Contribution to the design of filtering and multiplexing RF devices and structures for wireless and satellite communication applications

Abstract

En la actualidad se está llevando a cabo gran cantidad de investigación sobre el diseño de dispositivos electrónicos como filtros, desplazadores de fase y circuladores para sistemas de telecomunicaciones debido a su inevitable papel entre el transmisor y el receptor en la toda la cadena de un sistema de telecomunicaciones. Por lo tanto, los estudios que investigan la optimización del diseño de esos elementos electrónicos son de gran importancia. Este trabajo de tesis está dedicado al diseño de dispositivos y estructuras de radiofrecuencia (RF) de filtrado y multiplexación para aplicaciones de comunicaciones inalámbricas y satelitales. En este trabajo se ha realizado un profundo estado del arte en las tecnologías de filtrado, multiplexación y guiado (capítulo 2). Se exponen los antecedentes de los filtros, desfasadores y circuladores con la introducción de las tecnologías de los circuitos, su síntesis y las técnicas de diseño, introduciendo también procedimientos de optimización, como la optimización basada en gradientes y la optimización de algoritmos genéticos, que reducen el coste y el tiempo del proceso de diseño. El trabajo principal de esta tesis se centra en los filtros de RF (capítulo 3), los desfasadores de RF (capítulo 4) y los circuladores de RF (capítulo 5). El diseño de los filtros de RF (capítulo 3) se centra principalmente en el filtro paso-banda de guía de onda sintonizable utilizando pines rectangulares cubiertos por material de grafeno, permitiendo la sintonización de la frecuencia central e incluso el ancho de banda del filtro. El diseño de defasadores (capítulo 4) propone una técnica novedosa para estos dispositivos con corrección de fase con sus técnicas de síntesis y diseño basadas en el circuito reflectante controlable electrónicamente, optimizado para frecuencias de hasta 18 GHz. El proceso de diseño va acompañado de un nuevo método de optimización basado en algoritmos genéticos para hacer coincidir los caracteres de entrada necesarios. El último dispositivo en estudio es el circulador de microstrip (capítulo 5). Su diseño se basa en la topología de línea stripline/microtrip y se proponen algunas técnicas de diseño de circuladores. También se proponen técnicas de optimización para proporcionar diferentes diseños de circuladores que cumplan con los requisitos exigentes en su rendimiento. Este documento detalla el trabajo de la Tesis, identificando los límites preliminares de todos aquellos diseños de dispositivos, cumpliendo con los objetivos de la Tesis.

Many investigations on designing electronic devices such as filters, phase shifters and circulators for telecommunication systems are ongoing due to their inevitable role between the transmitter and the receiver in the telecommunication chain. Therefore, studies that investigate the optimization of design of those electronic elements are of great importance. This Thesis work is devoted to the design of filtering and multiplexing radiofrequency (RF) devices and structures for wireless and satellite communication applications. In this work, a deep state of the art on the filtering and multiplexing technologies has been carried out (chapter 2). It states the background of filters, phase shifters and circulators with the introduction of the technologies of the circuits, their synthesis and design techniques, also introducing optimization procedures, such as the gradient based optimization and the genetic algorithm optimization, that reduce the cost and the time of the design process. The main work of this Thesis is focused on RF filters (chapter 3), RF phase shifters (chapter 4) and circulators (chapter 5). The design of RF filters (chapter 3) is mainly focused on tunable waveguide band pass filter using rectangular pins covered by graphene material, allowing the tuning of the center frequency and even the bandwidth of the filter. The design of phase shifter (chapter 4) proposes a novel technique for phase shifters with their synthesis and design techniques based on reflective radio frequency circuit, optimized for frequencies up to 18 GHz. The design process is accompanied by a new optimization method based on genetic algorithms to match any input characters needed. The last device under study is the microstrip circulator (chapter 5). Its design is based on stripline/microstrip topology and some circulator design techniques are proposed. Optimization techniques are also proposed to provide different circulator designs that fulfil demanding requirements in their performance. This document details the Thesis work, identifying preliminary limits on all those device designs, fulfilling the objectives of the Thesis.