Juan Carlos Martínez Quintero 8[autor]
Paula Alejandra Garzón Sánchez 8[autor]
Resumen
En este proyecto se plantea establecer una metodología adecuada para la implementación exitosa de un filtro microstrip sobre el software ADS, recurriendo a todos los factores configurables brindados por el productor de este software que agilizar los procesos de diseño y simulación del filtro.
Introducción
Uno de los métodos más prácticos encontrado es el diseño por tablas, en el cual se establecen los parámetros de diseño y luego se procede a reemplazar los datos normalizados en una serie de tablas que entregan resultados como la longitud eléctrica de las líneas. Estos datos son alimentados en el software ADS, al igual que las características de impedancia y tipo de sustrato a utilizar, para determinar la longitud efectiva de las líneas. Con esta información se realiza la simulación final y se determina la respuesta del filtro y la verificación de características usando el simulador de parámetros S.
El objetivo de este proyecto consiste en diseñar e implementar un filtro microstrip. De igual manera se muestran los avances realizados mediante el diseño del filtro a través del software ADS el cual nos permite integrar diversos factores como impedancias, materiales del filtro, acoples necesarios según las características que se desean para un funcionamiento en específico, entre otros, de esta manera se obtiene un diseño a implementar de manera física para su respectiva aplicación.
Marco Teórico
Los filtros son utilizados en muchas áreas de ingeniería de microondas/RF (comunicaciones, radar, navegación, sensores, etc.), en este caso los filtros se usan para seleccionar, rechazar o aislar las señales de microondas de RF dentro de los
8 Programa de Ingeniería en Telecomunicaciones, Semillero de Investigación Maxwell, Universidad Militar Nueva Granada, Bogotá. Correo electrónico: [email protected]
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límites espectrales asignados, así como para combinar señales a diferentes frecuencias para estos sistemas de RF. Para el diseño de los filtros se implementa la estructura microstrip o micro-cintas que es una clase de línea de transmisión eléctrica que generalmente se fabrica utilizando placas de circuito impreso, se basa en una franja de conducción separada de la franja de masa separada por capas de sustrato dieléctrico. Este tipo de filtros microstrip han sido desarrollados para diversas aplicaciones como la comunicación inalámbrica y sistemas de radares y sensores inalámbricos, además se pueden implementar en herramientas asistidas por un software de diseño con materiales avanzados, por tal razón para el diseño, implementación y simulación de este tipo de filtros se requiere la utilización de un software especializado para facilitar la labor y tener una respuesta aproximada a la teoría.
Para el diseño de los filtros es necesario tener en cuenta las consideraciones propuestas por las diversas publicaciones que se pueden encontrar acerca del tema. Algunas de estas consideraciones se tienen en cuenta para la topología del filtro, el sustrato, el orden del filtro y sus pérdidas, entre otras. Para el tipo de topología se tiene en cuenta las características del filtro (dependen del filtro a escoger), el ancho de banda, el tamaño y el manejo de potencia, para escoger el sustrato depende del tamaño, del orden, de los efectos de la curva de superficie y de la implementación del filtro, así como las pérdidas del conductor, del dieléctrico y de la radiación en la resonancia de la micro cinta, sin olvidar el efecto de la temperatura en los componentes.
El software ADS (Advanced Design System) es un Sistema de automatización de diseño electrónico de RF, microondas y aplicaciones digitales de alta velocidad. ADS ofrece diseño completo, basado en estándares y verificación con librerías inalámbricas las cuales se actualizan acorde a los estándares internacionales más recientes, ADS es pionero en redes inalámbricas ya que gracias al desarrollo constante de sus librerías en la actualidad se pueden diseñar elementos para redes WiMax, servicios LTE y radares. Se utiliza este software por ser un sistema rápido, preciso y fácil de usar, que cuenta con las herramientas necesarias para el diseño y simulación de filtros.
Metodología Empleada
El enfoque metodológico del proyecto se presenta alrededor de la investigación descriptiva y experimental.
Inicialmente se plantea el levantamiento de información para determinar metodologías de diseño e implementación de filtros microstrip para características determinadas. Se establecen las condiciones de diseño con base a la frecuencia y ancho de banda la que operará el filtro. Para la simulación del filtro y verificación de
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características de diseño se cuenta con el software ADS, en este sentido es necesario familiarizarse con la operación del mismo, el establecimiento de parámetros de diseño y posterior simulación. Una vez verificado un comportamiento deseado sobre la simulación se realimenta el proceso, con el fin de perfeccionar el diseño.
En la figura 1 se puede ver el diseño de la antena a realizar a través del software ADS como el prototipo en 3D de la antena a implementar.
Figura 1. Diseño de Antena a implementar con el programa ADS. La imagen fue elaborada por los autores.
A continuación en la figura 2 se presentan las configuraciones realizadas en el software ADS para el filtro a diseñar con sus respectivas características.
Figura 2. Configuración implementada en el programa ADS para el diseño de filtros. La imagen fue elaborada por los autores.
En la figura 3 se ilustra el diagrama de Bode de magnitud del filtro, donde se muestra la frecuencia de corte respectiva.
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Figura 3. Diagrama de Bode de Magnitud de la función de transferencia del filtro. La imagen fue elaborada por los autores.
Resultados y Conclusiones
Con base en la literatura revisada, se han encontrado diversas formas de diseñar este tipo de filtros, encontrando métodos fundamentados en la teoría de circuitos y otros en los cuales el proceso se simplifica al empleo de tablas y métodos numéricos.
Uno de los métodos más prácticos encontrado es el diseño por tablas, en el cual se establecen los parámetros de diseño y luego se procede a reemplazar los datos normalizados en una serie de tablas que entregan resultados como la longitud eléctrica de las líneas. Estos datos son alimentados en el software ADS, al igual que las características de impedancia y tipo de sustrato a utilizar, para determinar la longitud efectiva de las líneas. Con esta información se realiza la simulación final y se determina la respuesta del filtro y la verificación de características usando el simulador de parámetros S.
Durante la simulación se acoplaron los filtros a líneas de 50Ω para realizar la futura implementación y verificación de parámetros mediante el analizador vectorial de redes.
La respuesta de los filtros ha sido muy cercana a las características deseadas, sin embargo, el acople con las líneas de 50Ω hace que se desvíen levemente las frecuencias y hace necesario un reajuste en los parámetros de diseño.
El software ADS también permite el diseño de filtros mediante una herramienta gráfica a la cual se le proporcionan las características y esta procede a realizar diferentes tipos de filtros. Esta herramienta también cuenta con filtros prediseñados para su uso en diferentes tecnologías a diferentes frecuencias.
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Referencias
Heriot-Watt University, Jia-Sheng Hong. Microstrip Filter Design (s.f). Disponible en:
http://home.eps.hw.ac.uk/~ceejh3/presentations/Microstrip%20Filter%20Design-JH2005.pdf Hong, J. S. G., & Lancaster, M. J. (2004). Microstrip filters for RF/microwave applications (Vol. 167).
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