Techniques for loss reduction in waveguide filters

Resumo

El trabajo presentado en esta tesis está estructurado de forma minuciosa para conseguir el objetivo final: la búsqueda de técnicas para la reducción de pérdidas en filtros guía onda de cavidades acopladas de forma directa a través de optimización geométrica. Para la consecución de este objetivo han de llevarse a cabo varias tareas. En primer lugar, se ha llevado a cabo una evaluación de una nueva tecnología llamada fundido selectivo por láser (o en inglés selective laser melting o SLM) que es capaz de construir geometrías extremadamente complejas para la fabricación de filtros guía onda con geometrías optimizadas. Varios prototipos de dos diseños diferentes han sido fabricados en dos materiales distintos (aluminio y titanio): un filtro con geometrías rectangulares tomado como referencia y un filtro con geometrías optimizadas. Los filtros fabricados en aluminio resultan tener una mayor rugosidad superficial que los fabricados en titanio. No se ha podido establecer un valor claro de tolerancia ya que se ha obtenido cifras de entre 50µm y 140µm que dependen fuertemente de la dirección de fabricación de la pieza. Se ha aplicado un tratamiento de pulido químico en dos de los filtros hechos de titanio. Las respuestas de estos filtros tras el pulido muestran una gran reducción de pérdidas si se comparan con sus respuestas antes de ser pulidos (alrededor de 40% menos). Además, el ancho de banda de los filtros aumenta y la frecuencia de resonancia se desplaza unos 50MHz hacia frecuencias más bajas. Paralelamente se ha llevado a cabo un intento de plateado de uno de los filtros optimizados. Las pérdidas de inserción de dicho filtro se han visto reducidas en aproximadamente un 65% gracias a la mejora en conductividad del material. Por otro lado, un resultado sorprendente obtenido durante el desarrollo del presente trabajo es que la sensibilidad a tolerancias de fabricación de los filtros con geometrías optimizadas es menor que la de los filtros con geometrías rectangulares. El siguiente paso ha sido encontrar un método estructurado de optimización que pueda ser aplicado a segmentos de un filtro, resultando en una reducción efectiva de las pérdidas de inserción del filtro final. Es por ello que se ha derivado un circuito equivalente que tiene en cuenta de forma precisa las pérdidas debido a los resonadores y estructuras de acoplo. La teoría se ha aplicado de forma satisfactoria a dos filtros guía onda: un filtro de primer orden con sólo una cavidad y acoplos externos y un filtro de orden cinco con irises parabólicos. Tanto el ancho de banda, la frecuencia central y las pérdidas de inserción obtenidas mediante el nuevo circuito equivalente y mediante simulación de onda completa coinciden perfectamente. La teoría ha sido aplicada a la optimización de la respuesta de una gran variedad de filtros, evitando así el uso de simulaciones de onda completa. También se ha hecho análisis de tolerancia de filtros de geometrías arbitrarias incluyendo pérdidas tanto en resonadores como en estructuras de acoplo. Posteriormente se ha obtenido un parámetro del circuito equivalente Qeff para ambos tipos de acoplos (tanto internos como externos) que puede ser usado como función objetivo en la optimización de las distintas partes segmentadas del filtro. El Qeff representa las pérdidas debido a las estructuras de acoplo de forma precisa, independientemente de sus geometrías. Por lo tanto, una mejora del Qeff en este nivel conlleva una reducción de las pérdidas de inserción finales del filtro completo. Los factores de calidad efectivos de diferentes estructuras de acoplo con geometrías diversas como irises rectangulares, irises sinusoidales, ventanas circulares, ventanas circulares con forma sinusoidal a lo largo de la dirección de propagación, etc., han sido calculados y comparados entre ellos. El análisis muestra que, en general, estructuras de acoplo gruesas tienen menos pérdidas, pero a expensas de alargar el filtro final (en el caso del iris rectangular no pasa esto). Mientras que un incremento en el grosor de los acoplos conlleva reducción en pérdidas de entre un 4% y un 8%, el cambio a una geometría totalmente distinta podría mejorar el factor de calidad efectivo en más de un 12%. Aunque este trabajo no se centra en obtener una geometría óptima para filtros en guía onda de acoplos directos, se ha comprobado que es posible obtener una mejora de más de un 23% sobre el filtro de referencia si se usa geometrías redondeadas también en los resonadores. Se ha comprobado además, que los acoplos localizados en el centro del filtro contribuyen en mayor medida a las pérdidas totales de éste. Por lo tanto, en el caso de que otras restricciones como volumen y peso sean requisito, serán los acoplos centrales los primeros candidatos a tener en cuenta en la optimización. Para probar la teoría anterior se ha diseñado varios filtros que se recogen en dos conjuntos: el primer conjunto está compuesto por dos filtros de geometrías totalmente distintas, pero con el mismo factor de calidad efectivo en todos sus acoplos, mientras que el segundo conjunto se compone de filtros de diferentes geometrías y distintos factores de calidad efectivos en sus acoplos. Los resultados de la simulación de onda completa de los filtros del primer conjunto muestran básicamente las mismas pérdidas de inserción en ambos filtros. En cuanto a los filtros del segundo conjunto, la simulación de onda completa muestra mayores pérdidas de inserción en aquellos filtros que poseen menores factores de calidad efectivos en sus acoplos. El diseño de filtros de geometrías optimizadas requiere un estudio por separado. En este trabajo se propone un nuevo método de diseño para este tipo de filtros. Se ha observado que las geometrías optimizadas de los acoplos modifican el parámetro de pendiente de reactancia o susceptancia de los resonadores adyacentes, lo que lleva a errores en el diseño final de los filtros (respuestas con anchos de banda que difieren de lo deseado y pérdidas de retorno no ajustadas perfectamente). Esto implicaría la necesidad de optimizar dichos filtros usando simuladores de onda completa, lo que resultaría en largos tiempos de simulación. En este trabajo se propone un nuevo proceso iterativo para el diseño de este tipo de filtros que evita el uso excesivo de simuladores de onda completa. El proceso comienza con un filtro diseñado a partir de la teoría tradicional y calcula cómo cada acoplo afecta al parámetro de pendiente de los resonadores. Con esta información, es posible calcular el parámetro de pendiente de un resonador corregido por la influencia de los acoplos adyacentes. Mediante la teoría tradicional y usando el parámetro de pendiente corregido, se consigue, finalmente, diseñar el filtro sin errores. Al final de este capítulo se muestra el diseño de tres filtros mediante la teoría tradicional y mediante la nueva teoría, con la que se consigue corregir desviaciones de hasta un 10% en ancho de banda.