diseño y fabricación de filtros con tecnología...

29
Diseño y Fabricación de Filtros con Tecnología Microstrip

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Dis

o y

Fa

bri

ca

ció

n d

e

Fil

tro

s co

n T

ecn

olo

gía

Mic

rostr

ip Manuel Riv

as

Pére

z

mrivasperez@

yahoo.es

Dis

o y

fab

ricaci

ón

de f

iltr

os

con

tecn

olo

gía

mic

rost

rip

2/2

9

Índ

ice

O

bje

tivo

s.

In

troducc

ión. Lí

neas

mic

rost

rip.

Pro

cedim

iento

s de

anális

is y

sín

tesi

s de

líneas.

Topolo

gía

s de im

ple

menta

ción d

e filt

ros

mic

rost

rip.

Sim

ula

ción/o

ptim

izaci

ón.

Fab

rica

ción.

M

edid

as y

com

para

ción d

e r

esu

ltados.

Dis

o y

fab

ricaci

ón

de f

iltr

os

con

tecn

olo

gía

mic

rost

rip

3/2

9

Ob

jeti

vos

Reco

pila

ción de in

form

aci

ón so

bre

pro

cedim

iento

s de anális

is y

sínte

sis

de lín

eas

de t

ransm

isió

n.

Reco

pila

ción de in

form

aci

ón so

bre

pro

cedim

iento

s de dis

eño de

filtro

s m

icro

strip.

G

enera

ción d

e d

ocu

mento

s de M

ath

Cad

para

la r

ealiz

aci

ón d

e l

os

dis

eños.

D

iseño d

e f

iltro

s co

n d

ifere

nte

s to

polo

gía

s m

icro

strip,

con d

istinta

s

esp

eci

fica

ciones

de d

iseño y

usa

ndo v

arios

tipos

de s

ust

rato

.

M

anejo

de los

sim

ula

dore

s AD

Sy

Mom

entu

m.

Fabrica

ción m

anual y

media

nte

máquin

as

de t

ala

dra

do n

um

érico

.

M

anejo

de C

ircuitCam

, Board

Maste

ry

Route

Pro

2000.

M

anejo

del

analiz

ador

de r

edes

E5062A para

realiz

ar

las

medid

as

de los

filtro

s fa

brica

dos.

Dis

o y

fab

ricaci

ón

de f

iltr

os

con

tecn

olo

gía

mic

rost

rip

4/2

9

Lín

ea m

icro

stri

p

Conduct

or

cara

cteriza

do p

or

anch

ura

W, lo

ngitud L

y esp

eso

r t

.

Sust

rato

cara

cteriza

do p

or

esp

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r h

y perm

itiv

idad

εr.

Según s

ean e

stos

pará

metr

os

la lín

ea p

rese

nta

ráuna im

pedanci

a Z

0.

Lín

ea

de t

ra

nsm

isió

n

Pla

no

de m

asa

Su

str

ato

die

léctr

ico

h

nea d

e t

ransm

isió

n:

dos

conduct

ore

s se

para

dos

por

un d

ielé

ctrico

.

Dis

o y

fab

ricaci

ón

de f

iltr

os

con

tecn

olo

gía

mic

rost

rip

5/2

9

An

ális

is y

sín

tesi

s

Pro

cedim

iento

s docu

menta

dos

de

anális

is

y sí

nte

sis

de

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de

transm

isió

n:

Ecu

aci

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de W

heele

r

Ecu

aci

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de H

am

mers

tad

& W

heele

r(H

am

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tad)

Ecu

aci

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de O

wens

Ecu

aci

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de H

am

mers

tad

& J

ense

n(J

ense

n)

Ecu

aci

ones

de B

ahl&

Garg

Ecu

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de K

obaya

shi

Ecu

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del pro

gra

ma M

WI

de R

ogers

Corp

ora

tion

G

enera

ción

de

docu

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s de MathCad

para

si

stem

atiza

r ta

nto

la

sínte

sis

de lín

eas

com

o los

dis

tinto

s pro

cedim

iento

s de d

iseño d

e f

iltro

s.

Dis

o y

fab

ricaci

ón

de f

iltr

os

con

tecn

olo

gía

mic

rost

rip

6/2

9Pro

ced

imie

nto

Esp

ecif

ica

cion

es d

e p

art

ida

Dis

eño i

nic

ial

Pro

ced

imie

nto

s d

e a

lisi

s y

sín

tesi

s y

ecu

aci

on

es d

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iseñ

o

Sim

ula

ció

n A

DS

Sim

ula

ció

n e

lect

rom

ag

nét

ica

Op

tim

iza

ció

nC

om

pro

ba

ció

n

Fa

bri

caci

ón

Med

ida

s

Com

pro

ba

ció

n

No

No

Dis

o y

fab

ricaci

ón

de f

iltr

os

con

tecn

olo

gía

mic

rost

rip

7/2

9

To

po

log

ías

Im

ple

menta

ción b

asa

da e

n im

pedanci

as

de p

aso

:

Ele

cció

n adecu

ada de la

s lo

ngitudes,

W

máx

y W

mín

de la

s lín

eas

para

conse

guir c

om

port

am

iento

s co

mo C

o L

.

0Z

1C

3C

2L

4L

0Z

0Z

0Z

1C

≈2

L≈

3C

CW

LlLW

Cl

Dis

o y

fab

ricaci

ón

de f

iltr

os

con

tecn

olo

gía

mic

rost

rip

8/2

9

Topologías

Im

ple

menta

ción b

asa

da e

n ‘Stu

bs’

:

Ele

cció

n

adecu

ada

de

longitudes,

W

máx

y W

mín

para

co

nse

guir

com

port

am

iento

s co

mo C

o L

. Corr

ecc

iones

de ‘open-e

nds’

.

0Z

1C

3C

2L

4L

0Z

0Z

0Z

1C

2L

3C

CW

Ll

LW

Cl

Dis

o y

fab

ricaci

ón

de f

iltr

os

con

tecn

olo

gía

mic

rost

rip

9/2

9

Topologías

Topolo

gía

‘Sem

i-lu

mped’:

Corr

ecc

iones

de ‘open-e

nds’

y unio

nes

de lín

eas

en T

.

0Z

0Z

2C

1L

2L

CW

Ll

LW

Cl

CW

2L

1L

3L

2C

0Z

0Z

1+nL

nL

nC

2+nC

Dis

o y

fab

ricaci

ón

de f

iltr

os

con

tecn

olo

gía

mic

rost

rip

10

/2

9

Topologías

Topolo

gía

basa

da e

n ‘G

aps’

:

1l2l

nl

0Y

0Y

0Y

0Y

0Y

1θ2θ

1,0B

nnB

,1−1

,+n

nB

2,1B

2,1s

1,0s

1,

+n

ns

nns

,1−

'T

TgC

pC

pC

s

'T

T

Se re

quie

re una si

mula

ción pre

via,

de una part

e del

circ

uito,

para

la

obte

nci

ón d

e l

os

pará

metr

os

Y y

de l

as

capaci

dades Cg

y Cp

del

modelo

en П

del gap.

Dis

o y

fab

ricaci

ón

de f

iltr

os

con

tecn

olo

gía

mic

rost

rip

11

/2

9

Topologías

'T

Tg

C

pC

pC

'T

T

s

En c

aso

de o

bte

ner gaps

dem

asi

ado e

stre

chos

se p

uede l

leva

r a c

abo

una m

odific

aci

ón e

n e

l la

yout.

Est

o p

rovo

ca u

n a

um

ento

en l

os

valo

res

de l

as

capaci

dades Cg

y Cp

del

modelo

en П

.

D

e e

sta f

orm

a s

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onsi

gue a

um

enta

r la

anch

ura

del

gap

y so

lventa

r así

las

rest

ricc

iones

que i

mpone e

l si

mula

dor

(s >

0.2

h)

y la

tecn

olo

gía

de

fabrica

ción.

Dis

o y

fab

ricaci

ón

de f

iltr

os

con

tecn

olo

gía

mic

rost

rip

12

/2

9

Topologías

0Y

1+n

s

2W

1l

1W

2l

2s

1+nl

0Y

1W

Im

ple

menta

ción m

edia

nte

lín

eas

para

lela

s aco

pla

das:

Lo

ngitud d

e las

líneas

≈λ/4

(con c

orr

ecc

iones

de ‘open-e

nds’

).

Anch

ura

s y

longitudes

bie

n d

efinid

as

a p

art

ir d

e l

os

pro

cedim

iento

s de

dis

eño.

La

s se

para

ciones

entr

e

líneas

requie

ren,

por

lo

genera

l,

del

uso

de

sim

ula

dore

s para

su a

just

e f

inal.

Dis

o y

fab

ricaci

ón

de f

iltr

os

con

tecn

olo

gía

mic

rost

rip

13

/2

9

Topologías

El

aju

ste s

e r

ealiz

a t

enie

ndo e

n c

uenta

la v

ariaci

ón d

e l

a re

spuest

a al

aum

enta

r o

dis

min

uir

las

separa

ciones

entr

e

líneas,

m

ante

nie

ndo

const

ante

s el re

sto d

e p

ará

metr

os.

Dis

o y

fab

ricaci

ón

de f

iltr

os

con

tecn

olo

gía

mic

rost

rip

14

/2

9

Topologías

t

W

l

s

Topolo

gía

‘H

airpin

’:

O

bte

nid

a a

part

ir d

e la a

nte

rior,

dobla

ndo las

líneas

en U

.

D

imensi

ones

bie

n d

efinid

as

a p

art

ir d

e los

pro

cedim

iento

s de d

iseño.

Se re

quie

re una si

mula

ción pre

via,

de una part

e del

circ

uito,

para

la

obte

nci

ón d

e las

separa

ciones

entr

e e

stru

ctura

s re

sonante

s.

Dis

o y

fab

ricaci

ón

de f

iltr

os

con

tecn

olo

gía

mic

rost

rip

15

/2

9

Topologías

s

0,080,1

0,12

0,14

0,16

0,180,2

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

s [m

m]

M

12

21

ff

ff

M+−

=

Topolo

gía

‘H

airpin

’:

Dis

o y

fab

ricaci

ón

de f

iltr

os

con

tecn

olo

gía

mic

rost

rip

16

/2

9

Sim

ulación/optimización

La

sim

ula

ción s

e lle

va a

cabo m

edia

nte

AD

S.

Para

la

optim

izaci

ón

de

los

dis

eños

se

est

able

cen

unos

rangos

de

variaci

ón p

ara

los

pará

metr

os

y unas

meta

s a c

onse

guir.

Dis

o y

fab

ricaci

ón

de f

iltr

os

con

tecn

olo

gía

mic

rost

rip

17

/2

9

Sim

ulación/optimización

M

odific

ando e

l esq

uem

ático

de A

DS,

sust

ituye

ndo l

as

líneas

de 5

0 Ω

de

los

ext

rem

os

por

los

puert

os

de e

ntr

ada y

salid

a,

se p

asa

el

dis

eño a

l

sim

ula

dor

ele

ctro

magnético

Mom

entu

m.

Dis

o y

fab

ricaci

ón

de f

iltr

os

con

tecn

olo

gía

mic

rost

rip

18

/2

9

Sim

ulación/optimización

Con M

om

entu

mse

obtiene e

l la

yout

del ci

rcuito,

sobre

el

cual se

realiz

a

una s

imula

ción e

lect

rom

agnética

.

Mag. [dB]

freq

, Hz

-S11

-S21

2.0E

92.

2E9

2.4E

92.

6E9

2.8E

93.

0E9

1.8E

93.

2E9

-40

-30

-20

-10

-500

Ban

da d

e pa

so

Ban

da d

e re

chaz

oB

anda

de

rech

azo

Est

e t

ipo d

e s

imula

ción e

s m

ás

fiable

que la r

ealiz

ada e

n A

DS,

basa

da e

n

modelo

s de b

loques.

Dis

o y

fab

ricaci

ón

de f

iltr

os

con

tecn

olo

gía

mic

rost

rip

19

/2

9

Sim

ulación/optimización

Adem

ás,

la

si

mula

ción

ele

ctro

magnética

perm

ite

visu

aliz

ar

las

dis

trib

uci

ones

de c

orr

iente

a lo larg

o d

e las

líneas.

U

na

vez

obte

nid

o

el

layo

ut

del

dis

eño

se

genera

n,

tam

bié

n

desd

e

Mom

entu

m, lo

s arc

hiv

os

.gbr

(Gerb

er)

nece

sarios

para

su fabrica

ción.

Dis

o y

fab

ricaci

ón

de f

iltr

os

con

tecn

olo

gía

mic

rost

rip

20

/2

9

Fabricación

Est

os

arc

hiv

os

.gbr

se im

port

an a

l Circu

itCam

.

M

edia

nte

Circu

itCam

se definen la

s zo

nas

de Rubout

y se

re

aliz

a el

ais

lam

iento

.

Dis

o y

fab

ricaci

ón

de f

iltr

os

con

tecn

olo

gía

mic

rost

rip

21

/2

9

Fabricación

D

e e

sta f

orm

a s

e g

enera

n los

arc

hiv

o .

cam

, co

n la info

rmaci

ón s

obre

los

reco

rrid

os

que h

an d

e r

ealiz

ar

las

herr

am

ienta

s de f

resa

do,

nece

sarios

para

los

pro

gra

mas

que c

ontr

ola

n las

máquin

as

de t

ala

dra

do n

um

érico

.

Dis

o y

fab

ricaci

ón

de f

iltr

os

con

tecn

olo

gía

mic

rost

rip

22

/2

9

Fabricación

Para

la f

abrica

ción m

anual

se u

tiliz

a u

n s

ust

rato

sim

ple

cara

y c

inta

de c

obre

adhesi

va,

la c

ual

es

reco

rtada y

colo

cada s

obre

la c

ara

lib

re d

e c

obre

de e

ste.

Para

la f

abrica

ción m

edia

nte

máquin

as

de t

ala

dra

do n

um

érico

se u

tiliz

an

dos

modelo

s dis

tinto

s:

ProtoMatS62

de LPKF

CCD

de Bungard

Dis

o y

fab

ricaci

ón

de f

iltr

os

con

tecn

olo

gía

mic

rost

rip

23

/2

9

Fabricación

Com

o h

err

am

ienta

s de f

resa

do s

e u

tiliz

an las

del tipo E

nd

Mill

(RF)

y End

Mill

de 0

.4, 1 y

2 m

m:

D

e

est

a

form

a

se

obtienen

perf

iles

abru

pto

s,

a

difere

nci

a

de

los

obte

nid

os

media

nte

herr

am

ienta

s del tipo U

niv

ers

al Cutt

er:

Dis

o y

fab

ricaci

ón

de f

iltr

os

con

tecn

olo

gía

mic

rost

rip

24

/2

9

Fabricación

Fil

tro p

aso b

ajo. Im

ped

anci

as d

e pas

o. (S

ust

rato

FR

4)

-Fre

cuen

cia

de

cort

e: 2

GH

z

-Riz

ado e

n l

a ban

da

de

pas

o: 0.2

dB

-Fre

cuen

cia

inic

ial de

la b

anda

de

rech

azo (

f s):

3.5

GH

z

-Pér

did

as d

e in

serc

ión (

aten

uac

ión a

fs):

30 d

B

Fil

tro p

aso b

ajo. T

opolo

gía

‘S

tubs’

. (S

ust

rato

FR

4)

-Fre

cuen

cia

de

cort

e: 1

GH

z

-Riz

ado e

n l

a ban

da

de

pas

o: 0.1

dB

-Fre

cuen

cia

inic

ial de

la b

anda

de

rech

azo (

f s):

2.7

GH

z

-Pér

did

as d

e in

serc

ión (

aten

uac

ión a

fs):

20 d

B

Fil

tro p

aso b

ajo. Im

ped

anci

as d

e pas

o. (C

inta

adhes

iva)

-Fre

cuen

cia

de

cort

e: 1

.8 G

Hz

-Riz

ado e

n l

a ban

da

de

pas

o: 0.2

dB

-Pér

did

as d

e in

serc

ión:

30 d

Ba

3.5

GH

z

Con t

odo e

sto s

e d

iseñan y

fabrica

n los

siguie

nte

s filtro

s:

Dis

o y

fab

ricaci

ón

de f

iltr

os

con

tecn

olo

gía

mic

rost

rip

25

/2

9

Fabricación

Fil

tro p

aso b

ajo. T

opolo

gía

‘S

emi-

lum

ped

’. (

Sust

rato

FR

4)

-Fre

cuen

cia

de

cort

e: 1

GH

z

-Riz

ado e

n l

a ban

da

de

pas

o: 0.1

8 d

B

-Fre

cuen

cia

inic

ial de

la b

anda

de

rech

azo (

f s):

1.2

GH

z

-Pér

did

as d

e in

serc

ión (

aten

uac

ión a

fs):

38 d

B

Fil

tro p

aso b

anda.

Topolo

gía

bas

ada

en ‘

Gap

s’. (S

ust

rato

FR

4)

-Fre

cuen

cia

infe

rior

de

cort

e: 1

.92 G

Hz

-Fre

cuen

cia

super

ior

de

cort

e: 1

.98 G

Hz

-Riz

ado e

n l

a ban

da

de

pas

o: 0.1

dB

-Fre

cuen

cia

final

de

la b

anda

de

rech

azo i

nfe

rior:

1.7

GH

z

-Fre

cuen

cia

inic

ial de

la b

anda

de

rech

azo s

uper

ior:

2.2

GH

z

-Ate

nuac

ión m

ínim

a en

la

ban

da

de

rech

azo: 50 d

B

Dis

o y

fab

ricaci

ón

de f

iltr

os

con

tecn

olo

gía

mic

rost

rip

26

/2

9

Fabricación

Fil

tro p

aso b

anda.

Lín

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par

alel

as a

copla

das

.

-Fre

cuen

cia

infe

rior

de

cort

e: 2

GH

z

-Fre

cuen

cia

super

ior

de

cort

e: 2

.4 G

Hz

-Riz

ado e

n l

a ban

da

de

pas

o: 0.1

dB

-Fre

cuen

cia

final

de

la b

anda

de

rech

azo i

nfe

rior:

1.8

GH

z

-Fre

cuen

cia

inic

ial de

la b

anda

de

rech

azo s

uper

ior:

2.6

GH

z

-Ate

nuac

ión m

ínim

a en

la

ban

da

de

rech

azo: 30 d

B

(Sust

rato

FR

4)

(Sust

rato

RO

4003C

)

Dis

o y

fab

ricaci

ón

de f

iltr

os

con

tecn

olo

gía

mic

rost

rip

27

/2

9

Fabricación

(Sust

rato

FR

4)

Fil

tro p

aso b

anda.

Topolo

gía

‘H

airp

in’.

-Fre

cuen

cia

infe

rior

de

cort

e: 2

.3 G

Hz

-Fre

cuen

cia

super

ior

de

cort

e: 2

.7 G

Hz

-Riz

ado e

n l

a ban

da

de

pas

o: 0.1

dB

-Fre

cuen

cia

final

de

la b

anda

de

rech

azo i

nfe

rior:

2.1

GH

z

-Fre

cuen

cia

inic

ial de

la b

anda

de

rech

azo s

uper

ior:

2.9

GH

z

-Ate

nuac

ión m

ínim

a en

la

ban

da

de

rech

azo: 30 d

B

(Sust

rato

RO

4003C

)

Dis

o y

fab

ricaci

ón

de f

iltr

os

con

tecn

olo

gía

mic

rost

rip

28

/2

9

Medidas

La

s m

edid

as

se r

ealiz

an m

edia

nte

dos

analiz

adore

s de r

edes

dis

tinto

s.

M

edia

nte

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GPIB

se e

xtra

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resu

ltados

en f

orm

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Exc

el.

Lo

s re

sultados

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import

ados

a

docu

mento

s de MathCad

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su

com

para

ción c

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zad

or E5062A

de

AgilentTechnologies

An

ali

zad

or M

S4622A

de

Anritsu

Dis

o y

fab

ricaci

ón

de f

iltr

os

con

tecn

olo

gía

mic

rost

rip

29

/2

9

Ampliaciones/mejora

s

U

na s

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o a

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a

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aso

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dis

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e lín

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s co

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m)

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dis

eños

para

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mayo

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(analiz

adore

s de re

des

capace

s de m

edir a

f >

3 G

Hz)