Filtros fijos y sintonizables para las cabeceras de radiofrecuencia en sistemas espaciales

Autor: Máximo Gutiérrez, Clara
Přispěvatelé: Álvarez Melcón, Alejandro, Hinojosa Jiménez, Juan, Tecnologías de la Información y las Comunicaciones
Rok vydání: 2022
Předmět:
Zdroj: Repositorio Digital de la Universidad Politécnica de Cartagena
Universidad Europea (UEM)
Popis: Los sistemas de comunicaciones inalámbricas utilizan el espectro radioeléctrico para el envío de información entre el transmisor y el receptor. En la actualidad, existen multitud de aplicaciones empleando este espectro de radiofrecuencias simultáneamente. Por ello, es necesario realizar un uso eficiente de este canal de comunicaciones, y esto se consigue gracias a los dispositivos de filltrado incorporados en los sistemas de telecomunicación. Los filtros RF/microondas son dispositivos imprescindibles en los sistemas de telecomunicación, dado que permiten reducir señales indeseables. En comunicaciones de muy larga distancia se hace uso de satélites de comunicaciones actuando como repetidores que amplifican la señal y realizan la conversión de frecuencias necesaria transmitiendo ésta hacia el receptor. La carga útil de los satélites de comunicaciones se compone de las etapas de recepción, de canalización y de transmisión; y todas ellas necesitan de dispositivos de filtrado que controlen las frecuencias transmitidas. Según la etapa del sistema se requieren diferentes características para los filtros empleados, necesitando filtros de muy bajas pérdidas en etapas de recepción, filtros de banda estrecha en la canalización de las señales y filtros de banda ancha en las etapas de transmisión. Además, dado que los sistemas de comunicaciones por satélite se encuentran en continuo desarrollo tecnológico y operan en diferentes bandas de frecuencia, es importante que los filtros embarcados tengan también capacidad de reconfiguración. En este contexto, esta tesis doctoral presenta el proceso de diseño, desde la síntesis hasta la fabricación y medición de prototipos, de nuevas estructuras de filtros de microondas fijos y sintonizables en diferentes tecnologías y con diferentes especificaciones para poder ser utilizadas en las distintas etapas de los satélites de comunicaciones. Las tecnologías empleadas en este documento engloban estructuras clásicas muy extendidas en el ámbito de las telecomunicaciones como son la línea microstrip y la guía coplanar, con estructuras disruptivas que han emergido en las últimas décadas como son la guía de onda integrada en sustrato (SIW), la guía de onda vacía integrada en sustrato (ESIW) y la guía de onda de gap corrugado (GGW). Cada una de estas tecnologías es apropiada para trabajar en diferentes bandas de frecuencia y etapas del satélite según sus prestaciones. Las tecnologías microstrip y coplanar han sido utilizadas para diseñar en la banda C estructuras de gap electromagnético (EBG) con un rizado en la banda de paso reducido y una amplia banda eliminada, consiguiendo filtros paso bajo de altas prestaciones con respecto a otros filtros EBG. La tecnología SIW tiene las ventajas de la tecnología planar y de la guía de onda rectangular: fácil integración con otros componentes, fácil fabricación, tamaño y peso reducidos, buen blindaje y capacidad de potencia. Por ello, se ha aplicado en el diseño de filtros en banda C de banda ancha fijos y reconfigurables mediante diodos varactores. Estos filtros se obtienen a partir de elipses grabadas en la parte superior de la SIW y una técnica original basada en una extensión de la síntesis de saltos de impedancia que permite controlar el ancho de banda y el rango libre de espurios. Los diseños de filtros a más alta frecuencia (banda Ku) se realizaron en tecnologías ESIW y GGW, dado que el medio de propagación de ambas estructuras es el aire en vez de un sustrato dieléctrico como en las anteriores guías (planar y SIW). De este modo, se reducen las pérdidas dieléctricas y se logran menos pérdidas de transmisión. Se han desarrollado nuevas estructuras de filtros pasa banda de banda estrecha y de banda ancha con altas prestaciones en ambas tecnologías. Los filtros de banda estrecha están basados en estructuras evanescentes con resonadores, mientras que los de banda ancha están realizado a partir de inversores de impedancia y secciones de guía de transmisión. En este trabajo también se realizan estudios teóricos de la capacidad de potencia que pueden soportar los filtros propuestos en las diferentes tecnologías para su aplicación en etapas de recepción y transmisión de los satélites de comunicaciones. [ENG] Wireless communications systems employ the radio spectrum to send information from transmitter to receiver. Currently, there are many applications using this radio frequency spectrum at the same time. Therefore, an efficient use of this communication channel is necessary, and it is possible thanks to the filtering devices incorporated in the telecommunication systems. RF/microwave filters are essential devices in telecommunication systems, since they reduce undesirable signals. Satellites are used in long distance communications acting as repeaters, amplifying the signal and performing the necessary frequency conversion, transmitting it to the receiver. Payload of communication satellites is made up of the receiving, channeling, and transmitting stages, and all of them need filtering devices that control the transmitted frequencies. Depending on the stage of the system, different characteristics are required for the filters used, requiring very low loss filters in the reception stages, narrowband filters in channeling the signals and wideband filters in the transmission stages. Furthermore, it is important that the on-board filters also have reconfiguration capacity, since satellite communication systems are in continuous technological development and operate in different frequency bands. In this context, this Ph.D. dissertation presents the design process, from the synthesis to the manufacture and measurement prototypes, of new fixed and tunable filter structures in different technologies and with different specifications to be used in the distinct stages of communication satellites. Technologies used in this document encompass classic structures that are widely employed in the field of telecommunications, such as the microstrip line and the coplanar guide, with disruptive structures that have emerged in recent decades, such as the Substrate Integrated Waveguide (SIW), the Empty Substrate Integrated Waveguide (ESIW) and the Groove Gap Waveguide (GGW). Each of these technologies is suitable for working in different frequency bands and stages of satellites according to their performances. Microstrip and coplanar technologies have been used to design Electromagnetic Band Gap (EBG) structures in the C band with a low passband ripple and a wide reject band, achieving high-performances lowpass filters compared to other EBG filters. SIW technology has the advantages of planar and rectangular waveguide technology: easy integration with other components, easy fabrication, small size and weight, good shielding and power capacity. For this reason, it has been applied in the design of fixed and tunable wideband C band filters by means of varactor diodes. These filters are obtained from ellipses etched on the top surface of the SIW and from a original technique based on an extension of stepped impedance synthesis that allows control of bandwidth and spurious-free range. The higher frequency filter designs (Ku band) were carried out in ESIW and GGW technologies, since the propagation medium of both structures is the air instead of a dielectric substrate as in the previous guides (planar and SIW). In this way, dielectric losses are reduced and lower transmission losses are achieved. New narrowband and wideband bandpass filter structures have been developed with high performances in both technologies. Narrowband filters are based on evanescent structures with resonators, while wideband filters are made from impedance inverters and transmission guide sections. In this work, theoretical studies of the power handling capability that can be supported by the filters proposed in the different technologies are also carried out for their application in the reception and transmission stages of communication satellites. Escuela Internacional de Doctorado de la Universidad Politécnica de Cartagena Universidad Politécnica de Cartagena Programa de Doctorado en Tecnologías de la Información y las Comunicaciones
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: