ES2569054T3 - Filtro de microondas de paso de banda sintonizable por rotación de un elemento dieléctrico - Google Patents

Abstract

Filtro (100) de paso de banda para microonda, sintonizable en frecuencia, que comprende al menos un resonador (R), - comprendiendo cada resonador: * una cavidad (20) que presenta una pared (21) conductora sustancialmente cilíndrica en un eje Z que presenta una altura A, identificándose una posición z en el eje Z mediante una abscisa z comprendida entre 0 y A, y estando al menos parcialmente cerrada en los dos extremos; y * al menos un elemento (40) dieléctrico dispuesto en el interior de la cavidad, - resonando dicho resonador en un modo para el cual dos polarizaciones (Px, Py) perpendiculares presentan respectivamente unas distribuciones del campo electromagnético en la cavidad que se deducen la una de la otra mediante una rotación de 90º; - presentando dicho modo en dicha cavidad N máximos (22) y N+1 mínimos (23) de campo eléctrico sustancialmente situados en un plano perpendicular al eje Z, correspondiendo los dos extremos del cilindro respectivamente de las abscisas z >= 0 y z >= A a los mínimos de campo eléctrico, estando unos mínimos y unos máximos sucesivos separados por una distancia de separación A/2N, caracterizado porque comprende: - unos medios de rotación adaptados para hacer que dicho elemento gire en un eje R sustancialmente perpendicular al eje Z, entre al menos una primera posición (P1) y una segunda posición (P2); - comprendiendo dicho elemento al menos un primer extremo (E1) de modo que: * en una primera posición (P1) dicho elemento está sustancialmente dispuesto en un plano perpendicular al eje Z y el centro de dicho primer extremo (E1) está dispuesto a una altura dentro de la cavidad que corresponde sustancialmente a unos mínimos del campo eléctrico; * en una segunda posición (P2) dicho elemento es sustancialmente paralelo a Z y dicho primer extremo (E1) está dispuesto en un plano que corresponde a unos máximos de campo eléctrico de aproximadamente +/- 30 %.

Description

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DESCRIPCION

Filtro de microondas de paso de banda sintonizable por rotacion de un elemento dielectrico Campo de la invencion

La presente invencion se refiere al campo de los filtros de frecuencia en el campo de las microondas, tradicionalmente de frecuencias comprendidas entre 1 GHz y 30 GHz. De manera mas particular, la presente invencion se refiere a los filtros de paso de banda sintonizables en frecuencia.

Estado de la tecnica

El tratamiento de una microonda, por ejemplo recibida por un satelite, precisa el desarrollo de componentes espedficos, que permitan la propagacion, la amplificacion y el filtrado de esta onda.

Por ejemplo, una microonda recibida por un satelite se debe amplificar antes de devolverla a tierra. Esta amplificacion solo es posible separando todas las frecuencias recibidas en canales, correspondiendo cada uno a una banda de frecuencia determinada. La amplificacion se realiza entonces canal por canal. La separacion de los canales precisa el desarrollo de unos filtros de paso de banda.

El desarrollo de los satelites y la complejidad creciente del tratamiento de la senal que hay que llevar a cabo, por ejemplo una reconfiguracion de los canales en vuelo, ha conducido a la necesidad de implementar unos filtros de paso de banda sintonizables en frecuencia, es decir para los cuales es posible ajustar la frecuencia central de filtrado habitualmente denominada frecuencia de sintoma del filtro.

Una de las tecnologfas conocidas de filtros de paso de banda sintonizables en el campo de las microondas es la utilizacion de componentes semiconductores pasivos, como unos diodos PIN, unas capacidades continuamente variables o unos conmutadores capacitivos. Otra tecnologfa consiste en la utilizacion de MEMS (por “micro sistemas electromecanicos”) de tipo resistivo o capacitivo.

Estas tecnologfas son complejas, consumidoras de energfa electrica y poco seguras. Estas soluciones tambien estan limitadas al nivel de la potencia de senal tratada. Ademas, la capacidad de sintonizacion en frecuencia tiene como consecuencia una degradacion significativa de los rendimientos del filtro, como su factor Q de calidad. Por ultimo, las perdidas de RF (banda realizada, “Return Loss”, perdidas de insercion, etc.) se degradan con el cambio de frecuencia.

Por otra parte, se conoce la tecnologfa de los filtros basada en elementos dielectricos. Esta permite realizar unos filtros de paso de banda no sintonizables.

Estos filtros comprenden tradicionalmente una cavidad al menos parcialmente cerrada, que comprende una pared conductora (tradicionalmente metalica, por ejemplo, de aluminio o de invar) en la que esta dispuesto un elemento dielectrico, tradicionalmente de forma redonda o cuadrada (el material dielectrico es tradicionalmente la circona, el aluminio o el BMT (tantalato de bario y magnesio)). Un medio de excitacion de entrada introduce la onda dentro de la cavidad (por ejemplo, un cable coaxial terminado por una sonda electrica o una gma de onda acoplada mediante un iris) y un medio de excitacion de salida del mismo tipo permite hacer que la onda salga de la cavidad.

Un filtro de paso de banda permite la propagacion de una onda en un determinado intervalo de frecuencia y atenua esta onda para las demas frecuencias. De este modo, se define un ancho de banda y una frecuencia central del filtro. Para unas frecuencias alrededor de su frecuencia central, un filtro de paso de banda presenta una alta transmision y una baja reflexion.

El ancho de banda del filtro se caracteriza de diferentes formas segun el tipo de filtro.

El parametro S es un parametro que informa de los rendimientos del filtro en terminos de reflexion y de transmision. S11, o S22, corresponde a una medicion de la reflexion y S12, o S21, a una medicion de la transmision.

Un filtro realiza una funcion de filtrado. Esta funcion puede, por lo general, aproximarse a traves de unos modelos matematicos (funciones de Chebychev, de Bessel, etc.). Estas funciones se basan, por lo general, en las relaciones de polinomios.

Para un filtro que realiza una funcion de filtrado de tipo Chebychev o Chebychev generalizado, el ancho de banda del filtro se determina en equi-ondulacion del S11 (o S22), por ejemplo a 15 dB o 20 dB de reduccion de la reflexion con respecto a su nivel fuera de banda. Para un filtro que realiza una funcion de tipo Bessel, se toma la banda a -3 dB (cuando S1 se cruza con S11 si el filtro presenta perdidas insignificantes).

Un filtro comprende tradicionalmente al menos un resonador que comprende la cavidad metalica y el elemento dielectrico. Una forma de resonancia del filtro corresponde a una distribucion particular del campo electromagnetico que se excita a una frecuencia particular.

Con el fin de aumentar su selectividad, es decir su capacidad para atenuar la senal fuera del ancho de banda, estos filtros pueden estar compuestos por una pluralidad de resonadores acoplados entre sf.

La frecuencia central y el ancho de banda del filtro dependen a la vez de la geometna de las cavidades y de los elementos dielectricos, asf como del acoplamiento de los resonadores entre sf y de los acoplamientos con los medios de excitacion de entrada y de salida del filtro. Unos medios de acoplamientos son, por ejemplo, unas aberturas o ranuras denominadas iris, unas sondas electricas o magneticas, o unas lmeas de microondas.

El filtro deja pasar una senal cuya frecuencia esta situada en el ancho de banda, pero sin embargo la senal se

atenua por las perdidas del filtro.

La sintonizacion del filtro que permite obtener unos maximos de transmision para una banda de frecuencia determinada es muy diffcil de realizar y depende del conjunto de los parametros del filtro. Ademas, depende de la temperatura.

5 Con el fin de llevar a cabo un ajuste del filtro para obtener una frecuencia central precisa del filtro, las frecuencia de resonancia de los resonadores del filtro se pueden modificar muy ligeramente por medio de tornillos metalicos, pero este procedimiento llevado a cabo de manera empmca, cuesta mucho tiempo y solo permite una muy baja capacidad de sintonizacion en frecuencia, tradicionalmente del orden de algunos %. En este caso, el objetivo no es la capacidad de sintonizacion sino la obtencion de un valor preciso de la frecuencia central, y se desea obtener una 10 sensibilidad reducida de la frecuencia de cada resonador en relacion con la profundidad del tornillo.

La simetna circular o cuadrada de los resonadores simplifica el diseno del filtro.

De manera general, un resonador presenta segun su geometna uno o varios modos de resonancia caracterizados cada uno por una distribucion particular (caractenstica) del campo electromagnetico que provoca una resonancia de la microonda en la estructura a una frecuencia particular. Por ejemplo, unos modos de resonancia TE (por 15 Transversal Electrico o H en terminologfa anglosajona) o TM (por Transversal Magnetico o E en terminologfa anglosajona) que presentan un cierto numero de maximos de energfa identificados por unos indices, se pueden excitar dentro del resonador a diferentes frecuencias. La figura 1 describe, a tftulo de ejemplo, las frecuencias de resonancia de los diferentes modos para una cavidad circular vada en funcion de las dimensiones de la cavidad (diametro D y altura A).

20 Para optimizar la compacidad de los filtros, se conocen de la tecnica unos filtros resonadores que funcionan en varios modos (tradicionalmente 2 o 3). En particular, se conocen los filtros que funcionan en un modo dual (“dual mode filter” en terminologfa anglosajona). Estos modos presentan dos polarizaciones perpendiculares Px y Py que presentan una distribucion caractenstica y espedfica del campo electromagnetico dentro de la cavidad: las distribuciones de los campos electromagneticos que corresponden a las dos polarizaciones son ortogonales y se 25 deducen la una de la otra mediante una rotacion de 90° alrededor de un eje de simetna del resonador.

Si la simetna del resonador es perfecta, las dos polarizaciones ortogonales presentan la misma frecuencia de resonancia y no estan acopladas. El acoplamiento entre polarizaciones se obtiene rompiendo la simetna, por ejemplo introduciendo una discontinuidad (perturbacion) a 45° de los ejes Px y Py de polarizacion, tradicionalmente utilizando unos tornillos metalicos.

30 Ademas, las frecuencias de resonancia se pueden sintonizar (eventualmente en unas frecuencias diferentes) introduciendo unas discontinuidades (perturbaciones) en los ejes Px y Py de polarizacion.

De este modo, las dos polarizaciones Px y Py de un modo dual pueden resonar en una misma frecuencia (simetna en los ejes de polarizacion) o en dos frecuencias ligeramente diferentes (disimetna en los ejes de polarizacion).

De este modo, los modos duales permiten realizar dos resonancias electromagneticas en un elemento resonante 35 unico. Se pueden utilizar varios modos que presentan estas distribuciones de campo particulares. Por ejemplo, los modos (Hlln) duales de calidad se utilizan mucho en los filtros con cavidades ya que alcanzan un buen equilibrio entre un fuerte factor de calidad (mayor cuanto mas grande es el mdice n), unas dimensiones reducidas (aproximadamente un factor 2 empleando unos modos duales) y un aislamiento de frecuencia importante con respecto a los demas modos de resonancias (que no se desea acoplar para garantizar el correcto funcionamiento 40 del filtro).

En el documento EP 1575118 se da a conocer un ejemplo de un filtro de paso de banda sintonizable en frecuencia. Objetivo de la invencion

La presente invencion tiene como objetivo realizar unos filtros de tipo cavidad con elementos dielectricos, compactos, sintonizables en frecuencia central, y que no presentan los inconvenientes mencionados con 45 anterioridad (factor de calidad y perdidas de RF degradados por la capacidad de sintonizacion, mala capacidad de potencia...).

Descripcion de la invencion

Para ello, la invencion tiene por objeto un filtro de paso de banda para microondas, sintonizable en frecuencia, que comprende al menos un resonador:

50 - comprendiendo cada resonador:

* una cavidad que presenta una pared conductora sustancialmente cilmdrica en un eje Z que presenta una altura A, identificandose una posicion z en el eje Z mediante una abscisa z comprendida entre 0 y A, y estando al menos parcialmente cerrada en los dos extremos; y

* al menos un elemento dielectrico dispuesto en el interior de la cavidad,

55 - resonando dicho resonador en un modo para el cual dos polarizaciones perpendiculares presentan

respectivamente unas distribuciones del campo electromagnetico dentro de la cavidad que se deducen la una de la otra mediante una rotacion de 90°;

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- presentando dicho modo en dicha cavidad N maximos y N+1 mmimos de campo electrico sustancialmente situados en un plano perpendicular al eje z, correspondiendo los dos extremos del cilindro respectivamente de las abscisas z = 0 y z = Aa unos mmimos de campo electrico, estando unos mmimos y unos maximos sucesivos separados por una distancia de separacion A/2N,

caracterizado porque comprende:

- unos medios de rotacion adaptados para hacer que dicho elemento gire en un eje R sustancialmente perpendicular al eje Z, entre al menos una primera posicion y una segunda posicion;

- comprendiendo dicho elemento al menos un primer extremo de modo que:

* en una primera posicion dicho elemento esta sustancialmente dispuesto en un plano perpendicular al eje Z y el centro de dicho primer extremo esta dispuesto a una altura dentro de la cavidad que corresponde sustancialmente a unos mmimos del campo electrico;

* en una segunda posicion dicho elemento es sustancialmente paralelo a Z y dicho primer extremo esta dispuesto en un plano que corresponde sustancialmente a unos maximos de campo electrico de aproximadamente +/- 30 %.

Preferentemente, el elemento dielectrico presenta una parte central de forma alargada y un primer extremo que presenta una seccion superior a una seccion de la parte central.

Preferentemente, el elemento en la segunda posicion presenta una forma de modo que el volumen atravesado por una polarizacion es sustancialmente identico al volumen atravesado por la polarizacion ortogonal. Preferentemente, el elemento en la segunda posicion presenta una forma tal que es invariable por rotacion de 90° alrededor del eje Z. Segun una forma de realizacion, la forma del elemento comprende dos planos de simetna ortogonales, un plano de simetna que coincide con un plano que comprende un eje de polarizacion y el eje Z, cuando el elemento esta en la segunda posicion.

Segun una forma de realizacion, el elemento comprende un segundo extremo de modo que:

* en la primera posicion el centro del segundo extremo esta dispuesto a una altura dentro de la cavidad que corresponde sustancialmente a unos mmimos del campo electrico;

* en la segunda posicion el segundo extremo esta dispuesto en un plano que corresponde a unos maximos de campo electrico de aproximadamente +/- 30 %.

Preferentemente, la pared sustancialmente cilmdrica presenta una curva directriz seleccionada entre un cfrculo o un cuadrado.

Preferentemente, el angulo de rotacion en el eje R entre la primera posicion y la segunda posicion es sustancialmente igual a 90°.

Preferentemente, el eje R de rotacion es concurrente con el eje Z. Preferentemente, el eje de rotacion esta situado en una abscisa z que corresponde a unos mmimos de campo electrico.

Segun una forma de realizacion, los medios de rotacion comprenden una varilla en el eje R solidario con el elemento y que comprende un material dielectrico. Preferentemente, N = 2.

Segun una forma de realizacion, el filtro segun la invencion comprende una pluralidad de resonadores y unos medios de acoplamiento adaptados para acoplar entre sf dos resonadores consecutivos.

En una variante, el filtro segun la invencion comprende, ademas, unos medios de union adaptados para igualar las rotaciones respectivas de los medios de rotacion de los resonadores.

Preferentemente, los medios de union comprenden la varilla solidaria con una pluralidad de elementos dispuestos a lo largo de la varilla.

Segun una forma de realizacion, el filtro segun la invencion comprende, ademas, unos elementos dielectricos adicionales dispuestos en el interior de los medios de acoplamiento y solidarios con los medios de union.

Segun otro aspecto, la invencion tiene por objeto un circuito de microondas que comprende al menos un filtro segun la invencion.

Se mostraran otras caractensticas, objetivos y ventajas de la presente invencion con la lectura de la descripcion detallada que viene a continuacion y en relacion con los dibujos adjuntos, dados a tttulo de ejemplos no limitativos y en los que:

- La figura 1 ilustra los modos de resonancia de una cavidad circular vacfa.

- La figura 2 ilustra unas propiedades caractensticas de cavidades de filtro segun la invencion.

- La figura 3a ilustra la variacion de campo electrico dentro de la cavidad para el modo H-m y la figura 3b para el modo H112.

- La figura 4 describe un ejemplo del filtro segun la invencion, la figura 4a en la posicion P1 y la figura 4b en la posicion P2.

- La figura 5 describe un primer modo de realizacion de filtro segun la invencion.

- La figura 6 ilustra un ejemplo de forma de extremo del elemento dielectrico del filtro segun la invencion.

- La figura 7 ilustra otro ejemplo de forma de extremo del elemento dielectrico del filtro segun la invencion.

- La figura 8 ilustra otro ejemplo de forma de extremo del elemento dielectrico del filtro segun la invencion.

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- La figura 9 ilustra un segundo ejemplo del filtro segun la invencion, la figura 9a en la posicion P1 y la figura 9b en la posicion P2.

- La figura 10 describe una variante de un filtro segun la invencion, la figura 11a en la posicion P1 y la figura 11b en la posicion P2.

- La figura 11 ilustra una vista desde arriba del campo electrico que esquematiza la variacion del campo electrico en seccion en la proximidad de un maximo, la figura 11a para la polarizacion Px y la figura 11b para la polarizacion Py.

- La figura 12 representa los valores del campo electrico dentro de la cavidad, la figura 12a con el dielectrico en la posicion P1 y la figura 12b con el dielectrico en la posicion P2.

- La figura 13 ilustra un filtro segun la invencion visto en perspectiva.

- La figura 14 ilustra un filtro segun la invencion que comprende una pluralidad de resonadores y visto en perspectiva.

- La figura 15 ilustra un ejemplo de comportamiento de frecuencias de un filtro segun la invencion, la figura 15a en la posicion P1 y la figura 15b en la posicion P2.

- La figura 16 ilustra una variante de filtro segun la invencion.

Descripcion detallada de la invencion

La invencion consiste en realizar un filtro de paso de banda sintonizable en frecuencia central de tipo “modo dual” a partir de una rotacion de al menos un elemento dielectrico dentro de un resonador R que compone el filtro.

El filtro funciona en un modo dual (“dual mode filter”), lo que significa que el resonador resuena en dos polarizaciones perpendiculares denominadas Px y Py que presentan respectivamente unas distribuciones del campo electromagnetico dentro de la cavidad 20 que se deducen la una de la otra mediante una rotacion de 90°.

Las dos polarizaciones pueden resonar a la misma frecuencia o a frecuencias ligeramente diferentes. En este ultimo caso, la respuesta de frecuencia del filtro es disimetrica.

Por otra parte, la simetna del modo se rompe para acoplar las dos polarizaciones (vease mas adelante).

Cada resonador R comprende una cavidad 20 que presenta una pared conductora 21, tradicionalmente metalica, sustancialmente cilmdrica a lo largo de un eje Z, y al menos un elemento dielectrico dispuesto en el interior de la cavidad. La pared cilmdrica presenta preferentemente una curva directora igual a un cfrculo o un cuadrado.

De este modo, vamos a describir en primer lugar algunas propiedades de cavidades segun la invencion ilustradas en la figura 2, ignorando el elemento dielectrico dispuesto en el interior, no representado en la figura 2. La figura 2 describe tres ejemplos de cavidades en una seccion transversal del filtro segun la invencion en un plano que comprende el eje Z.

La cavidad 20 presenta una altura A, y se identifica una posicion en el eje Z mediante una abscisa z comprendida entre 0 y A. La cavidad 20 esta al menos parcialmente cerrada en los dos extremos. Durante un acoplamiento por el fondo, los extremos de la cavidad comprenden unos elementos de acoplamiento de entrada y de salida.

La distribucion del campo electrico en el eje Z de un modo dual segun la invencion que resuena dentro de la cavidad 20 presenta unas propiedades particulares. Se denomina modo Hun y presenta N maximos 22 de campo electrico, simbolizados por una lmea discontinua de trazos largos en la figura 2, y N+1 mmimos 23 de campo electrico simbolizados por una lmea discontinua de trazos cortos en la figura 2. Estos maximos y mmimos estan sustancialmente situados en un plano perpendicular al eje Z. Los dos extremos del cilindro, respectivamente en las abscisas z = 0 y z = A, constituidos por un material electricamente conductor, por ejemplo metalico, corresponden necesariamente a unos mmimos de campo electrico. Ademas, unos mmimos y unos maximos sucesivos estan separados por una distancia de separacion A/2N.

La figura 2a ilustra la distribucion de los mmimos y de los maximos de campos para una cavidad resonante en el modo N = 1 (H111), que representa por lo tanto 1 maximo y 2 mmimos de campo, aqrn los dos extremos unicamente. El maximo esta situado en una abscisa z = A/2. Un mmimo y un maximo sucesivos estan separados por una distancia de separacion A/2.

La figura 2b ilustra la distribucion de los mmimos y los maximos de campos para una cavidad resonante segun el modo N = 2 (H112), que presenta por lo tanto 2 maximos y 3 mmimos de campo. Fuera de los extremos, el tercer mmimo esta situado en una abscisa A/2, y los 2 maximos respectivamente en unas abscisas A/4, 3A/4. Unos mmimos y unos maximos sucesivos estan separados por una distancia de separacion A/4.

La figura 2c ilustra la distribucion de los mmimos y de los maximos de campos para una cavidad resonante segun el modo N = 3 (H113), que presenta por lo tanto 3 maximos y 4 mmimos de campo. Fuera de los extremos, los otros dos mmimos estan situados en las abscisas A/3 y 2A/3, y los 3 maximos respectivamente en las abscisas A/6, A/2 y 5A/6. Unos mmimos y unos maximos sucesivos estan separados por una distancia de separacion A/6.

La figura 3a describe a tftulo ilustrativo la variacion del campo E electrico en Z dentro de la cavidad para el modo H111 y la figura 3b la variacion del campo E electrico dentro de la cavidad para el modo H112.

Para la invencion, la presencia de un elemento dielectrico dentro de la cavidad perturba poco la posicion respectiva en Z de los mmimos y de los maximos de campo con respecto al caso de una cavidad vacfa.

La figura 4 describe un filtro 100 segun la invencion en una seccion transversal en un plano YZ, para un modo H112. A continuacion, los diferentes modos de realizacion de la invencion se ilustran para un modo H112 dual (N = 2), pero por supuesto se pueden adaptar para otros valores de N. Tenemos el resonador R, la cavidad 20, la pared 21 metalica, los mmimos 23 (lmea discontinua de trazos cortos) y los maximos 22 (lmea discontinua de trazos largos).

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El filtro 100 segun la invencion comprende tambien al menos un elemento 40 dielectrico dispuesto en el interior de la cavidad 20 que presenta al menos un primer extremo E1. El filtro 100 comprende, ademas, unos medios de rotacion adaptados para hacer que el elemento 40 dielectrico gire en un eje de rotacion R sustancialmente perpendicular al eje Z, entre al menos una primera posicion P1 (ilustrada en la figura 4a) y una segunda posicion P2 (ilustrada en la figura 4b).

En la primera posicion P1 el elemento 40 dielectrico esta sustancialmente dispuesto en un plano perpendicular al eje Z y el centro del primer extremo E1 esta dispuesto a una altura dentro de la cavidad que corresponde sustancialmente a unos mmimos del campo electrico. Se entiende por centro del extremo el baricentro de la seccion extremal del elemento 40 dielectrico.

De este modo, el conjunto, o la mayor parte, del volumen del elemento 40 dielectrico (tradicionalmente al menos un 80 % del volumen del dielectrico) esta situado en una zona en la que el campo electrico es bajo (tradicionalmente en +/- un 40% en torno a los mmimos de campo). El dielectrico 40 asf colocado perturba poco la cavidad, que funciona entonces en un modo convencional dual de tipo H-im

De este modo, conviene interpretar la expresion “sustancialmente en un plano perpendicular” y la expresion “el centro de dicho primer extremo esta dispuesto a una altura dentro de la cavidad que corresponde sustancialmente a unos mmimos del campo electrico” de manera amplia, es decir una localizacion en +/- 40 % de la posicion de los mmimos. En efecto, en esta posicion P1 el efecto buscado es una pequena perturbacion del campo electrico por el dielectrico colocado en una zona en la que el campo electrico es bajo.

El elemento 40 dielectrico y la cavidad 20 estan adaptados de modo que la primera posicion P1 corresponde a una geometna de resonador que resuena en modo dual en una primera frecuencia f1 central.

En la segunda posicion P2, despues de la rotacion alrededor del eje R, el elemento 40 dielectrico es sustancialmente paralelo a Z y su primer extremo E1 esta dispuesto en un plano que corresponde a unos maximos de campo electrico de aproximadamente +/- 30 %. La zona 41 que corresponde a los maximos +/- un 30 % esta sombreada en la figura 4b. Preferentemente, el primer extremo E1 esta situado en la zona proxima a los maximos mas cercana a los mmimos donde esta situado el dielectrico 40 en la primera posicion P1.

La zona 41 sombreada presenta una anchura A total en Z de:

A = (A/2N+30%) - (A/2N-30%) = 0,6 A/2N,

centrada en torno a unos maximos 22.

Se considera que esta zona corresponde a una zona en la que el campo E electrico presenta un valor suficientemente importante para ser perturbado por el elemento 40 dielectrico, que en la posicion P2 presenta una parte importante de su volumen en el interior de esta zona 41.

La perturbacion del campo provoca una modificacion de la frecuencia central del filtro 100. De este modo, el elemento 40 dielectrico y la cavidad 20 estan adaptados de modo que la segunda posicion P2 corresponde a una geometna de resonador que resuena en modo dual en una segunda frecuencia f2 central.

La rotacion del dielectrico 40 entre al menos dos posiciones P1 y P2 permite modificar la frecuencia central de resonancia del filtro 100 segun la invencion, en al menos dos valores f1 y f2, lo que esta adaptado para aplicaciones de tipo “salto de canal”.

De manera general, la forma del elemento 40 dielectrico, la posicion del eje R y el valor del angulo de rotacion entre las dos posiciones, se optimizan para permitir la resonancia del resonador R en un modo dual en al menos dos frecuencias f1 y f2 centrales, una primera frecuencia f1 que corresponde a un modo de cavidad poco perturbado por el dielectrico 40 en la posicion P1, una segunda frecuencia f2 que corresponde a un modo de cavidad perturbado por el dielectrico 40 en la posicion P2.

El dielectrico en la posicion P2 concentra el campo electrico, lo que reduce la frecuencia de resonancia. En efecto, de manera general la frecuencia de resonancia de un medio es inversamente proporcional a la rafz cuadrada de la permitividad (permitividad relativa er igual a 1 para el vado; y superior a 1 para un dielectrico). Dicho de otro modo, la onda electromagnetica se propaga menos rapido en un medio muy dielectrico: para una misma duracion esta recorre menos distancia en un dielectrico que en el vado para una misma frecuencia. Por lo tanto, cuanto mas alta es la permitividad mas pequeno es el sistema (o a dimensiones iguales, mas baja es la frecuencia).

La cavidad del filtro segun la invencion esta compuesta por aire (er = 1,00) y por dielectrico (er tradicionalmente de entre 10 y 40). Existe, por lo tanto, una permitividad efectiva comprendida entre ambos. Esta permitividad efectiva depende del modo utilizado, y de la posicion del dielectrico dentro de la cavidad. De este modo, la permitividad efectiva es mas baja para el modo poco perturbado que para el modo perturbado. En efecto, en el segundo caso el dielectrico esta colocado esencialmente en la zona en la que el campo es fuerte (en la proximidad de unos maximos de campo electrico), impacta con fuerza lo que genera un aumento de la permitividad efectiva (por lo tanto, una reduccion de la frecuencia).

En una utilizacion clasica de un filtro segun un modo dual, la permitividad relativa es constante. Un filtro dual agil en frecuencia se realiza clasicamente utilizando una tapa movil que reduce el volumen de la cavidad, y por lo tanto hace que aumente la frecuencia de resonancia.

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De este modo, un filtro 100 segun la invencion presenta numerosas ventajas. El filtro es a la vez “dual”, con todas las ventajas asociadas como la compacidad, y sintonizable. Los rendimientos de RF no se ven sustancialmente degradados por el cambio de frecuencia y el factor Q de calidad tampoco se ve sustancialmente degradado. En efecto, las perdidas del filtro tienen varios ongenes:

1/ metalicas (paredes de la cavidad, mas fuerte cuanto mas cerca de las paredes esta el campo fuerte)

2/ dielectricas (mas fuerte cuando el campo fuerte esta localizado en el dielectrico).

En el estado poco perturbado, el campo esta poco concentrado en el dielectrico y esta relativamente cerca de las paredes. En el estado perturbado, esta un poco mas concentrado, tradicionalmente alrededor del dielectrico. Por lo tanto, en el estado perturbado, hay mas perdidas dielectricas, pero al ser atrafdo el campo por el dielectrico, se aleja de las paredes, lo que induce una reduccion de las perdidas metalicas.

La forma del dielectrico esta optimizada para que las perdidas sean lo mas pequenas posibles en ambos casos. La variacion es en todos los casos muy pequena comparada con las soluciones que utilizan elementos de sintonizacion como los diodos o los MEMS.

Tradicionalmente, para un filtro segun la invencion, se obtiene un factor Q > 10.000.

Ademas, presenta una banda estrecha (vease mas adelante un ejemplo de rendimiento en funcion de la frecuencia). Ademas, el filtro es capaz de soportar una senal de microondas de alta potencia, tradicionalmente superior a 150 W. Estos niveles de capacidad de potencia son imposibles de considerar con unos componentes semiconductores o unos MEMS. Algunas formas de realizacion presentan la ventaja de simplificar el diseno y la optimizacion del filtro. En un primer ejemplo ilustrado en la figura 5, el eje R de rotacion es concurrente con el eje Z, esta situado en una abscisa z que corresponde a unos mmimos de campo electrico, aqu A/2 en el modo preferente H112, N = 2 y esta en un eje X que corresponde a un eje Px de polarizacion del modo dual. Segun una forma de realizacion, el eje R de rotacion es perpendicular al eje Z.

Las figuras 5a y 5b corresponden a la posicion P1, las figuras 5c y 5d corresponden a la posicion P2. Las figuras 5c y 5d corresponden a una seccion transversal en el plano YZ, las figuras 5b y 5d corresponden a una seccion transversal en el plano XZ.

Segun una forma de realizacion ilustrada en la figura 5, el angulo de rotacion en el eje R entre la primera posicion P1 y la segunda posicion P2 es sustancialmente igual a 90°.

Segun una forma de realizacion ilustrada en la figura 5, los medios de rotacion comprenden una varilla 50 en el eje R solidario con el elemento y que comprende un material dielectrico. Este sistema de varilla permite reconfigurar el filtro, bien en vuelo (utilizando, por ejemplo, un motor paso a paso que controla la rotacion de la varilla y, por lo tanto, del elemento 40 dielectrico), o bien en tierra (flexibilidad operativa).

Segun una forma preferente tambien ilustrada en la figura 5, el elemento 40 dielectrico presenta una parte Pc central de forma alargada y al menos un extremo E1 que presenta una seccion Se superior a una seccion Sc de la parte central Pc. Esta forma particular de elemento dielectrico permite maximizar el efecto perturbador del dielectrico colocando el maximo de volumen, que corresponde al volumen del extremo E1, en la zona 41 en la posicion P2.

En los modos Hun, el campo electrico se concentra en la proximidad del eje Z. La forma del dielectrico, con el fin de perturbar el campo debe, por lo tanto, optimizarse de forma preferente para que en la posicion P2 un volumen importante de extremo dielectrico este localizado en la proximidad del eje Z.

De manera general, para un correcto funcionamiento del filtro en modo dual, el elemento 40 dielectrico en la segunda posicion P2 presenta una forma de modo que el volumen atravesado por una polarizacion, por ejemplo Px, es sustancialmente identico al volumen atravesado por la polarizacion Py ortogonal. Esta condicion debe cumplirse para la parte del volumen del elemento 40 dielectrico situada en la zona en la que el campo electrico es maximo, esto es tradicionalmente en la zona 41, ya que es principalmente en esta zona 41 en la que el campo electrico esta perturbado por la presencia del dielectrico 40.

Esta condicion se da, por ejemplo, cuando el extremo E1 del elemento 40 presenta en la segunda posicion una forma tal que es invariante por rotacion de 90° alrededor del eje Z.

La forma cuadrada del extremo E1 del elemento 40 de la figura 5 presenta esta propiedad.

La parte central alargada puede tambien, llegado el caso, presentar este tipo de propiedad (por ejemplo, una parte alargada cuadrada o circular).

Del mismo modo, una forma en L del extremo E1 del elemento 40 ilustrado en la figura 6 (vista desde arriba) verifica esta propiedad de invariancia por rotacion de 90°.

Tambien se da la condicion cuando la forma del elemento 40 comprende dos planos de simetna ortogonales, coincidiendo cada plano de simetna con un plano que comprende un eje de polarizacion y el eje Z, cuando el elemento 40 esta en la segunda posicion P2:

Planos de simetna: PxZ y PyZ, Px y Py ejes de polarizacion del modo dual (X e Y en las figuras 5 y 6).

La figura 7 ilustra un elemento 40 dielectrico cuyo extremo presenta una forma en cruz (vista desde arriba), que presenta a la vez los dos planos de simetna ortogonales anteriores y una invariancia por rotacion de 90° alrededor de Z en la posicion P2.

Por motivos de tamano, puede no ser posible colocar el eje R de rotacion concurrente con el eje Z, y el eje R se desplaza, por lo tanto, lateralmente, como se ilustra en la figura 8. En este caso, el elemento 40 dielectrico presenta una parte Pc central tambien desplazada. Con el fin de igualar el volumen atravesado por las dos polarizaciones Px y Py en la segunda posicion P2, principalmente en la zona 41 en la que el campo electrico presenta unos maximos,

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

el extremo E1 se centra en el eje Z y puede presentar las anteriores propiedades con respecto a este eje Z.

La condicion anterior, segun la cual el volumen de dielectrico atravesado, especialmente en la zona 41, es preferentemente identico para las dos polarizaciones, se entiende de manera global. Se puede introducir una ligera disimetna, por ejemplo desplazando y modificando la forma cuadrada inicial en un rectangulo, como se ilustra con una lmea 80 de puntos en la figura 8. Esta disimetna permite, en combinacion con o en sustitucion de los tornillos metalicos a 45°, acoplar las polarizaciones entre st Tradicionalmente, una modificacion de las dimensiones del orden de entre un 1 % y un 5 % puede realizar el acoplamiento. Esta disimetrizacion del volumen del elemento en la zona 41 es, por supuesto, compatible con cualquier forma de elemento 40 dielectrico.

Segun un segundo ejemplo ilustrado en la figura 9 (primera posicion P1 de la figura 9a y segunda posicion P2 de la figura 9b) el elemento 40 comprende un segundo extremo E2 de modo que en la primera posicion P1 el centro del segundo extremo E2 esta dispuesto a una altura dentro de la cavidad que corresponde sustancialmente a unos mmimos del campo electrico, en la segunda posicion P2 dicho segundo extremo E2 esta dispuesto en un plano que corresponde a unos maximos de campo electrico de aproximadamente +/- 30 %.

En esta forma de realizacion, cada uno de los extremos perturba el campo electrico en la posicion P2. Cada extremo esta situado en una zona 41 que corresponde a una altura en abscisa z igual al A definido con anterioridad. Esta forma de realizacion presenta la ventaja de realizar una perturbacion mayor que con un unico extremo, lo que permite una mayor excursion de frecuencia central y permite mantener una estructura simetrica con respecto al centro de la cavidad.

Se describe una variante de esta forma de realizacion en la figura 10 (figura 10a para la posicion P1 y figura 10b para la posicion P2). El eje R es concurrente con Z, y el elemento 40 dielectrico presenta una parte central alargada cuyo eje esta situado en el plano perpendicular a Z que corresponde a un mmimo de campo electrico, aqrn de abscisa z = A/2 en la posicion P1, y una simetna con respecto a este plano. El extremo E1 presenta una seccion superior y es, por ejemplo, de forma cuadrada. En la posicion P2, se obtiene de este modo un elemento dielectrico que perturba mucho el campo electrico, con una gran parte del volumen del dielectrico 40 en una zona 41, estando el volumen del dielectrico ademas concentrado en la proximidad de Z en una zona 90 de concentracion.

La figura 11 ilustra una vista desde arriba del campo electrico, que esquematiza la variacion del campo en seccion en la proximidad de un maximo. La figura 11a corresponde a la polarizacion Px (en X) y la figura 1|i1b a la polarizacion Py (en Y). Cada polarizacion es maxima en su eje, y en el centro de la cavidad, y se reduce a medida que se aproxima a la pared circular. La distribucion del campo que corresponde a una polarizacion se deduce de la distribucion del campo que corresponde a la otra polarizacion mediante una rotacion de 90° alrededor de Z.

La figura 12 representa los valores del campo electrico dentro de la cavidad para el dielectrico en la posicion P1 (figura 12a) y en la posicion P2 (figura 12b) para una polarizacion. Los valores de maximo de campo estan concentrados en la zona 90 de concentracion.

La figura 13 ilustra un filtro 100 segun la invencion visto en perspectiva (figura 13a en la posicion P1 y figura 13b en la posicion P2), esquematizando la nube de puntos las zonas de maximo de campo. El filtro presenta, ademas, de manera clasica, unos medios respectivamente 111 de entrada y 112 de salida que permiten que la microonda respectivamente penetre y salga del filtro. La pared presenta una curva directriz igual a un cfrculo. El acoplamiento es aqrn lateral, pero el filtro segun la invencion es por supuesto compatible con un acoplamiento por el fondo.

En una variante, el filtro 100 comprende una pluralidad de resonadores y unos medios de acoplamiento adaptados para acoplar entre sf dos resonadores consecutivos.

La figura 14 (figura 14a en la posicion P1, figura 14b en la posicion P2) ilustra un filtro 100 que comprende dos resonadores R1 y R2 que comprenden cada uno una cavidad 131 y 133, y un elemento 130, 132 dielectrico, estando los resonadores acoplados entre sf utilizando un medio 101 de acoplamiento, aqrn un iris. Unos medios 111 de entrada y 112 de salida permiten que la microonda respectivamente penetre y salga del filtro. Unos tornillos 135 metalicos contribuyen al acoplamiento de las polarizaciones entre sf.

Cada resonador comprende una pared cilmdrica y el acoplamiento es lateral. Los elementos 130 y 132 dielectricos sucesivos estan alineados en un mismo eje y son solidarios con una misma varilla 50. Esta geometna presenta la ventaja de permitir el control del conjunto de las rotaciones de la pluralidad de elementos con un mismo elemento, la varilla.

De este modo, en una variante, el filtro segun la invencion comprende, ademas, unos medios de union para igualar las rotaciones respectivas de los medios de rotacion de los elementos dielectricos. De manera ventajosa, los medios de union comprenden la varilla 50 solidaria con una pluralidad de elementos 130, 132 dispuestos a lo largo de la varilla 50.

El filtro 100 de la figura 14 comprende dos cavidades, resonando cada una en dos polarizaciones, y de este modo constituye un filtro denominado “4 polos”.

Por supuesto, la invencion es compatible con 3 cavidades (o mas), que permiten obtener un ancho de banda mas estrecho. Segun una variante, se insertan unos elementos dielectricos adicionales, dispuestos en el interior de los medios 101 de acoplamiento entre las cavidades. Estos elementos dielectricos adicionales son solidarios con el medio de union, por ejemplo de la varilla 50, de modo que llevan a cabo una rotacion identica a la de los elementos 130 y 132 dielectricos. Estos presentan, ademas, una forma adaptada de modo que se garantice un acoplamiento optimo de los resonadores entre sf para las dos posiciones P1 y P2 de los elementos 130, 132 dielectricos. En una variante, cuando el eje de rotacion pasa al interior de los medios 111 de entrada y 112 de salida, se disponen unos elementos dielectricos adicionales en el interior de estos medios 111 y 112.

Se ilustra un ejemplo de comportamiento de frecuencias del filtro de la figura 14 en la figura 15 (figura 15a en la posicion P1, figura 15b en la posicion P2). El modo dual es de tipo H112 y los parametros del filtro de este ejemplo son:

Altura A: 35 mm; diametro del cilindro: 25 mm; elemento dielectrico de BMT (permitividad 24,7) de forma alargada, 5 dimension del extremo cuadrado: lado 4,8 mm x 4,9 mm y grosor 1,5 mm.

Las curvas 141 y 142 (lmea continua) corresponden a las curvas de tipo S11 (reflexion del filtro) y las curvas 143 y 144 (lmea de puntos) a las curvas de tipo S21 (transmision del filtro). Entre las dos posiciones P1 (f1 = 11.350 MHz) y P2 (f2 = 10.750 MHz) se comprueba una variacion de aproximadamente 600 MHz (un 6,5 % de la frecuencia de resonancia).

10 Los medios de rotacion tambien pueden comprender un motor paso a paso para controlar la rotacion de los elementos dielectricos, en el caso en el que debe llevarse a cabo una reconfiguracion del filtro en vuelo, por ejemplo.

La figura 16 describe una variante de la invencion segun la cual una grna de onda 150 acodada esta acoplada a los medios 111 de entrada para permitir a la vez la mezcla de la microonda y la salida de la varilla del filtro 100. La grna de onda esta atravesada por un orificio que permite que la varilla salga con el fin de controlarla en rotacion, por 15 ejemplo, mediante un motor paso a paso.

Segun otro aspecto, la invencion tiene por objeto un circuito de microondas que comprende al menos un filtro 100 segun la invencion.

Claims (16)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   40

   45

   50

   REIVINDICACIONES

   1. Filtro (100) de paso de banda para microonda, sintonizable en frecuencia, que comprende al menos un resonador

   (R),

   - comprendiendo cada resonador:

   * una cavidad (20) que presenta una pared (21) conductora sustancialmente cilmdrica en un eje Z que presenta una altura A, identificandose una posicion z en el eje Z mediante una abscisa z comprendida entre 0 y A, y estando al menos parcialmente cerrada en los dos extremos; y

   * al menos un elemento (40) dielectrico dispuesto en el interior de la cavidad,

   - resonando dicho resonador en un modo para el cual dos polarizaciones (Px, Py) perpendiculares presentan respectivamente unas distribuciones del campo electromagnetico en la cavidad que se deducen la una de la otra mediante una rotacion de 90°;

   - presentando dicho modo en dicha cavidad N maximos (22) y N+1 mmimos (23) de campo electrico sustancialmente situados en un plano perpendicular al eje Z, correspondiendo los dos extremos del cilindro respectivamente de las abscisas z = 0 y z = Aa los mmimos de campo electrico, estando unos mmimos y unos maximos sucesivos separados por una distancia de separacion A/2N,

   caracterizado porque comprende:

   - unos medios de rotacion adaptados para hacer que dicho elemento gire en un eje R sustancialmente perpendicular al eje Z, entre al menos una primera posicion (P1) y una segunda posicion (P2);

   - comprendiendo dicho elemento al menos un primer extremo (E1) de modo que:

   * en una primera posicion (P1) dicho elemento esta sustancialmente dispuesto en un plano perpendicular al eje Z y el centro de dicho primer extremo (E1) esta dispuesto a una altura dentro de la cavidad que corresponde sustancialmente a unos mmimos del campo electrico;

   * en una segunda posicion (P2) dicho elemento es sustancialmente paralelo a Z y dicho primer extremo (E1) esta dispuesto en un plano que corresponde a unos maximos de campo electrico de aproximadamente +/- 30 %.
2. 2. Filtro segun la reivindicacion 1 en el que dicho elemento (40) dielectrico presenta una parte (Pc) central de forma alargada y un primer extremo (E1) que presenta una seccion (Se) superior a una seccion (Sc) de la parte central.
3. 3. Filtro segun una de las reivindicaciones anteriores en el que dicho elemento en la segunda posicion (P2) presenta una forma de modo que el volumen atravesado por una polarizacion (Px, Py) es sustancialmente identico al volumen atravesado por la polarizacion (Py, Px) ortogonal.
4. 4. Filtro segun una de las reivindicaciones anteriores en el que dicho elemento en la segunda posicion (P2) presenta una forma tal que es invariante por rotacion de 90° alrededor del eje Z.
5. 5. Filtro segun una de las reivindicaciones anteriores en el que la forma del elemento (40) comprende dos planos de simetna ortogonales, un plano de simetna que coincide con un plano que comprende un eje (Px, Py) de polarizacion y el eje Z, cuando el elemento (40) esta en la segunda posicion (P2).
6. 6. Filtro segun una de las reivindicaciones anteriores en el que dicho elemento comprende un segundo extremo (E2) de modo que:

   * en la primera posicion (P1) el centro de dicho segundo extremo (E2) esta dispuesto a una altura dentro de la cavidad que corresponde sustancialmente a unos mmimos del campo electrico;

   * en la segunda posicion (P2) dicho segundo extremo (E2) esta dispuesto en un plano que corresponde a unos maximos de campo electrico de aproximadamente +/- 30 %.
7. 7. Filtro segun una de las reivindicaciones anteriores en el que dicha pared sustancialmente cilmdrica presenta una curva directriz seleccionada entre un cfrculo y un cuadrado.
8. 8. Filtro segun una de las reivindicaciones anteriores en el que el angulo de rotacion en el eje R entre la primera posicion (P1) y la segunda posicion (P2) es sustancialmente igual a 90°.
9. 9. Filtro segun una de las reivindicaciones anteriores en el que el eje R de rotacion es concurrente con el eje Z.
10. 10. Filtro segun una de las reivindicaciones anteriores en el que el eje de rotacion esta situado en una abscisa z que corresponde a unos mmimos de campo electrico.
11. 11. Filtro segun una de las reivindicaciones anteriores en el que dichos medios de rotacion comprenden una varilla (50) en el eje R solidario con el elemento y que comprende un material dielectrico.
12. 12. Filtro segun una de las reivindicaciones anteriores en el que N = 2.
13. 13. Filtro segun una de las reivindicaciones anteriores que comprende una pluralidad de resonadores (R1, R2) y unos medios (101) de acoplamiento adaptados para acoplar entre sf dos resonadores consecutivos.
14. 14. Filtro segun la reivindicacion 13 que comprende, ademas, unos medios de union adaptados para igualar las 5 rotaciones respectivas de los medios de rotacion de los resonadores.
15. 15. Filtro segun la reivindicacion 14 en el que los medios de union comprenden dicha varilla (50) solidaria con una pluralidad de elementos dispuestos a lo largo de la varilla.
16. 16. Filtro segun las reivindicaciones 14 a 15 que comprende, ademas, unos elementos dielectricos adicionales dispuestos en el interior de los medios (101) de acoplamiento y solidarios con los medios (50) de union.

    10 17. Circuito de microondas que comprende al menos un filtro segun una de las reivindicaciones anteriores.