Los materiales avanzados permiten que los filtros de banda pasante cumplan con los requisitos de comunicaciones satelitales de mayor frecuencia

La comunicación por satélite (satcom) está cambiando a bandas de frecuencia más altas en la búsqueda de más ancho de banda y rendimiento. El ancho de banda en las bandas tradicionales L (1 a 2 gigahercios (GHz)), C (4 a 8 GHz) y X (7 a 11 GHz) se está agotando rápidamente, por lo que los diseñadores están pasando a la banda Ku (12 a 18 GHz) y más allá para un espacio aéreo menos congestionado. Mientras los ingenieros se esfuerzan por lograr un mejor rendimiento de las comunicaciones por satélite, los operadores comerciales también presionan por naves espaciales más ligeras y compactas.

Figura 1: La órbita terrestre se está saturando, por lo que los ingenieros buscan bandas de frecuencia más altas para evitar la interferencia de otros satélites. (Fuente de imagen: Knowles DLI)

El elemento crítico de un sistema de satcom es la matriz de antenas utilizada para transmitir y recibir señales de RF. Cada elemento de la matriz funciona como una miniantena. Las matrices de antenas han reemplazado en gran medida a las antenas satelitales parabólicas convencionales porque brindan mejoras de rendimiento que incluyen una mayor ganancia, una mejor relación señal-ruido (SNR) y una recepción de diversidad mejorada. Esto último ayuda a superar el desvanecimiento de la señal. Además, los lóbulos laterales más pequeños en el patrón de radiación de la antena mejoran la capacidad de dirección del haz de transmisión y la sensibilidad a las señales entrantes desde una dirección particular.

Las matrices de antenas modernas utilizan el cambio de fase para aumentar aún más el rendimiento. Anteriormente, las matrices de antenas tenían que realinearse mecánicamente para redirigir una transmisión emitida a medida que el satélite se movía en su órbita. Ahora, la antena de matriz en fase transmite con una diferencia de fase calculada por computadora entre cada elemento de la antena, lo que induce una interferencia constructiva en las transmisiones de los elementos individuales y refuerza la señal en una dirección particular.

Además de un mejor rendimiento, la operación de frecuencia más alta y las matrices en fase abren el potencial para encoger y aligerar la antena. Esto ayuda al impulso a reducir el tamaño, el peso y la potencia ("SWaP") de los satélites de comunicación.

En una matriz de antenas en fase, la separación de los elementos del conjunto debe ser inferior a la mitad de la longitud de onda de la frecuencia operativa. Esto es principalmente para evitar los llamados lóbulos de difracción, que son lóbulos laterales en el patrón de transmisión de la antena que desperdician energía. Las frecuencias más altas presentan longitudes de onda más cortas. Por ejemplo, la longitud de onda central de la banda L es de 300 milímetros (mm), mientras que la de la banda Ku es de 20 mm, lo que achica el salto energético entre cada elemento de esta última. Y la eliminación de cualquier sistema de dirección mecánica elimina más volumen de la antena.

Filtro de banda pasante: un componente crítico de la satcom

Los filtros de banda pasante mitigan las señales falsas, logran el cumplimiento relativo a las interferencias y minimizan el ruido del sistema en aplicaciones de satcom. Esta es una tarea difícil en una matriz de antenas en fase debido a la limitación de espacio, la operación de alta frecuencia y la necesidad de filtrado de precisión para ofrecer el potencial de comunicación de alta velocidad del sistema de satcom.

Los ingenieros analizan el factor Q del dispositivo para determinar qué tan bien funcionará el filtro. El factor Q indica qué tan bien la solución bloquea las frecuencias no deseadas y permite el paso de las frecuencias objetivo. La buena selectividad es crucial en entornos donde los canales adyacentes están muy juntos, especialmente cuando los diseñadores intentan maximizar el uso del ancho de banda disponible.

Existen algunas opciones comerciales comprobadas para el filtrado de derivación de satcom en la banda Ku. Las opciones preferidas incluyen guías de ondas dieléctricas, guías de ondas de metal, línea de banda de placa de CI, cerámica cocida a baja temperatura (LTCC) y microstrip de película delgada sobre cerámica. Cada uno tiene ventajas y desventajas. Por ejemplo, las guías de ondas de metal son la mejor opción para frecuencias superiores a 70 GHz, pero son voluminosas y caras, y las guías de ondas dieléctricas son compactas, pero solo funcionan hasta 30 GHz y tienen una tolerancia de frecuencia relativamente baja (una medida de desviación de la frecuencia deseada).

La microstrip de película delgada en el filtro de derivación de cerámica ofrece la mejor solución integral para matrices de antenas en fase que operan en la banda Ku. Pueden operar hasta frecuencias muy altas (solo superadas por guías de ondas de metal), tienen la mejor tolerancia de frecuencia de 0.3 a 0.5 % (la más alta), tienen menos de la mitad del tamaño de la siguiente opción más pequeña (LTCC) y son capaces de integración directamente detrás del elemento de matriz en la antena (junto con la línea de banda de placa de CI y la opción de LTCC).

La ciencia de los materiales viene al rescate

La elección del dieléctrico es fundamental para el rendimiento de una microstrip en un filtro de derivación de cerámica. Tradicionalmente, es muy difícil lograr un nivel High Q en filtros compactos, pero los materiales modernos de alta constante dieléctrica ("K") abordan ese desafío. La desventaja es que estos materiales tienden a exhibir poca tolerancia a la frecuencia, especialmente con temperaturas variables. Y se garantiza una amplia variación de temperatura en el vacío del espacio.

Ahí es donde entran los científicos de Knowles DLI. La empresa tiene un historial de desarrollo de materiales y ha producido un dieléctrico para filtros microstrip de derivación de cerámica que supera los inconvenientes de los dieléctricos High-K. Con el uso de este material, la empresa ha fabricado una familia de dispositivos compactos con una estrecha tolerancia de frecuencia en un amplio rango de temperatura. El dieléctrico tiene el beneficio adicional de bajas pérdidas de energía, lo que mejora la eficiencia y ayuda a la estabilidad de la temperatura.

Un ejemplo de esta familia de filtros aptos para operar en banda Ku es el filtro de banda pasante de 15 GHz B148QF0S. El dispositivo mide solo 14 por 3.8 por 2.5 mm, lo que lo hace adecuado para su uso en las estrechas limitaciones de espacio de media longitud de onda de los elementos de la matriz de antenas de banda Ku.

Se provee en un paquete de montaje en superficie que permite el ensamblaje automatizado, lo que reduce el costo de producción en comparación con el enfoque híbrido o de chip y cable de ensamblaje de satcom convencional. El ensamblaje de montaje superficial monolítico también ayuda a acelerar el tiempo de comercialización. Otra ventaja del producto es que la fabricación de película delgada conduce a un rendimiento repetible, por lo que no es necesario ajustar más el dispositivo.

El filtro muestra una buena selectividad con un ancho de banda real (definido como f_H - f_L donde f_L es el corte de baja frecuencia -3 decibelios (dB) y f_H es el corte de alta frecuencia -3 dB) de 19.2 - 11.4 = 7.8 GHz, frente a un ancho de banda Ku nominal de 18-12 = 6 GHz. Cabe destacar la rapidez con la que la respuesta de frecuencia disminuye después del corte de frecuencias bajas y altas hasta que alcanza un punto de rechazo del lado bajo o alto (-40 dB para B148QF0S). Una buena cifra de selectividad es un gradiente de 15 a 20 dB por década. El filtro de banda pasante Knowles DLI tiene una cifra de alrededor de 15 dB por década (Figura 2).

Figura 2: Respuesta de frecuencia de la microstrip B148QF0S en filtro de banda pasante de cerámica. Diseñado para operar en la banda Ku satcom, el dispositivo cuenta con una frecuencia central de 15 GHz y un ancho de banda de 7.8 GHz. (Fuente de imagen: Knowles DLI)

A prueba de futuro

Con el tiempo, incluso la banda Ku se congestionará. Es por eso que los ingenieros ya comenzaron a diseñar sistemas de satcom para las bandas K (18 a 26 GHz) y Ka (26 a 40 GHz). Eso significa que las demandas de SWaP que han impulsado el desarrollo de filtros de banda pasante para matrices de antenas en fase de banda Ku solo aumentarán. La buena noticia es que se ha demostrado que el prototipo de microstrip en filtros de banda pasante de cerámica funciona hasta 70 GHz, y ya hay disponibles dispositivos comerciales que pueden manejar hasta 40 GHz. Esto hace que los productos sean una solución adecuada no solo para hoy sino también para las aplicaciones de satcom avanzadas del mañana.

Conclusión

El trabajo de Knowles DLI en materiales dieléctricos High-K ha dado como resultado filtros de banda pasante High-Q que permiten a los diseñadores satisfacer las necesidades de la banda Ku, con el beneficio adicional de reducir las pérdidas de energía, mejorar la eficiencia y ayudar con la estabilidad de la temperatura. El gran avance se produce justo cuando la banda Ku comienza a llenarse, y comienza el trabajo para el cambio a las bandas K y Ka. A medida que esto ocurre, los nuevos materiales se adaptan bien a las frecuencias más altas, con prototipos que funcionan hasta 70 GHz.