Filtro de guía de ondas

Un filtro de guía de ondas es un filtro electrónico construido con tecnología de guía de ondas . Las guías de ondas son conductos metálicos huecos por donde se transmite una onda electromagnética . Los filtros son dispositivos que permiten el paso de señales en ciertas frecuencias ( banda de paso ) y rechazan otras ( banda de rechazo ). Son un componente básico en el diseño de electrónica y tienen numerosas aplicaciones, como la selección de señales y la reducción de ruido . Los filtros de guía de ondas son especialmente útiles en la banda de microondas , donde su tamaño es adecuado y presentan bajas pérdidas . Ejemplos de su uso se encuentran en las comunicaciones por satélite , las redes telefónicas y la radiodifusión televisiva .

Los filtros de guía de ondas se desarrollaron durante la Segunda Guerra Mundial para satisfacer las necesidades de los radares y las contramedidas electrónicas , pero posteriormente encontraron aplicaciones civiles, como su uso en enlaces de microondas . Gran parte del desarrollo de la posguerra se centró en reducir el tamaño y el peso de estos filtros, primero mediante el uso de nuevas técnicas de análisis que llevaron a la eliminación de componentes innecesarios, y luego mediante innovaciones como las cavidades de modo dual y materiales novedosos como los resonadores cerámicos .

Una característica particular del diseño de filtros de guía de ondas reside en el modo de transmisión. Los sistemas basados ​​en pares de cables conductores y tecnologías similares solo presentan un modo de transmisión. En los sistemas de guía de ondas, es posible cualquier número de modos. Esto puede ser tanto una desventaja, ya que los modos espurios suelen causar problemas, como una ventaja, puesto que un diseño de modo dual puede ser mucho más pequeño que un diseño equivalente de modo único. Las principales ventajas de los filtros de guía de ondas frente a otras tecnologías son su capacidad para manejar alta potencia y sus bajas pérdidas. Las principales desventajas son su tamaño y coste en comparación con tecnologías como los filtros de microcinta .

Existe una amplia gama de diferentes tipos de filtros de guía de onda. Muchos de ellos consisten en una cadena de resonadores acoplados de algún tipo que se puede modelar como una red en escalera de circuitos LC . Uno de los tipos más comunes consiste en varias cavidades resonantes acopladas . Incluso dentro de este tipo, hay muchos subtipos, diferenciados principalmente por el medio de acoplamiento . Estos tipos de acoplamiento incluyen aperturas, iris ^{[w] , [x]} y postes. Otros tipos de filtros de guía de onda incluyen filtros de resonador dieléctrico , filtros de inserción, filtros de línea de aleta, filtros de guía de onda corrugada y filtros stub. Varios componentes de guía de onda tienen la teoría de filtros aplicada a su diseño, pero su propósito es diferente al de filtrar señales. Dichos dispositivos incluyen componentes de adaptación de impedancia , acopladores direccionales y diplexores . Estos dispositivos frecuentemente adoptan la forma de un filtro, al menos en parte.

El significado común de guía de ondas , cuando el término se usa sin calificativos, es el tipo de metal hueco (o en ocasiones relleno de dieléctrico ), pero existen otras tecnologías de guía de ondas. ^{[ 1 ]} El alcance de este artículo se limita al tipo de conducto metálico. La estructura de guía de ondas de pared posterior es una variante, pero está lo suficientemente relacionada como para incluirla en este artículo: la onda está rodeada principalmente por material conductor. Es posible construir guías de ondas a partir de varillas dieléctricas , ^{[ 2 ]} el ejemplo más conocido son las fibras ópticas . Este tema está fuera del alcance del artículo, con la excepción de que a veces se utilizan resonadores de varilla dieléctrica dentro de guías de ondas de metal hueco. Las tecnologías de línea de transmisión ^[o] , como los cables conductores y la microcinta, pueden considerarse guías de ondas, ^{[ 3 ]} pero no se denominan comúnmente como tales y también están fuera del alcance de este artículo.

Al igual que los filtros de línea de transmisión, los filtros de guía de onda siempre tienen múltiples bandas de paso , réplicas del prototipo de elemento concentrado . En la mayoría de los diseños, solo la banda de paso de frecuencia más baja es útil (o las dos más bajas en el caso de los filtros de rechazo de banda ) y el resto se consideran artefactos espurios no deseados. Esta es una propiedad intrínseca de la tecnología y no se puede eliminar mediante el diseño, aunque este puede tener cierto control sobre la posición de frecuencia de las bandas espurias. En consecuencia, en cualquier diseño de filtro dado, existe una frecuencia superior más allá de la cual el filtro no cumplirá su función. Por esta razón, no pueden existir filtros de paso bajo y paso alto verdaderos en una guía de onda. A alguna frecuencia alta habrá una banda de paso o de rechazo espuria que interrumpirá la función prevista del filtro. Pero, de forma similar a la situación con la frecuencia de corte de la guía de onda, el filtro se puede diseñar de manera que el borde de la primera banda espuria esté muy por encima de cualquier frecuencia de interés. ^{[ 16 ]}

El rango de frecuencias en el que los filtros de guía de onda son útiles está determinado en gran medida por el tamaño necesario de la guía de onda. A frecuencias bajas, la guía de onda debe ser excesivamente grande para mantener la frecuencia de corte por debajo de la frecuencia de operación. Por otro lado, los filtros cuyas frecuencias de operación son tan altas que las longitudes de onda son submilimétricas no pueden fabricarse con los procesos de mecanizado habituales . A frecuencias tan elevadas, la tecnología de fibra óptica comienza a ser una opción viable. ^{[ 17 ]}

Las guías de onda son un medio de bajas pérdidas. Las pérdidas en las guías de onda provienen principalmente de la disipación óhmica causada por las corrientes inducidas en las paredes de la guía de onda. La guía de onda rectangular tiene menores pérdidas que la circular y suele ser el formato preferido, pero el modo circular TE ₀₁ tiene pérdidas muy bajas y se utiliza en comunicaciones de larga distancia. Las pérdidas se pueden reducir puliendo las superficies internas de las paredes de la guía de onda. En algunas aplicaciones que requieren un filtrado riguroso, las paredes se recubren con una fina capa de oro o plata para mejorar la conductividad superficial . Un ejemplo de estos requisitos son las aplicaciones satelitales, que requieren bajas pérdidas, alta selectividad y retardo de grupo lineal en sus filtros. ^{[ 18 ]}

Una de las principales ventajas de los filtros de guía de ondas sobre las tecnologías de modo TEM es la calidad de sus resonadores . La calidad del resonador se caracteriza por un parámetro llamado factor Q , o simplemente Q. El Q de los resonadores de guía de ondas es de miles, órdenes de magnitud superior al de los resonadores de modo TEM. ^{[ 19 ]} La resistencia de los conductores, especialmente en los inductores bobinados, limita el Q de los resonadores TEM. Este Q mejorado conduce a filtros de mejor rendimiento en guías de ondas, con mayor rechazo de banda de parada. La limitación del Q en las guías de ondas proviene principalmente de las pérdidas óhmicas en las paredes descritas anteriormente, pero ^el recubrimiento de plata de las paredes internas puede duplicar con creces el Q. ^{[ 20} ]

Las guías de onda tienen una buena capacidad de manejo de potencia, lo que permite su uso como filtros en radares . ^{[ 21 ]} A pesar de las ventajas de rendimiento de los filtros de guía de onda, la tecnología de microcinta suele ser la preferida debido a su bajo costo. Esto es especialmente cierto para artículos de consumo y frecuencias de microondas más bajas. Los circuitos de microcinta se pueden fabricar con tecnología de circuitos impresos económicos y, al integrarse en la misma placa impresa que otros bloques de circuitos, generan poco costo adicional. ^{[ 22 ]}

La idea de una guía de ondas para ondas electromagnéticas fue sugerida por primera vez por Lord Rayleigh en 1897. Rayleigh propuso que, si se retiraba el conductor central de una línea de transmisión coaxial , las ondas seguirían propagándose por el interior del conductor cilíndrico restante, a pesar de no existir ya un circuito eléctrico completo de conductores. Describió este fenómeno como la onda reflejándose repetidamente en la pared interna del conductor exterior en forma de zigzag a medida que avanzaba por la guía de ondas. Rayleigh también fue el primero en darse cuenta de que existía una longitud de onda crítica, la longitud de onda de corte, proporcional al diámetro del cilindro, por encima de la cual la propagación de la onda no es posible. Sin embargo, el interés por las guías de ondas disminuyó debido a que las frecuencias más bajas eran más adecuadas para la comunicación por radio de larga distancia. Los resultados de Rayleigh cayeron en el olvido durante un tiempo y tuvieron que ser redescubiertos por otros en la década de 1930, cuando resurgió el interés por las microondas. Las primeras guías de ondas, en forma circular, fueron desarrolladas por George Clark Southworth y J.F. Hargreaves en 1932. ^{[ 23 ]}

El primer diseño de filtro analógico que fue más allá de un simple resonador fue creado por George Ashley Campbell en 1910 y marcó el comienzo de la teoría de filtros. El filtro de Campbell era un diseño de elementos concentrados de condensadores e inductores sugerido por su trabajo con bobinas de carga . Otto Zobel y otros lo desarrollaron rápidamente. ^{[ 24 ]} El desarrollo de filtros de elementos distribuidos comenzó en los años previos a la Segunda Guerra Mundial. Un importante artículo sobre el tema fue publicado por Mason y Sykes en 1937; ^{[ 25 ]} una patente ^{[ 26 ]} presentada por Mason en 1927 podría contener el primer diseño de filtro publicado que utiliza elementos distribuidos. ^{[ 27 ]}

El trabajo de Mason y Sykes se centró en los formatos de cable coaxial y pares de cables balanceados , pero otros investigadores aplicaron posteriormente los principios también a las guías de onda. Gran parte del desarrollo de filtros de guía de onda se llevó a cabo durante la Segunda Guerra Mundial, impulsado por las necesidades de filtrado del radar y las contramedidas electrónicas . Gran parte de este desarrollo tuvo lugar en el Laboratorio de Radiación del MIT (Rad Lab), pero también participaron otros laboratorios de EE. UU. y el Reino Unido, como el Telecommunications Research Establishment en el Reino Unido. Entre los científicos e ingenieros más conocidos del Rad Lab se encontraban Julian Schwinger , Nathan Marcuvitz , Edward Mills Purcell y Hans Bethe . Bethe estuvo en el Rad Lab solo un breve tiempo, pero desarrolló su teoría de la apertura durante su estancia allí. La teoría de la apertura es importante para los filtros de cavidad de guía de onda, que se desarrollaron por primera vez en el Rad Lab. Su trabajo se publicó después de la guerra, en 1948, e incluye una descripción temprana de las cavidades de modo dual realizada por Fano y Lawson. ^{[ 28 ]}

El trabajo teórico posterior a la guerra incluyó la teoría de líneas conmensurables de Paul Richards . Las líneas conmensurables son redes en las que todos los elementos tienen la misma longitud (o en algunos casos múltiplos de la longitud unitaria), aunque pueden diferir en otras dimensiones para dar diferentes impedancias características. ^[a] La transformación de Richards permite tomar cualquier diseño de elementos concentrados "tal cual" y transformarlo directamente en un diseño de elementos distribuidos usando una ecuación de transformación muy simple. En 1955, K. Kuroda publicó las transformaciones conocidas como identidades de Kuroda . Estas hicieron que el trabajo de Richards fuera más utilizable en formatos desequilibrados y de guía de ondas al eliminar los problemáticos elementos conectados en serie , pero pasó algún tiempo antes de que el trabajo japonés de Kuroda se diera a conocer ampliamente en el mundo angloparlante. ^{[ 29 ]} Otro desarrollo teórico fue el enfoque de filtro de síntesis de red de Wilhelm Cauer en el que usó la aproximación de Chebyshev para determinar los valores de los elementos. El trabajo de Cauer se desarrolló en gran medida durante la Segunda Guerra Mundial (Cauer falleció hacia el final de la misma), pero no pudo publicarse ampliamente hasta que cesaron las hostilidades. Si bien el trabajo de Cauer se centra en elementos concentrados, tiene cierta importancia para los filtros de guía de ondas; el filtro de Chebyshev , un caso especial de la síntesis de Cauer, se utiliza ampliamente como prototipo de filtro para diseños de guía de ondas. ^{[ 30 ]}

Los diseños de la década de 1950 partían de un prototipo de elementos concentrados (una técnica que aún se utiliza hoy en día), llegando, tras diversas transformaciones, al filtro deseado en forma de guía de ondas. En aquel entonces, este enfoque producía anchos de banda fraccionarios de no más de aproximadamente 1/5 . En 1957, Leo Young, del Instituto de Investigación de Stanford, publicó un método para diseñar filtros que partía de un prototipo de elementos distribuidos: el prototipo de impedancia escalonada. Este filtro se basaba en transformadores de impedancia de cuarto de onda de diversos anchos y era capaz de producir diseños con anchos de banda de hasta una octava ( un ancho de banda fraccionario de 2/3 ) . El artículo de Young se centra específicamente en resonadores de cavidad acoplados directamente, pero el procedimiento puede aplicarse igualmente a otros tipos de resonadores acoplados directamente . ^{[ 31 ]}

La primera descripción publicada de un filtro de acoplamiento cruzado se debe a John R. Pierce de Bell Labs en una patente de 1948. ^{[ 32 ]} Un filtro de acoplamiento cruzado es aquel en el que se acoplan resonadores que no son inmediatamente adyacentes. Los grados de libertad adicionales que esto proporciona permiten al diseñador crear filtros con un rendimiento mejorado o, alternativamente, con menos resonadores. Una versión del filtro de Pierce, que se muestra en la figura 3, utiliza resonadores de cavidad de guía de onda circulares para conectar resonadores de cavidad de guía de onda rectangulares. Este principio no fue muy utilizado inicialmente por los diseñadores de filtros de guía de onda, pero fue ampliamente utilizado por los diseñadores de filtros mecánicos en la década de 1960, en particular por R. A. Johnson de Collins Radio Company . ^{[ 33 ]}

La primera aplicación no militar de los filtros de guía de ondas se dio en los enlaces de microondas utilizados por las empresas de telecomunicaciones para proporcionar la infraestructura principal de sus redes. Estos enlaces también fueron utilizados por otras industrias con grandes redes fijas, en particular las emisoras de televisión. Dichas aplicaciones formaron parte de importantes programas de inversión de capital. Actualmente, también se utilizan en sistemas de comunicaciones por satélite . ^{[ 34 ]}

La necesidad de retardo independiente de la frecuencia en aplicaciones satelitales impulsó una mayor investigación sobre la implementación en guía de ondas de filtros acoplados en cruz. Anteriormente, los sistemas de comunicaciones satelitales utilizaban un componente separado para la ecualización del retardo . Los grados de libertad adicionales que ofrecen los filtros acoplados en cruz permitieron diseñar un retardo plano en un filtro sin comprometer otros parámetros de rendimiento. Un componente que funcionara simultáneamente como filtro y ecualizador ahorraría peso y espacio valiosos. Las necesidades de la comunicación satelital también impulsaron la investigación de modos de resonador más exóticos en la década de 1970. De particular relevancia en este sentido es el trabajo de EL Griffin y FA Young, quienes investigaron mejores modos para la banda de 12-14 GHz cuando esta comenzó a utilizarse para satélites a mediados de la década de 1970. ^{[ 35 ]}

Otra innovación que permitió ahorrar espacio fue el resonador dieléctrico , que puede utilizarse en otros formatos de filtro además de en guías de onda. El primer uso de estos en un filtro fue realizado por SB Cohn en 1965, utilizando dióxido de titanio como material dieléctrico. Sin embargo, los resonadores dieléctricos utilizados en la década de 1960 tenían coeficientes de temperatura muy bajos, típicamente 500 veces peores que los de un resonador mecánico hecho de invar , lo que provocaba inestabilidad en los parámetros del filtro. Los materiales dieléctricos de la época con mejores coeficientes de temperatura tenían una constante dieléctrica demasiado baja para ser útiles en el ahorro de espacio. Esto cambió con la introducción de resonadores cerámicos con coeficientes de temperatura muy bajos en la década de 1970. El primero de estos fue desarrollado por Massé y Pucel utilizando tetratitanato de bario ^{[ nota 1 ]} en Raytheon en 1972. Bell Labs y Murata Manufacturing informaron de mejoras adicionales en 1979 . El resonador de nonatitanato de bario de Bell Labs ^{[ nota 2 ]} tenía una constante dieléctrica de 40 y un factor Q de 5000–10 000 a 2-7 GHz . Los materiales modernos estables a la temperatura tienen una constante dieléctrica de aproximadamente 90 a frecuencias de microondas, pero la investigación continúa para encontrar materiales con bajas pérdidas y alta permitividad; los materiales de menor permitividad, como el titanato de estannato de circonio ^{[ nota 3 ]} (ZST) con una constante dieléctrica de 38, todavía se utilizan a veces por su propiedad de bajas pérdidas. ^{[ 36 ]}

Un enfoque alternativo para el diseño de filtros de guía de onda más pequeños fue el uso de modos evanescentes no propagantes. Jaynes y Edson propusieron filtros de guía de onda de modo evanescente a finales de la década de 1950. Craven y Young crearon métodos para diseñar estos filtros en 1966. Desde entonces, los filtros de guía de onda de modo evanescente se han utilizado con éxito en aplicaciones donde el tamaño o el peso de la guía de onda son factores importantes. ^{[ 37 ]}

Una tecnología relativamente reciente que se utiliza dentro de los filtros de guía de onda de metal hueco es la finline, un tipo de guía de onda dieléctrica planar. La finline fue descrita por primera vez por Paul Meier en 1972. ^{[ 38 ]}

Historia del multiplexor

Los multiplexores fueron descritos por primera vez por Fano y Lawson en 1948. Pierce fue el primero en describir multiplexores con bandas de paso contiguas. La multiplexación mediante filtros direccionales fue inventada por Seymour Cohn y Frank Coale en la década de 1950. Los multiplexores con resonadores de admitancia compensadores en cada unión son en gran parte obra de EG Cristal y GL Matthaei en la década de 1960. Esta técnica todavía se utiliza en ocasiones, pero la disponibilidad actual de potencia informática ha llevado al uso más común de técnicas de síntesis que pueden producir directamente filtros coincidentes sin necesidad de estos resonadores adicionales. En 1965, RJ Wenzel descubrió que los filtros con terminación simple, ^[k] en lugar de la habitual terminación doble, eran complementarios, exactamente lo que se necesitaba para un diplexor. ^[c] Wenzel se inspiró en las conferencias del teórico de circuitos Ernst Guillemin . ^{[ 39 ]}

Harold Schumacher, de Microphase Corporation, investigó los multiplexores multicanal y multioctava, y sus resultados se publicaron en 1976. E.J. Curly descubrió accidentalmente, alrededor de 1968, el principio de que los filtros de los multiplexores pueden ajustarse al unirse modificando los primeros elementos, eliminando así los resonadores compensadores, cuando desajustó un diplexor. J.D. Rhodes proporcionó una teoría formal para esto en 1976, y Rhodes y Ralph Levy la generalizaron a los multiplexores en 1979. ^{[ 40 ]}

Desde la década de 1980, las tecnologías planares, especialmente la microcinta, han tendido a reemplazar otras tecnologías utilizadas para la construcción de filtros y multiplexores, sobre todo en productos destinados al mercado de consumo. La reciente innovación de la guía de ondas con pared posterior permite implementar diseños de guía de ondas en un sustrato plano con técnicas de fabricación de bajo coste similares a las utilizadas para la microcinta. ^{[ 41 ]}

Los diseños de filtros de guía de onda suelen constar de dos componentes diferentes que se repiten varias veces. Normalmente, un componente es un resonador o discontinuidad con un circuito equivalente de elementos concentrados de un inductor, un condensador o un circuito resonante LC. A menudo, el tipo de filtro toma su nombre del estilo de este componente. Estos componentes están separados por un segundo componente, un tramo de guía que actúa como transformador de impedancia. Los transformadores de impedancia hacen que las instancias alternas del primer componente parezcan tener una impedancia diferente. El resultado final es un circuito equivalente de elementos concentrados de una red en escalera. Los filtros de elementos concentrados suelen tener topología en escalera , y dicho circuito es un punto de partida típico para los diseños de filtros de guía de onda. La figura 4 muestra una escalera de este tipo. Normalmente, los componentes de la guía de onda son resonadores, y el circuito equivalente serían resonadores LC en lugar de los condensadores e inductores mostrados, pero circuitos como el de la figura 4 todavía se utilizan como filtros prototipo con el uso de una transformación de paso de banda o rechazo de banda. ^{[ 42 ]}

Los parámetros de rendimiento del filtro, como el rechazo de banda de parada y la tasa de transición entre la banda de paso y la banda de parada, mejoran al añadir más componentes y, por lo tanto, aumentar la longitud del filtro. Cuando los componentes se repiten de forma idéntica, el filtro es un diseño de filtro de parámetros de imagen , y el rendimiento mejora simplemente añadiendo más elementos idénticos. Este enfoque se utiliza normalmente en diseños de filtros que emplean un gran número de elementos muy próximos entre sí, como el filtro de rejilla . Para diseños donde los elementos están más separados, se pueden obtener mejores resultados utilizando un diseño de filtro de síntesis de red, como el filtro Chebyshev común y los filtros Butterworth . En este enfoque, los elementos del circuito no tienen todos el mismo valor y, en consecuencia, los componentes no tienen todos las mismas dimensiones. Además, si el diseño se mejora añadiendo más componentes, todos los valores de los elementos deben calcularse de nuevo desde cero. En general, no habrá valores comunes entre las dos instancias del diseño. Los filtros de guía de onda Chebyshev se utilizan cuando los requisitos de filtrado son rigurosos, como en las aplicaciones satelitales. ^{[ 43 ] [ 44 ]}

Los resonadores dieléctricos son piezas de material dieléctrico insertadas en la guía de ondas. Suelen ser cilíndricos, ya que se pueden fabricar sin mecanizado , aunque también se han utilizado otras formas. Pueden tener un orificio central que sirve para fijarlos a la guía de ondas. No hay campo en el centro cuando se utiliza el modo circular TE _011, por lo que el orificio no tiene ningún efecto adverso. Los resonadores pueden montarse coaxialmente a la guía de ondas, pero normalmente se montan transversalmente a lo ancho, como se muestra en la figura 8. Esta última disposición permite sintonizar los resonadores insertando un tornillo a través de la pared de la guía de ondas en el orificio central del resonador. ^{[ 60 ]}

Cuando los resonadores dieléctricos se fabrican con un material de alta permitividad , como uno de los titanatos de bario , ofrecen una importante ventaja en cuanto al ahorro de espacio en comparación con los resonadores de cavidad. Sin embargo, son mucho más propensos a generar modos espurios. En aplicaciones de alta potencia, se pueden incorporar capas metálicas a los resonadores para disipar el calor, dado que los materiales dieléctricos tienden a tener una baja conductividad térmica . ^{[ 61 ]}

Los resonadores pueden acoplarse entre sí con diafragmas o transformadores de impedancia. Alternativamente, pueden colocarse en una carcasa lateral en forma de tubo y acoplarse a través de una pequeña abertura. ^{[ 62 ]}

Insertar filtro

En los filtros de inserción, una o más láminas metálicas se colocan longitudinalmente a lo largo de la guía de ondas, como se muestra en la figura 9. Estas láminas tienen orificios perforados para formar resonadores. El dieléctrico de aire proporciona a estos resonadores un alto factor Q. Se pueden utilizar varias inserciones paralelas en la misma longitud de guía de ondas. Se pueden lograr resonadores más compactos con una lámina delgada de material dieléctrico y metalización impresa en lugar de orificios en las láminas metálicas, aunque a costa de un factor Q menor del resonador . ^{[ 63 ]}

Es posible diseñar filtros que operen internamente solo en modos evanescentes. Esto ofrece ventajas en cuanto al ahorro de espacio, ya que la guía de onda del filtro, que a menudo forma la carcasa del mismo, no necesita ser lo suficientemente grande como para soportar la propagación del modo dominante. Normalmente, un filtro de modo evanescente consta de un segmento de guía de onda más pequeño que el que alimenta los puertos de entrada y salida. En algunos diseños, este segmento puede plegarse para lograr un filtro más compacto. Se insertan tornillos de ajuste a intervalos específicos a lo largo de la guía de onda, lo que produce capacitancias concentradas equivalentes en esos puntos. En diseños más recientes, los tornillos se reemplazan por inserciones dieléctricas. Estos condensadores resuenan con el segmento precedente de guía de onda de modo evanescente, que tiene el circuito equivalente de un inductor, produciendo así una acción de filtrado. La energía de muchos modos evanescentes diferentes se almacena en el campo alrededor de cada una de estas discontinuidades capacitivas. Sin embargo, el diseño permite que solo el modo dominante llegue al puerto de salida; los demás modos decaen mucho más rápidamente entre los condensadores. ^{[ 65 ]}

Los filtros de guía de onda corrugada , también llamados filtros de guía de onda con crestas , constan de varias crestas o dientes que reducen periódicamente la altura interna de la guía de onda, como se muestra en las figuras 10 y 11. Se utilizan en aplicaciones que requieren simultáneamente una banda de paso amplia, una buena adaptación de banda de paso y una banda de rechazo amplia. Son esencialmente diseños de paso bajo (por encima de la limitación habitual de la frecuencia de corte), a diferencia de la mayoría de las otras formas que suelen ser de paso de banda. La distancia entre dientes es mucho menor que la distancia típica λ/4 entre elementos de otros diseños de filtro. Normalmente, se diseñan mediante el método de parámetros de imagen con todas las crestas idénticas, pero se pueden lograr otras clases de filtros, como los de Chebyshev, a cambio de una mayor complejidad de fabricación. En el método de diseño de imagen, el circuito equivalente de las crestas se modela como una cascada de semisecciones LC . El filtro opera en el modo TE ₁₀ dominante , pero los modos espurios pueden ser un problema cuando están presentes. En particular, hay poca atenuación en la banda de rechazo de los modos TE ₂₀ y TE _30. ^{[ 66 ]}

Un stub es un segmento corto de guía de onda conectado a un punto del filtro en un extremo y cortocircuitado en el otro. Teóricamente, también es posible utilizar stubs en circuito abierto, pero su implementación en una guía de onda no es práctica, ya que se emitiría energía electromagnética desde el extremo abierto del stub, lo que provocaría grandes pérdidas. Los stubs son un tipo de resonador, y su equivalente en elementos concentrados es un circuito resonante LC. Sin embargo, en una banda estrecha, los stubs pueden considerarse como un transformador de impedancia. El cortocircuito se transforma en una inductancia o una capacitancia, dependiendo de la longitud del stub. ^{[ 68 ]}

Un filtro de guía de onda con segmentos se construye colocando uno o más segmentos a lo largo de la guía de onda, generalmente separados por λ _g /4, como se muestra en la figura 12. Los extremos de los segmentos se tapan para cortocircuitarlos. ^{[ 69 ]} Cuando los segmentos cortocircuitados tienen una longitud de λ _g /4, el filtro será un filtro de rechazo de banda y los segmentos tendrán un circuito equivalente aproximado de elementos concentrados de circuitos resonantes paralelos conectados en serie con la línea. Cuando los segmentos tienen una longitud de λ _g /2, el filtro será un filtro de paso de banda . En este caso, el equivalente de elementos concentrados son circuitos resonantes LC en serie conectados en serie con la línea. ^{[ 70 ]}

Los filtros de absorción disipan internamente la energía de las frecuencias no deseadas en forma de calor. Esto contrasta con el diseño de un filtro convencional, donde las frecuencias no deseadas se reflejan en la entrada del filtro. Estos filtros se utilizan cuando no se desea que la potencia se envíe de vuelta a la fuente. Este es el caso de los transmisores de alta potencia, donde la potencia de retorno puede ser lo suficientemente alta como para dañar el transmisor. Un filtro de absorción puede utilizarse para eliminar las emisiones espurias del transmisor , como armónicos o bandas laterales espurias . Un diseño que se ha utilizado durante algún tiempo tiene ranuras cortadas en las paredes de la guía de onda de alimentación a intervalos regulares. Este diseño se conoce como filtro de onda de fuga . Cada ranura está conectada a una guía de onda de menor calibre, demasiado pequeña para soportar la propagación de las frecuencias en la banda deseada. Por lo tanto, esas frecuencias no se ven afectadas por el filtro. Sin embargo, las frecuencias más altas en la banda no deseada se propagan fácilmente a lo largo de las guías laterales, que terminan con una carga adaptada donde se absorbe la potencia. Estas cargas suelen ser una pieza en forma de cuña de material absorbente de microondas. ^{[ 71 ]} Otro diseño de filtro de absorción, más compacto, utiliza resonadores con un dieléctrico con pérdidas. ^{[ 72 ]}

Existen numerosas aplicaciones de filtros cuyos objetivos de diseño van más allá del rechazo o el paso de ciertas frecuencias. Con frecuencia, un dispositivo sencillo diseñado para funcionar únicamente en una banda estrecha o en una sola frecuencia puntual no se asemejará mucho al diseño de un filtro. Sin embargo, un diseño de banda ancha para el mismo componente requiere muchos más elementos y adquiere la naturaleza de un filtro. Entre las aplicaciones más comunes de este tipo en guías de onda se encuentran las redes de adaptación de impedancia , los acopladores direccionales, los divisores de potencia, los combinadores de potencia y los diplexores . Otras posibles aplicaciones incluyen multiplexores , demultiplexores, amplificadores de resistencia negativa y redes de retardo de tiempo . ^{[ 73 ]}

Adaptación de impedancias

Un método sencillo de adaptación de impedancias es la adaptación mediante un único stub. Sin embargo, un solo stub solo produce una adaptación perfecta en una frecuencia específica. Por lo tanto, esta técnica solo es adecuada para aplicaciones de banda estrecha. Para ampliar el ancho de banda, se pueden utilizar varios stubs, y la estructura adquiere entonces la forma de un filtro stub. El diseño procede como si fuera un filtro, excepto que se optimiza un parámetro diferente. En un filtro de frecuencia, el parámetro que se optimiza normalmente es el rechazo en la banda de rechazo, la atenuación en la banda de paso, la pendiente de la transición o algún compromiso entre estos. En una red de adaptación, el parámetro que se optimiza es la adaptación de impedancias. La función del dispositivo no requiere una restricción de ancho de banda, pero el diseñador se ve obligado a elegir un ancho de banda debido a la estructura del dispositivo. ^{[ 74 ]}

Los filtros stub no son el único formato que se puede utilizar. En principio, cualquier estructura de filtro podría aplicarse a la adaptación de impedancias, pero algunas darán lugar a diseños más prácticos que otras. Un formato frecuente utilizado para la adaptación de impedancias en guías de onda es el filtro de impedancia escalonada. Un ejemplo se puede ver en el duplexor ^[e] que se muestra en la figura 13. ^{[ 75 ]}

Acopladores direccionales y combinadores de potencia

Los acopladores direccionales, divisores de potencia y combinadores de potencia son esencialmente el mismo tipo de dispositivo, al menos cuando se implementan con componentes pasivos . Un acoplador direccional divide una pequeña cantidad de potencia de la línea principal a un tercer puerto. Un dispositivo con un acoplamiento más fuerte, pero por lo demás idéntico, puede denominarse divisor de potencia. Un acoplador que dirige exactamente la mitad de la potencia al tercer puerto (un acoplador de 3 dB ) representa el acoplamiento máximo alcanzable sin invertir las funciones de los puertos. Muchos diseños de divisores de potencia pueden utilizarse a la inversa, convirtiéndose entonces en combinadores de potencia. ^{[ 76 ]}

Una forma simple de acoplador direccional consiste en dos líneas de transmisión paralelas acopladas entre sí a lo largo de una longitud λ/4. Este diseño es limitado porque la longitud eléctrica del acoplador solo será λ/4 a una frecuencia específica. El acoplamiento será máximo en esta frecuencia y disminuirá a ambos lados. De manera similar al caso de adaptación de impedancia, esto se puede mejorar utilizando múltiples elementos, lo que resulta en una estructura tipo filtro. ^{[ 77 ]} Un análogo de guía de onda de este enfoque de líneas acopladas es el acoplador direccional de Bethe-hole en el que dos guías de onda paralelas se apilan una encima de la otra y se proporciona un orificio para el acoplamiento. Para producir un diseño de banda ancha, se utilizan múltiples orificios a lo largo de las guías como se muestra en la figura 14 y se aplica un diseño de filtro. ^{[ 78 ]} No es solo el diseño de líneas acopladas el que sufre de ser de banda estrecha, todos los diseños simples de acopladores de guía de onda dependen de la frecuencia de alguna manera. Por ejemplo, el acoplador de carrera de ratas (que se puede implementar directamente en la guía de ondas) funciona con un principio completamente diferente, pero aún así depende de que ciertas longitudes sean exactas en términos de λ. ^{[ 79 ]}

Filtros direccionales

Un filtro direccional es un dispositivo que combina las funciones de un acoplador direccional y un diplexor. Al estar basado en un acoplador direccional, es esencialmente un dispositivo de cuatro puertos, pero, al igual que en los acopladores direccionales, el puerto 4 suele estar terminado internamente de forma permanente. La potencia que entra por el puerto 1 sale por el puerto 3 tras ser sometida a alguna función de filtrado (normalmente paso banda). La potencia restante sale por el puerto 2, y dado que no se absorbe ni se refleja potencia, esta será el complemento exacto de la función de filtrado en el puerto 2, en este caso rechazo de banda. A la inversa, la potencia que entra por los puertos 2 y 3 se combina en el puerto 1, pero ahora la potencia de las señales rechazadas por el filtro se absorbe en la carga del puerto 4. La figura 15 muestra una posible implementación de un filtro direccional mediante guía de ondas. Dos guías de ondas rectangulares que operan en el modo TE ₁₀ dominante proporcionan los cuatro puertos. Estas se unen mediante una guía de ondas circular que opera en el modo TE ₁₁ circular . La guía de ondas circular contiene un filtro acoplado por iris con tantos iris como sean necesarios para producir la respuesta de filtro requerida. ^{[ 83 ]}

^ apertura

Una abertura en la pared de una guía de ondas o una barrera entre secciones de una guía de ondas a través de la cual puede propagarse la radiación electromagnética.

^ ^{a b} impedancia característica

La impedancia característica , símbolo Z₀ _, de una guía de ondas para un modo particular se define como la relación entre el campo eléctrico transversal y el campo magnético transversal de una onda que viaja en una dirección a lo largo de la guía. La impedancia característica para una guía de ondas llena de aire viene dada por:

${\displaystyle Z_{0}=\left\{{\begin{matrix}Z_{\mathrm {f} }{\dfrac {\lambda _{\mathrm {g} }}{\lambda }}&{\text{(modo TE)}}\\\\Z_{\mathrm {f} }{\dfrac {\lambda }{\lambda _{\mathrm {g} }}}&{\text{(modo TM)}}\end{matrix}}\right.}$

donde Z _f es la impedancia del espacio libre , aproximadamente 377 Ω , λ _g es la longitud de onda de guía, y λ es la longitud de onda cuando no está restringida por la guía. Para una guía de onda rellena de dieléctrico, la expresión debe dividirse por √ κ , donde κ es la constante dieléctrica del material, y λ se reemplaza por la longitud de onda sin restricciones en el medio dieléctrico. En algunos tratamientos, lo que aquí se denomina impedancia característica se llama impedancia de onda, y la impedancia característica se define como proporcional a ella por alguna constante. ^{[ 84 ]}

^ ^{c d e}diplexor ,dúplex

Un diplexor combina o separa dos señales que ocupan diferentes bandas de paso. Un duplexor combina o divide dos señales que viajan en direcciones opuestas o con polarizaciones diferentes (que también pueden estar en diferentes bandas de paso).

^ Avión E

El plano E es el plano que se encuentra en la dirección del campo eléctrico transversal, es decir, verticalmente a lo largo de la guía. ^{[ 85 ]}

^ longitud de onda guía

La longitud de onda guía , símbolo λ _g , es la longitud de onda medida longitudinalmente a lo largo de la guía de ondas. Para una frecuencia dada, λ _g depende del modo de transmisión y siempre es mayor que la longitud de onda de una onda electromagnética de la misma frecuencia en el espacio libre. λ _g está relacionada con la frecuencia de corte, f _c , mediante:

${\displaystyle \lambda _{\mathrm {g} }={\frac {\lambda }{\sqrt {1-\left({\frac {f_{\mathrm {c} }}{f}}\right)^{2}}}}}$

donde λ es la longitud de onda que tendría la onda si no estuviera restringida por la guía. Para guías que están llenas solo de aire, esto será lo mismo, a efectos prácticos, que la longitud de onda en el espacio libre para la frecuencia transmitida, f . ^{[ 86 ]}

^ Plano H

El plano H es el plano que se encuentra en la dirección del campo magnético transversal (donde H es el símbolo de análisis para la intensidad del campo magnético ), es decir, horizontalmente a lo largo de la guía. ^{[ 85 ]}

^ ^{yo j}altura ,ancho

En una guía rectangular, estas se refieren respectivamente a las dimensiones internas pequeña y grande de su sección transversal. La polarización del campo E del modo dominante es paralela a la altura.

^ iris

Una placa conductora colocada transversalmente a través de la guía de ondas con una abertura, generalmente grande.

^terminado individualmente ,doblemente terminado

Un filtro de doble terminación (el caso normal) es aquel en el que el generador y la carga, conectados a los puertos de entrada y salida respectivamente, tienen impedancias que coinciden con la impedancia característica del filtro. Un filtro de terminación simple tiene una carga adaptada, pero es alimentado por una fuente de tensión de baja impedancia o una fuente de corriente de alta impedancia. ^{[ 87 ]}

^ Modo TEM

Modo electromagnético transversal, un modo de transmisión donde todo el campo eléctrico y todo el campo magnético son perpendiculares a la dirección de propagación de la onda electromagnética. Este es el modo de transmisión habitual en pares de conductores. ^{[ 88 ]}

^ Modo TE

Modo eléctrico transversal, uno de varios modos en los que todo el campo eléctrico, pero no todo el campo magnético, es perpendicular a la dirección de propagación de la onda electromagnética. En algunas fuentes se les denomina modos H porque estos modos tienen un componente magnético longitudinal. El primer índice indica el número de medias longitudes de onda del campo a lo ancho de la guía de ondas, y el segundo índice indica el número de medias longitudes de onda a lo alto. Correctamente, los índices deberían separarse con una coma, pero normalmente se escriben juntos, ya que rara vez es necesario considerar números de modo de dos dígitos. Algunos modos mencionados específicamente en este artículo se enumeran a continuación. Todos los modos son para guías de ondas rectangulares a menos que se indique lo contrario. ^{[ 89 ]}

^ ModoTE ₀₁

Un modo con un campo eléctrico de media onda a lo largo de la altura de la guía y un campo eléctrico uniforme (cero medias ondas) a lo largo del ancho de la guía.

^ ModoTE ₁₀

Un modo con un campo eléctrico de media onda a lo ancho de la guía y un campo eléctrico uniforme a lo largo de la altura de la guía.

^ ModoTE ₂₀

Un modo con dos semiondas de campo eléctrico a lo ancho de la guía y un campo eléctrico uniforme a lo largo de la altura de la guía.

^ TE ₁₁ modo circular

Un modo con una onda completa de campo eléctrico alrededor de la circunferencia de la guía y media onda de campo eléctrico a lo largo de un radio.

^ Modo TM

Modo magnético transversal, uno de varios modos en los que todo el campo magnético, pero no todo el campo eléctrico, es perpendicular a la dirección de propagación de la onda electromagnética. En algunas fuentes se les denomina modos E porque estos modos tienen un componente eléctrico longitudinal. Véase el modo TE para una descripción del significado de los índices. Algunos modos mencionados específicamente en este artículo son:

^ ModoTM ₁₁

Un modo con media onda de campo magnético a lo ancho de la guía y media onda de campo magnético a lo largo de la altura de la guía. Este es el modo TM más bajo, ya que los modos TM _{m 0} no pueden existir. ^{[ 90 ]}

^ TM ₀₁ modo circular

Un modo con un campo magnético uniforme alrededor de la circunferencia de la guía y una media onda de campo magnético a lo largo de un radio.

^ línea de transmisión ^{o p}

Una línea de transmisión es un medio de transmisión de señales que consta de un par de conductores eléctricos separados entre sí, o de un conductor y un camino de retorno común. En algunos casos, las guías de onda se consideran dentro de la clase de líneas de transmisión, con las que comparten muchas características. En este artículo no se incluyen las guías de onda para facilitar la distinción y la referencia entre ambos tipos de medios.

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