤波器 |
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2008
- 2008-10-07 BR BRPI0804306-0A patent/BRPI0804306B1/pt active IP Right Grant
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102222810A (zh) * | 2011-03-23 | 2011-10-19 | 上海海事大学 | 一种微带双模带通滤波器 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| B03A | Publication of an application: publication of a patent application or of a certificate of addition of invention | ||
| B06F | Objections, documents and/or translations needed after an examination request according art. 34 industrial property law | ||
| B06A | Notification to applicant to reply to the report for non-patentability or inadequacy of the application according art. 36 industrial patent law | ||
| B09A | Decision: intention to grant | ||
| B16A | Patent or certificate of addition of invention granted |
Free format text: PRAZO DE VALIDADE: 10 (DEZ) ANOS CONTADOS A PARTIR DE 30/03/2021, OBSERVADAS AS CONDICOES LEGAIS. |