Filtro paso banda no recíproco usando resonadores microstrip modulados en el tiempo

Abstract

RESUMEN: En la actualidad los componentes no-recíprocos son muy importantes en numerosos sistemas de RF y microondas. Dichos componentes suelen fabricarse con materiales magnéticos como la ferrita, los cuales son pesados y voluminosos, es por ello que en ocasiones se colocan fuera del resto de los componentes del circuito, impidiendo así, crear un circuito totalmente integrado. Este Trabajo Fin de Máster tiene como objetivo el estudio y mejora de un filtro paso banda no-recíproco a 1 GHz implementado en [1]. Dicho filtro presenta un comportamiento claramente no-reciproco ya que sus parámetros S21 y S12 son muy diferentes, para conseguir la no reciprocidad se incluye a su estructura formada por tres anillos resonadores, una modulación temporal, consiguiendo así variar el parámetro S12 del filtro drásticamente, de tal forma que difiera lo máximo posible del S21. En primer lugar, se realizan distintas simulaciones con el programa ADS (Advance Design System) de Keysight. Se verifica su correcto funcionamiento tanto en su comportamiento recíproco, como no recíproco y se ajustan sus diferentes parámetros para conseguir un resultado lo más parecido posible al conseguido en [1]. Para simular el comportamiento reciproco se realiza una simulación de parámetros S en los puertos de RF. Para simular el comportamiento no-recíproco, se utiliza un procedimiento para representar los parámetros S a partir de un análisis de balance armónico. Se realizan también ciertas simulaciones para obtener el P1dB y el IP3 del filtro, pudiendo así conocer las características de las señales que se pueden utilizar con este filtro. Conociendo la estructura y comportamiento del filtro, se realiza el diseño del layout en el substrato ROGERS 4003c para implementar un prototipo del filtro, con componentes de montaje superficial. Se colocarán conectores SMA en los diferentes puertos para incluir tanto las modulaciones como las señales de RF. Posteriormente, se detalla el proceso llevado a cabo para realizar las diferentes medidas, los instrumentos de laboratorio utilizados para llevarlas a cabo, así como la configuración de cada uno de ellos. Se realizan las mismas medidas que se han implementado en las simulaciones, para así comprobar si se aproximan a las detalladas en las simulaciones y en [1]. Por último, se procederá a mejorar el diseño del filtro incluyendo ciertas modificaciones. Las modificaciones se implementan en primer lugar en simulación, para poder así, variar los parámetros del filtro fácilmente. Una vez se consiguen unos buenos resultados, se fabrica un nuevo prototipo del filtro y se verifican las mejoras introducidas.

ABSTRACT: Nowadays non-reciprocal components are very important in a lot of RF and microwaves systems.These components are usually made with magnetic materials such as ferrite, which are heavy and bulky, for this reason, they are sometimes be outside the rest of the components of the circuit, thus preventing a fully integrated circuit. This Master’s Project aims to study and improve a 1 GHz non-reciprocal bandpass filter implemented in [1]. The filter presents a non-reciprocal behaviour because the parameters S21 and S12 are very different, to achieve non-reciprocity, a temporal modulation is included in the structure formed by three resonator rings. The structure modulation can alter the S12 parameter, doing it differs as much as possible from the S21. Firstly, different simulation are done with Keysight’s program, ADS (Advance Design System) . Its correct operation is verified both in its reciprocal and non-reciprocal behavior and its different parameters are adjusted to achieve a result as similar as possible to the one obtained in [1]. To simulate the reciprocal behavior, a S parameters simulation is performed on the RF ports. To simulate the non-reciprocal behavior, a procedure is used to represent the S parameters from a harmonic balance analysis. Certain simulations are also do to obtain the P1dB and the IP3 of the filter, it being able to know the signals characteristics that can be used with this filter. Knowing the filter structure and behavior , the design of the layout is made in the RO GERS 4003c substrate to implement a prototype of the filter with components of Surface mount. SMA connectors will be placed in the different ports to include modulations and RF signals. Secondly, the process to carry out the different measurements, the laboratory instruments used to subsequently carry them out, as well as the configuration of each of them are detailed. The same measurements that have been implemented in the simulations are carried out, in order to check if they are similar to those detailed in the simulations and in [1]. Finally, the filter design will be improved including some modifications. The modifications are first implemented in simulation, in order to easily change the filter parameters. When results being good, a new prototype of the filter is manufactured and the improvements are verified.