Las guías de ondas convencionales son dispositivos capaces de transmitir señales de alta frecuencia con buena calidad y bajas pérdidas, pero tienen un volumen y peso muy elevado, lo que dificulta su integración con otros circuitos y aparatos electromagnéticos. Además, esta tecnología es costosa en su fabricación y producción. Estas desventajas presentan un obstáculo importante en la producción en masa de esta tecnología.
Las guías de onda integradas en sustrato surgen como alternativa a las guías convencionales. La fabricación y producción de estas guías tiene un coste menor, son pequeñas y ligeras y, por tanto, fáciles de integrar con otros circuitos. Sin embargo, la reducción del coste de fabricación puede comprometer el nivel de calidad con el que se transmiten las señales, de forma que, cuando se quiere aplicar este tipo de tecnología en aplicaciones de alta frecuencia es necesario elegir materiales más costosos.
El objetivo del proyecto “Desarrollo de circuitos de microondas en guías integradas en sustrato de bajo coste” es comprobar la viabilidad del uso de materiales y medidas estandarizadas en el desarrollo de guías de sustrato integrado. Para conseguir dicho objetivo, se diseña y fabrica un filtro de orden dos sobre sustrato integrado. El estudio se divide en dos partes, por un lado, se realizan medidas simuladas en el software Ansys Electronics y por otro, se obtienen las medidas reales en el laboratorio.
En la primera parte del estudio, se analizan las perdidas aportadas por los materiales tanto dieléctricos como conductores y se examina el impacto en los resultados de cada uno de los parámetros de medida que componen la estructura del filtro. El dieléctrico elegido para la fabricación del sustrato del filtro es el material FR4, debido a que es el material más común en la fabricación de placas de circuito impreso y, por tanto, tiene un coste mínimo. Este material se compara con otros dos materiales dieléctricos que, teóricamente, presentan mejores características dieléctricas, pero también un coste mayor. Este estudio tiene la finalidad de determinar la magnitud de las pérdidas introducidas por el material FR4. Tras analizar los resultados, se observa que, aunque FR4 ofrece en general un rendimiento peor en comparación con los otros dos materiales, los resultados obtenidos son adecuados para el funcionamiento del filtro. Posteriormente, se analizan las perdidas introducidas por los elementos conductores y se relacionan con las obtenidas por el dieléctrico. Este análisis muestra que las pérdidas por transmisión y reflexión están más influenciadas por el material dieléctrico. Para finalizar este apartado, se lleva a cabo un estudio comparativo en el que se efectúan pequeñas modificaciones en cada uno de los parámetros de la estructura del filtro para evaluar su efecto en los resultados. De este modo, se puede identificar qué modificaciones en los parámetros son adecuadas para optimizar el filtro y establecer un diseño final apto para el paso a fabricación.
En la segunda parte del estudio, se obtienen las medidas reales en el laboratorio y se analizan los resultados. En esta sección se comparan los resultados simulados y los reales con el fin de extraer conclusiones sobre la calidad del diseño. El análisis de los resultados reales revela que el FR4 proporcionado por el fabricante puede no corresponderse con las especificaciones habituales descritas en las hojas de características de este material, ya que sus características dieléctricas no son estables. Por lo tanto, a pesar de que el filtro funciona adecuadamente, no se puede garantizar que este funcione a la frecuencia deseada y mantenga unos factores de pérdidas elevados.
Abstract:
Conventional waveguides are devices capable of transmitting high frequency signals with good quality and low loss parameters. However, these waveguides are typically heavy and bulky, making it difficult to integrate them with other electromagnetic circuits and devices. This disadvantage presents a significant obstacle in the production and manufacturing of this type of technology.
Substrate integrated waveguides have emerged as an alternative to conventional waveguides. The cost of manufacturing and production of this technology is lower than traditional waveguide’s. They is also smaller and lightweight, making it easier to integrate them with other circuits. However, the reduction in manufacturing costs has a negative impact on the quality of signal transmission, especially when this type of technology is applied in high frequency applications, because that kind of applications require the use of more expensive materials.
The objective of the project titled “Development of microwave circuits on low-cost substrate integrated waveguides” is to test the viability of using standardized materials and measurements in the development of substrate integrated waveguides. In order to achieve that objective, an order two filter on integrated substrate is designed and fabricated. The study is divided into two parts. On the one hand, simulated measurements are performed in Ansys Electronics software and, on the other hand, real measurements are obtained in the laboratory.
In the first part of the study, the losses contributed by both dielectric and conductive materials are analyzed and the impact on the results of each of the measurement parameters of the filter structure is examined. The dielectric material chosen for the manufacture of the filter substrate is FR4, because it is the most common material in the manufacture of printed circuit boards and, therefore has a minimum cost. This material is compared with two other dielectric materials, which have theoretically better dielectric characteristics and higher cost. The purpose of this study is to determine how high the losses introduced by the FR4 material are. Subsequently, the losses introduced by the conductive elements are analyzed and related to those caused by the dielectric material. This analysis shows that transmission and reflection losses are more influenced by the dielectric material. To conclude this section, a comparative study is carried out in which small modifications are made to each of the filter structure’s parameters to evaluate their effect on the simulated results. That study makes possible to identify which modifications in the parameters are appropriate to optimize the filter and establish a final design suitable for manufacturing.
In the second part of the study, real measurements are taken in the laboratory and the results are analyzed. In this section, simulated results are compared with real ones to make conclusions about the design’s quality. The analysis of the real data reveals that the FR4 used by the manufacturer may not match the typical specifications described in the datasheets of this material, because its dielectric characteristics are not stable. Therefore, although the filter works properly, the operation at the desired frecuency, as well as the maintenance of high loss factors cannot be guaranteed.
Las guías de ondas convencionales son dispositivos capaces de transmitir señales de alta frecuencia con buena calidad y bajas pérdidas, pero tienen un volumen y peso muy elevado, lo que dificulta su integración con otros circuitos y aparatos electromagnéticos. Además, esta tecnología es costosa en su fabricación y producción. Estas desventajas presentan un obstáculo importante en la producción en masa de esta tecnología.
Las guías de onda integradas en sustrato surgen como alternativa a las guías convencionales. La fabricación y producción de estas guías tiene un coste menor, son pequeñas y ligeras y, por tanto, fáciles de integrar con otros circuitos. Sin embargo, la reducción del coste de fabricación puede comprometer el nivel de calidad con el que se transmiten las señales, de forma que, cuando se quiere aplicar este tipo de tecnología en aplicaciones de alta frecuencia es necesario elegir materiales más costosos.
El objetivo del proyecto “Desarrollo de circuitos de microondas en guías integradas en sustrato de bajo coste” es comprobar la viabilidad del uso de materiales y medidas estandarizadas en el desarrollo de guías de sustrato integrado. Para conseguir dicho objetivo, se diseña y fabrica un filtro de orden dos sobre sustrato integrado. El estudio se divide en dos partes, por un lado, se realizan medidas simuladas en el software Ansys Electronics y por otro, se obtienen las medidas reales en el laboratorio.
En la primera parte del estudio, se analizan las perdidas aportadas por los materiales tanto dieléctricos como conductores y se examina el impacto en los resultados de cada uno de los parámetros de medida que componen la estructura del filtro. El dieléctrico elegido para la fabricación del sustrato del filtro es el material FR4, debido a que es el material más común en la fabricación de placas de circuito impreso y, por tanto, tiene un coste mínimo. Este material se compara con otros dos materiales dieléctricos que, teóricamente, presentan mejores características dieléctricas, pero también un coste mayor. Este estudio tiene la finalidad de determinar la magnitud de las pérdidas introducidas por el material FR4. Tras analizar los resultados, se observa que, aunque FR4 ofrece en general un rendimiento peor en comparación con los otros dos materiales, los resultados obtenidos son adecuados para el funcionamiento del filtro. Posteriormente, se analizan las perdidas introducidas por los elementos conductores y se relacionan con las obtenidas por el dieléctrico. Este análisis muestra que las pérdidas por transmisión y reflexión están más influenciadas por el material dieléctrico. Para finalizar este apartado, se lleva a cabo un estudio comparativo en el que se efectúan pequeñas modificaciones en cada uno de los parámetros de la estructura del filtro para evaluar su efecto en los resultados. De este modo, se puede identificar qué modificaciones en los parámetros son adecuadas para optimizar el filtro y establecer un diseño final apto para el paso a fabricación.
En la segunda parte del estudio, se obtienen las medidas reales en el laboratorio y se analizan los resultados. En esta sección se comparan los resultados simulados y los reales con el fin de extraer conclusiones sobre la calidad del diseño. El análisis de los resultados reales revela que el FR4 proporcionado por el fabricante puede no corresponderse con las especificaciones habituales descritas en las hojas de características de este material, ya que sus características dieléctricas no son estables. Por lo tanto, a pesar de que el filtro funciona adecuadamente, no se puede garantizar que este funcione a la frecuencia deseada y mantenga unos factores de pérdidas elevados.
Abstract:
Conventional waveguides are devices capable of transmitting high frequency signals with good quality and low loss parameters. However, these waveguides are typically heavy and bulky, making it difficult to integrate them with other electromagnetic circuits and devices. This disadvantage presents a significant obstacle in the production and manufacturing of this type of technology.
Substrate integrated waveguides have emerged as an alternative to conventional waveguides. The cost of manufacturing and production of this technology is lower than traditional waveguide’s. They is also smaller and lightweight, making it easier to integrate them with other circuits. However, the reduction in manufacturing costs has a negative impact on the quality of signal transmission, especially when this type of technology is applied in high frequency applications, because that kind of applications require the use of more expensive materials.
The objective of the project titled “Development of microwave circuits on low-cost substrate integrated waveguides” is to test the viability of using standardized materials and measurements in the development of substrate integrated waveguides. In order to achieve that objective, an order two filter on integrated substrate is designed and fabricated. The study is divided into two parts. On the one hand, simulated measurements are performed in Ansys Electronics software and, on the other hand, real measurements are obtained in the laboratory.
In the first part of the study, the losses contributed by both dielectric and conductive materials are analyzed and the impact on the results of each of the measurement parameters of the filter structure is examined. The dielectric material chosen for the manufacture of the filter substrate is FR4, because it is the most common material in the manufacture of printed circuit boards and, therefore has a minimum cost. This material is compared with two other dielectric materials, which have theoretically better dielectric characteristics and higher cost. The purpose of this study is to determine how high the losses introduced by the FR4 material are. Subsequently, the losses introduced by the conductive elements are analyzed and related to those caused by the dielectric material. This analysis shows that transmission and reflection losses are more influenced by the dielectric material. To conclude this section, a comparative study is carried out in which small modifications are made to each of the filter structure’s parameters to evaluate their effect on the simulated results. That study makes possible to identify which modifications in the parameters are appropriate to optimize the filter and establish a final design suitable for manufacturing.
In the second part of the study, real measurements are taken in the laboratory and the results are analyzed. In this section, simulated results are compared with real ones to make conclusions about the design’s quality. The analysis of the real data reveals that the FR4 used by the manufacturer may not match the typical specifications described in the datasheets of this material, because its dielectric characteristics are not stable. Therefore, although the filter works properly, the operation at the desired frecuency, as well as the maintenance of high loss factors cannot be guaranteed. Read More
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