Los filtros de radiofrecuencia (RF) y microondas representan una clase de filtro electrónico , diseñado para operar con señales en losrangos de frecuencia de megahercios a gigahercios ( de 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 y comunicaciones inalámbricas (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. Estos filtros se utilizan habitualmente como componentes básicos de 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 pueda usarse para fabricar resonadores también se puede usar para fabricar filtros. El factor de calidad sin carga de los resonadores que se utilizan generalmente establecerá la selectividad que el filtro puede lograr. El libro de Matthaei, Young y Jones [2] proporciona una buena referencia sobre el diseño y realización de filtros de RF y microondas. La teoría de filtros generalizada 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 condensadores en paralelo o en serie. Tienen la ventaja de ser muy compactos, pero el bajo factor de calidad de los resonadores conduce a un rendimiento relativamente pobre.
Los filtros LC de elemento agrupado 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 del tanque se vuelve prohibitivamente grande. Los filtros de muy baja frecuencia suelen estar diseñados con cristales para superar este problema. A medida que la frecuencia aumenta, hasta el rango de 600 MHz y superiores, los inductores en el circuito del tanque se vuelven demasiado pequeños para ser prácticos. Dado que la reactancia eléctrica de un inductor de una determinada inductancia aumenta linealmente con respecto a la frecuencia, a frecuencias más altas, para lograr la misma reactancia, puede ser necesaria una inductancia prohibitivamente baja.
Las líneas de transmisión planas , como microstrip , guía de ondas coplanares y stripline , también pueden ser buenos resonadores y filtros. Los procesos utilizados para fabricar circuitos microstrip son muy similares a los procesos utilizados para fabricar placas de circuito impreso y estos filtros tienen la ventaja de ser en gran medida planos.
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 proporcionan un factor de calidad más alto que las líneas de transmisión planas [ cita necesaria ] y, por lo tanto, se utilizan cuando se requiere un mayor rendimiento. Los resonadores coaxiales pueden utilizar materiales de alta constante dieléctrica 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 bajo cargas de energía 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 filtros y resonadores de elementos agrupados.
También se pueden utilizar discos hechos de diversos materiales dieléctricos para fabricar resonadores. Al igual que con los resonadores coaxiales, se pueden usar materiales de alta constante dieléctrica para reducir el tamaño total del filtro. Con materiales dieléctricos de bajas pérdidas, estos pueden ofrecer un rendimiento significativamente mayor que las otras tecnologías analizadas anteriormente.
Para los filtros se pueden utilizar resonadores electroacústicos basados en materiales piezoeléctricos . 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 son generalmente más pequeños en tamaño y peso que sus homólogos electromagnéticos, como los resonadores de cavidad.
Un ejemplo común de resonador electroacústico es el resonador de cuarzo , que esencialmente es un corte de un cristal de cuarzo piezoeléctrico sujeto por un par de electrodos. Esta tecnología se limita a unas decenas de megahercios. Para frecuencias de microondas, normalmente superiores a 100 MHz, la mayoría de los filtros utilizan tecnologías de película delgada, como estructuras basadas en ondas acústicas de superficie (SAW) y resonadores acústicos masivos de película delgada (FBAR, TFBAR).
El filtro de gofrera es un ejemplo.
Éstas son la nueva clase de filtros de microondas altamente sintonizables. Estos tipos especiales de filtros se pueden implementar en guías de onda, SIW o en tecnología 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 apropiadas para lograr un amplio rango de sintonización. [4]