O objetivo desta tese é o projeto e a síntese de filtros passa-faixa sintonizáveis em frequências de micro-ondas utilizando ressoadores planares tipo patch. As características dos filtros projetados, tais como frequência central, largura de banda e/ou seletividade, são eletronicamente ajustadas por uma tensão de controle DC. Uma metodologia para a concepção e síntese de filtros sintonizáveis patch é desenvolvida e aplicada a dois filtros com topologias triangular e circular. A metodologia fornece técnicas para extrair o esquema de acoplamento que modela o comportamento do filtro e as equações necessárias para calcular a matriz de acoplamento. Então, a resposta teórica do filtro resultante da análise dos coeficientes da matriz de acoplamento é comparada com os resultados das simulações completas. As simulações completas combinam os resultados da simulação eletromagnética 3D do layout do filtro com os resultados da simulação elétrica dos dispositivos de ajuste, representados por seu modelo elétrico equivalente de elementos discretos. Isso permite o correto modelamento das características do ajuste e a definição de seus limites. A fim de validar a metodologia, os filtros patch sintonizáveis são fabricados usando tecnologia de micro-ondas de circuito Integrado (MIC) sobre substratos flexíveis. As dimensões mínimas são maiores do que 0,5 mm, garantindo um processo de fabricação de baixo custo. O primeiro filtro é um filtro patch dual-mode sintonizável que utiliza um ressonador triangular com duas fendas perpendiculares. A frequência central e a largura de banda do filtro podem ser ajustadas individualmente por um controle independente de cada modo fundamental degenerado. O controle dos modos é feito através de diodos varactor montados nas fendas do ressoador patch. O filtro apresenta variação de 20 % de frequência central de 2,9 GHz a 3,5 GHz. A banda relativa de 3 dB varia de 4 % a 12 %. Duas tensões de polarização DC diferentes variando de 2,5 V a 22 V são usadas para ajustar este filtro. O segundo filtro é um filtro patch triple-mode sintonizável que utiliza um ressoador circular com quatro fendas radiais, nas quais são conectados os diodos varactor. A frequência central e a largura de banda deste filtro variam simultaneamente. O filtro apresenta 27 % de variação da frequência central de 1,8 GHz a 2,35 GHz com variação concomitante da largura de banda relativa de 8,5 % para 26 %. Apenas uma única tensão de polarização DC variando de 0,5 V a 20 V é usada para sintonizar este filtro. Ambos os filtros são capazes de lidar com níveis de potência de no mínimo +14,5 dBm (filtro com ressoador triangular) e +12,9 dBm (filtro com ressoador circular). / The objective of this thesis is the design and synthesis of tunable bandpass filters at microwave frequencies using planar patch resonators. The characteristics of the designed filters, such as center frequency, bandwidth, and/or selectivity, are electronically adjusted by a DC voltage control. A methodology for the design and synthesis of tunable patch filters is developed and applied to two filters with triangular and circular topologies. The methodology provides techniques to extract the coupling scheme that models the filter behavior and the necessary equations for calculating the corresponding coupling matrix. Then, the theoretical filter response resulting from the analysis of the coupling matrix coefficients is compared to the results of complete simulations. The complete simulations combine the results of the 3D electromagnetic (EM) simulation of the filter layout with the results of the electrical simulation of the tuning devices, represented by their lumped elements equivalent model. This allows the correct model of the tuning effect and the definition of the tuning possibilities and limits. In order to validate the methodology, the tunable patch filters are fabricated using Microwave Integrated Circuit (MIC) technology on flexible substrates. The minimum dimensions are greater than 0.5 mm, ensuring a low cost fabrication process. The first filter is a tunable dual-mode patch filter using a triangular resonator with two perpendicular slots. The central frequency and the bandwidth of the filter are individually tuned by independently controlling each degenerate fundamental mode. The topology with uncoupled modes allows the control of each resonant mode frequency by varactor diodes mounted across the slots of the patch resonator. This filter presents a center frequency tuning range of 20 %, varying from 2.9 GHz to 3.5 GHz. The FBW 3dB can be varied from 4 % to 12 %. Two different DC bias voltages ranging from 2.5 V to 22 V are used to tune this filter. The second filter is a tunable triple-mode patch filter using a circular resonator with four slots, across which the varactor diodes are connected. The center frequency and bandwidth of this filter vary simultaneously. This filter presents a center frequency tuning range of 27 %, varying from 1.8 GHz to 2.35 GHz, changing concomitantly with the bandwidth from 8.5 % to 26 %. Only a single DC bias voltage ranging from 0.5 V to 20 V is used to tune the filter. Both filters are able to handle power levels as high as +14.5 dBm (triangular patch filter) and +12.9 dBm (circular patch filter).
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:teses.usp.br:tde-03112011-151217 |
| Date | 02 May 2011 |
| Creators | Ariana Maria da Conceição Lacorte Caniato Serrano |
| Contributors | Fátima Salete Correra, Antonio Octavio Martins de Andrade, Philippe Ferrari, Bernard Jarry, Eduardo Victor dos Santos Pouzada |
| Publisher | Universidade de São Paulo, Engenharia Elétrica, USP, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP, instname:Universidade de São Paulo, instacron:USP |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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