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1
Análisis y Diseño de dispositivos en guía para
sistemas de comunicaciones
(2) Dpto. de Electromagnetismo y Teoría de CircuitosUniversidad Politécnica de Madrid
jmrm@etc.upm.es
(1) Escuela Politécnica Superior Universidad Autónoma de Madrid
Jorge A. Ruiz-Cruz (1) ,
José
R. Montejo
Garai
(2),
Jesús M. Rebollar Machain(2),
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 2
ÍÍNDICENDICE
I. Presentación del grupo y actividadesII. Motivación
III. Herramientas
de análisis
III.1. Análisis
de guías
homogéneas
III.2. Análisis
de discontinuidades
III.3. Análisis
de uniones
en guías
IV. Algunos
ejemplos
de dispositivos
diseñados
IV.1. Acopladores
IV.2. Polarizadores
IV.3. Ortomodos
IV.4. Filtros
IV.5. Diplexores, triplexores
y multiplexores
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 3
Dpto. de Ingeniería Informática, Universidad Autónoma de Madrid
Escuela Politécnica Superior, C/ Francisco Tomás y Valiente 11,
28049 Madrid, Spainwww.uam.es - www.ii.uam.es
I. I. PresentaciPresentacióónn
del del GrupoGrupo
y y ActividadesActividades
Dpto. de Electromagnetismo y Teoría de Circuitos, Universidad Politécnica de Madrid
E.T.S.I. Telecomunicación,Ciudad Universitaria s/n 28040 Madrid, Spain
www.upm.es -
www.etsit.upm.es
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 4
Resumen
de dispositivos
diseñados
para
sistemas
de comunicaciones
Transiciones de banda ancha.Polarizadores.Divisores de Potencia / Beam Forming Networks.Ortomodos (OMT).Ortomodo Septum.Acopladores:
-
Branch-line ( 4 y 6 puertas).-
Tipo
Riblet.Filtros
-
dual-mode, triple-mode.-
paso-bajo: corrugados, Zolotarev.-
Respuesta
Chebychev.-
Respuestas
elípticas.Diplexores (H-plane, E-plane).Triplexores (H-plane, E-plane).Manifold Multiplexers.
Circular, rectangular, elliptical, stripline and ridge waveguide implementations.
Ku
band
Beam
Forming
Network, HISPASAT 1A-B
satellite
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 5
Satélites
con componentes
diseñados
por
el grupo
MARS EXPRESS HISPASAT-1DSPAINSATAMAZONASTELEDESICHERSCHEL-PLANCKKOREASATARABSATASTRA 1MAMOSEUTELSALT W2AASTRA-3BHISPASAT 1E
HISPASAT 1A-BARTEMISHOT-BIRD 3SESATSTENTORINMARSATHOT-BIRD +HISPASAT 1CASTRA-1KSKY-BRIDGEEUROPE-STARROSETTANEWBIRDSYRACUSE
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 6
Ka band, diplexer for ARTEMIS satellite.Ku band, triplexer for HOT-BIRD 3 satellite.Ku band, triplexer for SESAT satellite.Ku band, diplexer for HOT-BIRD + satellite.Ku band, diplexer for HISPASAT 1-C satellite.Ku band, diplexer for ASTRA 1-K satellite.Ku band, T-division H-plane diplexer for EUROPE-STAR satellite.X band, T-division E-plane diplexer for ROSETTA satellite.Ku band, T-division E-plane diplexer for NEWBIRD satellite.Ku band, T-division H-plane diplexer for SYRACUSE satellite.Ku band, diplexer for HISPASAT 1-D satellite.Ka band, T-division asymmetric H-plane diplexer for PARATEK Co.Ku band, diplexer for AMAZONAS satellite.Ku band, diplexer for HERSCHEL-PLANCK satellites.
...
Diplexores
y triplexores
embarcados
en satélites
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 7
X band, elliptic filter for HERSCHEL-PLANCK satellites.X band, elliptic filter for KOREASAT satellite.Ku band, elliptic filter for ASTRA 1-M satellite.Ka band elliptic and self-equalized filter (prototype).
Ku band, three channels contiguous band, all-pole channel response (prototype).
Ku band, five channels contiguous band, all-pole channel response (prototype).
Filtros
elípticos
embarcados
en satélites
Manifold multiplexers
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 8
ÍÍNDICENDICE
I. Presentación
del grupo
y actividades
II. MotivaciónIII. Herramientas
de análisis
III.1. Análisis
de guías
homogéneas
III.2. Análisis
de discontinuidades
III.3. Análisis
de uniones
en guías
IV. Algunos
ejemplos
de dispositivos
diseñados
IV.1. Acopladores
IV.2. Polarizadores
IV.3. Ortomodos
IV.4. Filtros
IV.5. Diplexores, triplexores
y multiplexores
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 9
1V1 VTX≡
FrequencyBand
2: RXBand
1: TX
1H1 HTX≡
2V2 VRX≡
2H2 HRX≡
TE10
: V2
TE01
: H1
TE10
: V1
TE01
: H2
TEs11
: V1+V2
TEc11
: H1+H2
II. Motivación
Diplexer
OMTV2
H1V1
V2
H2
H1
V1
V2
H1
H2
H2
V1
Diplexer
To
antenna: V1,H1 (TX)
TX:
RX:
TX:
RX:From
antenna: V2,H2 (RX)
Waveguide antenna feed
system
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 10
Análisis: Elementos
básicosDiseño: Síntesis
circuital y optimización
de onda
completa
Filters
Orthomodes
(OMTs)
Waveguide junctions
(volume-type)
Waveguide steps and
N-furcations
Waveguides
Multiplexers
Couplers
CAD CAD parapara
dispositivosdispositivos
en en guguííaa
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 11
Examples of some volume-type waveguide junctions which can not be modeled as waveguide steps:
EjemplosEjemplos
de de unionesuniones
en en guguííaa
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 12
Generalized Scattering and Admittance MatricesGeneralized Scattering and Admittance Matrices
( )g
(1)
( )G
Sg
n
zg
( )nb g( )
na g
n
( )nv g
( )nig( ) ( )( , )ε μg g
In all the homogeneous ports of a waveguide junction, the field can be always described as:
Generalized Admittance Matrix (GAM)
Generalized Scattering Matrix (GSM)
-
The amplitudes of these series (which are not restricted to propagating modes) can be related by:
This is a key concept for the efficient analysis of waveguide circuits, because it allows to decompose a complex problem into the cascading of simpler structures
(as long as a method can be found to compute the GSM/GAM of its parts)
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 13
EjemploEjemplo
de de segmentacisegmentacióónn
y enlacey enlace
Segmentation example: steps and volume junctions
Rectangular waveguide section
Constituent building blocks from an analysis point of view (as well as for design)
By cascading the GSM/GAM’s
the global response is
obtained
(Boifot-type orthomode)
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 14
TTéécnicascnicas
de de ananáálisislisis
de de ondaonda
completacompleta
Técnicas numéricas
Técnicas Híbridas basadas en la segmentanción
- FEM, FDTD, TLM, MoL, MoM ...
- Geometrías y materiales arbitrarios
- La estructura es segmentada en diferentes regiones
-
Cada segmentación se analiza individualmente mediante la técnica más adecuada
Técnicas quasi-analíticas (ex.: Mode-Matching, BI-RME, IE-MoM)- Geometrías específicas
Muy versátiles
Compromiso
flexibilidad-
eficiencia
Muy eficientes
Puesto que nuestro objetivo es el diseño avanzado de dispositivos en guíaonda, nos centramos en las técnicas quasi-
analíticas, principalmente en métodos de Mode-Matching.
Técn
icas
de A
nális
is
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 15
I. Presentación
del grupo
y actividades
II. Motivación
III. Herramientas de análisisIII.1. Análisis
de guías
homogéneas
III.2. Análisis
de discontinuidades
III.3. Análisis
de uniones
en guías
IV. Algunos
ejemplos
de dispositivos
diseñados
IV.1. Acopladores
IV.2. Polarizadores
IV.3. Ortomodos
IV.4. Filtros
IV.5. Diplexores, triplexores
y multiplexores
ÍÍNDICENDICE
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 16
Generalized Transverse Resonance
Boundary Contour Mode-Matching
Classic problem dealt with many techniques (general numeric such as FEM, quasi-analytical such as BI-RME, etc..)
- Cross-section divided into regions
- Contour divided into segments
Formulación
del
problema
Some used methods in
the next designs
Separation of variables- when possible (rect, circ, coaxial, elipt.)
III.1. III.1. AnAnáálisislisis de de guguííasas homoghomogééneasneas
C=∂S=C0+C1+...+Cp+...+CP
σ= ∞
C0 C1
Cp(ε,μ)
S
n
z
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 17
xy
2 2 2( ) ( )k kxi yi ck kγ = −
cos
sin( ) ( )
k k k kxi xix xk k k k k k k k
i i yii
A e B e k y yγ γψ α β− + ⎧= + + +⎨
⎩∑
TEM
1, reg. 1
, reg.
, reg.
k
N
k
N
ψ
φ ψ
ψ
⎧⎪⎪⎪= ⎨⎪⎪⎪⎩
M
M
(1) (k) (N)
xkyk
Segmentation of the longitudinal component (hz/ez) for TE/TM modes and potential for TEM mode:
Field-Matching to obtain the transversal scattering matrix
Cascading to obtain the characteristic equation
-Cutoff wavenumbers
kc
-Amplitudes of the series A,B
Generalized Transverse Resonance (GTR) Generalized Transverse Resonance (GTR)
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 18
s
t
t
a
α
r
s
b
a
wr
a
b
ar
b
a
w
r
c
: amplitudes of the circular waves
: cutoff wavenumber
of the mode
Unknowns of the problem:
Φ is represented by a Fourier-Bessel series (sum of circular waves)
-
satisfy the differential eq.
-
the boundary conditions must be impossed
Boundary Contour ModeBoundary Contour Mode--Matching (BCMM)Matching (BCMM)
J. Ruiz-Cruz et al., ¨¨Eigenmodes
of waveguides using a BCMM method with an FFT scheme¨, Int. J. RFMiCAE, May 2005
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 19
Aw
(εw ,μw )
Ac
z
( )wib( )wia
( , )s pjb
( , )s pja
z
(w)
(s)
As,p
(εsp
,μsp
)
z=0
(w) (s)
,w c s pp
A A A= + ∑sa
sb
wa
wb
(Disc.)
S
(w) (s)
Modal series expansion in each waveguide
Discontinuity characterization: GSM
Discontinuity between homogeneous waveguides
-
Formulation covers N-furcations
and may approximate losses in good conductors (Leontovich)
-
Modal spectrum of the wgs. must be known analytically (rect., elip., ) or numerically (GTR,BCMM..)
-
Boundary conditions at z=0 are imposed by a Galerkin
method: inner products
III.2. III.2. AnAnáálisislisis de de discontinuidadesdiscontinuidades en en guguííaa
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 20
z
(m)
zmzm-1z
Enlace de Enlace de discontinuidadesdiscontinuidades
en en guguííaa
(Disc.)
S
(Disc.)
S
(Disc.)
SStot
Each discontinuity is characterized by its GSM
The GSM computation requires to compute the inner products between the modes of the waveguides of the step
Modular approach: overall
response of
the
problem
is
obtained
by cascading
the
individual GSM’s
of
its
constituient
parts
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 21
-
Ridge wg. bifurcation
-
Stripline
bifurcation
-
Coax to rectangular waveguide transition-
H-plane filter -
Ridge to coax transition
AlgunosAlgunos
ejemplosejemplos
de de discontinuidadesdiscontinuidades
en en guguííaa caracterizadoscaracterizados
mediantemediante
ModeMode--Matching (MM)Matching (MM)
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 22
zplane
xz
plane
yz
yz-planes
Wg. cross-sections
along
x
IIIIII
IV
I II III IV
Xy-planes
IIIIIIIV
Wg. cross-sections
along
z
...z
plane
xz
plane
yz
III
III
IVV V
x
...z
x
zx y
1)
2)
Total EM field: essentially transversal to x (contained in yz-planes)
ModeloModelo
de un de un filtrofiltro
interdigitalinterdigital
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 23
12 13 14 15 16 17 18-25
-20
-15
-10
-5
0
(dB
)
F re que ncy (GHz)
MMHFS S
|S11|
|S21|
4.8
1.1
3.3 1.62
3.95
7.9SMA
zCoax
CoaxRec Ridge
Rec
z
Ejemplo: Transición Coaxial guía rectangular.
EjemploEjemplo
NumNumééricorico
-
Three steps between coaxial, coaxial with rectangular enclosure, ridge waveguide and rectangular waveguide
J. Ruiz-Cruz et al., ¨Mode-matching analysis of a coaxial-to-stripline
discontinuity applied to the modelling
of a coaxial probe¨, APS 2004
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 24
(1)( )G
( )VSσ
n
n
( ), ( )r rε μ
Sσ
( )g
Ag
1( ... ... )V GS V S A A Aσ= ∂ = + + + + +g
zg
( )nb g( )
na g
( )nv g
( )nig
Aλˆλz
( )λ
( )τAτ
ˆτz
GAM computation:
b) The excited H-field at port τ
is tested by the electric field of mode m to provide the GAM component:
a) All the ports are short-circuited, except λ, where the electric field of mode q is imposed. This
excites an EM field within V
III.3. III.3. AnAnáálisislisis de de unionesuniones en en guguííaa
The natural characterization of these problems is based on the GAM
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 25
z
y
x
z
2 (1)1R (1)
2R
(2)1R
(2)2R
( 1)λ =
( 2)λ =
1
1z1 0z =
2z
2 0z =
1A
2A
y
,ε μ
,ε μExample of GAM computation in a
bend with an inner obstacle
Steps and regions to compute the GAM:
All the partial problems
are made up of steps between homogeneous waveguides: MM is a suitable method to deal with these partial problems
GAM de GAM de unionesuniones
paralepipparalepipéédicasdicas
(GAM(GAM--GC)GC)
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 26
12
xy
t3
aa
t1 t2 t3
h1
h2
h3
t4
rb
b
t1 b
b
b
t2
h12
3 4
x
y1
23
45
xy
r
g
t1t2
1
23a
a
Ag
A1 A2
V
Sσ
Sσρ
ϕx
yz
Ag
A1 A2
V
Sσ
Sσρ
ϕx
yz
GAM de GAM de unionesuniones
arbitrariasarbitrarias
mediantemediante
BCMMBCMM
Geometries of some cylindrical problems solved by this method:
It is based on expanding the field within the junction in a series of cylindrical waves with unknown amplitudes, which must be matched with the modal series at the ports.
J. Ruiz-Cruz et al., ¨An Efficient BCMM of H-
and E-
Plane Junctions by a Fast Fourier Transform Algorithm¨, IEE PMAP, Oct 2003J. Ruiz-Cruz et al., ¨Analysis of waveguide junctions by the Boundary Contour Mode-Matching Method with segmented regions¨, APS 2003
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 27
I. Presentación
del grupo
y actividades
II. Motivación
III. Herramientas
de análisis
III.1. Análisis
de guías
homogéneas
III.2. Análisis
de discontinuidades
III.3. Análisis
de uniones
en guías
IV. Algunos ejemplos de dispositivos diseñadosIV.1. Acopladores
IV.2. Polarizadores
IV.3. Ortomodos
IV.4. Filtros
IV.5. Diplexores, triplexores
y multiplexores
ÍÍNDICENDICE
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 28
Geometric dimensions of the device EM Analysis S matrix of
the device
Cost function computation
(Comparison with circuit)
Dimensions update by the optimization algorithm
Specifications
Loop until desired response is achieved
Circuit design (Approximation theory
+circuit synthesis)
Example: Filter specifications
Center Frequency 11.8 GHz
100 MHz
≥ 20 dB
≥ 15 dB
Bandwidth
In-band Return loss
Out-of-band rejection
IV. Diseño de dispositivos en guía
Ejemplo de un proceso de diseño:
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 29
18 18.2 18.4 18.6 18.8 19 19.2 19.4 19.6 19.8 20-50
-45
-40
-35
-30
-25
-20BCMM-FFTMeasurement
Frequency (GHz)
|Sij|
(dB)
Frequency (GHz)
|Sij|
(dB)
1
2
3
4
1
2
3
4
|S11|, |S41|
|S11|
|S41|
Acopladores tipo Riblet:
IV.1. IV.1. AcopladoresAcopladores
1 2
34
J. Ruiz-Cruz et al., ¨BCMM analysis of short-slot waveguide couplers with an FFT algorithm¨, APS, June 2003
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 30
9.5 10 10.5 11 11.5 12 12.5-50
-45
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
BCMM-FFTHFSS
|S21|
|S22|
|S31|
|S11|
|S41|
1
2 3
4x
ya
Frequency (GHz)
|Sij|
(dB)
Frequency (GHz)
|Sij|
(dB)
Dimensions (mm): a=15.8, b=a/2, rint=4.5, rext=11.75
AcopladorAcoplador
ratrat--racerace
Simulación (BCMM y HFSS) de un acopladorrat-race plano-E:
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 31
AcopladorAcoplador
branchbranch--line en line en guguííaa
ridgeridge
1
2
4
3
There are gaps between the ridge
sections
The metallization layer is discontinuous
The multi-branch line coupler is composed of λ/4 transmission lines in ridge waveguide
Ridge wg
of port 1
Ridge wg. of port 4
Coupler cross-section
Metallization layer: separation between the ridge
waveguide ports
1
4
Ridge metals
1 2
4 3
1 2
4 3
J. Ruiz-Cruz et al., ¨Ridge waveguide branch-line directional couplers for wideband applications and LTCC technology¨, IMS05
M. Fahmi et al., ¨E & H-Plane Wide-Band Ridge Waveguide Couplers¨, accepted Int. J RFMiCAE
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 32
Simulations (MM and HFSS) of the coupler with stripline transitions for LTCC:
AcopladorAcoplador
branchbranch--line en line en guguííaa
ridgeridge
2.9 3.1 3.3 3.5 3.7 3.9 4.1 4.3 4.5 4.7 4.9 5.1-4
-3.8
-3.6
-3.4
-3.2
-3
-2.8
-2.6
-2.4
-2.2
-2
Frequency (GHz)
dB
S12S13
2 3 4 5 6-200
-100
0
100
200
Frequency (GHz)
(o )
2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 689
89.5
90
90.5
91
Frequency (GHz)
(o )
<S13-S12
<S12<S13<S13-S12
1
2
3
4 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
Frequency (GHz)
dB
S11 (MM)S12 (MM)S13 (MM)S14 (MM)S11 (HFSS)S12 (HFSS)S13 (HFSS)S14 (HFSS)
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 33
I. Presentación
del grupo
y actividades
II. Motivación
III. Herramientas
de análisis
III.1. Análisis
de guías
homogéneas
III.2. Análisis
de discontinuidades
III.3. Análisis
de uniones
en guías
IV. Algunos
ejemplos
de dispositivos
diseñados
IV.1. Acopladores
IV.2. PolarizadoresIV.3. Ortomodos
IV.4. Filtros
IV.5. Diplexores, triplexores
y multiplexores
ÍÍNDICENDICE
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 34
IV.2. Polarizadores. IV.2. Polarizadores. Polarizador Doble Banda Ku
Tx
frequency band: 12.10-12.50 GHz.Rx frequency band: 17.30-17.70 GHz.Return losses: > 27 dBDifferential phase shift (Δφ
): 90º
±
1º
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 35
Polarizadores. Polarizadores.
Tx
frequency band: 12.10-12.50 GHz.Rx frequency band: 17.30-17.70 GHz.Return losses: > 23 dBDifferential phase shift (Δφ
): 90º
±
1.5º
Polarizador Doble Banda Ku para TT&C
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 36
I. Presentación
del grupo
y actividades
II. Motivación
III. Herramientas
de análisis
III.1. Análisis
de guías
homogéneas
III.2. Análisis
de discontinuidades
III.3. Análisis
de uniones
en guías
IV. Algunos
ejemplos
de dispositivos
diseñados
IV.1. Acopladores
IV.2. Polarizadores
IV.3. OrtomodosIV.4. Filtros
IV.5. Diplexores, triplexores
y multiplexores
ÍÍNDICENDICE
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 37
IV.3. IV.3. OrtomodosOrtomodos. .
Basic OMT junction with
septum
Common circular port (C)
Axial port
Lateral port
H
V
zx y
TE10
TE10
TEV11
,TEH11
TE10
,TE01
Metalic septumDetail of the
OMT kernel
iris
Square wg. (S)
From (or to) the antenna
Common square port (S)
Matching sections
square-circ transition
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 38
OMT including the transition to the horn; simulation (MM and HFSS) and measurements.
10.5 11 11.5 12 12.5 13 13.5 14 14.5 15-60
-50
-40
-30
-20
-10
0Vertical (GAM-GC)Vertical (HFSS)Horizon. (GAM-GC)Horizon. (HFSS)
Frequency (GHz)
|ρV|,
|ρH| (
dB)
Frequency (GHz)
|ρV|,
|ρH| (
dB) (H)
(V)
V
H
28.6% fractional bandwidth (maximum of 34%)
Satélite Amazonas
OrtomodoOrtomodo
asimasiméétricotrico
de de trestres
puertaspuertas
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 39
V
H
Lateral port: WR62
Axial port: WR75
Double septum
Common port: 12.5x12.5mm2
Satélite Hispasat 1D
-
Different bands for the vertical and horizontal polarization
Simulation (GAM-GC) and measurements:
13 13.5 14 14.5 15 15.5 16 16.5 17 17.5 18-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
Vertical (GAM-GC)Vertical (Measurements)Horizon. (GAM-GC)Horizon. (Measurements)
Frequency(GHz)
| ρV|,
|ρH| (
dB)
Frequency(GHz)
| ρV|,
|ρH| (
dB)
(H)
(V)
V Mask
H Mask
V Mask
H Mask
OrtomodoOrtomodo
asimasiméétricotrico
de doble
septumseptum
J. Ruiz-Cruz et al., ¨Very Compact ortho-mode transducers with double-septum configuration¨, MOTL, Apr 2006
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 40
Axial port
Common port
Lateral branchesHV
Lateral port
septum
BØifot junction
Pol. Hor.
H
Lateral port
z
x
Lateral Branches
43
1
2b)
E-
plane bend
Double E-plane
bend
Pol. Vert.
E-
plane
bend
V
Axial port
Common
port
z
x
Boifot junction
Axial Branch
43
1
2 a)
Height
transf.
septum
VH
zxy
OrtomodoOrtomodo
con unicon unióón Bn BØØifotifot
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 41
Simulations (GAM-GC and HFSS) of the complete OMT:
OMT parts:
H
11 12 13 14 15 16 17 18 19-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
V (GAM-method)V (HFSS)H (GAM-method)H (HFSS)
Frequency (GHz)
|ρV|,
|ρH|(
dB)
Frequency (GHz)
|ρV|,
|ρH|(
dB)
(H)
(V)
V
OrtomodoOrtomodo
con unicon unióón Bn BØØifotifot
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 42
Test-bench to measure the vertical polarization with load at the
horizontal port12.5 13 13.5 14 14.5 15 15.5 16 16.5 17 17.5 18-50
-45
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
Vertical (Measurements)Horizon. (Measurements)
Frequency (GHz)
|ρV |
, |ρH
| (dB
)
Frequency (GHz)
|ρV |
, |ρH
| (dB
)
V H
HV
V H
HV
Measurements of the complete OMT:
J. Ruiz-Cruz et al., ¨Computer Aided Design of Wideband Orthomode
Transducers based on the Boifot
Junction¨, IMS 2006
J. Ruiz-Cruz et al., ¨Full-Wave Modeling and Optimization of Bøifot
Junction Ortho-Mode Transducers¨, accepted Int. J. RFMiCAE
OrtomodoOrtomodo
con unicon unióón Bn BØØifotifot
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 43
OrtomodoOrtomodo
con unicon unióón Bn BØØifotifot
1V
1H
2
3
Frequency
(GHz)3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5
-50-45-40-35-30-25-20-15-10-50
|S11
(VP)
| -|S
11(H
P)|(
dB)
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 44
OrtomodoOrtomodo
con unicon unióón Bn BØØifotifot
18 20 22 24 26 28 30 32-50-45-40-35-30-25-20-15-10-5
0
Frequency
(GHz)
|ρ| AxLat|ρ|
AxLat
|S11
(HP)
| -|S
11(V
P)|(
dB)
V
H
VH
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 45
They discriminate into separate ports two orthogonal circular polarizations:
Polarizador OMTPolarizador OMT--septumseptum
CCW Circular Polarization CW Circular Polarization
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 46
SeptumSeptum--OMT Banda X OMT Banda X --
INMARSATINMARSAT
Frequency
(GHz)
Isol
atio
n(d
B)
Theoretical
Experimental
Frequency
(GHz)
XPD
(dB
)
Frequency
(GHz)
Ret
rurn
loss
(dB
)
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 47
I. Presentación
del grupo
y actividades
II. Motivación
III. Herramientas
de análisis
III.1. Análisis
de guías
homogéneas
III.2. Análisis
de discontinuidades
III.3. Análisis
de uniones
en guías
IV. Algunos
ejemplos
de dispositivos
diseñados
IV.1. Acopladores
IV.2. Polarizadores
IV.3. Ortomodos
IV.4. FiltrosIV.5. Diplexores, triplexores
y multiplexores
ÍÍNDICENDICE
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 48
IV.4. Filtros. IV.4. Filtros.
Comparación de diferentes tecnologías en las bandas de microondas-milimétricas:
El tipo de respuesta necesaria es de vital importancia (Chebychev, elíptico,…)
J. Ruiz-Cruz et al., ¨Waveguide filters with elliptical function response: overview and results of different implementations¨, Int. J. RFMiCAE, Jan 2007
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 49
Especificaciones
Diseño Circuital
Diseño en guía
Optimization de onda completa
Dimensionesfinales
-
Selección
de la tecnología
y obtención
de unas
dimensiones
iniciales
de la geometría
en guía
y proceso
de optimización
para
obtención
de dimensiones
definitivas
-
… obtención
de la matriz
de acoplos
a sintetizar.
-Selección
de la función
de transferencia
adecuada
quesatisface
las
especificaciones
-
Síntesis
circuital de la función
de transferencia
selecionada
…
FiltrosFiltros: : etapasetapas
de de disediseññoo
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 50
6 6.5 7 7.5 8 8.5 9-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
Frequency (GHz)
|s21
| |s
11|
(dB
)
N= 4 TZ= 2
N= 7 TZ= 0
FiltrosFiltros: ceros de : ceros de transmisitransmisióónn
N=7, TZ=0
N=4, TZ=2|S11
|,|S 1
2| (d
B)
Comparación de dos filtros con y sin ceros de transmisiónen frecuencias finitas:
-
Pérdidas
de inserción
menores
-
Menor
masa
y volumenSi se reduce el orden:
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 51
L
S 1
N
2
N -1
Cross-coupling network (including source-load coupling)
Ladder network. Extracted pole technique
Z=0 Z=0 Z=0
Y=0 Y=0 Y=0 Y=0
Ceros de Ceros de TransmisiTransmisióónn
en en frecuenciasfrecuencias
impuestasimpuestas
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 52
FiltroFiltro
en en cavidadescavidades
rectangularesrectangulares
input
output
N=4 2 CT
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 53
zx y
Rout
M12
M34
M23
Rin
M14
1 2
4 3
zx y
zx y
Filter with inductive irises and a capacitive coupling to achieve an elliptic response:
Input/Output in rectangular waveguide
Input/Output in SMA coaxial
FiltroFiltro
en en cavidadescavidades
rectangularesrectangulares
J. Ruiz-Cruz et al., ¨Design of elliptic filters in rectangular waveguide with capacitive and inductive irises and integrated coaxial excitation¨, IMS 2005
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 54
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9-50
-45
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
Mode-MatchingMeasurement
Frequency (GHz)
|S11
|, |S
21| (
dB)
Frequency (GHz)
|S11
|, |S
21| (
dB)
3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
Mode-MatchingMeasurement
Frequency (GHz)
|S21
| (dB
)
Frequency (GHz)
|S21
| (dB
)
4.4 4.5 4.6-0.9
-0.6
-0.3
0
Detail of the In-Band Insertion Loss
Simulation (MM) and measurements:
(CICYT,Univ. Maryland)
SMA
FiltroFiltro
en en cavidadescavidades
rectangularesrectangulares
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 55
x
y
y y y
y
xx x
x
V
V V
V
H
H H
H
a)
c) d) e)
b)
φ=π/2
φ=π/4 φ=0φ≅0
φ≅π/2
b)
c)
Rout
M12
M34
M23
Rin
M14
R1 R2
R4 R3
-
The rotation between both cavities generate both polarizations
Fundamento de trabajo en Dual-Mode con cavidad elíptica:
-
The axial ration is used to tune the resonant frequencies
FiltroFiltro
con con cavidadescavidades
elelíípticaspticas
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 56
11.65 11.7 11.75 11.8 11.85 11.9 11.95-40
-30
-20
-10
0
Mode-MatchingMeasurement
Frequency (GHz)
|S11
|, |S
21| (
dB)
Frequency (GHz)
|S11
|, |S
21| (
dB)
11.72 11.76 11.8 11.84 11.88-2
-1.6
-1.2
-0.8
-0.4
0
10 11 12 13 14 15-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0Mode-MatchingMeasurement
Frequency (GHz)
|S11
|, |S
21| (
dB)
Frequency (GHz)
|S11
|, |S
21| (
dB)
Simulación (MM) y medidas de un filtro de orden cuatro dual-mode:
FiltroFiltro
con con cavidadescavidades
elelíípticaspticas
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 57
zxy
1 2
Rout
Rinn
M 1,2n
M 2n-1,2n
M 2,2n-1
2n 2n-1 n+1
M n,n+1
M1,2
Ridge wg. resonators
Coupling windows (center/sides)
Input
Output
Short
Metallic blocks
(Univ. Maryland, USA Scientific Microwave, Canada)
Configuracióncanónica de filtro elíptico
In/Out SMA
FiltroFiltro
con con cavidadescavidades
en Ridgeen Ridge
J. Ruiz-Cruz et al., ¨Canonical ridge waveguide filters in LTCC or metallic cavities¨, IEEE TMTT Jan 2005
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 58
1.5 2 2.5 3 3.5 4-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0Mode-MatchingMeasurement
Frequency (GHz)
|S21
| (dB
)
Frequency (GHz)
|S21
| (dB
)
1.85 1.9 1.95 2 2.05 2.1 2.15-50
-45
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0Mode-MatchingMeasurement
Frequency (GHz)
|S11
|, |S
21| (
dB)
Frequency (GHz)
|S11
|, |S
21| (
dB)
1.95 2 2.05-2
-1.6
-1.2
-0.8
-0.4
0
Detail of the In-Band Insertion Loss
Simulatción (MM) y medidas:
FiltroFiltro
con con cavidadescavidades
en Ridgeen Ridge
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 59
ImplementaciImplementacióónn
en en tecnologtecnologííaa
LTCCLTCC
Metallic
enclosure
Via
fence
wall
to
approx. the
solid
metallic
wall
LTCC metallization
layers
Metallic
block
Homogeneous
dielectric
Stack-up LTCC dielectric
layers
to
approx. homogeneous
dielectric
Guía Ridge asimétrica convencional:
Guía Ridge en LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic):
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 60
Filtro en ridge de orden nueve en LTCC (con transición a stripline):
Simulaciones (MM y HFSS) y medidas:
(Univ. Maryland, USA Kyocera, USA)
FiltrosFiltros
ridge de ridge de bandabanda
ultraultra--anchaancha
en LTCCen LTCC
c)
a) b)
d)
zxy
zxy
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
MeasurementsMode-Matching (solid wall ridge wgs)HFSS (solid wall ridge wgs with losses and er=6.3)
Frequency (GHz)
|S11
|, |S
21| (
dB)
Frequency (GHz)
|S11
|, |S
21| (
dB)
J. Ruiz-Cruz et al., ¨Ultra-Wideband LTCC Ridge Waveguide Filters¨, IEEE MWCL Feb 2007
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 61
Frequency (GHz)
|S11
|, |S
21| (
dB)
Frequency (GHz)
|S11
|, |S
21| (
dB)
0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
MeasurementsHFSS (with losses)MM (Only TEMs)
Filtro interdigital en stripline acoplada de orden diez en LTCC:
Simulaciones (TEM-MM y HFSS) y medidas:
(Univ. Maryland, USA Kyocera, USA)
FiltrosFiltros
striplinestripline
en LTCCen LTCC
J. Ruiz-Cruz et al., ¨TEM Mode-Matching Analysis of Multi-coupled Strip-line Filters¨, IMS07
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 62
FiltrosFiltros
de de polospolos
extraextraíídosdos
φ K2 K1
K1
K2
Input
Output
w1,b1
φ1 K φ2 φ4 φ3
w2,b2
C1,jB1 C2,jB2
Input
Output
Extracted cavity
Bandpass prototype
Lowpass prototype
Fundamento: La estructura trabaja como una cavidad resonante entransmisión a la frecuencia central de la banda de paso y simultáneamenteintroduce un cero de transmisión controlado fuera de la banda de paso.
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 63
7.6 7.8 8 8.2 8.4 8.6-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0GAM-GCMeasurement
Frequency (GHz)
|S11
|, |S
21| (
dB)
Frequency (GHz)
|S11
|, |S
21| (
dB)
11
22
7.8 8 8.2 8.4-0.9
-0.6
-0.3
0
|S11|
|S21|
6.8 7 7.2 7.4 7.6 7.8 8 8.2 8.4 8.6 8.8-120
-100
-80
-60
-40
-20
0GAM-GCMeasurement
Frequency (GHz)
|S11
|, |S
21| (
dB)
Frequency (GHz)
|S11
|, |S
21| (
dB)
11
22
7 7.2 7.4-0.9
-0.6
-0.3
0 Herschel Plancksatellite
Config. (4-2-0)
Config. (8-2-0)
J. Montejo-Garai
et al., ¨Synthesis and Design of In-Line N-Order Filters with N Real Transmission Zeros by Means of Extracted Poles Implemented in Low Cost Rectangular H-Plane Waveguide¨, IEEE TMTT , May 2005
FiltrosFiltros
de de polospolos
extraextraíídosdos
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 64
J. Montejo-Garai
et al., ¨Design of Self-Equalised
Elliptic Filter Channels in Ka-Band Implemented in Rectangular H-Plane Waveguide¨, EuMC
2006
FiltrosFiltros
de de polospolos
extraextraíídosdos
-60
Frequency
(GHz)|S
11|,|
S 12|
(dB)
-40
-30
29.9 29.95 30
-50
-20
-10
0
30.05
___ Circuit- - - Mode-Matching
S12
S11
-60
Frequency
(GHz)|S
11|,|
S 12|
(dB)
-40
-30
29.9 29.95 30
-50
-20
-10
0
30.05
-40
-30
29.9 29.95 30
-50
-20
-10
0
30.05
___ Circuit- - - Mode-Matching
S12
S11 Filtro elíptico en bandaKa (orden 6, 2 ceros de
transmisión)
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 65
Filtro elíptico auto-ecualizado en banda Ka (orden 10, 4 ceros
de transmisión, 2 ceros de ecualización)
29.94 29.95 29.96 29.97 29.98 29.99 300
10
20
30
40
50
Frecuencia (GHz)
-60
Frequency (GHz)Frequency (GHz)
____ Circuit- - - - Mode-Matching
|S11
|,|S 1
2| (d
B)
Gro
up d
elay
(nse
c)
-40
-30
29.9 29.95 30
-50
-20
-10
0
30.05
___ Circuit- - - Mode-Matching
S12
S11
FiltrosFiltros
de de polospolos
extraextraíídosdos
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 66
29.8 29.85 29.9 29.95 30 30.05 30.1 30.15 30.2-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
Frequency (GHz)
1/S
11 (d
B) circuital
MMS 1
1, S 1
2(d
B)
FiltroFiltro
de de polospolos
extraextraíídosdos
Filtro elíptico auto-ecualizado en banda Ka (orden 10, 4 ceros de
transmisión, 2 ceros de ecualización)
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 67
FiltroFiltro
de de dobledoble
bandabanda
Simulación (MM, HFSS, circuital) de un filtro de doblebanda en tecnología plano-H:
S21
S11
Zhang et al., ¨Analytical Synthesis of Generalized Multi-band Microwave Filters¨, IMS07
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 68
I. Presentación
del grupo
y actividades
II. Motivación
III. Herramientas
de análisis
III.1. Análisis
de guías
homogéneas
III.2. Análisis
de discontinuidades
III.3. Análisis
de uniones
en guías
IV. Algunos
ejemplos
de dispositivos
diseñados
IV.1. Acopladores
IV.2. Polarizadores
IV.3. Ortomodos
IV.4. Filtros
IV.5. Diplexores, triplexores
y multiplexores
ÍÍNDICENDICE
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 69
Simulación (MM) y medidas de un diplexor en banda Ka con unión en T plano-H:
22 22.2 22.4 22.6 22.8 23 23.2 23.4 23.6 23.8 24-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
GAM-GCHFSS
Frequency (GHz)
|Sij|
(dB)
Frequency (GHz)
|Sij|
(dB)
|Sch1,ch2|
|Scom,ch1|
|Scom,ch2|
|Scom,com|
comch2ch1
IV.5. DiplexersIV.5. Diplexers
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 70
DiplexorDiplexor
satsatéélitelite
ARTEMIS ARTEMIS
Transmit band (TX): 17.7 - 20.2 GHzReceive band (RX): 27.5 - 30.0 GHz
Insertion loss: < 0.2 dBIsolation: > 50 dBReturn loss: > 27 dB
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 71
Ku-band triplexerSESAT satellite
Ku-band triplexerHOTBIRD satellite
TriplexoresTriplexores
-40
-30
-20
-10
0
11 11.5 12 12.5 13 13.5 14 14.5Frequency
(GHz)
|S11| (dB)
-40
-30
-20
-10
0
11 11.5 12 12.5 13 13.5 14 14.5
MeasurementsSimulation
11 11.5 12 12.5 13 13.5 14 14.5-90-80-70-60-50-40-30-20-10
0
Frequency
(GHz)
|S21|- |S31
|- |S41| (dB)
11 11.5 12 12.5 13 13.5 14 14.511 11.5 12 12.5 13 13.5 14 14.5-90-80-70-60-50-40-30-20-10
0
-90-80-70-60-50-40-30-20-10
0|S21|- |S31
|- |S41| (dB)
SimulationMeasurements
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 72
TriplexorTriplexor
EutelsatEutelsat
W2AW2A
12 13 14 15 16 17 18 19-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
Frequency
(GHz)
|Sij|
(dB)
S21S31S41
medidas
Si j MM
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 73
Channel
Filter
2
Channel Filter N
Channel Filter 1
w1p w2p w3p w4p w5p
L1p L2p L3p L4pa
t
ρ1
ρ2
ρN
hp mp
T-junction sp
a
a
a a
t
ρp
ρp
R1
RN
R2
Rp
dsh
dch1,2
Common port
short
Configuración Manifold para multiplexores de banda contigua:
-
Channel filters: singly terminated
-
Manifold
-
T-junctions
MultiplexoresMultiplexores
en Manifolden Manifold
J. Montejo-Garai
et al., ¨Full-wave design of H-plane contiguous manifold output multiplexers using the fictitious reactive load concept¨, IEEE TMTT, Aug 2005
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 74
-
Three layers manufacturing:
MultiplexorMultiplexor
en Manifold de en Manifold de trestres
canalescanales
10.8 10.9 11 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
GAM-GCMeasurements
Inpu
tref
lect
ion
(dB)
Frequency
(GHz)
Inpu
tref
lect
ion
(dB
)
GAM-GCMeasurements
Frequency
(GHz)10.8 10.9 11 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
Tran
smis
sion
(dB
)
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 75
-
5 channels of 90 MHz at 11, 11.16, 11.32, 11.48 and 11.64 GHz
-
Return loss mask: 23 dB
-
Measured Insertion Loss: 0.8 dB
Simulation (MM) and measurements:
MultiplexorMultiplexor
en Manifold de en Manifold de cincocinco
canalescanales
10.8 10.9 11 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
10.8 10.9 11 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
Inpu
tref
lect
ion
(dB)
GAM-GCMeasurements
Frequency
(GHz) GAM-GCMeasurements
Frequency
(GHz)10.8 10.9 11 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10.8 10.9 11 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
Tran
smis
sion
(dB
)
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 76
MultiplexorMultiplexor
en Manifold de en Manifold de cuatrocuatro
canalescanalescon ceros de con ceros de transmisitransmisióónn
extraextraíídosdos
11.95 12 12.05 12.1 12.15 12.2 12.25-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
GAM-GCMeasurements
Frequency
(GHz)
Tran
smis
sion
(dB
)
GAM-GCMeasurements
11.95 12 12.05 12.1 12.15 12.2 12.25-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
Frequency
(Ghz)
Inpu
tref
lect
ion
(dB)
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 77
Antena SAR: Banda X
InputRed Divisora
10-puertas
Red ecualizadora
Array de antenas de
ranuras
P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10
Ley de amplitud (dB):TR(10)= -14.9TR(9)= -16.7 TR(8)= -6.2TR(7)= -9.3TR(6)= -7.1TR(5)= -9.3TR(4)= -10.8TR(3)= -8.4TR(2)= -15.7TR(1)= -15.9Tol: ±
0.1 dBVSWR: < 1.2
Fases:Fi (10)= 343.65-360Fi (9)=27.93Fi (8)=29Fi (7)=48.5Fi (6)=65.95Fi (5)=28Fi (4)=283.38-360Fi (3)=217-360Fi (2)=132.74Fi (1)=14.5
Tol: ± 0.5º
Analisis y diseño de componentes en guía para sistemas de comunicaciones 78
Gracias por su atención
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