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DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A 2-SECTION MULTIBAND FILTER FOR MOBILE COMMUNICATIONS WITH OPEN STUBS AND TRANSMISSION LINES
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Alexis Paul Leon Guanoluisa Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Ecuador
��Daniel Alejandro Basantes Cherrez Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Ecuador
Anthony Johao Gualli Santos Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Ecuador
Lessly Yakeline Borja Lumbi Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Ecuador
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DOI: https://doi.org/10.37811/cl_rcm.v8i1.9581
Dise�o e Implementaci�n de un Filtro Multibanda de 2 secciones para
Comunicaciones M�viles con L�neas de Transmisi�n y Stubs en Abierto
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Alexis Paul Leon Guanoluisa[1] https://orcid.org/0009-0006-5665-6414 Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo Ecuador |
Daniel Alejandro Basantes Cherrez https://orcid.org/ 0000-0002-8505-5144 Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo Ecuador |
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Anthony Johao Gualli Santos https://orcid.org/0009−0006−0164−757X Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo Ecuador |
Lessly Yakeline Borja Lumbi [email protected] Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo Ecuador |
RESUMEN
En el presente art�culo se propone el dise�o y fabricaci�n de un filtro multibanda de 2 secciones de banda ancha. Al cual se le da una aplicaci�n en frecuencias de comunicaciones m�viles. El dise�o del filtro se basa en una configuraci�n de circuito de secciones de l�neas de transmisi�n en cascada para una f1=2,4 GHz y para un f2=3.5 GHz, un ancho de banda de 27% y 74% respectivamente y una atenuaci�n de -40 dB en las bandas de rechazo. Para la caracterizaci�n del filtro y su implementaci�n se utiliz� el software de simulaci�n y los resultados se midieron con el equipo analizador de redes vectoriales �KEYSIGHT E5071C ENA Series Network Analyzer�. (ESPOCH).
Palabras clave: filtros, multibanda, microstrip, banda ancha
Design and Implementation of a 2-Section Multiband Filter for Mobile Communications with Open Stubs and Transmission Lines
ABSTRACT
This paper proposes the design and fabrication of a 2-section wideband multiband filter. It is given an application in mobile communication frequencies. The filter design is based on a circuit configuration of cascaded transmission line sections for f1=2.4 GHz and f2=3.5 GHz, a bandwidth of 27% and 74% respectively and an attenuation of -40 dB in the rejection bands. For the characterisation of the filter and its implementation, the simulation software was used and the results were measured with the vector network analyser "KEYSIGHT E5071C ENA Series Network Analyzer" (ESPOCH).
Keywords: filters, multiband, microstrip, wideband
Art�culo recibido 15 enero 2024
Aceptado para publicaci�n: 22 febrero 2024
INTRODUCCI�N
Los sistemas de comunicaci�n de alta frecuencia (HF) hoy por hoy tienden a evolucionar constantemente, de tal manera que se desarrollan cada vez m�s aplicaciones que requieren el uso de varias frecuencias. (Ou, 1975) Por ello, se dise�an nuevos elementos multibanda, como pueden ser antenas�(Guo, 2016), amplificadores� (Enomoto, 2016) o filtros (Zhang, 2017). En el caso de los filtros multibanda son utilizados en el procesamiento de se�ales para dividir la se�al original en m�ltiples bandas de frecuencia, cada una de las cuales puede ser tratada de manera independiente. (P�rez Escribano, 2019),�(Gomez-Garcia, 2018)
En lugar de tratar toda la se�al de manera uniforme, los filtros multibanda dividen la se�al en diferentes rangos de frecuencia, conocidos como bandas o secciones, y aplican procesamiento individual a cada una de ellas. Esto puede ser �til en diversas aplicaciones, como el procesamiento de audio, la compresi�n de im�genes, la transmisi�n de datos, entre otros. Los recientes desarrollos de filtro multibanda (MPF) microstrip de banda ancha buscan un alto rendimiento, alta inmunidad al ruido, baja potencia de transmisi�n, tama�o reducido, bajo costo, y bandas anchas.� (Sengupta, 2022), (S�nchez-Mart�nez, 2014)
Se utiliza l�neas microstrip para la implementaci�n de estos filtros a altas frecuencias, ya que los elementos fijos LC (inductores y capacitores) tienen p�rdidas y sus valores comerciales son muy limitados. Para la transformaci�n de elementos electr�nicos a su equivalente en l�neas de transmisi�n se emplean dos conceptos. La transformaci�n de Richards para sintetizar elementos LC en secciones de l�neas de transmisi�n (stubs cortocircuitados o abiertos). Y las identidades de Kuroda que se emplean para ayudar a sintetizar elementos m�s realizables (Impedancias, convertir stubs serie en paralelo, etc.) al momento de implementar el filtro. (Shaman, 2007), (P�rez-Escribano, 2018), (Girbau, 2009)
Una de las t�cnicas de RF m�s populares para el dise�o de filtros es la t�cnica de interferencia de se�ales, que consiste en usar l�neas microstrip, ya que, estas tienen algunas de sus l�neas de campo en la regi�n diel�ctrica entre el conductor de la l�nea y el plano de tierra, y otra fracci�n de campo en la regi�n de aire por encima del sustrato. (G�mez-Garc�a, 2005), (Xu, 2010), (Ketkuntod, 2015)
Por esta raz�n, en el presente art�culo se estudia el uso de l�neas microstrip (MTLs.) para sintetizar respuestas multibanda en frecuencias de comunicaciones m�viles (2,4 GHz y 3.1GHz). Para ello se recrea un prototipo compuestos por dos secciones de filtros pasa-banda en cascada y dos stubs abiertos al inicio y al final para proporcionar un mejor rendimiento mostrado en (Madhan, 2012), (Psychogiou, 2016). Este prototipo es evaluado anal�ticamente y a trav�s de simulaci�n electromagn�tica en el software ADS. Con esta configuraci�n, los par�metros del filtro se pueden controlar variando �nicamente las impedancias y las longitudes f�sicas de las MTLs. Bas�ndose en el planteamiento anterior, se desarrolla un filtro multibanda de 2 secciones para una f1=2,3 GHz y para un f2=3,1 GHz, un ancho de banda de 27% y 74% respectivamente y una atenuaci�n de -40 dB en las bandas de rechazo.
METODOLOG�A
An�lisis Circuital
El circuito propuesto en (Madhan, 2012) se muestra en la figura 1. Est� compuesto por dos secciones b�sicas colocadas en cascada y con stub abierto al inicio y al final del filtro.
Figura 1. Dise�o del Filtro Multibanda con dos secciones de L�neas de Transmisi�n
El an�lisis sobre la secci�n b�sica que se observa en la figura 2. se encuentra en (Mandal, 2010), (G�mez-Garc�a R. L.-S., 2017). Donde Z1 y Z2 son las impedancias caracter�sticas y θ1 y θ2 son las longitudes el�ctricas de los segmentos de la l�nea de transmisi�n.
Figura 2. Dise�o de la secci�n b�sica de la l�nea de transmisi�n.
Las dos lineas se unen a ambos extremos a la frecuencia central de la banda de paso de f0. La se�al de entrada se divide en dos componentes en un extremo y se hace interferir en el otro extremo con fase y magnitudes diferentes, que es el concepto de la t�cnica de interferecia de se�ales. (Mandal M. K., 2008), (S�nchez-Mart�nez, Analysis of wire-bonded multiconductor transmission line-based phase-shifting sections., 2013)
Si y θ1 y θ2 se toman como θ10 y θ20 en f0, se puede deducir la ecuaci�n (1) para la longitud el�ctrica a cualquier frecuencia arbitraria (f)
Bas�ndose en el modelo de la l�nea de transmisi�n sin perdidas, la matriz ABCD de la secci�n b�sica (Figura 1.) se puede obtener mediante la ecuaci�n (2).
De donde se obtiene los par�metros de Scattering correspondientes a una red de dos puertos:
Donde Z0 es la impedancia de los puertos generalmente de 50 ohms.
Para
obtener el filtro multibanda se conecta en cascada varias secciones b�sicas y
dos stubs abiertos (al inicio y al final) con igual impedancia caracter�stica ZS
y longitud el�ctrica 
, como se muestra en
la Figura 1, utilizados para obtener una atenuaci�n de -40 dB o m�s en las
bandas de rechazo.
La matriz caracter�stica ABCD global del filtro con stubs abiertos est� dada por la ecuaci�n (5). (Mandal M. K., 2010)
Y los correspondientes par�metros de Scattering son:
Esquem�tica y caracterizaci�n del filtro
El modelo esquem�tico del filtro multibanda propuesto anteriormente se obtiene mediante el software de simulaci�n. Donde se introducen la frecuencia de funcionamiento, los detalles del sustrato (Figura 3), las impedancias y longitudes el�ctricas, cuyos valores se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1. Valores de los Par�metros para obtener las dimensiones de las L�neas de Transmisi�n.
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Par�metro |
Valor |
|
Z1 |
25 ohm |
|
Z2 |
50 ohm |
|
ϑ1 |
90� |
|
ϑ2 |
270� |
|
f1 |
2.3 GHz |
|
f2 |
3.5 GHz |
|
Zo |
50 ohm |
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Figura 3. Especificaciones del sustrato FR4.
Todos estos valores se introducen en la calculadora del software de simulaci�n
para obtener las longitudes f�sicas de los segmentos de l�neas de transmisi�n
(longitud y ancho). En la Figura 4 se puede observar las estructuras
completadas del filtro multibanda con los detalles de las dimensiones
obtenidas.
Figura 4. Esquem�tico y dimensiones de las l�neas de transmisi�n calculadas con el software de simulaci�n.
Un vez obtenido la estructura esquem�tica del filtro se debe simular y sacar el Layout para saber si es implementable o no el filtro. En este caso, el filtro si es implementable porque no se sobre montan l�neas de transmisi�n y consta con una disposici�n adecuada como se puede observar en la Figura 5.
Figura 5. Layout obtenido de la simulaci�n del filtro multibanda para su implementaci�n.
Las caracter�sticas del filtro multibanda se obtienen mediante simulaci�n por impulso en el software de simulaci�n. Las caracter�sticas de los par�metros S se muestran en la Figura 6. Donde se obtiene como resultado los valores que se muestran el Tabla 2. Tambi�n se puede observar que en las bandas de rechazo se obtiene una atenuaci�n de m�s de -40 dB.
Tabla 2. Valores simulados del Coeficiente de Reflexi�n S11 y S12 del Filtro Multibanda
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Frecuencia |
2.4 GHz |
3.5 GHz |
|
Par�metro |
Potencia (dB) |
Potencia (dB) |
|
S11 |
-20.5 |
-5.42 |
|
S12 |
-2.27 |
-7.40 |
Figura 6. Coeficiente de reflexi�n S11 del filtro multibanda con 2 secciones de paso en dB.
En la figura 7 tambi�n se muestra la gr�fica del coeficiente de reflexi�n S11 y S12 del filtro multibanda en magnitud para poder apreciar mejor la potencia que se obtiene. Dando como resultado el valor de� de 0.7694 en 2.4 GHz y 0.4403 en 3.5 GHz que son las bandas de inter�s a la cual est� dise�ado el filtro para usarlo en comunicaciones m�viles y Wifi.
Figura 7. Coeficiente de reflexi�n S11 del filtro multibanda con 2 secciones de paso en magnitud.
Tambi�n se realiza el an�lisis electromagn�tico para ya generar el archivo para la fabricaci�n del filtro como se muestra en la Figura 8.
Figura 8. Simulaci�n electromagn�tica del filtro multibanda con dos secciones para su implementaci�n
Implementaci�n del filtro
Para la
implementaci�n del filtro se usa el sustrato FR4 con un constante diel�ctrica
de 
, un espesor
diel�ctrico de aproximadamente 0,76 mm y una capa de cobre de 35 micras de
espesor. Sobre el cual se imprime el dise�o del filtro adquirido en el software
de simulaci�n y se introduce en un recipiente con �cido para eliminar el cobre
no deseado del sustrato obteniendo el filtro como tal, el cual se puede
observar en la Figura 9.
Figura 9. Filtro multibanda de 2 secciones con l�neas de transmisi�n en FR4 ɛr= 4.4 y espesor de 1.6mm
RESULTADOS Y DISCUSI�N
En esta secci�n se analizan los resultados del filtro simulados compar�ndoles con el filtro implementado. En esta secci�n se analiza el comportamiento del filtro simulada e implementada, a trav�s de la comparaci�n de gr�ficas del par�metro como el coeficiente de reflexi�n S11.
Coeficiente de Reflexi�n S12
El coeficiente de reflexi�n S12 es el par�metro de determinaci�n de la cantidad de energ�a que se refleja y la potencia que se transmite, cuyo valor ideal es de -20 dB, pues en este valor hay escaso nivel de p�rdidas por reflexi�n. En la Figura 10. se observan los resultados obtenidos del filtro multibanda implementado, y se aprecia 2 bandas. La primera va desde 1.6 GHz a 2.4 GHz. La segunda va desde 3.6 GHz a 4.3 GHz. En las bandas de rechazo se observa que la atenuaci�n es de m�s de -40 dB.
Figura 10. Coeficiente S11 obtenido en Matlab del filtro multibanda implementado, con las mediciones del VNA.
Pruebas de potencia recibida para hallar la gr�fica de Coeficiente de Reflexi�n S11 con y sin filtro
Para saber el funcionamiento del filtro se utiliza el generador de se�ales (ESPOCH) con el cual se recrea dos escenarios de pruebas. El primer escenario consiste en mandar directamente la se�al desde un rango de 1 GHz a 5 GHz con pasos de 0.2 GHz al analizador de espectros. Mientras que el segundo escenario, consiste en mandar la se�al desde un rango de 1 GHz a 5 GHz con pasos de 0.2 GHz al puerto 1 del filtro y del puerto 2 del filtro conectar el analizador de espectros (ESPOCH). Los datos de ambos escenarios se muestran en la Tabla 3.
Tabla 3. Tabulaci�n de datos de Potencia Recibida con y sin Filtro en el Analizador de Espectros
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Frecuencia (GHz) |
Potencia sin Filtro |
Potencia con Filtro |
|
1 |
-35,6 |
-56,6 |
|
1,2 |
-33,71 |
-54,77 |
|
1,4 |
-35 |
-53,55 |
|
1,6 |
-32,3 |
-55 |
|
1,8 |
-31,24 |
-51 |
|
2 |
-30,2 |
-31 |
|
2,2 |
-29,8 |
-31 |
|
2,4 |
-28,5 |
-29,5 |
|
2,6 |
-30 |
-46,18 |
|
2,8 |
-31,38 |
-54,25 |
|
3 |
-30,49 |
-50 |
|
3,2 |
-30,15 |
-41,12 |
|
3,4 |
-30,18 |
-38,52 |
|
3,6 |
-29,1 |
-30 |
|
3,8 |
-26,5 |
-28,5 |
|
4 |
-28,82 |
-29,85 |
|
4,2 |
-29,08 |
-30,2 |
|
4,4 |
-28,27 |
-34,75 |
|
4,6 |
-30,5 |
-50,9 |
|
4,8 |
-29,4 |
-41,3 |
|
5 |
-31,62 |
-36,47 |
En la Figura 11. se muestra la reconstrucci�n del coeficiente de reflexi�n S11 a partir de la potencia de recepci�n, donde se observa la respuesta con y sin filtro, y como este deja pasar la se�al en las dos bandas propuestas en el dise�o implementado.
Figura 11. Reconstrucci�n del funcionamiento del filtro multibanda con pruebas de comunicaci�n de 1Ghz a 5GHZ, la l�nea azul es la se�al recibida sin filtro; mientras que la l�nea rojo es la se�al recibida con filtro.
CONCLUSIONES
Los filtros multibanda ofrecen una mayor flexibilidad al permitir el tratamiento independiente de diferentes bandas de frecuencia en una se�al.
Al aislar y procesar selectivamente ciertas frecuencias, los filtros multibanda pueden ayudar a mejorar la calidad de sonido al eliminar o reducir eficazmente ruidos no deseados o interferencias en bandas espec�ficas.
Los filtros multibanda pueden ser utilizados para dividir el espectro de frecuencias y facilitar la transmisi�n eficiente de informaci�n a trav�s de diferentes canales.
Aunque ofrecen flexibilidad, los filtros multibanda requieren un ajuste cuidadoso de los par�metros para evitar artefactos no deseados o distorsiones. El conocimiento t�cnico y la experiencia son esenciales para su uso efectivo.
Los filtros de banda ancha son esenciales en situaciones donde se necesita transmitir informaci�n a trav�s de un rango amplio de frecuencias.
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