Desarrollo de Sistemas Espaciotemporales basados en antenas a Giga Hercios: Estudio de las características de no reciprocidad en circuitos modulados temporalmente con señales no sinusoidales

Abstract

En este proyecto se demuestra un filtro de paso de banda aislante con bajas pérdidas de inserción y alto aislamiento inverso mediante la modulación de sus resonadores constituyentes. El trabajo consiste en el estudio y análisis del comportamiento del filtro cuando es modulado temporalmente mediante señales periódicas con diferentes formas de onda. La idea desarrollada constituye una base de trabajo para los circuitos modulados espaciotemporalmente, ofreciendo infinidad de oportunidades en este campo.

Para entender el principio de funcionamiento de estos dispositivos, se ha desarrollado un método de análisis en el dominio espectral. Se demuestra que la no reciprocidad en la misma frecuencia es el resultado de la conversión no recíproca de frecuencias a las frecuencias de intermodulación (IM) por los resonadores variables en el tiempo. Mediante una frecuencia de modulación, profundidad de modulación y retardo de fase específicos, la potencia de la señal en las frecuencias IM se convierte nuevamente a la frecuencia RF y se suma constructivamente para formar una banda pasante de bajas pérdidas de inserción, mientras que en la dirección inversa se suman destructivamente para crear el aislamiento.

Para demostrar la teoría, se realizaron numerosas simulaciones en MATLAB, las cuales fueron validadas mediante ADS (Advanced Design System). Adicionalmente, se diseñó un prototipo de filtro con una única etapa resonante. De esta forma, se ha verificado el correcto funcionamiento de los filtros paso banda aislantes, los cuales pueden encontrar aplicaciones en sistemas de transmisión y recepción simultánea de señales de radio de banda ancha.

This work demonstrates an isolating bandpass filter with low insertion losses and high reverse isolation by modulating its constituent resonators. This project consists of the study and analysis of the behavior of a filter when it is temporally modulated using periodic signals with different waveforms. The idea developed constitutes a working basis for spatiotemporally modulated circuits, offering endless opportunities in this field. To understand the principle of operation of these devices, a method of analysis in the spectral domain has been developed. It is shown that non-reciprocity at the same frequency results from the non-reciprocal conversion of frequencies to intermodulation (IM) frequencies by the time-varying resonators. Using a specific modulation frequency, modulation depth, and phase delay, the signal power at the IM frequencies is converted back to the RF frequency and constructively summed to form a low-loss passband. In contrast, in the reverse direction, it is destructively summed to create isolation. Numerous simulations were performed in MATLAB to demonstrate the theory, and they were validated using ADS (Advanced Design System). A prototype filter with a single resonant stage was also designed and manufactured. In this way, the correct operation of the isolating bandpass filters has been verified, which can find applications in broadband radio transmission and simultaneous reception systems.