Diseño e implementación de nuevas estructuras de filtros de microondas empleando la técnica de fabricación aditiva

Zusammenfassung

Resumen de la Tesis: En los últimos años, diferentes ámbitos industriales han mostrado un creciente interés en los beneficios que la fabricación aditiva (comúnmente denominada impresión 3D) puede proporcionar a sus productos finales. La industria espacial no es una excepción, puesto que se puede encontrar una gran cantidad de artículos científicos y patentes sobre cómo la fabricación aditiva es aplicada al diseño de filtros de microondas, procedentes de grupos de investigación tanto de universidades como de empresas. En este contexto, la presente tesis es fruto de la colaboración entre nuestra universidad (UPCT, Cartagena, Murcia, España) y Thales Alenia Space (Tres Cantos, Madrid, España), con el objetivo principal de realizar un estudio detallado sobre las geometrías novedosas o disruptivas que pueden surgir de la aplicación de las tecnologías de impresión 3D al diseño de filtros en tecnología de guíaonda. En este proyecto de investigación, se estudian muchos aspectos sobre cómo jugar con las geometrías tradicionales con el propósito de conseguir mejoras sustanciales en las respuestas eléctricas de los filtros de microondas. El objetivo más importante de la tesis es generar estructuras de filtros novedosas que no se puedan fabricar con técnicas tradicionales, y por lo tanto sólo sea posible aplicar la impresión 3D, debido al alto grado de libertad geométrica aplicada a las cavidades o estructuras de los filtros. Para este fin, el proyecto de investigación se ha dividido en las siguientes etapas: - Para empezar, una revisión de la literatura científica es requerida, para explorar el estado del arte actual sobre el rendimiento obtenido en filtros de microondas fabricados mediante procesos aditivos. Estas técnicas han sido principalmente aplicadas para implementar físicamente filtros basados en guías de onda vacías y cavidades cargadas con dieléctricos, aunque se pueden encontrar algunos trabajos muy interesantes basados en tecnologías SIW. En algunos trabajos más recientes, se han empleado topologías de conexión muy originales para permitir la fabricación e implementación de topologías complejas, que han resultado en estructuras de filtros muy interesantes. - Una vez que el estado del arte se ha explorado, es necesario establecer una metodología de análisis para comparar el rendimiento de las cavidades propuestas en comparación con las geometrías estándar. Esta metodología se ha aplicado a diferentes geometrías propuestas, para probar y testar los resultados obtenidos, basadas en las cavidades rectangular y circular estándar. Los resultados muestran aplicaciones interesantes para el ingeniero de RF, puesto que la gran variedad de puntos intermedios entre los mejores y peores casos de rendimiento añaden un elevado grado de flexibilidad en el diseño de este tipo de dispositivos, haciendo posible la elección más precisa de la geometría de la cavidad para la aplicación requerida. El uso de las técnicas de diseño clásicas para filtros paso banda también es estudiado, mostrando ciertas limitaciones que surgen a raíz del uso de cavidades arbitrarias, puesto que determinadas estrategias de diseño sólo son válidas para geometrías de cavidades que cumplen ciertas características. Por ejemplo, cavidades que no muestren sección transversal constante a lo largo de la dirección de propagación sólo pueden ser diseñadas correctamente con ciertas técnicas de diseño. Para ilustrar la validez y la utilidad de estas estrategias de diseño, se han diseñado algunos filtros empleando las modificaciones geométricas propuestas, verificando los resultados obtenidos en términos de rendimiento eléctrico de la metodología inicial establecida. Una vez que el criterio para el análisis de cavidades con modelado geométrico es establecido, el trabajo de investigación se ha subdividido en diferentes líneas de investigación. - Una primera línea de investigación explorada consiste en emplear geometrías con cajeados estándar donde se introducen objetos metálicos de geometría arbitraria, resultando en configuraciones de resonadores con modos degenerados muy interesantes. Este tipo de geometrías son muy interesantes para ahorrar huella en los filtros de microondas, puesto que en el espacio de un solo resonador se pueden introducir dos resonancias ortogonales. La idea principal que se explora en este caso está dirigida a una fabricación híbrida, donde el cajeado metálico se fabrica con técnicas tradicionales y el obstáculo metálico se hace mediante una impresora 3D, con lo cual se consigue una geometría arbitraria que puede presentar mejoras interesantes desde el punto de vista eléctrico. En particular, se ha estudiado el uso de geometrías tipo toro, donde se ha encontrado un punto de operación dual-mode que permite un gran ahorro en términos de espacio y huella de los filtros diseñados. La geometría del torus, al ser fabricada con impresión 3D, permite introducir mecanismos para la sintonía de la frecuencia y acoplos de todos los elementos del filtro mediante protuberancias. La geometría propuesta es estudiada en detalle, acerca de cómo configurar las ventanas de acoplo y protuberancias en el toro para conseguir implementar diferentes topologías con esta estructura, que finalmente son ilustradas con la implementación de un cuarteto con dos ceros de transmisión reales en una estructura muy compacta. La fabricación de estas estructuras no ha sido llevada a cabo por motivos de tiempo, aunque se espera poder llevar a cabo como continuación en esta línea de investigación. - La aplicación del modelado geométrico a cavidades estándar se puede aplicar también en forma de curvaturas introducidas a los resonadores, de forma similar a cómo se genera un sólido de revolución. El estudio de estas geometrías parte del análisis de estructuras tipo toro completamente cerradas y vacías, donde se pueden ver los factores de calidad que se pueden conseguir con una huella reducida debido a la curvatura que se introduce en este tipo de geometrías. Las estructuras más interesantes se consiguen al emplear sectores de toro, que producen modos resonantes y factores de calidad similares a los de sus análogos en geometrías estándar. Con esta estrategia se consigue una redistribución de la huella del filtro, puesto que la huella en una dirección se reduce mientras se incrementa en la dirección ortogonal. Esto permite la optimización de la orientación de las cavidades del filtro desde un punto de vista de sistema y no sólo de respuesta eléctrica del filtro. Los resultados más interesantes obtenidos para este tipo de geometrías se derivan del prototipo impreso en 3D, mostrando resultados muy similares a los obtenidos en la etapa de diseño, validando la estrategia empleada en el diseño de este tipo de estructuras curvadas. - El estudio de filtros con resonadores en guía evanescente también admite diseños muy interesantes, donde se puede explotar el uso de materiales termoplásticos comerciales como por ejemplo el ABS, cuyas propiedades dieléctricas permiten la implementación de filtros con determinadas configuraciones. Los resultados de este estudio son especialmente interesantes dado el bajo coste en las implementaciones de filtros resultantes gracias al empleo del ABS como material dieléctrico. Aunque este material no es apto para aplicaciones donde las bajas pérdidas son un parámetro crítico, su maleabilidad para emplearse en impresoras 3D es muy útil, puesto que permite la implementación de topologías complejas debido a la facilidad de las técnicas aditivas para fabricar geometrías complicadas. Una de las estructuras estudiadas está basada en el uso de una pieza de plástico con perforaciones de aire, que permite resonancias dentro del dieléctrico mientras que los agujeros actúan como acoplamientos del filtro. Debido a los bajos costes de fabricación, se han probado diferentes piezas y configuraciones, lo que ha llevado a la extracción de una conclusión muy interesante, y es la posibilidad de emplear el mismo cajeado metálico para diferentes filtros, ya que el orden y el ancho de banda de estos filtros se puede cambiar modificando las dimensiones y geometría de las perforaciones de aire para la pieza. Ésta es una propiedad muy interesante desde el punto de vista industrial, puesto que, dentro de ciertas tolerancias, diferentes piezas se pueden probar hasta dar con unas dimensiones que cumplan las especificaciones requeridas por el sistema. - Por otro lado, el estudio de geometrías evanescentes introduciendo resonadores de poste metálico permite la introducción de elementos de modelado geométrico a las paredes de la guía de onda. Se han implementado filtros con anchura variable a lo largo del canal evanescente, controlada por diferentes variables, que permite modificar los acoplamientos entre los resonadores metálicos del canal evanescente, lo que ha resultado en menores distancias entre resonadores adyacentes y por lo tanto, una reducción de huella efectiva en este tipo de filtros. Dependiendo de la geometría para el resonador evanescente empleado, se pueden conseguir reducciones de hasta el 60% como la conseguida para los postes verticales. Esta característica hace a estos filtros especialmente útiles en comunicaciones espaciales, puesto que la superficie disponible para el sistema de comunicaciones útil es un recurso muy limitado. - En la etapa final de la tesis, se ha probado a introducir elementos de modelado geométrico al diseño de filtros paso bajo, introduciendo elementos inductivos a los inversores capacitivos típicamente empleados en el diseño de estos filtros. Debido a la complejidad introducida en estos componentes, la fabricación tradicional de estas estructuras se hace bastante tediosa, por lo que la impresión 3D puede solucionar los problemas de fabricación de una forma más sencilla. En este apartado, se ha buscado la introducción de ceros de transmisión para mejorar la selectividad de la banda de paso en las frecuencias de la banda rechazada cercanas a la frecuencia de corte del filtro. Una de las geometrías más exitosas que han surgido de la investigación consiste en el empleo de postes horizontales capacitivos junto con postes verticales, cuyas dimensiones permiten introducir resonancias que resultan en ceros de transmisión cuya frecuencia se puede controlar con las dimensiones del poste vertical, hasta conseguir una mejora significativa en las respuestas de dichos filtros.