Diseño innovador de filtro de paso de banda de doble banda

Los sistemas de comunicación modernos a menudo utilizan filtros de paso de banda de doble banda para aislar diferentes bandas operativas en la misma red. Las dimensiones de diseño tradicionales de dichos filtros son relativamente grandes y requieren una red combinada adicional para los dos filtros. Sin embargo, el método de diseño de filtro de paso de banda de doble banda discutido en detalle en este documento se puede hacer muy pequeño. Su estructura es relativamente simple, que consta de dos resonadores espirales divididos asimétricos (ASSR) en cascada con una línea de microstrip. Debido a la geometría espiral inherente del ASSR, el ASSR se puede incrustar completamente en la línea de microstrip, por lo que el tamaño de diseño final puede minimizarse. Este documento también analiza más a fondo este diseño innovador y valida este enfoque de diseño con un par de prototipos. Los dos filtros de doble banda operan entre 1.16 GHz y 1.84 GHz y entre 1.80 GHz y 2.45 GHz, respectivamente.

La industria ha hecho muchos esfuerzos para miniaturizar el filtro de paso de banda de doble banda. Por ejemplo, un filtro de acoplamiento cruzado es una solución relativamente eficiente. En este método de diseño, se utiliza un resonador isométrico de anillo dividido con características de respuesta de frecuencia de resonancia dual como base para el diseño del filtro. En un ejemplo, se sintetiza un filtro de paso de banda de doble banda cruzado utilizando cuatro resonadores, y las posiciones relativas de estos resonadores deben ajustarse cuidadosamente para obtener un coeficiente de acoplamiento adecuado. Desafortunadamente, el uso de cuatro resonadores da como resultado un rendimiento reducido de la pérdida de inserción y la dificultad de lograr dimensiones compactas (especialmente dimensiones transversales).

Otro enfoque es utilizar un resonador de circuito abierto y un trozo abierto paralelo como base para el diseño de un filtro de paso de banda de doble banda compacto. Diseñados y fabricados aquí hay tres filtros de doble banda optimizados para el rechazo fuera de banda. En estos prototipos, la segunda banda de paso se puede controlar ajustando la posición y la longitud de un trozo abierto paralelo particular. También hay un filtro de paso de banda de doble banda microplanar basado en un resonador de impedancia escalonada (SIR). La respuesta de doble banda de este filtro depende de los principales parámetros geométricos del SIR, mientras que el tamaño compacto se logra integrando el SIR en forma de U con el último mecanismo de acoplamiento. También se implementa un filtro de paso de banda de doble banda en miniatura utilizando una estructura de acoplamiento combinada de SIR de longitud de onda corta y abierta. En resumen, estos diferentes métodos de diseño de filtros de doble banda se basan en una unidad básica con un modo resonante dual.

Este artículo proporciona diferentes métodos de diseño para crear filtros de paso de banda de doble banda compactos. En este nuevo enfoque, el filtro consta de dos ASSR en cascada conectados por líneas de microstrip. Estos ASSR son una versión mejorada de una unidad de resonador de hélice doble de plano único y un resonador de espiral de tipo dividido simétrico. Debido a su geometría especial, esta ASSR puede integrarse completamente en la línea de alimentación de microstrip para formar directamente el componente correspondiente con una dimensión transversal compacta. En general, ASSR es una unidad de paso de banda que funciona por acoplamiento electromagnético (EM). En el diseño actual, la primera banda de pase depende de la banda de paso inherente de la ASSR, mientras que la segunda banda de pase se crea mediante una combinación de una red de impedancia igual de ASSR y líneas de microstrip conectadas. Por lo tanto, la segunda banda de pase se puede ajustar independientemente de la primera banda de paso utilizando la longitud de la línea de microstrip conectada como un parámetro variable. Esta conclusión también se verificará mediante el análisis del modelo de circuito.

Según este análisis, diseñamos y fabricamos dos filtros de paso de banda de doble banda diferentes para demostrar la efectividad del análisis. Según nuestro conocimiento, estos filtros de paso de banda de doble banda son los filtros más estrechos reportados en toda la literatura hasta la fecha debido a sus dimensiones transversales particularmente compactas.

Figura 1: El diseño muestra ASSR (A) y el filtro de paso de banda de doble banda recomendado (B). Este filtro utiliza un par de ASSR y una línea de transmisión de microstrip conectada a él.

La Figura 1 muestra el diseño ASSR (a) y el filtro recomendado (b) utilizado en este filtro de paso de banda de doble banda. Cada ASSR consta de dos patrones espirales rectangulares asimétricos separados. Debido a la geometría rotacional de la hélice rectangular, una unidad dada puede estar completamente incrustada dentro de la línea de microstrip, lo que resulta en una dimensión transversal particularmente compacta. Por lo tanto, la banda ancha ASSR W1 permanece sin cambios a 4,6 mm, que es equivalente al ancho de una línea de microstrip de 50Ω fabricada en el sustrato de circuito impreso (PCB) RT/Duroid 5880 de Rogers. La constante dieléctrica relativa de este sustrato es 2.2. El grosor es de 1.5 mm. Estos valores de material también se utilizan para la simulación. Los valores para las dimensiones W3 y W4 son limitados debido a las limitaciones impuestas por las tolerancias de fabricación de circuitos (aproximadamente 0.1 mm a W1 = 4.6 mm). Para estos diseños de filtro de paso de banda de doble banda, aquí se utilizan los valores para W3 = 0.6 mm y W4 = 0.3 mm. En un modelo común de un filtro de línea de microstrip acoplado, estos valores admitirán las propiedades efectivas de paso de banda a través del acoplamiento electromagnético. Esta predicción se verificará mediante el método de análisis de parámetros de L1 (el parámetro de ajuste principal del filtro de paso de banda), y el resultado se muestra en la Fig. 2.