Un filtro de tipo waffle es un tipo de filtro de guía de ondas que se utiliza en frecuencias de microondas para filtrar señales . Es una variación del filtro de guía de ondas corrugado , pero con ranuras longitudinales cortadas a través de las corrugaciones, lo que da como resultado una estructura interna que tiene la apariencia de un filtro de tipo waffle .
Los filtros de rejilla son particularmente adecuados cuando se requiere una banda de paso amplia y una banda de rechazo amplia libre de modos de transmisión espurios. También tienen una gran capacidad de manejo de potencia. Las aplicaciones incluyen la supresión de la salida armónica de los transmisores y el diseño de diplexores de banda ancha . También se utilizan en procesos industriales de fabricación de microondas para evitar el escape de la radiación de microondas de la cámara de microondas. Ahora están apareciendo filtros con un diseño análogo en fotónica , pero, debido a la mayor frecuencia, a una escala mucho menor. Este pequeño tamaño permite incorporarlos en circuitos integrados .
Las técnicas de diseño para filtros de rejilla incluyen métodos de parámetros de imagen , métodos de síntesis de red y métodos de análisis numérico . La síntesis de red es un método más avanzado que las técnicas de parámetros de imagen, pero estas últimas pueden utilizarse cuando se desea un diseño simple de patrón repetido. Se pueden utilizar métodos numéricos para analizar cualquiera de los dos diseños.
El filtro de tipo waffle fue inventado por Seymour B. Cohn en el Stanford Research Institute en 1957. [1] La base del filtro es el filtro de guía de ondas corrugada . Este consiste en una serie de crestas, u corrugaciones, a lo ancho del filtro. Hay corrugaciones dentro de la guía de ondas tanto en las superficies superior como inferior. Las crestas ascendentes y descendentes están alineadas entre sí, pero no se encuentran en el medio; hay un espacio entre ellas. En el filtro de tipo waffle hay, además, ranuras cortadas a través de las crestas a lo largo de la guía de ondas. Esto deja una matriz de islas cuadradas, o dientes, en las superficies superior e inferior. [2]
Los filtros de waffle-iron son, en esencia, filtros de paso bajo pero, como todos los dispositivos de guía de ondas, no transmiten nada por debajo de la frecuencia de corte de la guía de ondas . Los filtros de waffle-iron se utilizan cuando se necesita una banda de paso amplia con baja pérdida de inserción y una banda de rechazo amplia (a veces muy amplia). Son particularmente buenos cuando se requiere la supresión de modos espurios. [3]
Se han construido filtros tipo waffle con una banda de rechazo de 10 GHz de ancho y una atenuación de 60 dB . [4] Es posible lograr bandas de rechazo aún más amplias con una especificación de atenuación relajada. [5]
Uno de los problemas de rendimiento que aborda el filtro de tipo waffle es que en muchos filtros de guía de ondas la atenuación depende de los modos de transmisión de la señal incidente y algunos filtros pueden ser bastante malos a la hora de suprimir los modos espurios que puede contener esta señal. Por ejemplo, con el filtro de guía de ondas corrugado, en el que se basa el filtro de tipo waffle, la atenuación de los modos TE n 0 en la banda de rechazo depende en gran medida del número de modo. Este no es el caso del filtro de tipo waffle, que atenúa todos los modos TE n 0 casi por igual hasta una determinada frecuencia. El límite es la frecuencia a la que la distancia entre los dientes metálicos es mayor que la mitad de la longitud de onda en el espacio libre de la señal. La razón del buen rendimiento del diseño de tipo waffle en este sentido es que la distancia entre los dientes es la misma tanto en la dirección longitudinal como en la transversal y casi la misma en todas las direcciones intermedias. Esto hace que el filtro de tipo waffle sea casi isotrópico a las ondas TEM en todas estas direcciones. Dado que cualquier onda de modo TE n 0 se puede descomponer en dos ondas de modo TEM que viajan en diferentes direcciones diagonales, todos los modos TE n 0 se ven afectados casi por igual. [6]
Las señales incidentes que contienen modos TM por encima de una determinada frecuencia pueden generar modos que se propagan a lo largo de las ranuras longitudinales, y las ranuras mismas actúan como guías de ondas. El punto en el que esto puede comenzar a suceder es la frecuencia en la que la altura de la ranura es mayor que la mitad de la longitud de onda en el espacio libre de la señal. Si esta frecuencia está por encima de la banda de rechazo requerida del filtro, el efecto no tiene importancia. De lo contrario, se necesitan pasos fuera del filtro para suprimir estos modos y se pueden incorporar en las secciones de adaptación de extremos. [7]
Otros criterios de diseño suelen dar como resultado un filtro que no se adapta a las guías de ondas a las que se conectará en su entrada y salida. Hay muchas estructuras que se pueden utilizar para la adaptación, pero una de las más útiles en este caso es el transformador de impedancia escalonada, que tiene la ventaja adicional de ayudar a suprimir los modos de ranura no deseados. [8]
Una aplicación común de los filtros waffle-iron es eliminar los armónicos de los transmisores, como los radares de alta potencia, antes de aplicarlos a la antena . La legislación en la mayoría de las jurisdicciones requiere límites estrictos para las transmisiones fuera de banda, ya que pueden causar interferencias graves con otras estaciones. Esta es una aplicación que generalmente requiere una banda de rechazo muy amplia, una característica de los filtros waffle-iron. Por ejemplo, para eliminar todos los armónicos hasta el quinto, es necesario que un filtro de paso bajo tenga una banda de rechazo mayor que tres veces la banda de paso. [9]
La naturaleza de banda ancha de los filtros waffle-iron encuentra aplicaciones en las comunicaciones por satélite. Una estación terrestre de satélite puede tener múltiples diplexores conectados a un alimentador de antena multibanda . Cada diplexor entrega una señal de banda ancha en una banda diferente y es esencial que su señal no contenga componentes fuera de banda, particularmente armónicos. Estos pueden interferir seriamente con la comunicación en otra banda o incluso detenerla por completo. Por lo tanto, el diplexor debe tener una banda de detención que sea incluso más ancha que la banda de paso. Por esta razón, así como por las otras ventajas de los filtros waffle-iron, estos diplexores se fabrican comúnmente con un diseño waffle-iron. [10]
Los filtros de rejilla se utilizan en procesos industriales de microondas. Las numerosas aplicaciones industriales de la energía de las microondas incluyen el secado de productos alimenticios y películas industriales, el calentamiento, como en la producción de espuma de poliuretano, la fusión, el descascarillado , la esterilización y la vulcanización . En la producción de gran volumen, el proceso es continuo, por lo que se necesitan aberturas en la cámara de microondas por donde se puede introducir y sacar el producto. Se deben tomar medidas para evitar que se escapen niveles peligrosos de radiación de microondas por estas aberturas, que suelen ser grandes para dar cabida al producto. Es habitual revestir los conductos de alimentación del producto con material absorbente de microondas para este fin. Sin embargo, las microondas absorbidas tienen un efecto de calentamiento que puede ser lo suficientemente grave como para dañar el material absorbente. Los filtros de rejilla son una alternativa útil porque el producto puede pasar entre los dientes del filtro. Un filtro ideal reflejará toda la radiación no deseada en lugar de absorberla, por lo que no sufrirá sobrecalentamiento. Este es un ejemplo de un filtro que se utiliza en una aplicación de estrangulamiento . En algunos procesos se utilizan ambas técnicas simultáneamente. La máquina para hacer gofres se coloca más cerca de la cámara de microondas para reducir primero la energía a un nivel que no provoque un sobrecalentamiento del revestimiento absorbente. A continuación, el revestimiento absorbente elimina los pequeños residuos. [11]
El número de dientes, su tamaño y el espacio entre ellos son parámetros de diseño que se pueden utilizar para controlar el diseño del filtro. Por ejemplo, un filtro con una banda de rechazo de 3:1 podría tener cinco dientes a lo largo de la guía de ondas. El número de filas de dientes a lo largo de la guía de ondas afecta principalmente a la atenuación de la banda de rechazo. Cuantas más filas de dientes haya, mejor será la atenuación, y cada fila equivale a una sección de filtro de circuito de elementos concentrados . Un filtro con diez filas de dientes tiene un rechazo teórico de la banda de rechazo de alrededor de 80 dB y uno con siete filas de alrededor de 60 dB . [12]
Los primeros filtros para waffleras se diseñaron con el método de parámetros de imagen para el diseño de filtros. Los datos originales de Cohn para el filtro corrugado también se podían aplicar a las waffleras con solo un pequeño ajuste de un parámetro. Un enfoque alternativo al uso de los datos empíricos de Cohn, pero que sigue siendo un diseño de parámetros de imagen, se debe a Marcuvitz, quien utilizó un circuito equivalente de unión en T de guía de ondas para representar corrugaciones y este método fue posteriormente extendido por otros a las waffleras. [13]
Una de las principales desventajas del método de diseño de parámetros de imagen en este, como en otros, filtros es que la adaptación de impedancia en las terminaciones no es buena. Esto generalmente requiere que se proporcionen secciones de adaptación de impedancia en la entrada y la salida. Estas suelen tomar la forma de transformadores de impedancia escalonados de múltiples secciones. Estos aumentan considerablemente la longitud total del filtro. [14] Se puede lograr una pequeña mejora en la adaptación iniciando y terminando el filtro en un medio espacio en lugar de un diente o espacio completo. El circuito concentrado equivalente de esto son las semisecciones en T que terminan el filtro en cada extremo. Iniciar y terminar en un medio diente en lugar de en un medio espacio es el equivalente a las semisecciones en Π. [15]
La síntesis directa evita muchos de los problemas del método de parámetros de imagen. No sólo tiene más en cuenta las impedancias terminales, sino que el diseñador tiene grados adicionales de libertad que permiten una mejor adaptación. El tamaño y los espacios entre los dientes se reducen en este método de diseño. Es decir, los dientes pueden tener tamaños diferentes según su posición en el filtro, en comparación con un diseño de imagen en el que todas las secciones son idénticas. Con este enfoque, se puede mantener la especificación original para la banda de paso y la banda de rechazo y, al mismo tiempo, mejorar la adaptación de impedancia. Se puede prescindir de los transformadores de impedancia escalonados, o al menos reducir significativamente su tamaño. [16]
Los métodos de síntesis permiten un mejor control de la respuesta precisa del filtro. Una función de respuesta común utilizada por los diseñadores de filtros es el filtro Chebyshev , que intercambia la inclinación de la banda de transición por la ondulación de la banda de paso . Sin embargo, la respuesta de Chebyshev no siempre es la mejor opción para los filtros waffle-iron. Los filtros de guía de onda de paso bajo no pasan frecuencias hasta cero debido al efecto de corte de la guía de onda. Una mejor opción es el filtro Achieser-Zolotarev . Este filtro se basa en polinomios de Zolotarev (que incluyen los polinomios de Chebyshev como un caso especial) descubiertos por Yegor Ivanovich Zolotarev . La respuesta de Zolotarev tiene una banda de supresión a baja frecuencia, cuyo corte puede ser controlado por el diseñador, por lo que no es perjudicial en un filtro de guía de onda. La ventaja de la respuesta de Zolotarev es que da como resultado un filtro con una mejor adaptación de impedancia a las guías de onda de conexión en comparación con el filtro Chebyshev o los filtros de parámetros de imagen. [17]
Otro enfoque de diseño, particularmente adecuado para CAD porque es un método numérico , es descomponer el filtro en una serie de elementos finitos . Estos elementos son una gran cantidad de pasos y crestas simples. Hay varios métodos disponibles para analizar los elementos individuales. La técnica de coincidencia de modos expande las ecuaciones de campo del elemento en una serie de funciones propias y luego, para cada modo, coincide con el campo en la interfaz entre elementos. [18] El método de Galerkin expande las ecuaciones de campo en funciones polinómicas como los polinomios de Gegenbauer o los polinomios de Chebyshev. Estos métodos se pueden combinar según lo que sea conveniente para un tipo particular de elemento. Cualquiera que sea el método de análisis utilizado, el resultado final necesario es la matriz de parámetros de dispersión para cada elemento. Luego, la respuesta general del filtro se encuentra a partir de la matriz de dispersión combinada de todas las matrices de elementos individuales. Este método es analítico más que sintético, es decir, primero debe existir un diseño de prueba para poder analizarlo, a diferencia de los métodos de síntesis, donde el punto de partida es una función de transferencia prescrita a partir de la cual se sintetiza un diseño. [19]
En teoría, los modos TE 0 n no deberían excitarse en el filtro de rejilla debido a su simetría vertical respecto de la línea central. Sin embargo, en la práctica pueden ser causados por bridas de guía de ondas mal acopladas o dientes desalineados. Estos modos espurios pueden suprimirse colocando cables delgados a lo ancho del filtro en el espacio entre los dientes en la línea central vertical de la guía de ondas. Esta puede ser una mejor solución que sobrediseñar los componentes para lograr una alta precisión y da como resultado un diseño más robusto. [20]
Se pueden lograr bandas de rechazo muy amplias conectando en cascada varias unidades de filtro waffle-iron. Cada unidad está diseñada para una banda de rechazo en rangos diferentes, pero superpuestos. El filtro con la banda de rechazo de frecuencia más alta tiene el menor y mayor número de dientes. Las unidades están conectadas entre sí con secciones de guía de onda de transformador de impedancia λ/4 en orden de operación de frecuencia progresivamente más alta. Dado que los transformadores de impedancia operan a frecuencias diferentes, los conectados a las unidades con dientes más pequeños son más cortos que los conectados a unidades con dientes más grandes. Matthaei da un ejemplo de un filtro waffle-iron de tres unidades diseñado para rechazar todos los armónicos de la banda de paso desde el segundo al décimo: una banda de rechazo combinada de 2,2 GHz a 13,7 GHz con un rechazo de 60 dB . [21]
Mediante técnicas de diseño de síntesis de redes , se puede reducir o eliminar la necesidad de contar con múltiples unidades. Si se permite la reducción de la anchura de los dientes, un diseño de dos unidades puede reducirse a menudo a una sola unidad con la misma banda de rechazo amplia. Este enfoque puede reducir a la mitad la longitud del filtro completo. [22]
A alta potencia, se pueden producir arcos eléctricos en las esquinas de los dientes del filtro debido a la presencia de fuertes campos eléctricos en las esquinas agudas. Esto limita la capacidad de manejo de potencia del filtro. El efecto se puede mitigar redondeando los bordes de los dientes. Los dientes completamente circulares son los mejores para el manejo de potencia. Los dientes circulares manejarán aproximadamente 1,4 veces la capacidad de potencia de los dientes cuadrados sin arcos. Por ejemplo, Matthaei describe un filtro de banda de paso de 1,2-1,64 GHz con dientes redondeados y una banda de supresión amplia con una capacidad de manejo de potencia de 1,4 MW . Un filtro similar con dientes circulares, por otro lado, puede manejar 2 MW . El uso de divisores de potencia para conectar filtros en paralelo y luego combinar sus salidas puede proporcionar un manejo de potencia aún mayor. [23]
En fotónica se utilizan estructuras de filtro análogas al filtro de rejilla, pero funcionan a una frecuencia mucho más alta y son mucho más pequeñas que las que se utilizan en electrónica. Al igual que el filtro de rejilla, estas estructuras tienen una buena supresión de los modos de transmisión no deseados. Se ha construido un filtro que funciona en la banda de 0,1 a 4,0 THz utilizando tecnología de guía de ondas de placas paralelas (PPWG [24] ) con 50 dB de rechazo en la banda de rechazo. El filtro se construyó con dos placas de aluminio altamente pulido espaciadas a 100 μm de distancia. Los dientes consistían en cilindros de aluminio pulverizados con oro sobre una matriz de silicio . En este diseño no es conveniente proporcionar un espacio a través del centro de los dientes como se hace en la versión de microondas. En su lugar, el espacio de aire se proporciona entre la parte superior de los dientes y una de las placas PPWG. [25]
Estos filtros se pueden fabricar utilizando las técnicas de fabricación por fotolitografía estándar de la industria de semiconductores , por lo que son adecuados para su incorporación en circuitos integrados en chip, como lo es la tecnología PPWG en general. [26]