Apresentação filtro microstrip

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PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO DE UM FILTRO PASSA-BAIXA
 MICROONDAS
Estruturas Planar es e de Microondas 
APRESENTADO POR: 
YULI ANDREA ÁLVAREZ PIZARRO 
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CONTEÚDO
Introdução 
Tipos de Respostas dos FILTROS
Famílias 
Butterworth
Chebyschev
4. Projeto de FILTROS MICROSTRIP
5. Simulações 
CST Microwave Studio
6. Resultados Experimentais
7. Observações e Conclusões 
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INTRODUÇÃO
Os filtros são dispositivos passivos que têm como finalidade selecionar, eliminar ou separar sinais com bandas de frequências diferentes. Em conformidade com essas bandas, são chamados filtros passa-baixa, passa-alta, passa-banda ou rejeita-banda.
Os Filtros são de grande importância em diversos campos da engenharia elétrica. Na área de telecomunicações a importância de filtros é associada ao inicio das comunicações sem fio, onde uma seletividade de frequências começou a ser exigida.
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TIPO DE RESPOSTA
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Um filtro e um circuito linear invariante no tempo cuja finalidade principal é transmitir as frequências desejadas e rejeitar as restantes. 
Figura 1. Tipos de Filtros
FAMILIAS DE FILTROS
Onde e n e o grau ou a ordem do filtro, que corresponde ao numero de elementos necessários no filtro protótipo passa-baixos
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FAMILIA BUTTERWORTH
Também denominada resposta plana, essa denominação se deve ao fato de que as curvas obtidas não possuem nenhum tipo de ondulação (ripple), ou seja, possuem uma variação monotônica decrescente.
O modulo quadrado da função de transferência para filtros Butterworth que tem uma perda de inserção LAr = 3.01 dB a frequência de corte Ωc = 1 e dada por
Figura 2. Resposta Butterworth
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FAMILIAS DE FILTROS
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FAMILIA CHEBYSCHEV
Apresenta ondulações (“ripple”) na banda de passagem e a banda de rejeição “maximally flat”, esta representada na Figura 3.
Figura 3. Resposta Chebyschev
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FAMILIAS DE FILTROS
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FILTRO ELÍPTICO
Um filtro elíptico (também conhecido como filtro de Cauer) é um filtro com ondulações (ripple) na banda passante e na banda rejeitada.
Isto significa que ele minimiza o erro máximo em ambas as banda, ao contrário do filtro Chebyshev, que apresenta ripple apenas na banda passante
Figura 2. Resposta Filtro Elíptico 
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LINHA MICROSTRIP
A linha microstrip é um tipo de linha de transmissão planar muito utilizada em circuitos integrados de radiofrequência e microondas devido a sua natureza planar e fácil fabricação.
Consiste numa fita de metal condutor de largura W fixada sobre um substrato dielétrico de altura h localizada sobre um plano terra, como se apresenta na Figura 3.
PRINCIPIOS FUNDAMENTAIS
Figura 3. Linha Microstrip
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Equações tomadas de [2] I.J. Bahl e P. Barthia, “Microwave Solid State Circuit Design”, Second Edition
PRINCIPIOS FUNDAMENTAIS
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Onde
LINHA MICROSTRIP
As expressões para a constante dielétrica efetiva (), e para a impedância característica, para a linha microstrip, assumindo-se que a espessura da fita e igual a zero, (t = 0), são dadas por:
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LINHA MICROSTRIP
LARGURA DA FITA
Pode-se determinar através da impedância característica e da constante dielétrica relativa. Esta é dada por:
PRINCIPIOS FUNDAMENTAIS
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Onde
Figura 4. Largura da fita de uma Linha Microstrip
Equações tomadas de [2] I.J. Bahl e P. Barthia, “Microwave Solid State Circuit Design”, Second Edition 
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 CONCEITOS IMPORTANTES
PROJETO DE FILTROS MICROSTRIP 
Figura 5. Filtro Microstrip 
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Comprimento no guia
Constante de Propagação 
Velocidade de Fase
Equações tomadas de [2] I.J. Bahl e P. Barthia, “Microwave Solid State Circuit Design”, Second Edition
 
 COMPONENTES
São frequentemente encontrados em projetos de filtro de microfita, podem incluir indutores e capacitores, concentrados em elementos discretos (ou seja, seções curto de linha e stubs) e ressonadores. 
Na maioria dos casos, os ressonadores são os elementos distribuídos como um quarto de comprimento de onda e uma meia-onda da linha de ressonância. 
A escolha dos componentes individuais podem dependem principalmente dos tipos de filtros, as técnicas de fabricação, as perdas aceitáveis, a manipulação de energia, bem como a frequência de operação. 
PROJETO DE FILTROS MICROSTRIP 
Figura 6. Filtro Microstrip 
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PROJETO DE FILTROS MICROSTRIP 
Figura 8. Transformação de Capacitores e Indutores. TOPOLOGIA II.
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Figura 7. Transformação de Capacitores e Indutores. TOPOLOGIA I
PROJETO FILTRO PASSA-BAIXA
Permite a passagem de baixas frequências sem dificuldades e atenua (ou reduz) a amplitude das frequências maiores que a frequência de corte. 
A quantidade de atenuação para cada frequência varia dependendo do desenho do filtro.
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Figura 9. Filtro Microstrip. Passa Baixa. Ordem 3
PROJETO FILTRO PASSA-BAIXA
PROJETO -> Cutoff frequency fc = 2 GHz. Pass band ripple 0.1 dB (or return loss –25 dB). Source/load impedance Z0 = 50 ohms. Permitividade= 9.8
1. = = = 1.23
2. Perdas por Inserção
= 30 dB
*O Ordem do filtro pode-se observar
no Monograma da Figura 6.11. Pág. 290 
B&B.
 
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Figura 9. Filtro Microstrip. Passa Baixa. Ordem 3
PROJETO FILTRO PASSA-BAIXA
PROJETO -> Filtro Chebyschev -> frequency fc = 2 GHz. Pass band ripple 0.1 dB (or return loss –25 dB). Source/load impedance Z0 = 50 ohms. Permitividade= 9.8
3. Coeficientes 
4. Calculo dos Capacitores e Indutores
 
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Figura 9. Filtro Microstrip. Passa Baixa. Chebyschev. Ordem 3
Equações tomadas de [2] I.J. Bahl e P. Barthia, “Microwave Solid State Circuit Design”, Second Edition
 
PROJETO FILTRO PASSA-BAIXA
PROJETO -> Cutoff frequency fc = 2 GHz. Pass band ripple 0.1 dB (or return loss –25 dB). Source/load impedance Z0 = 50 ohms. Permitividade= 9.8
 5. Escolhemos os valores das impedâncias
Para o desenho das linhas.
93Ω (Alta Impedância) 
Ω (Baixa Impedância)
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Figura 9. Filtro Microstrip. Passa Baixa. Chebyschev. Ordem 3
6. W/h
LARGURA DA FITA
Pode-se determinar através da impedância característica e da constante dielétrica relativa. Esta é dada por:
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Onde
Figura 4. Largura da fita de uma Linha Microstrip
Equações tomadas de [2] I.J. Bahl e P. Barthia, “Microwave Solid State Circuit Design”, Second Edition
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PROJETO FILTRO PASSA-BAIXA
PROJETO -> Cutoff frequency fc = 2 GHz. Pass band ripple 0.1 dB (or return loss –25 dB). Source/load impedance Z0 = 50 ohms. Permitividade= 9.8
 7. Permissividade Efetiva
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Equações tomadas de [2] I.J. Bahl e P. Barthia, “Microwave Solid State Circuit Design”, Second Edition
PROJETO FILTRO PASSA-BAIXA
PROJETO -> Cutoff frequency fc = 2 GHz. Pass band ripple 0.1 dB (or return loss –25 dB). Source/load impedance Z0 = 50 ohms. Permitividade= 9.8
 8. Comprimento no Guia e os comprimentos dos indutores e capacitâncias.
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lL = 9.81 mm
and lC = 7.11 mm
Equações tomadas de [2] I.J. Bahl e P. Barthia, “Microwave Solid State Circuit Design”, Second Edition
PROJETO FILTRO PASSA-BAIXA
Dimensões
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Figura 9. Filtro Microstrip. Passa Baixa. 
SIMULAÇÃO NO CST
Dimensões
Casamento
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Linhas de 50Ω
Figura 10. Filtro Microstrip. Passa Baixa. Ordem 3. Linhas de Acople Microstrip. 50Ω
SIMULAÇÃO NO CST
Dimensões
Indutores
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Figura 11. Filtro Microstrip. Passa Baixa. Ordem 3. Indutores feitos no simulador CST Microwave Studio
SIMULAÇÃO NO CST
Dimensões
Capacitância
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Figura 11. Filtro Microstrip. Passa Baixa. Ordem 3. Capacitâncias feitas no Simulador CST Microwave Studio
SIMULAÇÃO NO CST
Waveguide Ports
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SIMULAÇÃO NO CST
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Waveguide Ports
SIMULAÇÃO NO CST
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Waveguide Ports
SIMULAÇÃO NO CST
Sensores
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SIMULAÇÃO NO CST
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Waveguide Ports
SIMULAÇÃO NO CST
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Waveguide Ports
SIMULAÇÃO NO CST
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Waveguide Ports
SIMULAÇÃO NO CST
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SIMULAÇÃO NO CST
Simulação 
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RESULTADOS
Simulação 
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Figura 12. Resposta de o Filtro Microstrip. Passa Baixa. Ordem 3. Chebyschev no Simulador CST Microwave Studio
RESULTADOS
Simulação -> Fc = 2GHZ -> Ordem 7 
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Figura 10. Filtro Microstrip. Passa Baixa.
Desenho 2RESULTADOS
Simulação TRANSITORIA
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Figura 13. Resposta de o Filtro Microstrip. Passa Baixa. Ordem 7. Butterworth no Simulador CST Microwave Studio
RESULTADOS
Simulação DE FREQUÊNCIA 
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Figura 14. Resposta de o Filtro Microstrip. Passa Baixa. Ordem 7. Butterworth no Simulador CST Microwave Studio
RESULTADOS
Resultados Práticos 
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Figura 15. Filtro Microstrip feito. Passa Baixa. 
Figura 16. Analisador de espectros
RESULTADOS
Resultados Práticos 
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Figura 17. Resposta experimental do Filtro Butterworth. Ordem 7
OBSERVAÇÕES e CONCLUSÕES
As simulações feitas com o Software CST no domínio da Frequência foram melhores com respeito ao modo Transiente (com mais o menos 200 MHZ de diferencia. Na frequência de filtragem). Para próximos trabalhos podem-se fazer as simulações no SEMCAD X para fazer comparações de os dos métodos (MOM vs FDTD)
Tem-se em conta os efeitos de borda ao momento de fazer o desenho do filtro. Devido ao que as frequências diminuem. 
No filtro feito experimentalmente as trilhas das capacitâncias ficarem um pouco mais grandes (+ ou - 0.3 mm).
O Filtro feito experimentalmente fico com um comportamento ressoante. Isto pode ser causado pelo material (FR4). Para próximos trabalhos é recomendado mudar o material.
Para melhorar o rendimento do filtro  Aumentar o tamanho da placa e o plano de terra. (As perdas de atenuação podem também ser causadas pelos conectores)
Ao momento de fazer os testes é recomendado calibrar os cabos do analisador.
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Referências
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[1] David M. Pozar. Microwave Engineering. John Wiley & Sons, Inc., 2nd edition, 1998
 [2] I.J. Bahl e P. Barthia, “Microwave Solid State Circuit Design”, Second Edition
[3] Jia-Sheng and M. J. Lancaster. Microstrip Filters for RF/Microwave Applications. John
Wiley & Sons, Inc., 1st edition, 2001.
[4] E. G. Cristal and S. Frankel, “Design of hairpin-line and hybrid haripin-parallel-coupled-line filters,” IEEE MTT-S, Digest, 1971, 12–13.
[5] J. S. Wong, “Microstrip tapped-line filter design,” IEEE Trans., MTT-27, 1, 1979,44–50.
[6] G. L. Matthaei, “Interdigital band-pass filters,” IEEE Trans., MTT-10, 1962, 479–492.
[7] S. Caspi and J. Adelman, “Design of combline and interdigital filters with tapped-loneinput,” IEEE Trans., MTT-36, April 1988, 759–763.
[8] V. K. Tripathi, “Asymmetric coupled transmission lines in an inhomogeneous medium,”IEEE Trans., MTT-23, 1975, 734–739.
[9] C. Dening, “Using microwave CAD programs to analyze microstrip interdigital filters,”Microwave Journal, March 1989, 147–152.
[10] D. G. Swanson, “Grounding microstrip lines with via holes,” IEEE Trans., MTT-40, August1992, 1719–1721.
[11] G. Mattaei, L. Young, and E. M. T. Jones, Microwave Filters, Impedance-Matching Networks,and Coupling Structures, Artech House, Norwood, MA, 1980.
[12] R. Saal, Der Entwurf von Filtern mit Hilfe des Kataloges normierter Tiefpasse, TelefunkenGmbH, Backnang (Germany), 1961.