Los filtros de radiofrecuencia (RF) y microondas representan una clase de filtro electrónico , diseñado para operar en señales en losrangos de frecuencia de megahercios a gigahercios ( frecuencia media a frecuencia extremadamente alta ). Es un componente que se utiliza en sistemas electrónicos para pasar o rechazar frecuencias específicas y atenuar señales no deseadas dentro del rango de microondas y RF. Este rango de frecuencia es el rango utilizado por la mayoría de las transmisiones de radio, televisión, comunicación inalámbrica (teléfonos celulares, Wi-Fi , etc.), y por lo tanto la mayoría de los dispositivos de RF y microondas incluirán algún tipo de filtrado en las señales transmitidas o recibidas. Dichos filtros se utilizan comúnmente como bloques de construcción para duplexores y diplexores para combinar o separar múltiples bandas de frecuencia. [1]
Son deseables cuatro funciones de filtro generales:
En general, la mayoría de los filtros de RF y microondas suelen estar compuestos por uno o más resonadores acoplados y, por lo tanto, cualquier tecnología que se pueda utilizar para fabricar resonadores también se puede utilizar para fabricar filtros. El factor de calidad sin carga de los resonadores que se utilizan generalmente establecerá la selectividad que puede alcanzar el filtro. El libro de Matthaei, Young y Jones [2] proporciona una buena referencia para el diseño y la realización de filtros de RF y microondas. La teoría generalizada de filtros opera con frecuencias resonantes y coeficientes de acoplamiento de resonadores acoplados en un filtro de microondas.
La estructura de resonador más simple que se puede utilizar en filtros de RF y microondas es un circuito de tanque LC que consta de inductores y capacitores en paralelo o en serie. Estos tienen la ventaja de ser muy compactos, pero el bajo factor de calidad de los resonadores conduce a un rendimiento relativamente bajo.
Los filtros LC de elementos concentrados tienen un rango de frecuencia superior e inferior. A medida que la frecuencia se vuelve muy baja, en el rango bajo de kHz a Hz, el tamaño de los inductores utilizados en el circuito tanque se vuelve prohibitivamente grande. Los filtros de frecuencia muy baja a menudo se diseñan con cristales para superar este problema. A medida que la frecuencia aumenta, en el rango de 600 MHz y superior, los inductores en el circuito tanque se vuelven demasiado pequeños para ser prácticos. Dado que la reactancia eléctrica de un inductor de una cierta inductancia aumenta linealmente con respecto a la frecuencia, a frecuencias más altas, para lograr la misma reactancia, puede requerirse una inductancia prohibitivamente baja.
Las líneas de transmisión planas , como las microbandas , las guías de onda coplanares y las líneas de banda , también pueden ser buenos resonadores y filtros. Los procesos que se utilizan para fabricar circuitos de microbanda son muy similares a los que se utilizan para fabricar placas de circuito impreso y estos filtros tienen la ventaja de ser en gran medida planas.
Los filtros planos de precisión se fabrican mediante un proceso de película fina. Se pueden obtener factores Q más altos utilizando materiales dieléctricos tangentes de baja pérdida para el sustrato, como cuarzo o zafiro, y metales de menor resistencia, como el oro.
Las líneas de transmisión coaxiales ofrecen un factor de calidad superior al de las líneas de transmisión planares, [ cita requerida ] y, por lo tanto, se utilizan cuando se requiere un mayor rendimiento. Los resonadores coaxiales pueden utilizar materiales con una constante dieléctrica alta para reducir su tamaño total.
Los filtros de cavidad bien construidos, que aún se utilizan ampliamente en el rango de frecuencia de 40 MHz a 960 MHz, son capaces de lograr una alta selectividad incluso con cargas de potencia de al menos un megavatio. [3] Se puede lograr un factor de calidad Q más alto , así como una mayor estabilidad del rendimiento en frecuencias muy espaciadas (hasta 75 kHz) aumentando el volumen interno de las cavidades del filtro.
La longitud física de los filtros de cavidad convencionales puede variar desde más de 205 cm en el rango de 40 MHz, hasta menos de 27,5 cm en el rango de 900 MHz.
En el rango de microondas (1000 MHz y más), los filtros de cavidad se vuelven más prácticos en términos de tamaño y un factor de calidad significativamente mayor que los resonadores y filtros de elementos concentrados.
También se pueden utilizar discos fabricados con diversos materiales dieléctricos para fabricar resonadores. Al igual que con los resonadores coaxiales, se pueden utilizar materiales con una constante dieléctrica alta para reducir el tamaño total del filtro. Con materiales dieléctricos de baja pérdida, estos pueden ofrecer un rendimiento significativamente mayor que las otras tecnologías analizadas anteriormente.
Los resonadores electroacústicos basados en materiales piezoeléctricos se pueden utilizar como filtros. Dado que la longitud de onda acústica a una frecuencia determinada es varios órdenes de magnitud más corta que la longitud de onda eléctrica, los resonadores electroacústicos suelen ser más pequeños en tamaño y peso que sus homólogos electromagnéticos, como los resonadores de cavidad.
Un ejemplo común de un resonador electroacústico es el resonador de cuarzo , que básicamente es un corte de un cristal de cuarzo piezoeléctrico sujeto por un par de electrodos. Esta tecnología está limitada a algunas decenas de megahercios. Para frecuencias de microondas, normalmente superiores a 100 MHz, la mayoría de los filtros utilizan tecnologías de película delgada, como las ondas acústicas de superficie (SAW) y las estructuras basadas en resonadores acústicos de película delgada (FBAR, TFBAR).
El filtro de la plancha para gofres es un ejemplo.
Se trata de una nueva clase de filtros de microondas de alta sintonización. Estos tipos especiales de filtros se pueden implementar en guías de onda, SIW o en tecnología de PCB de bajo costo y se pueden sintonizar a cualquier frecuencia más baja o más alta con la ayuda de interruptores insertados en las posiciones adecuadas para lograr un amplio rango de sintonización. [4]