In the last years a great number of substrate
integrated circuits has been developed. These new circuits are
a compromise between the advantages of classical waveguide
technologies, such as high quality factor and low losses, and
the advantages of planar circuits, such as low cost and easy
compact integration. Although their quality factor and losses are
better than for planar circuits, these characteristics are worse
than in the case of waveguides, mainly due to the presence of the
dielectric substrate. In order to improve the performance of the
integrated circuits, a new methodology for manufacturing empty
waveguides, without dielectric substrate, but at the same time
completely integrated in a planar substrate has been recently
proposed. A wide band transition with return losses greater
than 20 dB in the whole bandwith of the waveguide allows the
integration of the empty waveguide into the planar substrate, so
that the waveguide can be directly accessed with a microstrip line.
Therefore a microwave circuit integrated in a planar substrate,
but at the same time with a very high quality factor (measured
quality factor is 4.5 times higher than for the same filter in SIW)
and very low losses was successfully achieved.
In this work the performance of this new technology is tested
through the simulation and measurement of high order filters (8
and 9 cavities filters).Belenguer Martínez, Á.; Esteban González, H.; Boria Esbert, VE.; Morro, JV. (2014). Evaluación de las prestaciones de filtros de orden elevado implementados con la nueva guía vacía integrada en sustrato. Editorial Universitat Politècnica de València. http://hdl.handle.net/10251/78478

Belenguer Martínez, Ángel

Boria Esbert, Vicente Enrique

Esteban González, Héctor

Morro, J. V.

In the last years a great number of substrate
integrated circuits has been developed. These new circuits are
a compromise between the advantages of classical waveguide
technologies, such as high quality factor and low losses, and
the advantages of planar circuits, such as low cost and easy
compact integration. Although their quality factor and losses are
better than for planar circuits, these characteristics are worse
than in the case of waveguides, mainly due to the presence of the
dielectric substrate. In order to improve the performance of the
integrated circuits, a new methodology for manufacturing empty
waveguides, without dielectric substrate, but at the same time
completely integrated in a planar substrate has been recently
proposed. A wide band transition with return losses greater
than 20 dB in the whole bandwith of the waveguide allows the
integration of the empty waveguide into the planar substrate, so
that the waveguide can be directly accessed with a microstrip line.
Therefore a microwave circuit integrated in a planar substrate,
but at the same time with a very high quality factor (measured
quality factor is 4.5 times higher than for the same filter in SIW)
and very low losses was successfully achieved.
In this work the performance of this new technology is tested
through the simulation and measurement of high order filters (8
and 9 cavities filters).Belenguer Martínez, Á.; Esteban González, H.; Boria Esbert, VE.; Morro, JV. (2014). Evaluación de las prestaciones de filtros de orden elevado implementados con la nueva guía vacía integrada en sustrato. Editorial Universitat Politècnica de València. http://hdl.handle.net/10251/7847

RiuNet

Evaluacio´n de las prestaciones de filtros de ordenelevado implementados con la nueva guı´a vacı´aintegrada en sustratoA´ngel Belenguer(1), He´ctor Esteban(2), Vicente E. Boria(2), y Jose´ Vicente Morro(2)angel.belenguer@uclm.es, hesteban@dcom.upv.es, vboria@dcom.upv.es, jomorros@dcom.upv.es(1)Departamento de Ingenierı´a Ele´ctrica, Electro´nica, Automa´tica y ComunicacionesUniversidad de Castilla-La Mancha, Escuela Polite´cnica de Cuenca, Campus Universitario, 16071, Cuenca(2)Departamento de Comunicaciones, Universidad Polite´cnica de Valencia, 46022, ValenciaAbstract— In the last years a great number of substrateintegrated circuits has been developed. These new circuits area compromise between the advantages of classical waveguidetechnologies, such as high quality factor and low losses, andthe advantages of planar circuits, such as low cost and easycompact integration. Although their quality factor and losses arebetter than for planar circuits, these characteristics are worsethan in the case of waveguides, mainly due to the presence of thedielectric substrate. In order to improve the performance of theintegrated circuits, a new methodology for manufacturing emptywaveguides, without dielectric substrate, but at the same timecompletely integrated in a planar substrate has been recentlyproposed. A wide band transition with return losses greaterthan 20 dB in the whole bandwith of the waveguide allows theintegration of the empty waveguide into the planar substrate, sothat the waveguide can be directly accessed with a microstrip line.Therefore a microwave circuit integrated in a planar substrate,but at the same time with a very high quality factor (measuredquality factor is 4.5 times higher than for the same filter in SIW)and very low losses was successfully achieved.In this work the performance of this new technology is testedthrough the simulation and measurement of high order filters (8and 9 cavities filters).I. INTRODUCCIO´NLa primera guı´a de onda integrada en sustrato la propusieronDeslandes y Wu en 2001 [1]. Se trata por lo tanto de unatecnologı´a reciente y con un gran intere´s. Sus prestaciones(factor de calidad y pe´rdidas) esta´n a medio camino entrelas prestaciones de las guı´as de onda cla´sicas y los circuitosplanares.Se ha dedicado mucho esfuerzo a integrar guı´as no planaresen sustratos de circuitos impresos. A esto gene´ricamente sele llama Circuitos Integrados en Sustratos (SIC). Entre elloshay una gran variedad (Substrate Integrated Slab Waveguide(SISW) [2], Substrate Integrated Non-Radiating Dielectricguide (SINRD) [3], [4], que se basa en la NonradiativeDielectric Waveguide [5], o la Half Mode Substrate IntegratedWaveguide (HMSIW) [6]), pero la ma´s popular es la SubstrateIntegrated Waveguide (SIW), porque es muy sencillo aplicarlas mismas te´cnicas cla´sicas de disen˜o de las guı´as rectangu-lares a las guı´as SIW.Las guı´as SIW mejoran las prestaciones de los circuitosplanares, ya que tienen menores pe´rdidas y mayores factoresde calidad, aunque las pe´rdidas y el factor de calidad son au´nmejores en la guı´a rectangular que en la SIW. Por otro lado, y adiferencia de la guı´a de onda rectangular, la guı´a SIW es baratade fabricar, es integrable en circuitos impresos, y su volumenes menor debido a que tienen menor altura por estar integradasen un sustrato, y menor dimensio´n a lo largo de la direccio´nde propagacio´n a causa de la presencia del diele´ctrico quereduce la longitud de onda. Este menor volumen hace, esosı´, que el dispositivo sea ma´s sensible a las tolerancias defabricacio´n, que pueden ser un factor muy limitante a altafrecuencia. Y, como ya se ha comentado, el hecho de que laSIW este´ rellena de diele´ctrico hace que aumenten las pe´rdidasy disminuya el factor de calidad si la compramos con la guı´ade onda rectangular.En [7] se presento´ un nuevo tipo de circuito integrado, alque se llamo´ Empty Substrate Integrated Waveguide (ESIW).Se trataba de una guı´a de ondas rectangular que se podı´afabricar con bajo coste y con las mismas herramientas conlas que se fabrican los circuitos planares. Adema´s esta guı´ase fabrica vaciando un sustrato, de manera que es integrablecon circuitos planares, gracias a una nueva transicio´n de bandaancha que pasa de la lı´nea microstrip en el sustrato a la guı´avaciada en el mismo. Se presentaron resultados para filtros decuatro y cinco cavidades, y se comprobo´ que estos dispositivostenı´an un factor de calidad de alrededor de 4.5 veces el deldispositivo equivalente en SIW. Y todo ello manteniendo laspropiedades de fa´cil fabricacio´n e integracio´n con circuitosplanares, ası´ como una mayor tolerancia a los errores defabricacio´n.En este trabajo se ha querido validar las superiores presta-ciones de la ESIW tambie´n para filtros de mayor orden. Paraello, en la seccio´n de resultados se muestran los resultados deun filtro de 8 cavidades, y dos de 9.II. GUI´A VACI´A INTEGRADA EN SUSTRATO (ESIW)En una SIW tradicional, las ondas electromagne´ticas esta´nconfinadas en el cuerpo diele´ctrico que cierran las paredesmeta´licas superior e inferior del sustrato, y las vı´as circulareslaterales metalizadas (ver Fig. 1). En la ESIW, las ondas viajanen el vacı´o, y esta´n confinadas por cuatro paredes meta´licasFig. 1. Guı´a integrada en sustrato (SIW).(superior, inferior, y dos paredes laterales). Esta estructurase fabrica cortando y vaciando una seccio´n rectangular en elsustrato. A continuacio´n se metaliza el sustrato y las paredeslaterales de la ESIW se metalizan. Finalmente, dos capasmeta´licas delgadas se sueldan arriba y abajo del sustrato,cubriendo la ESIW (ver Fig. 2). La clave para que la ESIWFig. 2. Guı´a vacı´a integrada en sustrato (ESIW).se pueda conectar a otros circuitos planares situados en elmismo sustrato esta´ en la transicio´n de microstrip a ESIW.Esta transicio´n se muestra en la Fig. 3. Una descripcio´n ma´sdetallada de la transicio´n y de sus para´metros, de los valoresiniciales para dichos para´metros utilizados antes de buscarlos valores ideales mediante optimizacio´n, y un ejemplo delcomportamiento de banda ancha de dicha transicio´n se puedeencontrar en [7].Fig. 3. Transicio´n de microstrip a ESIW.III. RESULTADOSCon la finalidad de comprobar las prestaciones de la nuevaguı´a ESIW con filtros de orden elevado, se han disen˜adotres filtros. Las especificaciones para cada uno de los tresfiltros se detallan en la Tabla I. La figura Fig. 4 muestrael esquema de un filtro de 8 cavidades (como el filtro 1), yde un filtro de 9 cavidades (como los filtros 2 y 3). Comose puede observar se trata de filtros cla´sicos de cavidadesFiltro 1 Filtro 2 Filtro 3Nu´mero de cavidades 8 9 9Frecuencia central 15 GHz 15 GHz 15 GHzAncho de banda 1 GHz 500 MHz 1 GHzTipo de respuesta Chebyshev Chebyshev ChebyshevRizado 0,1 dB 0,1 dB 0,1 dBTABLE IESPECIFICACIONES DE LOS TRES FILTROS DISEN˜ADOS.atw1l1w2l2w3l3w4l4w5l4w4l3w3l2w2l1w1(a) 8 cavidadesatw1l1w2l2w3l3w4l4w5l5w5l4w4l3w3l2w2l1w1(b) 9 cavidadesFig. 4. Esquema de filtros de cavidades acopladas.acopladas en plano H. Para disen˜ar los tres filtros, se haseguido el procedimiento esta´ndar de sı´ntesis basado en elcircuito equivalente con inversores y lı´neas de transmisio´n[8]. Todos los filtros de han disen˜ado utilizando la anchurade la guı´a esta´ndar WR-62 (a=15.7988 mm), y la longitudde los irises se ha fijado a t=2 mm. El resto de para´metrosgeome´tricos (longitudes de las cavidades, y anchura de lasventanas de acoplo), son para´metros de disen˜o. Los filtros sonsime´tricos. En la Tabla II se muestran los valores o´ptimos deFiltro 1 Filtro 2 Filtro 3t 2.0000 2.0000 2.0000a 15.7988 15.7988 15.7988w1 9.2083 8.2037 9.1568w2 6.7221 5.5310 6.6690w3 6.0606 4.9750 6.0297w4 5.9048 4.8529 5.8744w5 5.8714 4.8179 5.8271l1 11.1141 12.1412 11.1830l2 12.7630 13.5535 12.7908l3 13.1117 13.7611 13.1327l4 13.1845 13.8045 13.2074l5 - 13.8139 13.2287TABLE IIDIMENSIONES DE LOS FILTROS EN MM.las dimensiones de los tres filtros tras completar el proceso dedisen˜o. Utilizando los valores de la Tabla II, se ha utilizadoun simulador electromagne´tico para obtener la respuesta enfrecuencia de los tres filtros. Las respuestas se pueden ver enla Figura 5. Para comprobar las prestaciones de los disen˜osrealizados, se ha calculado el factor de calidad de cada uno14 14,5 15 15,5 16−40−30−20−100Frecuencia (GHz)Reflexio´nytransmisio´n(dB)|S11||S21|(a) Filtro 114 14,5 15 15,5 16−40−30−20−100Frecuencia (GHz)Reflexio´nytransmisio´n(dB)|S11||S21|(b) Filtro 214 14,5 15 15,5 16−40−30−20−100Frecuencia (GHz)Reflexio´nytransmisio´n(dB)|S11||S21|(c) Filtro 3Fig. 5. Respuesta en frecuencia simulada para los tres filtros disen˜ados.de los tres filtros de forma analı´tica. Para ello se utiliza lafo´rmula del factor de calidad de una cavidad de dimensionesa × b × d obtenida a partir de las expresiones de la energı´aalmacenada y la potencia disipada para el caso TE101:Q =piη4Rs[2b(a2 + d2)3/2ad(a2 + d2) + 2b(a3 + d3)](1)donde a es la anchura de la cavidad, b es la altura, y des la longitud. En el caso de los filtros en ESIW, todas lascavidades son de la misma anchura, a = 15, 7988 mm. Comolos filtros se van a implementar en un sustrato diele´ctricoRogers 4003C cuya altura es 1, 524 mm, en todos los casosla altura de la cavidad es b = 1, 524 mm. La longitud d es elpara´metro li (i ∈ [1, · · · , 9]) correspondiente a cada cavidad.Una vez calculado el factor de calidad de todas las cavidadesdel filtro, nos quedamos con el peor valor de todos (el ma´sbajo). Haciendo este proceso para los tres filtros disen˜ados, seobtienen los valores de factor de calidad que se muestran en laTabla III. Como se ha indicado en la introduccio´n, el procesoFiltro 1 Filtro 2 Filtro 3Q 2297 2249 2294TABLE IIIFACTORES DE CALIDAD.de fabricacio´n de los dispositivos ESIW es muy sencillo, y sepuede realizar con las herramientas esta´ndar de fabricacio´n decircuitos planares. En este caso se ha utilizado una ma´quinaLPKF Protomat S103, que corta, fresa y taladra con unaprecisio´n de 0,5 µm, y con una repetitividad de ±0,001 mm. Ala vez que se fabrica un dispositivo ESIW se pueden fabricarvarios dispositivos en tecnologı´a SIW en el mismo sustrato.En primer lugar, se corta el sustrato para formar el interior delfiltro (cavidades acopladas), y se taladran vı´as meta´licas si sequieren fabricar a la vez otros dispositivos que lo requieran. Acontinuacio´n se metaliza el sustrato, y se metalizan las paredeslaterales de la ESIW (y las vı´as que se hayan taladrado).Se cortan las transiciones y se desprende el interior de lascavidades del filtro ESIW, quedando e´stas vacı´as. Se fresa lacapa superior del sustrato para formar las lı´neas microstrip. Secorta cada dispositivo por separado, separa´ndolo del sustrato.Para terminar el filtro ESIW, se sueldan dos placas meta´licasmediante una pasta de estan˜o adhesiva que pega las placassuperior e inferior. Esta pasta se seca posteriormente introdu-ciendo el dispositivo en un horno de reflujo. De los tres filtrosdisen˜ados, se ha fabricado el de 8 cavidades. En la Figura 6 semuestran varias fotos del prototipo fabricado. Se muestra unavista del filtro completo, en perspectiva, una vista superior,y una foto en la que se puede apreciar con detalle co´moesta´ mecanizada la transicio´n de microstrip a ESIW. Unavez fabricado el filtro, e´ste ha sido medido con el analizadorde redes vectorial. Los resultados de las medidas se muestranen la Fig. 7, donde las medidas se pueden comparar con lassimulaciones proporcionadas por el simulador comercial. Sepuede apreciar una buena coincidencia entre las medidas y lassimulaciones, excepto por una ligera desviacio´n en frecuenciaque pensamos que se debe a problemas de fabricacio´n (holgurapor desgaste del cabezal de la taladradora). En cualquier casolas medidas son muy buenas, y corroboran la viabilidad de estanueva topologı´a (ESIW) como alternativa a otras topologı´asde guı´a integrada en sustrato, como la SIW. Para reforzar estaafirmacio´n, se ha determinado el factor de calidad del filtro apartir de las medidas, utilizando la siguiente formulacio´n [9]:Qu = 4, 343n∑i=1ΩCFBW ∆LA0gi dB (2)donde para el filtro de Chebyshev de orden n = 8 que hemosfabricado, ΩC = 1, y los coeficientes del prototipo paso-bajoson g1 = 0, 8073, g2 = 1, 4131, g3 = 1, 7825, g4 = 1, 6833,(a) Filtro completo(b) Vista superior(c) Transicio´nFig. 6. Filtro de 8 cavidades fabricado.g5 = 1, 8529, g6 = 1, 6193, g7 = 1, 5555, g8 = 0, 7334.FBW es el ancho de banda fraccional FBW = BW/f0 =1/15 = 0, 0667. Finalmente, ∆LA0 es el incremento depe´rdidas a la frecuencia central del filtro, comparando lasmedidas con la respuesta ideal sin pe´rdidas (0 dB para el filtrode Chebyshev), y que en el caso del filtro de 8 cavidades es0,35 dB. Con todos estos datos se obtiene un factor de calidadde Qu = 2,151, que es un valor muy pro´ximo al valor idealcalculado mediante (1). En [7] los valores medidos del factorde calidad estaban ma´s lejos de los teo´ricos. Probablementeel uso de una nueva pasta ma´s conductora para pegar lastapas superior e inferior de la ESIW sean las causantes deesta mejora en el factor de calidad del dispositivo fabricado.IV. CONCLUSIONESSe han disen˜ado tres filtros de cavidades acopladas en lanueva tecnologı´a ESIW. En todos ellos, el factor de calidad quese ha calculado es muy elevado, probando las bondades de estenuevo tipo de guı´a integrada en sustrato, con unas prestacionesmuy superiores a otras guı´as integradas en sustrato existenteshasta el momento, tales como la SIW. De esos tres filtros, seha fabricado uno de ellos, y el factor de calidad calculadoa partir de las medias ha resultado muy elevado, casi igual14 14,5 15 15,5 16−40−30−20−100Frecuencia (GHz)Reflexio´nytransmisio´n(dB)|S11|sim|S21|sim|S11|med|S21|medFig. 7. Resultados Filtro 8 cavidades.que el calculado de forma analı´tica a partir del simuladorelectromagne´tico.REFERENCES[1] D. Deslandes and K. Wu, “Integrated microstrip and rectangular wavegui-de in planar form,” IEEE Microwave and Wireless Components Letters,vol. 11, no. 2, pp. 68–70, February 2001.[2] D. Deslandes, M. Bozzi, P. Arcioni, and K. Wu, “Substrate integratedslab waveguide (SISW) for wideband microwave applications,” in IEEEMTT-S International Microwave Symposium Digest, 2003, vol. 2, 2003,pp. 1103–1106 vol.2.[3] Y. Cassivi and K. Wu, “Substrate integrated nonradiative dielectricwaveguide,” IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 14,no. 3, pp. 89–91, 2004.[4] ——, “Substrate integrated NRD (SINRD) guide in high dielectricconstant substrate for millimetre wave circuits and systems,” in IEEEMTT-S International Microwave Symposium Digest, 2004, vol. 3, 2004,pp. 1639–1642 Vol.3.[5] T. Yoneyama and S. Nishida, “Nonradiative dielectric waveguide formillimeter-wave integrated circuits,” IEEE Transactions on MicrowaveTheory and Techniques, vol. 29, no. 11, pp. 1188–1192, 1981.[6] W. Hong, B. Liu, Y. Wang, Q. Lai, H. Tang, X. X. Yin, Y. D. Dong,Y. Zhang, and K. Wu, “Half mode substrate integrated waveguide: A newguided wave structure for microwave and millimeter wave application,”in Joint 31st International Conference on Infrared Millimeter Waves and14th International Conference on Teraherz Electronics, 2006. IRMMW-THz 2006, September 2006, pp. 219–219.[7] A. Belenguer, H. Esteban, and V. E. Boria, “Novel empty substrate in-tegrated waveguide for high-performance microwave integrated circuits,”IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, vol. To be published,pp. 1–8, April 2014.[8] G. L. Matthaei, L. Young, and E. M. T. Jones, Microwave Filters,Impedance-Matching Networks, and Coupling Structures. McGraw-Hill,1964.[9] J.-S. Hong and M. J. 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