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UNIVERSIDADE DO SUL DE SANTA CATARINA
DIEGO DA SILVA GRAMS
E
NIKOLAS BONFIM DUTRA
IMPLEMENTAÇÃO DE FILTRO SELETIVO DE RÁDIO FREQUÊNCIA COM
CAVIDADE RESSONANTE: IMPLEMENTAÇÃO DE FILTRO AJUSTÁVEL
SELETOR DE SINAL NAS SUBFAIXAS DE OPERADORAS DE TELEFONIA
CELULAR 3G NO BRASIL.
Palhoça
2018
DIEGO DA SILVA GRAMS
E
NIKOLAS BONFIM DUTRA
IMPLEMENTAÇÃO DE FILTRO SELETIVO DE RÁDIO FREQUÊNCIA COM
CAVIDADE RESSONANTE: IMPLEMENTAÇÃO DE FILTRO AJUSTÁVEL
SELETOR DE SINAL NAS SUBFAIXAS DE OPERADORAS DE TELEFONIA
CELULAR 3G NO BRASIL.
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da Universidade do Sul de Santa Catarina como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. Glauco de Castro Ligeiro, Esp.
Palhoça
2018
Dedicamos esse Trabalho final de curso a
nossas famílias que sempre nos apoiaram e
estiveram conosco durante a caminhada nesse
curso.
AGRADECIMENTOS
Gostaríamos de agradecer primeiramente a Deus pela oportunidade de realizar este
trabalho. Após isso, também, gostaríamos de agradecer à empresa RV que após os cálculos,
construiu o filtro a partir do projeto gerado.
Também, é claro, gostaríamos de agradecer ao professor mentor do projeto, Glauco
Ligeiro, por ceder a ideia principal do projeto e os equipamentos para os testes de frequência
para tunning do equipamento.
Agradecemos à faculdade, pois grande parte dos testes foram desenvolvidos em
suas instalações, agradecemos, também, ao apoio de nossos pais e familiares que não nos
permitiram desistir deste projeto que se tornou um projeto mais ousado e mais difícil em
comparação com a ideia inicial.
Também agradecemos a paciência do professor Ivo na correção ortográfica de todo
este trabalho.
Por fim, mas não menos importante, agradecemos a todos que iniciam a leitura deste
projeto com o intuito de aperfeiçoar seu aprendizado sobre o assunto.
“Um perito é alguém que cometeu todos os erros possíveis numa determinada área”
(Niels Bohr, 1931).
RESUMO
Atualmente no Brasil, as faixas de 3G (WCDMA) são alocadas primariamente na Banda de
2100 MHz, definida pela Anatel. Essa faixa acima mencionada é ainda subdividida em bandas
de uplink e downlink, ou seja, a banda de envio de dados é separada da faixa de recebimento de
dados de uma forma imperceptível para o usuário final. Contudo, nem sempre a operadora
consegue entregar um sinal de qualidade e com potência desejável para o usuário, portanto nem
sempre possuir um aparelho que contemple a tecnologia WCDMA é sinônimo de qualidade no
envio e recebimento de dados. Seja pela distância da estação rádio base ou os obstáculos para
o sinal chegar ao destino final esses problemas podem ser solucionados com o uso de
repetidores celular. A proposta que será discorrida, a seguir, apresenta uma forma de filtrar o
sinal de uma única operadora no espectro e reinseri-lo no sistema repetidor, utilizando um filtro
de cavidades ressonantes e, assim, o sinal da operadora poderá ser processado ou retransmitido
sem interferência aos usuários e estações que recebiam o sinal com níveis baixos de qualidade.
Palavras-chave: WCDMA. Filtro. Cavidades Ressonantes.
ABSTRACT
Currently in Brazil, 3G (WCDMA) bands are allocated primarily in the 2100 MHz band,
defined by Anatel. This band is further subdivided into uplink and downlink bands, that is, the
data transmission band is separated from the data reception range in an imperceptible way for
the end user. However, the operator is not always able to deliver a signal of quality and with
desirable power for the user, so not always have a device that includes WCDMA technology is
synonymous with quality in sending and receiving data. Either by the distance from the base
station or the obstacles to the signal reaching the final destination, these problems can be solved
with the use of cellular repeaters. The following proposal presents a way to filter the signal
from a single operator in the spectrum and reinsert it in the repeater system using a resonant
cavity filter and thus the operator signal can be processed or retransmitted without interference
to the users and stations that received the signal with low levels of quality
Keywords: WCDMA. Filter. Resonant Cavities.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Separação do espectro de uplink e downlink ........................................................ 15
Figura 2 - Desenho funcional inadequado ............................................................................ 16
Figura 3 - Design de valor agregado ..................................................................................... 17
Figura 4 - Distribuição Normal Padrão (perda por inserção: 1 dB máx) ................................ 21
Figura 5- Distribuição Normal Padrão (perda por inserção: 0,9 dB máx) .............................. 22
Figura 6 - Benefício de examinar o design de outros filtros .................................................. 24
Figura 7- Fontes de dados para revisão e seus benefícios ...................................................... 25
Figura 8 - Características do filtro passa baixa. .................................................................... 30
Figura 9 - Características do filtro passa alta. ....................................................................... 30
Figura 10 - Características do filtro passa faixa. ................................................................... 31
Figura 11 - Características do filtro rejeita banda. ................................................................ 32
Figura 12 - Ripple na banda passante. .................................................................................. 35
Figura 13 – Perda de inserção em filtros RF ......................................................................... 35
Figura 14 - Tensão refletida no filtro RF incompatível. ........................................................ 37
Figura 15 – frequência de corte de um filtro passa faixa. ...................................................... 38
Figura 16 - Características típicas do filtro passa baixa......................................................... 40
Figura 17 - Características típicas do filtro passa alta. .......................................................... 40
Figura 18 - Características típicas do filtro passa faixa. ........................................................ 41
Figura 19 - Características típicas do filtro rejeita banda. ..................................................... 41
Figura 20 - Ressonador de cavidade coaxial de microondas ................................................. 44
Figura 21 – Estrutura de um filtro combline sem placa de cobertura lateral .......................... 47
Figura 22 - Circuito equivalente do filtro combline. ............................................................. 48
Figura 23 – Estrutura do filtro Iris-coupled passa faixa sem placa de cobertura lateral. ........ 50
Figura 24– Estrutura esquematizada de um filtro combline ................................................... 52
Figura 25 – Chapa de cobertura. ........................................................................................... 53
Figura 27– demonstração da lacuna superior ........................................................................ 63
Figura 28 – ajuste do ressonador oco. ................................................................................... 63
Figura 29 – desenho esquemático em 2D e 3D, demonstrando as medidas dos furos da cavidade.
............................................................................................................................................ 64
Figura 30 – demonstração em 2D das medidas referentes à cavidade principal do filtro. ....... 65
Figura 31 – Demonstração das medidas do ressonador utilizado para o filtro........................ 65
Figura 32 – cavidade ressonante finalizada ........................................................................... 66
Figura 33 – analisador de RF portátil utilizado para testes de funcionamento do filtro. ......... 67
Figura 34 – Filtro ressoando na faixa de 3GHz inicialmente. ................................................ 68
Figura 35 – ajuste na forma de onda e diminuição da perda .................................................. 68
Figura 36 – Atenuação fora da faixa de passagem lado esquerdo. ......................................... 69
Figura 37 – Atenuação fora da faixa de passagem lado direito. ............................................. 69
Figura 38 – Resultado do filtro após todos os ajustes principais feitos .................................. 70
Figura 39 - Atenuação fora da faixa de passagem lado esquerdo com zoom. ........................ 70
Figura 40 - Atenuação fora da faixa de passagem lado direito com zoom. ............................ 71
Figura 41 – análise do casamento de impedâncias. ............................................................... 71
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Atividades de design e desenvolvimento.............................................................. 18
Tabela 2 - Perdas por inserção .............................................................................................. 20
Tabela 3 - Valores medidos de perdas por inserção após melhoria ........................................ 21
Tabela 4 - Especificação de um filtro de banda passante com limites iniciais e internos. ...... 23
Tabela 5 – Exemplo de requisitos para um filtro passa baixa com limites aleatórios. ............ 33
Tabela 6 – Exemplos de requisitos para um filtro passa alta com limites aleatórios. ............. 33
Tabela 7 – Exemplo de requisitos para um filtro passa faixa com limites aleatórios .............. 33
Tabela 8 – Exemplo de requisitos para um filtro rejeita faixa com limites aleatórios. ........... 33
Tabela 9 – Tabela de parâmetros iniciais para cálculo do filtro combline. ............................. 54
Tabela 10– Tabelas representando os resultados para AK, BK e GK. ................................... 58
Tabela 11 - Tabela de valores para o conjunto de equações 15. ............................................ 58
Tabela 12– Demonstração dos resultados da normalização da capacitância. ......................... 59
Tabela 13-Valores de capacitâncias entre ressonadores. .................................................. 60
Tabela 14– Tabela de valores para Sj,j+1/b retirados da figura 26. ........................................ 60
Tabela 15– Tabela de valores para Cfe0,1+1/ε retirados da figura 26. .................................. 61
Tabela 16 – Diâmetros calculados para os ressonadores. ...................................................... 61
Tabela 17– Valores de espaçamento calculado e reduzido. ................................................... 62
Tabela 18– valores finais para os cálculos de dimensionamento. .......................................... 64
Tabela 19 – Tabela comparativa dos valores projetados e construídos .................................. 72
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 12
1.1 JUSTIFICATIVA ........................................................................................................ 13
1.2 DEFINIÇÃO DO PROBLEMA ................................................................................... 14
1.3 OBJETIVOS ............................................................................................................... 15
1.3.1 OBJETIVOS GERAIS ............................................................................................ 15
1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................. 15
1.4 METODOLOGIA CIENTÍFICA ................................................................................. 15
1.4.1 PLANEJANDO O FILTRO DE RF ....................................................................... 15
1.4.2 NECESSIDADE DO PLANEJAMENTO .............................................................. 16
1.4.2.1 BENEFÍCIOS DO DESING FUNCIONAL DE VALOR AGREDADO ................. 17
1.4.3 FASE DO PLANEJAMENTO ................................................................................ 18
1.4.4 COMPREENDENDO OS REQUISITOS .............................................................. 19
1.4.5 DEFINIR AS ESPECIFICAÇÕES INTERNAS .................................................... 19
1.4.5.1 MÉTODO ESTATÍSTICO DE DEFINIÇÕES INTERNAS ................................... 20
1.4.5.2 LIMITES RECOMENDADOS DE ESPECIFICAÇÃO INTERNA ........................ 22
1.4.6 CÁLCULOS DE PARÂMETROS DE FILTRO ................................................... 24
1.4.7 DESENHOS E SUA REVISÃO .............................................................................. 25
1.4.7.1 FONTES DE DADOS PARA REVISÃO ............................................................... 25
1.4.7.1.1 DADOS DE FALHA EM FILTROS DE RF SEMELHANTES ............................... 25
1.4.7.1.2 DISCUSSÕES INFORMAIS ................................................................................. 26
1.4.7.1.3 DESENHOS DE FABRICAÇÃO .......................................................................... 26
1.4.7.1.4 REVISÃO FORMAL DE DESENHOS DE PROJETO........................................... 26
1.4.8 TESTE INTERNO E VALIDAÇÃO ...................................................................... 27
1.5 DELIMITAÇÕES ........................................................................................................ 27
1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO ................................................................................. 28
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA E FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ......................... 29
2.1 FILTROS DE RÁDIO FREQUÊNCIA ........................................................................ 29
2.1.1 TIPOS DE FILTRO ................................................................................................ 29
2.1.1.1 PASSA BAIXA ...................................................................................................... 29
2.1.1.2 PASSA ALTA........................................................................................................ 30
2.1.1.3 PASSA FAIXA ...................................................................................................... 31
2.1.1.4 REJEITA BANDA OU REJEITA FAIXA .............................................................. 31
2.2 REQUISITOS DO FILTRO RF ................................................................................... 32
2.2.1 ESPECIFICAÇÕES ELÉTRICAS ........................................................................ 32
2.2.2 FAIXA DE PASSAGEM ......................................................................................... 34
2.2.3 ONDULAÇÃO DA FAIXA DE PASSAGEM ........................................................ 34
2.2.4 PERDAS POR INSERÇÃO .................................................................................... 35
2.2.5 PERDA DE RETORNO ......................................................................................... 37
2.2.6 FREQUÊNCIA DE CORTE ................................................................................... 38
2.2.7 REJEIÇÃO ............................................................................................................. 39
2.2.8 REPRESENTAÇÃO GRÁFICA ............................................................................ 39
2.2.9 ESPECIFICAÇÕES MECÂNICAS ....................................................................... 42
2.2.9.1 DIMENSÕES E PESO ........................................................................................... 42
2.2.9.2 CONEXÕES DE ENTRADA E SAÍDA ................................................................. 42
2.2.9.3 ACABAMENTOS ................................................................................................. 42
2.3 FILTROS DE RF E DESIGN DE TECNOLOGIAS ..................................................... 43
2.3.1 TECNOLOGIAS ..................................................................................................... 43
2.3.2 FILTROS DE CAVIDADES RESSONANTES PARA MICROONDAS ............. 44
2.3.3 FILTROS COMBLINE PARA PASSA FAIXA ..................................................... 47
2.3.3.1 ESTRUTURA ........................................................................................................ 47
2.3.3.2 CIRCUITO EQUIVALENTE ................................................................................. 48
2.3.3.3 PERDAS POR INSERÇÃO ................................................................................... 49
2.3.4 FILTRO IRIS-COUPLED PASSA FAIXA ........................................................... 49
2.3.5 FILTRO DE CAVIDADE RESSONANTE COM RESSONADORES
DIELÉTRICOS.................................................................................................................. 51
3 DESENVOLVIMENTO ............................................................................................... 52
3.1 ESTRUTURA DE UM FILTRO DE CAVIDADES RESSONANTES ........................ 52
3.1.1 Bloco da cavidade .................................................................................................... 52
3.1.2 Ressonador .............................................................................................................. 53
3.1.3 Chapa de fechamento .............................................................................................. 53
3.1.4 Outros componentes do filtro ................................................................................. 54
3.2 CÁLCULO DA CAVIDADE RESSOANTE ............................................................... 54
3.3 PROJETO DA CAVIDADE ........................................................................................ 64
4 TESTES E CONFIGURAÇÃO DO FILTRO DE CAVIDADES RESSONANTE .... 67
4.1 MEDIÇÕES DO FILTRO PROJETADO .................................................................... 67
4.2 COMPARATIVO ENTRE MEDIÇÕES E PROJETO ................................................. 72
5 CONCLUSÃO .............................................................................................................. 74
5.1 DISCUSSÃO E ANÁLISE CRÍTICA DOS RESULTADOS ....................................... 74
5.2 PERSPECTIVAS DE TRABALHOS FUTUROS ........................................................ 75
REFERÊNCIAS ................................................................................................................. 76
ANEXOS ............................................................................................................................ 79
ANEXO A – Portaria ANATEL 785 de 2017 .................................................................... 80
80
ANEXO B – Gráfico para retirada de valores físicos do filtro ressonante. ..................... 82
ANEXO C – Fotos do projeto finalizado ........................................................................... 83
12
1 INTRODUÇÃO
Ultimamente, com o avanço da tecnologia, é quase impossível imaginar a vida sem
a tecnologia. A maior parte das conexões sem fio entre equipamentos são feitas por sinais de
comunicação via microondas, porém o espaço de propagação dessas ondas, além de limitado,
pode gerar perdas de acordo com a distância, potência ou até mesmo a frequência de
transmissão do sinal em questão. Outra propriedade desses sinais é que, para que eles sejam
tratados, eles primeiramente devem ser filtrados para que apenas a frequência desejada do
espectro receba o devido processamento, eliminando qualquer ruído que eventualmente tenha
sido adquirido pelo sinal.
Para a filtragem dos sinais mencionados acima, uma série de circuitos são possíveis,
desde circuitos eletrônicos até equipamentos mecânicos que são o objeto de estudo deste
trabalho. No estudo, a seguir, será apresentada a modelagem e projeto de um filtro para sinais
de microondas, que pode ser usado para seletividade no espectro brasileiro, levando em
consideração que as operadoras brasileiras usam a faixa de 1900 MHz e 2100 MHz para essa
finalidade.
O filtro a ser projetado utilizará cavidades ressonantes e será do modelo Combline,
para separar a faixa desejada e gerar um ganho nesse sinal de forma que possa ser retransmitido
ou processado posteriormente.
Ao fim do projeto, será implementado na prática um filtro passa banda, seletivo que
poderá ser usado para sinais que estejam dentro das normas da Anatel. Para que o filtro tenha
funcionalidade em um sistema prático, o sinal que entra em cada filtro (devem ser dois filtros
em um sistema prático). Deve ser separado em downlink e uplink. Com isso, a faixa, em questão,
será amplificada, e assim, o sinal poderá ser direcionado para uma antena, após passar por um
duplexador, combinando o sinal de downlink com o sinal de uplink, ambos amplificados, com
isso, o sinal da saída do sistema terá um ganho para os usuários WCDMA de uma região
determinada.
13
1.1 JUSTIFICATIVA
O uso de filtros em sistemas de telecomunicações via rádio é essencial para a
qualidade final do serviço no ponto de vista do usuário e para a integridade das redes no quesito
ruído e interferência.
Equipamentos de transmissão via rádio frequência obrigatoriamente utilizam filtros
para confinar o sinal transmitido (amplificado) dentro da faixa de frequências de operação e da
aplicação propriamente dita.
Na telefonia celular, muitos equipamentos reforçadores de sinal possuem filtros que
permitem a passagem de toda uma faixa de frequência (i.e. 1920 – 1980 MHz para uplink e
2110 – 2170 MHz para downlink), que compreende as frequências de todas as operadoras de
telefonia móvel presentes em uma dada faixa de frequências. Esses equipamentos reforçadores
são usados para amplificar bidirecionalmente o sinal da rede celular externa para ambientes
internos, carentes de cobertura celular. Eles podem ser instalados para melhoria de cobertura
indoor por terceiros, que não o detentor da outorga daquela frequência, por se tratar de
equipamentos com potência e alcance reduzidos e sinal amplificado confinado a ambientes
internos.
No entanto, algumas situações em que se pode se aplicar solução de melhoria indoor
com reforçador celular requer maior seletividade dos filtros passa faixa. Há limitações de
projeto que tornam inviável o uso de reforçadores que amplificam toda uma faixa de frequência
(todas as operadoras de telefonia).
Para isso, é necessário separar os sinais de uplink e downlink e programar, em cada
via, as frequências da operadora que se deseja promover a melhoria de sinal. A funcionalidade
de permitir a configuração da faixa de frequências desejada é importante para que este filtro
possa ser aplicado em amplificações, qualquer que seja a operadora de telefonia.
O desenvolvimento de um elemento de filtragem com controle e configuração e que
possa ser acoplado a equipamentos disponíveis no mercado tornará mais eficiente e seguro o
uso de reforçadores celulares. Eficiente, uma vez que permitirá que toda a potência do
amplificador seja aplicada somente à porção de sinal (faixa de frequência) desejada. Seguro,
pois irá prevenir problemas de interferência de uplink em estações rádio base próximas ao local
onde os reforçadores serão instalados.
14
1.2 DEFINIÇÃO DO PROBLEMA
O uso de ondas eletromagnéticas nas comunicações é comum e teve um enorme
crescimento nos últimos anos, porém, mesmo com o aumento da demanda para diversas
aplicações, não há aumento no espectro de frequências em que esses sinais podem trabalhar.
Os filtros são uma parte essencial dos sistemas de telecomunicações e radar, uma
vez que têm uma grande influência no desempenho e no custo de tais sistemas, especialmente
no espectro cada vez mais congestionado. Os filtros são projetados para atenuar os sinais
transmitidos ou recebidos em bandas de frequências indesejadas e permitir a sua passagem na
banda desejada com perdas mínimas. Nas últimas décadas, houve um crescimento
particularmente acentuado na área de comunicações sem fio. Isso contribuiu para especificações
de desempenho muito exigentes para filtros e pressões comerciais de baixo custo e fácil
fabricação, para produzir um grande volume e garantir uma entrega rápida e miniaturização,
por exemplo, para produzir telefones celulares menores e mais leves.
Em sintonia com estes requisitos, no ano de 2017, na Portaria 785, publicada pela
Anatel (presente nos anexos deste trabalho), foi expressamente indicado que os amplificadores
de qualquer subfaixa do SMP (serviço móvel pessoal) devem ter seletividade para uma
determinada subfaixa de downlink e uplink, de forma a não interferir no sinal de outras
operadoras.
Em posse dessas situações apresentadas, os problemas a serem tratados durante o
desenvolvimento do estudo são:
- Os equipamentos existentes no mercado, em sua grande maioria, não são seletivos
em uplink e downlink de cada operadora.
- Para o consumidor final, não existem equipamentos que ofereçam essas
características por um preço acessível.
- O desenvolvimento de um estudo em um determinado assunto pouco explorado
no curso, porém que possui várias aplicações e benefícios em seu uso.
15
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 OBJETIVOS GERAIS
A pesquisa tem por objetivo geral desenvolver de um filtro para sinais de
microondas em faixas específicas para telefonia móvel.
1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Implementação de um filtro que trate os sinais recebidos por meio de cavidades
ressonantes;
O filtro em questão será seletivo para todas as faixas do WCDMA;
O filtro apenas funcionar;
O filtro para demonstração ao final do trabalho será configurado para a faixa de
downlink da empresa Vivo.
Figura 1 - Separação do espectro de uplink e downlink
Fonte: Teleco (2014).
1.4 METODOLOGIA CIENTÍFICA
1.4.1 PLANEJANDO O FILTRO DE RF
A criação de filtros de RF que apenas satisfazem os requisitos especificados é
denominada como design funcional de filtros. O design funcional é a tarefa central do projeto,
mas, por si só, não é adequado no ambiente industrial. Os filtros devem ser projetados para
repetibilidade, reprodutibilidade, capacidade de produção e confiabilidade, além de atender aos
requisitos de design funcional. Tal projeto é denominado como design funcional de valor
agregado. Os benefícios do design de valor agregado, as atividades técnicas para a realização
16
de design funcional de valor agregado e os métodos de integração das quatro habilidades com
o design funcional são explicados em detalhes com exemplos práticos.
1.4.2 NECESSIDADE DO PLANEJAMENTO
O projeto e o desenvolvimento de filtros de RF devem garantir que os requisitos
especificados (elétricos, mecânicos e ambientais) sejam satisfatoriamente atendidos e que a
conformidade com os requisitos seja demonstrada. Tal projeto que apenas satisfaz os requisitos
especificados é denominado como design funcional de filtros. O design funcional de um filtro
é, definitivamente, a tarefa principal do projeto, mas, por si só, não é adequada. O desenho
funcional inadequado é mostrado na Figura 2. Os filtros de RF devem ser projetados para
requisitos de repetibilidade, reprodutibilidade, produtividade e confiabilidade, além de atender
aos requisitos de design funcional.
Figura 2 - Desenho funcional inadequado
Fonte: Natarajan (2013).
Explicações simples poderiam ser dadas para as quatro habilidades.
1. Repetibilidade refere-se à verificação da conformidade do desempenho elétrico
dos filtros por muitos, (cinco ou mais) vezes por um operador.
2. A reprodutibilidade refere-se à verificação da conformidade do desempenho
elétrico dos filtros por muitos (cinco ou mais) operadores.
3. Produtividade refere-se à facilidade de fabricação dos filtros.
4. Confiabilidade refere-se ao desempenho satisfatório durante a vida útil dos
equipamentos nos quais os filtros são usados.
As quatro habilidades adicionam valores ao design funcional e o conceito de design
de valor agregado que é mostrado na Figura 3.
17
Figura 3 - Design de valor agregado
Fonte: Natarajan (2013).
1.4.2.1 BENEFÍCIOS DO DESING FUNCIONAL DE VALOR AGREDADO
As quatro habilidades definitivamente adicionam valores de negócios ao design
funcional dos filtros de RF e o valor agregado é:
1. Repetibilidade e reprodutibilidade garantem a aceitação de filtros durante a
fabricação e inspeção de entrada nas instalações do cliente, fornecendo confiança.
2. O aumento da produtividade juntamente com a facilidade de controle de
qualidade durante a fabricação.
3. O projeto de confiabilidade assegura a conformidade com o desempenho elétrico
durante os testes ambientais e a degradação aceitável do desempenho elétrico de filtros durante
a vida útil de equipamentos nos quais os filtros são montados.
A integração das quatro habilidades com o design funcional deve formar os
objetivos totais do design do filtro de RF. A integração das habilidades com o design de filtros
de RF é relativamente mais fácil e eficaz em comparação com equipamentos eletrônicos
complexos. Planejar as tarefas, durante a fase de design dos filtros, é a chave para a integração
bem-sucedida das quatro habilidades com o design funcional dos filtros.
18
1.4.3 FASE DO PLANEJAMENTO
Planejamento é o processo de listar o que precisa ser feito e como deve ser feito
para a realização de um objetivo. O planejamento permite alcançar o objetivo com conforto. As
tarefas técnicas e gerenciais no planejamento estão listadas abaixo e a tarefa técnica é explicada
em detalhes.
Tarefa técnica:
1. Listar as atividades necessárias de design e desenvolvimento para atingir o
objetivo desejado
Tarefas gerenciais:
2. Identificar os recursos gerenciais / materiais necessários para as atividades
3. Atribuir um cronograma apropriado para as atividades.
Pode haver variações na identificação das atividades que seriam necessárias para
atingir o objetivo do projeto do filtro de RF. No entanto, o mínimo de atividades que são
aceitáveis para a fase de projeto dos filtros de RF é mostrado na Tabela 1.
Tabela 1 - Atividades de design e desenvolvimento
Atividades de design e desenvolvimento
1 Entendendo os requisitos
2 Definir especificações internas
3 Cálculos de parâmetros de filtro
4 Desenhos de projeto e sua revisão
5 Organizando amostras de filtros de RF Fonte: Própria.
As atividades listadas acima podem ser facilmente aplicadas durante a fase de
projeto dos filtros de RF. Por exemplo, as atividades podem ser planejadas e concluídas dentro
de duas a três semanas para o filtro passa-faixa da cavidade ressonante de microondas,
assumindo que 50% do tempo é necessário para a fabricação de amostras do filtro. As atividades
de projeto e desenvolvimento são explicadas com suas ligações com a repetibilidade,
reprodutibilidade, produtividade e confiabilidade.
19
1.4.4 COMPREENDENDO OS REQUISITOS
As especificações formam as entradas básicas de design. As especificações devem
ser entendidas com clareza pelos projetistas de filtros. Ambiguidades, se qualquer, devem ser
resolvidas e o mesmo deve ser registrado pelos projetistas, mesmo que eles sejam classificados
verbalmente. Por exemplo, suponha que se tenha omitido a espessura da placa de circuito
impresso (PCB) na qual os filtros são montados na superfície. A espessura da PCB é obtida
para que os terminais para a montagem na superfície dos filtros sejam posicionados
adequadamente a partir da base do filtro. Pode haver erros inadvertidos também nas
especificações. Habitando o mesmo exemplo de filtros de montagem em superfície, o projetista
teria especificado dimensões dos terminais da guia arbitrariamente para montagem em
superfície. É difícil conectar os filtros com terminação de abas ao analisador de rede para
sintonizar ou para inspeção. Portanto, os conectores coaxiais especialmente projetados são
montados temporariamente nos terminais das guias para fins de ajuste e inspeção. Tais
conectores são chamados de conectores coaxiais substituíveis em campo. Para facilitar a
montagem dos conectores, as dimensões das terminações das guias devem ser alinhadas com
as dimensões da interface dos conectores coaxiais substituíveis em campo. O uso dos conectores
substituíveis em campo melhora a capacidade de produção dos filtros de RF e eliminam
estresses mecânicos e térmicos desnecessários nos terminais, evitando degradação da
confiabilidade dos filtros durante a inspeção. Compreender os requisitos do projeto a ser feito
é, geralmente, fruto do desenvolvimento profissional do projetista e do compartilhamento de
conhecimento entre as partes.
1.4.5 DEFINIR AS ESPECIFICAÇÕES INTERNAS
O design de filtros de RF é um processo. Os filtros de RF que apenas satisfazem os
requisitos de desempenho elétrico especificados são considerados como capacidade 3σ filtros.
Os filtros de RF com capacidade 3σ estão propensos a falhar devido a variações menores ou
inerentes que ocorreriam durante a fabricação ou no final do usuário. Variações causadas por
operadores e equipamentos de teste são exemplos de variações inerentes. Portanto, há uma
necessidade de evoluir a especificação elétrica interna de requisitos especificados.
Definir as especificações elétricas internas melhor do que os requisitos
especificados para filtros de RF eleva a capacidade dos filtros em direção à melhoria do projeto
e aumenta, significativamente, a repetibilidade, a reprodutibilidade, a produtividade e a
20
confiabilidade dos filtros de RF. O quantum de melhorias ou margens que pode ser definido
para a especificação elétrica interna sobre os requisitos especificados depende principalmente
das capacidades da equipe de projeto e disponibilidade de tempo de ciclo de projeto. A
especificação interna em evolução é explicada pela característica de perda de inserção dos
filtros de RF e é aplicável a todas as características.
1.4.5.1 MÉTODO ESTATÍSTICO DE DEFINIÇÕES INTERNAS
Seja o limite de especificação para a perda de inserção do filtro RF de 1 dB no
máximo. Os valores medidos de perda de inserção em dez filtros são mostrados na Tabela 2.
Os valores medidos estão dentro do limite especificado de 1 dB no máximo. Para análise
estatística, 25 ou mais observações seriam necessárias, mas é limitado a dez observações para
explicar o conceito.
Tabela 2 - Perdas por inserção
Perdas por inserção(dB)
1 0,97
2 0,91
3 0,91
4 0,97
5 0,94
6 0,95
7 0,93
8 0,94
9 0,94
10 0,91 Fonte: Própria.
Limite de especificação: 1 dB no máximo
Assumindo que os dados de perda de inserção observados são normalmente
distribuídos, a porcentagem de filtros que devem falhar na perda de inserção pode ser estimada.
A variável padronizada, (x − μ) / σ, é calculada primeiro e, em seguida, a área sob
a distribuição Normal Padrão é obtida a partir de dados da tabela estatística. Da área, a rejeição
esperada, pode ser estimada (Chatfield, 1983).
Referindo-se à tabela estatística, espera-se que aproximadamente 0,21% (a área à
direita de 2,86σ) dos filtros falhe, embora os valores medidos sejam dentro do limite
21
especificado pelo cliente de 1 dB máximo. A distribuição Normal Padrão indicando a ordenada
(2,86a) para a rejeição de 0,21% é mostrada na Figura 4.
Figura 4 - Distribuição Normal Padrão (perda por inserção: 1 dB máx)
Fonte: Chatfield (1983).
É visível, na Figura 4, que são necessários esforços adicionais no design do filtro
para minimizar as falhas esperadas na perda de inserção para um nível aceitável. Assuma uma
margem de 10% sobre o limite especificado de 1 dB no máximo e o limite de especificação
interna para que a perda de inserção se torne no máximo de 0,9 dB.
Após a melhoria citada é possível que as medidas sejam próximas as medidas com
a Tabela 3.
Tabela 3 - Valores medidos de perdas por inserção após melhoria
Perda por inserção(DB)
1 0,88
2 0,90
3 0,88
4 0,85
5 0,89
6 0,85
7 0,86
8 0,90
9 0,88
10 0,85 Fonte: Chatfield (1983).
Limite de especificação: 1 dB no máximo
Limite de especificação interna: 0,9 dB no máximo
22
����(µ) = 0,874�� (1.1)
������ ���ã�(�) = 0,019 �� (1.2)
Os valores medidos satisfazem apenas o limite de especificação interna de 0,9 dB
máximo e estão bem dentro do limite de especificação de 1 dB máximo. A rejeição esperada é
estimada em relação ao limite de especificação do cliente.
x = Limite de especificação = 1 dB no máximo
(1.3)
Considerando as variações inerentes, espera-se que apenas três filtros por milhão
de filtros (p3 ppm), falhem e isso é aceitável. A distribuição normal padrão, indicando a
ordenada (6.6) é mostrada na Figura 5. O exemplo confirma que há necessidade de evoluir
especificações elétricas internas dos requisitos especificados.
Figura 5- Distribuição Normal Padrão (perda por inserção: 0,9 dB máx)
Fonte: Chatfield (1983).
1.4.5.2 LIMITES RECOMENDADOS DE ESPECIFICAÇÃO INTERNA
Um mínimo de 10% de margem é adequado para as características de perda de
inserção e perda de retorno dos filtros de RF. As margens exigidas nas especificações internas
das características de perda de inserção e perda de retorno são obtidas durante o ajuste dos
filtros e não são usadas no cálculo dos parâmetros de filtro.
23
Para banda de passagem, a margem de design é decidida com base nas frequências
de borda da banda de passagem. Por exemplo, se a banda de passagem especificada for (10–30)
MHz para o filtro de baixa frequência, a especificação interna poderia ser fixada como (10–32)
MHz. No entanto, 30 MHz é usado para calcular os parâmetros de projeto e as margens são
realizadas durante o ajuste do filtro. Para características de rejeição, recomendam-se margens
de 10 a 15 dB para o cálculo dos parâmetros do projeto, mas a margem de 5 a 10% seria
adequada durante o ajuste dos filtros. No projeto de filtros de RF, é mais fácil controlar o desvio
padrão de características elétricas do que alcançar maior nível de margem para as
características. Um exemplo de filtro passa-faixa é mostrado na Tabela 4 com o cliente e limites
de especificação interna.
Tabela 4 - Especificação de um filtro de banda passante com limites iniciais e internos.
Parâmetro Limite Inicial Limite Interno
Frequência central da Banda de passagem, f0 1 GHz 1 GHz
Largura de banda
80 MHz 85 MHz
Perdas por inserção 2 dB max 1,8 dB max
Perdas por retorno 20 dB min 22 dB min
Rejeição em (f0 ± 100) MHz 60 dB min 65 dB min
Ripple de banda passante 0,4 dB max 0,2 dB max
Temperatura de operação 0-50ºC 0-50ºC
Conectores de Input/Output SMA (f) SMA (f) Fonte: Própria.
A definição de margens internas não precisa ser limitada apenas a características
elétricas. Por exemplo, se a profundidade dos furos cegos roscados para montagem for
especificada como 4 mm, inicialmente, pode ser especificado como 5 mm, no mínimo, nos
desenhos internos da máquina. A maioria dos projetos não especificam o teste de vibração.
Contudo, teste de vibração de transporte está incluído nas especificações ambientais internas
para garantir que o ajuste dos filtros não seja perturbado durante o transporte de filtros. Os
padrões de teste ambiental de telecomunicações ou militares podem ser encaminhados para
obter as condições de teste para o teste de vibração. As especificações internas finalizadas para
filtros de RF estão documentadas e as especificações formam as entradas reais para o projeto
dos filtros.
24
1.4.6 CÁLCULOS DE PARÂMETROS DE FILTRO
Para filtros Lumped/semi-lumped, os parâmetros do filtro são os valores de
indutores e capacitores. Para filtros de cavidade de micro-ondas, os parâmetros de design são
dimensões mecânicas do bloco de cavidades, ressonadores e outras dimensões relevantes. O
cálculo dos parâmetros do filtro é explicado em metodologias. Antes de prosseguir com o
cálculo dos parâmetros do filtro, arquivos de projetos anteriores em filtros de RF com
características de desempenho similares são examinados e informações de projeto relevantes
são extraídas para possível aplicação ao novo design de filtros. As informações nos arquivos de
design anteriores podem ser informatizadas para a rápida recuperação de informações
relevantes. Examinar os arquivos de design anteriores tem excelentes benefícios e os benefícios
são explicados. O resumo dos benefícios é apresentado na Figura 6
Figura 6 - Benefício de examinar o design de outros filtros
Fonte: Natarajan (2013).
1. Os esforços de remontagem do design podem não ser necessários para o novo
filtro. Por exemplo, os requisitos de desempenho do novo filtro podem ser atendidos por
alterações nos filtros projetados anteriormente ou pelo reajuste.
2. Se novos esforços de design não forem necessários, o tempo de design disponível
poderá ser usado para aplicar novas ideias e técnicas de projeto no projeto anteriormente
projetado para melhorar as margens de desempenho elétrico, aumentando, assim, a vantagem
competitiva.
25
3. Examinando a perda de inserção/largura de banda dos filtros de cavidade de
microondas projetados anteriormente, o tamanho aproximado da cavidade de microondas pode
ser decidida por novos filtros.
1.4.7 DESENHOS E SUA REVISÃO
Desenhos de projeto são preparados usando os parâmetros de filtro calculados. Um
mínimo de duas categorias de desenhos é preparado, um para as peças do filtro e o outro para a
montagem do filtro, usando as partes da peça. Os desenhos de peças mecânicas representam o
design das partes da peça de um filtro para usinagem. Os desenhos de projeto são revisados
para melhorar a capacidade de produção e a confiabilidade dos filtros de RF.
1.4.7.1 FONTES DE DADOS PARA REVISÃO
Inovação e criatividade são aplicadas no design das peças da peça para alcançar a
produtividade e a confiabilidade dos filtros pelo design. Dados de fabricação em Filtros de RF
semelhantes são analisados para apoiar os esforços criativos na preparação dos desenhos de
projeto. As fontes dos dados sobre filtros de RF similares e os benefícios são mostrados na
Figura 7 e os mesmos são explicados com exemplos.
Figura 7- Fontes de dados para revisão e seus benefícios
Fonte: Natarajan (2013).
1.4.7.1.1 DADOS DE FALHA EM FILTROS DE RF SEMELHANTES
26
As causas das falhas observadas durante a fabricação e aquelas relatadas nos filtros
de RF similares devem ser eliminadas no projeto de novos filtros, impedindo a ocorrência de
falhas nos novos filtros. Por exemplo, se os registros de fabricação de um filtro indicarem essa
variação inaceitável na perda de inserção foi causada por contato de RF pobre entre os
ressonadores e o bloco de cavidade do filtro, o projeto de montagem de ressonadores pode ser
o acabamento melhorado ou superficial das superfícies de montagem pode ser especificado nos
desenhos das peças dos novos filtros.
1.4.7.1.2 DISCUSSÕES INFORMAIS
Discussões informais são realizadas com os operadores nas áreas de fabricação.
Mais informações são obtidas através de discussões informais, em vez de envolvê-los em
revisões formais de design. Utilizando as informações dos operadores, as viabilidades de
melhorar o layout de componentes reativos em novos filtros poderiam ser exploradas para
eliminar a dificuldade observada na operação pós-limpeza da peça montada.
1.4.7.1.3 DESENHOS DE FABRICAÇÃO
Desenhos de fabricação de filtros de RF similares são examinados com o objetivo
de garantir a padronização das peças em novos filtros. Padronização é controlando a
proliferação das partes da peça. Por exemplo, esforços de design são feitos para usar as partes
de peças de filtros de RF projetados anteriormente em novos filtros. As peças examinadas são
placas de circuito impresso, capacitores, caixas metálicas, ressonadores e elementos de
fixação/montagem. Padronização das peças dos filtros minimizam a carga desnecessária nos
processos de compra e armazenamento, contribuindo diretamente para a capacidade de
produção e qualidade das partes.
1.4.7.1.4 REVISÃO FORMAL DE DESENHOS DE PROJETO
Depois de incorporar as informações relevantes dos dados de fabricação de filtros
de RF semelhantes para os novos filtros, os desenhos de projeto dos filtros são revistos
formalmente, envolvendo os chefes de vários departamentos na fabricação. As sugestões de
revisão de design são registradas. Eles são analisados e decisões apropriadas são tomadas para
incorporá-las no novo design dos filtros.
27
1.4.8 TESTE INTERNO E VALIDAÇÃO
Amostras de filtros de RF são organizadas para testes internos e validação. As peças
são fabricadas ou adquiridas conforme os desenhos de projeto. As partes são então montadas
usando desenhos de montagem de filtro. No primeiro momento de validação os filtros são
ajustados para os testes. As amostras de filtros de RF são ajustadas e testadas de acordo com as
especificações internas dos filtros. O teste interno também é conhecido como teste de
verificação de projeto. Os relatórios de teste, se enviados aos clientes, devem indicar os
requisitos especificados, comparando o projetado com o fabricado. A validação consiste em
verificar a conformidade com os requisitos e o uso funcional dos filtros, montando-os em
equipamentos. As falhas observadas durante o teste de verificação interna e aquelas relatadas
pelos técnicos de bancada e durante os testes de validação são registradas. Após análise de
causa, ações corretivas adequadas são implementadas nos desenhos de projeto do filtro com
controle de revisão. Se necessário, os testes de verificação e validação são repetidos para
confirmar a eficácia das ações corretivas. Após a conclusão satisfatória dos testes internos e
testes de validação, os desenhos são liberados para a fabricação de filtros. O conjunto de
desenhos do filtro RF é a saída do projeto.
1.5 DELIMITAÇÕES
O projeto, a seguir, irá abranger os conteúdos de duas das grandes áreas da
engenharia, são elas:
a) Eletromagnetismo
b) Telecomunicações
O projeto irá desenvolver conhecimentos ligados a filtros, microondas e
comunicações móveis. A Principal ideia é criar um filtro ressonante que possa ser seletivo entre
algumas frequências do espectro. Porém a seletividade não será implementada de forma
sistemática no projeto relatado neste trabalho, deixando uma opção para que, em trabalhos
futuros, as mudanças de canais no filtro desenvolvido possam ser estudadas com maior riqueza
de detalhes.
28
1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO
O trabalho em questão possui três grandes divisões em seu desenvolvimento cuja
dependência é fundamental para o funcionamento correto do projeto que irá resultar em um
equipamento físico capaz de selecionar bandas na faixa do 3G brasileiro. Primeiramente é
necessário um levantamento de dados com riqueza de detalhes sobre as características desejadas
do filtro, por exemplo, frequência, banda passante, atenuação entre outros dados.
Após esse levantamento, será desenvolvido um memorial de cálculos com a
finalidade de calcular, partindo das diretrizes iniciais, todas as medidas do filtro. Juntamente,
com esses cálculos mencionados anteriormente, será desenvolvido um estudo para selecionar o
material que melhor se adaptará ao funcionamento da cavidade. Após pronta essa segunda
etapa, será confeccionado um filtro com as medidas e os materiais planejados.
A última etapa será a mais desafiadora, pois com a cavidade ressonante finalizada,
será necessário fazer a aferição do equipamento, ou seja, será preciso adequar o equipamento
para a frequência desejada. O equipamento em questão será calculado para um espectro de
frequência desejado, porém, para sintonizá-lo, será preciso ligá-lo em um gerador de sinal, que
fará o papel de uma antena, captando toda gama de sinal possível, e um analisador de sinais em
sua saída para que seja possível modificar o aparelho, buscando alcançar a frequência desejada.
Por fim, todos os testes serão apresentados no desenvolvimento do trabalho.
29
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA E FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 FILTROS DE RÁDIO FREQUÊNCIA
Um filtro é um circuito desejavelmente linear invariante no tempo cuja finalidade
principal é transmitir as frequências desejadas e rejeitar as restantes.
Nos sistemas de rádio, a resposta de frequência de banda passante dos filtros afeta
o sinal desejado e, por isso, é essencial considerar a atenuação do sinal em relação ao ruído e
amplitude do sinal e distorção de fase em relação ao linear. Além disso, a característica de
atenuação dos filtros é necessária para as duas funções essenciais de redução de largura de
banda de ruído e supressão de sinais indesejados (Hunter et al. 2007).
Idealmente um filtro deveria ter atenuação infinita na transmissão na banda de
rejeição e transmissão perfeita na região de passa-banda, isto é, atenuação nula na transmissão.
No entanto, no caso prático dos filtros de microondas ou qualquer outra gama de frequências,
essas características ideais não são possíveis de obter, visto que existe um limite de alta
frequência para qualquer estrutura prática do filtro acima do qual as suas características se
deterioram devido a efeitos de junção, ressonâncias entre elementos, entre outros fatores.
Portanto, um dos objetivos no projeto de um filtro é aproximar-se aos requisitos ideais dentro
de uma tolerância aceitável.
2.1.1 TIPOS DE FILTRO
A faixa de passagem de um filtro é definida como o espectro (faixa) de componentes
de frequência que passam pelo filtro com atenuação mínima ou perda de inserção. O
posicionamento da banda de passagem decide o tipo de filtro. A banda de passagem pode ser
posicionada de quatro maneiras e, portanto, existem quatro tipos principais de filtros de RF.
São eles o filtro Passa Baixa, o filtro Passa Alta, o filtro Passa Faixa e o filtro Rejeita Banda
são esses os quatro tipos existentes, projetados para várias aplicações industriais. As
características básicas de cada um desses filtros serão determinadas abaixo.
2.1.1.1 PASSA BAIXA
Nesse modelo de filtro, a banda de passagem é de DC para a frequência desejada.
Os sinais de banda de passagem são permitidos com perda mínima e as frequências acima da
30
frequência desejada são atenuadas. Uma característica típica de um filtro de passa baixa é
mostrada na Fig. 1, a frequência de borda superior desejada da banda de passagem. A banda de
frequência acima da frequência da desejada é conhecida como banda de rejeição. A frequência
de partida é mostrada como 10 MHz na Figura 8 em vez de DC e é aceitável para filtros de
baixa passagem.
Filtros passa baixa são usados em sistemas de comunicação para suprimir modos
espúrios em osciladores e vazamentos em misturadores (Hettak et al. 2005).
Figura 8 - Características do filtro passa baixa.
Fonte:Matias (2011).
2.1.1.2 PASSA ALTA
No filtro de passa alta, a banda de passagem é da frequência desejada e acima da
mesma. Os sinais de banda de passagem são permitidos com perda mínima e as frequências
abaixo da frequência desejada é atenuada. Uma característica típica de um filtro de passa alta é
mostrada na Figura 9, a frequência de borda inferior desejada da banda de passagem. A faixa
de frequência, abaixo da frequência, é a faixa de parada.
Figura 9 - Características do filtro passa alta.
Fonte:Matias(2011) .
31
2.1.1.3 PASSA FAIXA
A banda de passagem dos filtros passa faixa é definida pelas frequências limitantes
inferior e superior. Esses filtros permitem sinais dentro da faixa de passagem com perda
mínima, porém rejeitam frequências fora da faixa de passagem com atenuação máxima. Uma
característica típica de um filtro passa-faixa é mostrada na Figura 10, com frequências
limitantes superiores e inferiores, respectivamente. As bandas de frequência abaixo e acima das
frequências limitantes são as bandas de parada. Os filtros de passa faixa tem uma banda de
passagem e duas bandas de parada.
Os filtros de passagem de banda são usados nos transmissores da estação base.
Filtros de passagem de faixa de banda ultra larga (UWB) com largura de banda de 7,5 GHz
para o espectro não licenciado de 3,1 à 10,6 GHz, são utilizados para muitas aplicações, como
sistemas de comunicação de alta taxa de dados de curto alcance e redes wireless (Hao Et Al.
2010, Stark Et Al. 2010).
Figura 10 - Características do filtro passa faixa.
Fonte: Matias (2011).
2.1.1.4 REJEITA BANDA OU REJEITA FAIXA
Os filtros conhecidos como rejeita faixa são usados para atenuar uma faixa de
frequência desejada, definida pelas frequências limitantes inferior e superior. Filtros rejeita
banda rejeitam frequências dentro da banda desejada com atenuação máxima. Os filtros
permitem sinais fora da banda desejada com perda mínima. Filtros rejeita banda tem uma faixa
de rejeição e duas bandas de passagem (ao contrário do anterior). Uma banda de passagem está
abaixo da frequência limite inferior e a outra banda de passagem está acima da frequência limite
32
superior. Os filtros que rejeitam a banda são projetados para atenuar uma faixa de frequência
estreita com alta atenuação e são chamados de filtros Notch. Uma característica típica de um
filtro rejeita banda é mostrado na Figura 11, com frequências de limite inferior e superior.
Figura 11 - Características do filtro rejeita banda.
Fonte: Matias (2011).
2.2 REQUISITOS DO FILTRO RF
As características dos filtros de RF são: banda de passagem, ripple de banda de
passagem, perda de Inserção, perda de retorno, frequência de corte e rejeição. As características
são explicadas para os filtros, usando as especificações elétricas com limites aleatórios e usando
as exibições do analisador de rede. As especificações mecânicas do filtro também formam parte
das especificações do filtro no ambiente industrial e são discutidas em detalhes posteriormente.
Requisitos dos filtros de RF surgem durante o projeto de equipamentos para
suprimir a faixa de frequências indesejadas. Como os filtros precisam interagir
satisfatoriamente com os circuitos de equipamentos, os requisitos de interface elétrica,
mecânica e ambiental dos filtros de RF são gerados pelos projetistas de equipamentos na forma
das especificações. As especificações fornecidas pelos projetistas de equipamentos são as
entradas básicas para os fornecedores para projetar filtros de RF.
2.2.1 ESPECIFICAÇÕES ELÉTRICAS
As especificações elétricas de amostragem para filtros passa-baixa, passa-alta,
passa-faixa e de rejeita faixa são mostradas nas Tabelas 5 até 8, respectivamente, com dados de
limitação aleatórios para as características. Os valores aleatórios auxiliam no melhor
entendimento das características dos filtros.
33
Tabela 5 – Exemplo de requisitos para um filtro passa baixa com limites aleatórios.
Filtro passa baixa
parâmetros Limites
banda passante (10-45) MHz
perda por inserção 1,5 dB max
perda por retorno 20 dB min
Rejeição 60 dB min Fonte: Própria.
Tabela 6 – Exemplos de requisitos para um filtro passa alta com limites aleatórios.
Filtro passa alta
parâmetros Limites
banda passante (35-90) MHz
perda por inserção 1 dB max
perda por retorno 20 dB min
Rejeição 60 dB min Fonte: Própria.
Tabela 7 – Exemplo de requisitos para um filtro passa faixa com limites aleatórios
Filtro passa banda
parâmetros Limites
frequência central fo 1,5 Ghz
banda passante fo ± 40 MHz
perda por inserção 1 dB max
perda por retorno 20 dB min
ripple de banda passante 0,4 dB max.
Rejeição p/ fo ± 100 MHz 60 dB min Fonte: Própria.
Tabela 8 – Exemplo de requisitos para um filtro rejeita faixa com limites aleatórios.
Filtro rejeita faixa
parâmetros Limites
frequência central fo 2 Ghz
banda passante alta 1,2-1,4 GHz
banda passante baixa 1,6-1,8 GHz
perda por inserção 1 dB max
perda por retorno 20 dB min
Rejeição p/ fo ± 50 MHz 60 dB min Fonte: Própria.
34
2.2.2 FAIXA DE PASSAGEM
A faixa de passagem de um filtro é definida como o espectro de frequência que
passa pelo filtro com perda aceitável ou especificada. É caracterizado por uma banda de
frequências em KHz ou MHz ou GHz, conforme aplicável para cada situação. Para filtros passa
baixa, a banda de passagem é de DC para a frequência especificada, conforme a banda de
passagem do filtro mostrado, na Tabela 5, é (10–45) MHz. Para filtros de alta frequência, a
banda de passagem começa a partir da frequência especificada. Idealmente, a faixa de passagem
deve alongar até o infinito, teoricamente. No entanto, custo e tecnologia limitam a frequência
superior de um filtro de alta frequência. A banda de passagem do filtro passa alta é apresentada,
na Tabela 6, é (35–90) MHz.
Para filtros passa-faixa, a banda de passagem está entre as frequências inferior e
superior especificadas, conforme exemplo da banda de passagem do filtro passa faixa, na
Tabela 7, é (960–1040) MHz. Os filtros de rejeita banda têm duas bandas de passagem. Uma
banda de passagem está abaixo da frequência da banda de parada inferior especificada e a outra
está acima da frequência de banda de parada superior. As duas bandas de passagem do filtro de
rejeita banda estão especificadas, na Tabela 8, são (1.2–1.4) e (1.6–1.8) GHz.
2.2.3 ONDULAÇÃO DA FAIXA DE PASSAGEM
Certas aplicações de filtros passa-faixa requerem o controle da variação da perda
de inserção na banda de passagem dos filtros passa-faixa, embora todos os valores observados
de perda de inserção se mantenham dentro do limite. A variação, na perda de inserção, é
definida como ripple da banda de passagem. Matematicamente, a ondulação da banda de
passagem é a diferença entre os valores máximos e mínimos observados de perda de inserção.
A ondulação excessiva da banda de passagem gera ruído nos circuitos de RF.
Para o filtro passa faixa, na Tabela 7, o limite de perda de inserção é de 1 dB máx.
e o limite de ondulação da banda de passagem é 0,4 dB máx. Assumindo que os valores de
perda de inserção, observada do filtro, são 0,6, 0,3, 0,2, 0,8 e 0,5 dB na banda de passagem. Os
valores observados estão dentro da perda especificada e são mostrados na Figura 12 com escala
expandida para a banda de passagem. A ondulação da banda de passagem é (0,8-0,2) dB, isto
é, 0,6 dB, que excede o limite, 0,4 dB max.
35
Figura 12 - Ripple na banda passante.
Fonte: Lathi (2000).
2.2.4 PERDAS POR INSERÇÃO
A energia de RF é preciosa e precisa ser gerenciada eficientemente. A adição de um
componente de RF em um circuito de processamento de sinal atenua a energia que normalmente
chegaria na saída do circuito. Portanto, é necessário caracterizar a perda de todos os
componentes de RF que são inseridos nos circuitos de RF.
A Figura 13 mostra um circuito de filtro RF simples, terminado com impedância de
carga. A impedância da fonte e a impedância da carga são assumidas como sendo de 50 Ω. Pi
é a potência na entrada do filtro. Também é assumido que a impedância de entrada e saída do
filtro é ajustada para 50 Ω.
Figura 13 – Perda de inserção em filtros RF
Fonte: Própria.
Sem o filtro RF no circuito, a potência na impedância da carga seria Pi. Com o filtro
no circuito, uma fração da potência, Pi, é dissipada no filtro e a potência de equilíbrio, Po, atinge
36
a impedância da carga. A potência dissipada é conhecida como a perda de inserção do filtro,
apresentada na fórmula 2 a seguir. Perda de inserção de um filtro RF é definida como a
atenuação adicional ou perda causada pelo filtro na banda de passagem. Como a perda de
inserção resulta em perda de transmissão, é um parâmetro de transmissão. A perda de inserção
é expressa na equação 2.1 em dB.
����� ��� �����çã�(��) = 10����� − 10����� = 10log (�� ÷ ��) (2.1)
Como Pi > Po, a perda de inserção calculada pela expressão tem um valor positivo.
Por exemplo, suponha que Pi seja 10 mW e apenas 9 mW alcancem a carga devido à perda de
filtro.
����� ��� �����çã�(��) = 10���10 − 10���9 = 10 log(10 ÷ 9) = 0,46�� (2.2)
O analisador de rede é usado para medir a perda de inserção de filtros. Exibe a perda
de inserção com um sinal negativo. Tem fonte de precisão e portas de detecção (carga). O
dispositivo em teste é conectado entre as portas e o nível de potência na porta do detector é
medido em dB. Inicialmente, a potência, Pi, é, primeiramente, aplicado diretamente à porta do
detector e o nível de potência em dB, isto é, 10 log (Pi) é ajustado para zero por conveniência.
Se um filtro ou qualquer outro componente RF é inserido entre as duas portas, exibe a redução
no nível de potência causada pelo componente de RF em dB a partir do nível de potência de
referência inicial. A redução no nível de potência é a perda de inserção do componente e é
exibida em dB com um sinal negativo. Por exemplo, se Pi = 10 dB (10 mW) for aplicado para
a porta do detector, ele é definido como zero subtraindo 10 dB. Com um filtro conectado entre
as portas, o nível de potência na porta do detector é de 9,54 dB (9 mW), mas é exibido como
(9,54÷10) dB, ou seja, −0,46 dB, que é a inserção do filtro.
Os requisitos de perda de inserção devem ser atendidos em toda a banda de
passagem. A perda de inserção dos filtros não é apenas potência dissipada. Os filtros não podem
ser sintonizados para 50 Ω exatamente e eles só poderiam ser ajustados perto de 50 Ω. Portanto,
os filtros causam alguma perda de descasamento de impedância, que é adicionada à perda de
inserção.
37
2.2.5 PERDA DE RETORNO
A Figura 14 mostra um circuito de filtro RF simples, terminado com impedância de
carga. A impedância da fonte e a impedância da carga são assumidas como sendo de 50 Ω. Vin
é a tensão na entrada do filtro. Assume-se que a impedância de entrada e saída do filtro não está
ajustada para 50 Ω. Ignorando o descasamento causada pelo Fonte de RF e a carga, a principal
fonte de incompatibilidade é o filtro RF no circuito. Assim, uma voltagem, Vref, é refletida
pelo filtro em direção à fonte por descasamento de impedâncias.
Figura 14 - Tensão refletida no filtro RF incompatível.
Fonte: Própria.
Coeficiente de reflexão (K) pode ser representado por ����.
���
(2.3)
Os filtros são ajustados para o VSWR mais baixo na banda de passagem para
minimizar a perda de descasamento, que de outra forma aumentaria a perda de inserção dos
filtros. Tipicamente, um VSWR de 1,22 máximo é aceitável para filtros na maioria das
aplicações.
O Analisador de Redes é usado para ajustar o filtro para atender aos requisitos
especificados. O ajuste é realizado com frequência em eixo x e atenuação em dB no eixo y na
exibição do Analisador de Sinal para que todas as características de um filtro possam ser
visualizadas simultaneamente. Todos as características de um filtro são expressas em dB exceto
VSWR, que não possui unidades. Assim, o VSWR é convertido em outro parâmetro conhecido
como, perda de retorno, que é expressa em dB. Essa perda está relacionada ao VSWR pela
expressão 2.4 dada em dB.
38
(2.4)
VSWR de 1,22 corresponde a uma perda de retorno de aproximadamente 20 dB. A
perda de retorno é especificada como máximo de -20 dB ou mínimo de 20 dB. Perda de retorno
deve ser cumprido em toda a faixa de passagem dos filtros. Como a perda de retorno resulta em
perdas de reflexão, é classificada como um parâmetro de reflexão. Salvo indicação em contrário
especificado pelos clientes, a perda de retorno é garantida apenas na entrada de filtros. A entrada
e a saída dos filtros são identificadas como "IN" e "OUT" por fabricantes de filtros.
2.2.6 FREQUÊNCIA DE CORTE
Após a banda de passagem, a perda de inserção dos filtros aumenta. A frequência
em que a perda se torna 3 dB maior é chamada de frequência de corte. É utilizado a frequência
de corte, especificando largura de banda de 3 dB. Um exemplo poderia ser dado para um filtro
de passagem de banda:
- fo, frequência central: 1000MHz ( 1GHz )
- Banda passante: fo ± 40 MHz
- 3dB largura de banda 250MHz min.
As frequências de corte do filtro de passa faixa são calculadas e são mostradas na
Figura 15, expandindo a banda de passagem do filtro.
Figura 15 – frequência de corte de um filtro passa faixa.
Fonte: Malvino (2016).
39
(2.5)
(2.6)
A faixa de passagem precisa ser estendida para satisfazer a largura de banda de 3
dB. A extensão da largura de banda melhora a perda de inserção na banda de passagem, mas
esforços adicionais são necessários para cumprir os requisitos de rejeição.
2.2.7 REJEIÇÃO
A Rejeição característica de um filtro é definida como a capacidade de um filtro
para atenuar a banda indesejada de frequências e é expressa em dB. A Rejeição característica
pode ser considerada semelhante à perda de inserção de um filtro, no sentido de que o filtro
oferece uma perda de inserção muito alta para as frequências na faixa de rejeição. Por exemplo,
a rejeição do filtro de passagem de banda, é especificada como 60 dB min. em (fs ± 100) MHz.
Poderia ser interpretado como a perda de inserção do filtro passa-faixa é de 60 dB min. nas
frequências (fo + 100) e (fo - 100) MHz.
Referindo-se à Figura 15, a potência, Po, através da carga é 60 dB abaixo da
potência de entrada, Pi, nas frequências de rejeição, ou seja, o filtro praticamente atenuou ou
rejeitou essas frequências de chegar à carga. Como a perda de inserção, a rejeição também é
especificada com sinal positivo ou sinal negativo. Por exemplo, pode ser especificado como 60
dB min. ou −60 dB máx. O Analisador de rede exibe rejeição com um sinal negativo.
2.2.8 REPRESENTAÇÃO GRÁFICA
As características elétricas dos filtros de RF são apresentadas graficamente usando
as características típicas aceitáveis. Os gráficos de desempenho para os quatro tipos de filtros
nas Tabelas 5 até a 8 são mostrados nas Figuras 15 até a 18. Os gráficos são na verdade as
exibições do analisador de rede, mostrando todo o desempenho característico dos filtros
sintonizados. A frequência está no eixo X e a atenuação está no eixo Y. 0 dB é a referência para
atenuação utilizada nessas figuras.
40
Figura 16 - Características típicas do filtro passa baixa.
Fonte: Natarajan (2013).
Figura 17 - Características típicas do filtro passa alta.
Fonte: Natarajan (2013).
41
Figura 18 - Características típicas do filtro passa faixa.
Fonte: Natarajan (2013).
Figura 19 - Características típicas do filtro rejeita banda.
Fonte: Natarajan (2013).
42
2.2.9 ESPECIFICAÇÕES MECÂNICAS
As especificações mecânicas geralmente incluem dimensões (contorno), peso,
conexões de entrada / saída e o acabamento externo dos filtros. Mais Informações sobre as
especificações mecânicas são fornecida abaixo.
2.2.9.1 DIMENSÕES E PESO
Dimensões e peso são geralmente flexíveis para novos designs de filtros de RF e
não são especificados para a maioria dos filtros. Designers de filtros indicam essas
características no final do desenvolvimento dos filtros.
Dimensões se referem ao comprimento total, largura e altura, excluindo as conexões
de entrada / saída e a projeção de ajuste e acoplamento dos parafusos, se houver. Os projetistas
de filtro geralmente limitam a projeção dos parafusos de afinação, aproximadamente, duas a
três vezes a espessura das porcas de segurança nos filtros de cavidade de micro-ondas.
Normalmente, furos cegos são usados para montar filtros em equipamentos. A localização e o
tamanho dos furos cegos para a montagem de filtros também fazem parte de dimensões
(contorno).
2.2.9.2 CONEXÕES DE ENTRADA E SAÍDA
Conectores coaxiais de RF ou terminações de guias cilíndricas são usados para
conectar a entrada / saída de filtros. Os conectores coaxiais DIN 7/16, N, SMA, BNC e TNC
são geralmente preferidos. As terminações de guias cilíndricas são usadas para a montagem de
filtros na superfície e são mais baratas em comparação com os conectores coaxiais.
Informações adicionais de design sobre as terminações da guia são explicadas no
planejamento do design do filtro de RF. Dimensões de entrada / saída dos conectores coaxiais
não precisam ser mostrados. Se as dimensões dos conectores coaxiais precisarem ser mostradas,
elas devem ser governadas pelos padrões internacionais aplicáveis à série de conectores.
2.2.9.3 ACABAMENTOS
Caixas metálicas são geralmente usadas para filtros. A conversão condutiva do
cromato ou o revestimento de prata são feitos externamente para os gabinetes, dependendo da
frequência de aplicação de filtros. O acabamento adicional adequado, como pintura ou
43
revestimento com verniz, também pode ser especificado para a superfície externa do
revestimento.
2.3 FILTROS DE RF E DESIGN DE TECNOLOGIAS
O projeto de filtros de RF é complexo em comparação com o projeto de filtros de
baixa frequência (de energia elétrica) usados na saída de circuitos retificadores para suavizar
ondulações componentes. Muitas tecnologias estão disponíveis, considerando frequência,
desempenho, tamanho, manuseio de energia e custo de filtros de RF. As configurações do
circuito L-C para filtros de RF são apresentadas como também o funcionamento dos circuitos.
O conceito de ressonância em cavidade de micro-ondas coaxial, combline e filtros de cavidade
acoplados à íris são tecnologias que serão explicadas em detalhes. Informações relativas à
capacidade de movimentação de energia, circuitos equivalentes e fatores para minimizar a perda
de inserção de filtros de cavidade são fornecidos.
2.3.1 TECNOLOGIAS
A função básica do filtro de RF é passar a banda de frequências necessária com
perda mínima e atenuar os componentes de frequência indesejados até o nível desejado. Os
filtros mais simples são aqueles usados na saída de circuitos retificadores de meia onda ou de
onda completa para passar à tensão de saída CC suave, filtrando o ripple dos componentes AC.
Os filtros de frequência de energia usam indutores de grande tamanho e capacitores
eletrolíticos na forma de seções L ou Π e são projetados, usando gráfico padrão para limitar a
tensão de ondulação ao nível desejado (Landee et al. 1957).
À medida que a frequência aumenta, o design dos filtros de RF torna-se bastante
complexo, e existem muitas tecnologias disponíveis para projetar os filtros para variadas
necessidades e aplicações. Frequência, desempenho, tamanho, manuseio de energia e custo
decidem a tecnologia apropriada para projetar filtros de RF.
A aplicação de filtros pode enfatizar uma característica particular. Algumas
aplicações requerem mais características de banda de passagem plana com banda de passagem
mínima das frequências excluídas e tais filtros são classificados como tipo maximamente plano
ou tipo Butterworth. Algumas aplicações exigem queda acentuada da frequência limite de
banda de passagem para realizar a elevada rejeição característica e tais filtros são classificados
como tipo Tchebyscheff (MATTHEI et al. 1980).
44
Três tecnologias estão disponíveis para projetar filtros de RF, são elas:
1) Filtros RF Lumped e Semi-lumped;
2) Filtros de cavidade de microondas;
3) Filtros Microstrip e Stripline.
Como nosso trabalho foca em filtros de cavidade de micro-ondas, explicaremos em
detalhes essa tecnologia.
2.3.2 FILTROS DE CAVIDADES RESSONANTES PARA MICROONDAS
Uma cavidade coaxial de microondas é um invólucro metálico na forma de um
cilindro com um ressonador, um elemento cilíndrico, montado da mesma forma ao cabo coaxial
no invólucro. Uma extremidade do ressonador é montada na cavidade com e a outra
extremidade do ressonador é livre. O arranjo mecânico de uma cavidade coaxial de microondas
é mostrado na Figura 20:
Figura 20 - Ressonador de cavidade coaxial de microondas
Fonte: Natarajan (2013).
Cavidades com secção transversal retangular ou quadrada também podem ser
usadas. A capacitância distribuída é desenvolvida na extremidade livre do ressonador. A
indutância do ressonador e a capacitância distribuída ressoam em uma frequência decidida pelas
dimensões mecânicas da cavidade e do ressonador. A seção ressonante é uma seção de shunt.
A cavidade coaxial de microondas com ressonador é a seção ressonante básica em filtros de
cavidade de microondas. Os números de seções ressonantes nos filtros são decididos pelas
45
especificações elétricas dos filtros. A propagação de ondas eletromagnéticas em filtros de
cavidades é o modo TEM. O acoplamento indutivo existe entre seções de cavidades ressonantes
adjacentes. As seções da cavidade ressonante final são acopladas a conectores coaxiais de
entrada / saída. Combinar os filtros de cavidade de micro-ondas acoplados à íris (estrutura
central de vibração do filtro) são bastante populares em aplicações industriais. Filtros combline
usam ressonadores λ / 8 e filtros acoplados à íris usam λ / 4 na frequência de ressonância.
2.3.2.2 FILTROS DE CAVIDADE COMBLINE E IRIS-COUPLED
Nos filtros de cavidade de microondas, o ar é o meio dielétrico de transmissão e os
filtros não requerem nenhum suporte dielétrico. Os filtros são caracterizados por baixa perda
de inserção com alta rejeição, tornando-os adequados para aplicações de alta potência. Uma
largura de cavidade de 30 mm poderia facilmente lidar com 100 W de potência de RF.
A tecnologia de filtro de cavidade de microondas é explicada pelos dois tipos mais
usados de filtros de passagem de banda:
1) Filtro Combline passa banda;
2) Filtro Iris-coupled passa banda;
A tecnologia de cavidade combline é aplicada para projetar filtros de passagem de
banda de microondas com uma largura de banda de até 15% de fo, freqüência central (Matthaei
et al. 1980).
A tecnologia Iris-coupled de cavidade é aplicada para projetar filtros de passa banda
de microondas com uma largura de banda estreita de menos de 1% de fo, freqüência central
(Matthaei et al. 1980).
Os filtros de microondas Combline são usados extensivamente em sistemas de
comunicações móveis e por satélite, nos últimos anos, devido ao seu tamanho compacto, baixo
custo, ampla faixa de sintonização, perda relativamente baixa e boa resposta espúria (Borji et
al. 2002, Yaot et al. 1997, Arndt & Brandt, 2002).
Filtros de passagem de banda Iris-Coupled são amplamente utilizados em estações
base sem fio (Borji et al. 2002).
Filtros de passagem de banda que são projetados com estrutura de cavidade
combline têm várias vantagens, como:
1) os filtros Combline de cavidade são muito compactos;
2) é mais fácil perceber alta rejeição para as bandas de parada;
46
3) o fresamento do bloco de cavidade combline é relativamente muito mais rápido
e mais barato em comparação com os filtros de passagem de banda de cavidade acoplados à
íris;
4) os filtros combline são relativamente mais fáceis de montar, garantindo uma
produção mais rápida.
O filtro Iris-coupled passa-banda tem a vantagem de alcançar largura de faixa
estreita e menor perda de inserção, embora a operação de fresamento de cavidades seja caro em
comparação com cavidades combline.
2.3.2.3 CAPACIDADE DE MANIPULAÇÃO DE POTÊNCIA
A capacidade de manipulação de potência dos filtros de RF precisa ser estabelecida
quando os filtros são usados em transmissores de alta potência ou em condições de alta altitude.
A quebra por múltiplas partes pode ocorrer em filtros usados em condições de alta altitude. O
efeito de manipulação é uma descarga de elétrons devido à baixa pressão que é associado a altas
altitudes. Guias de onda são pressurizados de acordo com as necessidades de grandes altitudes
para superar o colapso.
A distância de deslocamento entre os elementos filtrantes precisa ser examinada
para os filtros usados em aplicações de alta potência. A quebra da ionização pode ocorrer se a
distância do isolamento é marginal no nível de potência em que os filtros são usados. A
frequência de operação também deve ser considerada na decisão da distância de isolamento
entre vários elementos de filtro.
A distorção de intermodulação ocorre em filtros de RF usados em aplicações de alta
potência. Produtos de intermodulação são devidos à má ou variação nas resistências de contato
entre as peças do filtro. Por exemplo, o mau contato entre os conectores coaxiais de entrada /
saída e o bloco de cavidade do filtro resulta em distorção de intermodulação. O projeto
mecânico apropriado para a montagem de peças de filtro é necessário para evitar a geração de
produtos de intermodulação. Solda de partes, quando viável, minimiza consideravelmente a
distorção de intermodulação.
Os filtros de RF dissipam a energia de RF em todas as aplicações, mas a potência
dissipada pode se tornar significativa para os filtros usados em aplicações de alta potência. A
potência dissipada faz com que a temperatura da superfície dos filtros de RF aumente. Um
aumento de 15 a 20°C acima da temperatura ambiente é aceitável. Superior a isso o aumento
da temperatura afeta o desempenho elétrico dos filtros e causa a degradação do material
47
dielétrico nos filtros de substrato. Considerações adicionais são necessários para filtros de alta
potência usados em condições de alta altitude (Yu, 2007).
2.3.3 FILTROS COMBLINE PARA PASSA FAIXA
2.3.3.1 ESTRUTURA
A estrutura do filtro de cavidade combline passa faixa, com sua placa de cobertura
lateral removida, pode ser observada na figura 21.
Figura 21 – Estrutura de um filtro combline sem placa de cobertura lateral
Fonte: Natarajan (2013).
O filtro possui três peças importantes, ou seja, bloco de cavidade, linha ressonante
ou simplesmente conhecido como ressonadores e placa de cobertura. Embora o bloco de
cavidade é fisicamente uma cavidade, deve ser considerada como uma série de cavidades
acopladas, cada uma tendo um ressonador. Na figura 21, existem três cavidades seccionais e
cada cavidade seccional tem um ressonador de latão. Os ressonadores são montados na cavidade
com uma extremidade ligada à terra, isto é, curto-circuitados na cavidade. Capacitância
distribuída com ar como dielétrico é desenvolvido na extremidade livre dos ressonadores. O
valor da capacitância distribuída é ajustado com parafusos. A capa da placa é montada no bloco
de cavidades para formar cavidades seccionais fechadas.
48
Os ressonadores são λ / 8 de comprimento na frequência central (fo) do filtro passa-
faixa, mas comprimentos mais curtos também podem ser usados. Os ressonadores são montados
perpendiculares ao comprimento do bloco de cavidade com espaçamento projetado e eles são
centralizados na largura da cavidade. Cada cavidade seccional está sintonizada à frequência
central, fo, do filtro de passagem de banda, usando seu ressonador e capacitância distribuída.
Dois parafusos de acoplamento são mostrados na figura 19 para o filtro combline de três seções.
Os parafusos de acoplamento ajustam o acoplamento capacitivo entre os ressonadores de
cavidade seccionais. Os conectores coaxiais de entrada e saída são acoplados ao final de
ressonadores usando sondas de acoplamento ou tags. O número de seções de filtro, ou seja, os
números de ressonadores são aumentados para aumentar a capacidade de rejeição dos filtros,
mas também aumenta a perda de inserção.
2.3.3.2 CIRCUITO EQUIVALENTE
Segundo Hoffman (1975), o circuito equivalente de um filtro passa-faixa combline
com três ressonadores é mostrado na figura 22. A indutância do ressonador e a distribuição
capacitância formam as seções de shunt do filtro de passagem de banda.
Figura 22 - Circuito equivalente do filtro combline.
Fonte: Hoffman (1975).
Embora os acoplamentos indutivos e de capacitâncias existam entre as seções do
ressonador, apenas uma indutância é mostrada entre as seções de shunt como o acoplamento
predominante entre as seções do ressonador é indutivo (BORJI et al. 2002).
O acoplamento indutivo é máximo no final curto-circuitado dos ressonadores e o
acoplamento capacitivo é máximo na extremidade livre dos ressonadores. A natureza do
acoplamento entre as seções do ressonador é expressa na equação 2.6.
49
(2.7)
Com o avanço dos parafusos de acoplamento na cavidade, o acoplamento
capacitivo diminui, causando o aumento do acoplamento entre as seções do ressonador.
Aumentar o acoplamento entre as seções do ressonador aumenta a largura de banda do filtro
combline.
2.3.3.3 PERDAS POR INSERÇÃO
Esforços de projeto são feitos para minimizar a perda de inserção de filtros
combline, maximizando a descarga do fator Q dos ressonadores, que representa o fator de
qualidade em que os ressonadores são classificados. A descarga do fator Q de um ressonador é
análogo ao fator-Q de um indutor discreto.
Os tipos de transmissão e reflexão das medições poderiam ser usados para
determinar a descarga do fator Q de ressonadores (SCHONLINNER et al. 2010, LEON et al.
2002).
O fator Q depende do material e do acabamento dos ressonadores. O revestimento
de prata do bloco de cavidades e ressonadores melhora o Fator Q dos filtros.
Os filtros de cavidade são projetados para uma impedância de 70 Ω, pois fornece o
melhor valor de Q para os filtros (KEMPPINEN et al. 1987). Aumentando o tamanho da
cavidade do filtro e também reduzindo a perda de inserção de filtros.
O design do filtro combline envolve o cálculo do número de ressonadores, da
capacitância dos ressonadores e das dimensões mecânicas do bloco da cavidade, ressonadores,
espaçamento entre ressonadores, parafusos de ajuste e acoplamento para a frequência central
especificada, largura de banda e requisitos de rejeição do filtro. O projeto do filtro de passagem
de faixa combline, tipo Tchebyscheff, é explicado em forma de tutorial, ilustrado com os dados
do filtro no desenvolvimento deste trabalho.
2.3.4 FILTRO IRIS-COUPLED PASSA FAIXA
A estrutura do filtro Iris-coupled passa-faixa com a sua tampa superior removida é
mostrada na figura 23, a visão da imagem é a visão superior do filtro.
50
Figura 23 – Estrutura do filtro Iris-coupled passa faixa sem placa de cobertura lateral.
Fonte: Natarajan (2013).
O filtro Iris-coupled também possui bloco de cavidade, ressonadores de latão, placa
de cobertura, parafusos de ajuste e parafusos de acoplamento. Ao contrário do filtro combline,
cada ressonador tem uma cavidade circular ou quadrada coaxial claramente definida com cantos
arredondados. Cada cavidade é acoplada à sua cavidade adjacente através de uma pequena
abertura retangular chamada íris. O filtro mostrado na figura 23 tem três cavidades circulares e
duas írises de acoplamento. Os ressonadores têm geralmente λ / 4 na frequência central (fo) do
filtro passa-faixa. Os ressonadores são montados na cavidade com uma extremidade ligada à
terra, isto é, curto-circuitados na cavidade. Capacitância Distribuída com ar como dielétrico é
desenvolvido na extremidade livre dos ressonadores. O valor da capacitância distribuída é
ajustado com parafusos de ajuste. Cada cavidade é sintonizada na frequência central, fo, do
filtro passa-faixa acoplado à íris, usando seu ressonador e capacitância distribuída. O
acoplamento entre as cavidades é ajustado, usando parafusos de acoplamento, que avançam
para as írises. Os conectores coaxiais de entrada e saída são acoplados ao final dos ressonadores,
usando sondas de acoplamento.
O circuito equivalente, os princípios de acoplamento entre as seções da cavidade e
minimização das perdas de inserção do filtro Iris-coupled, são similares àqueles explicados para
o filtro combline. O design do filtro combline envolve o cálculo do número de seções do
ressonador, a capacitância de ajuste para ressonadores e as dimensões mecânicas do bloco de
cavidades, ressonadores, as dimensões das íris, sintonia e parafusos de acoplamento para a
frequência central especificada, largura de banda e requisitos de rejeição do filtro.
51
2.3.5 FILTRO DE CAVIDADE RESSONANTE COM RESSONADORES
DIELÉTRICOS
Os filtros de cavidade de microondas também podem ser projetados com
ressonadores dielétricos, substituindo ressonadores de latão para melhorar o desempenho de
perda de inserção dos filtros. O fator Q dos ressonadores dielétricos é muito alto comparado
aos ressonadores de latão. Ressonadores dielétricos com descargas de fator Q de mais de 50.000
a 18 GHz estão disponíveis. O tamanho dos filtros aumenta com o aumento dos valores Q dos
ressonadores dielétricos, semelhantes aos ressonadores metálicos. Para a mesma faixa de
frequência de operação, a perda de inserção dos filtros ressonantes dielétricos é menor que a
dos filtros ressonadores de latão, mas os tamanhos dos filtros são maiores.
Filtros com ressonadores dielétricos têm desempenho elétrico estável em uma faixa
de temperatura operacional mais ampla e tornaram-se populares em estações base para
aplicações móveis e manuais (WANG & ZAKI, 2007).
52
3 DESENVOLVIMENTO
3.1 ESTRUTURA DE UM FILTRO DE CAVIDADES RESSONANTES
O projeto de um filtro de cavidades ressonantes é o processo que converte as
especificações elétricas dos filtros nas dimensões mecânicas da cavidade, ressonadores, usando
equações especificas chamadas de equações de design. As equações de projeto e gráficos
variam entre os tipos de filtro desejados, lembrando alguns tipos de filtros de cavidades: os
filtros combline o os filtros iris-coupled. Para a montagem do filtro combline, que será
demonstrado a seguir, serão usadas as seguintes ferramentas: Cálculo com polinômios, que são
montados ao desenhar gráficos usando a técnica de interpolação de Lagrange, Ferramenta de
software e Excel.
A estrutura de um filtro combline pode ser resumida esquematicamente pela figura
24.
Figura 24– Estrutura esquematizada de um filtro combline
Fonte: Natarajan (2013).
3.1.1 Bloco da cavidade
A estrutura principal da cavidade é feita a partir de um bloco sólido de alumínio
com abertura para um dos lados, no caso o lado de cima. Os cantos dessa estrutura são
arredondados, a altura interna é dada por “h” e o comprimento interno é dado por “l”, essas
medidas ficam claras ao observar a figura 24. A espessura da parede é projetada entre 4 mm e
6 mm, levando em consideração o conector coaxial a ser colocado no equipamento. Para o caso,
em questão, a espessura será de 5 mm.
53
3.1.2 Ressonador
O ressonador é a parte mais importante do filtro de cavidades e pode ser composto
de uma estrutura em barra, composta por uma seção transversal retangular com largura “w” e
espessura denominada como “t”. O ressonador também pode ter formato cilíndrico com
diâmetro “d”, esses são os mais escolhidos para esse tipo de utilização visto que sua estrutura é
mais propensa a gerar filtros ressonantes.
Uma das extremidades do ressonador é projetada para fixação no bloco de
cavidades, enquanto a outra é desenvolvida para gerar capacitância distribuída, conforme os
cálculos que serão apresentados a fim de sintonizar o filtro na frequência desejada. Para isso,
devem ser calculadas todas as medidas do ressonador e também as quantidades de ressonadores
que o projeto deve comportar para filtragem na frequência desejada.
3.1.3 Chapa de fechamento
O bloco de cavidades é projetado com uma abertura em sua parte superior, como
mencionado anteriormente, para o fechamento desse bloco, é projetada uma chapa que irá ser
instalada paralela aos ressonadores. A chapa deve possuir de 4 a 5 mm, no projeto descrito neste
trabalho, a medida projetada foi de 5mm, essa placa leva ao todo oito parafusos em suas
extremidades para que possa ser fixada no filtro.
É importante lembrar que o mau contato entre a placa de cobertura, ou chapa de
fechamento, pode resultar em perdas indesejáveis para o filtro, por ser uma quebra ou
descontinuidade no trajeto que a onda eletromagnética irá fazer dentro da cavidade. Para
garantir que esse trajeto não seja dificultado por nenhum elemento externo, a fixação da chapa
deve ser feita com parafusos espaçados por mais de 15 mm de distância. A chapa de cobertura
está esquematizada na figura 25.
Figura 25 – Chapa de cobertura.
Fonte: Natarajan (2013).
54
3.1.4 Outros componentes do filtro
Conectores coaxiais de entrada e saída são necessários para a entrada e a saída do
sinal. Esses conectores podem ser SMA, TNC ou N, para o projeto, em questão, foi utilizado o
conector SMA fêmea de 50 ohms para a entrada e saída do equipamento, respeitando sempre
as medidas de espessura projetadas.
Os parafusos de ajuste, que fazem o tuning do filtro são projetados com 0,5 mm de
passo para que o ajuste feito de forma manual, posteriormente, seja o mais perfeito possível.
Uma vez fixado o parafuso, é preciso utilizar porcas para que a vibração emitida das ondas
eletromagnéticas não venha a tirar a posição de tuning do parafuso.
Os materiais de finalização também são muito importantes para que o desempenho
do RF seja satisfatório, em geral, para o bloco de cavidade é utilizado alumínio do tipo duro
para evitar falha nas roscas dos parafusos de ajuste. O bloco de cavidades e sua placa de
cobertura em geral são prateados, assim como os parafusos, ressonadores e porcas de fixação.
Os ressonadores são de latão, e os fixadores da placa de fechamento são feitos de aço inoxidável
para que não haja interferência no sinal ressoante.
3.2 CÁLCULO DA CAVIDADE RESSOANTE
Para o início dos cálculos, existem algumas diretrizes que devem ser especificadas
no projeto, elas serão utilizadas para que sejam calculadas todas as medidas do equipamento a
partir de suas características desejadas, todas apresentadas na tabela 9.
Tabela 9 – Tabela de parâmetros iniciais para cálculo do filtro combline.
Parâmetro medida banda
banda passante down 2,155 GHz até 2,17GHz 0,015 GHz
Fo down 2,1625 GHz Banda passante up 1,965 GHz até 1,98GHz 0,015GHz
Fo up 1,9725GHz perda por inserção 0,5000 perda de retorno 17,0000 ripple banda passante 1,0000 rejeição 50,0000 pot max de entrada 200 mW
55
Os valores acima mencionados serão utilizados para calcular os seguintes
parâmetros do filtro:
1) b que será a largura da cavidade;
2) l que será o comprimento interno da cavidade;
3) h que será a altura da cavidade;
4) W que será o diâmetro do ressonador;
5) t que será a espessura do ressonador;
6) s que será o espaçamento entre os ressonadores.
Primeiramente, é necessário fazer o cálculo do ω para a frequência central:
(3.1)
(3.2)
Após isso, é possível calcular o fator de transformação ( ω�/ω1′):
(3.3)
(3.4)
Então, é calculado o termo ε, no qual:
(3.5)
(3.6)
Após calcular ε, é preciso calcular as seções do filtro que será chamado de n, para
isso é preciso utilizar a rejeição na frequência superior, LA:.
(3.7)
56
(3.8)
A quantidade de seções do filtro deve ser arredonda sempre para o próximo inteiro
mais alto:
� = 6 (3.9)
O comprimento de um ressonador de um filtro combline são normalmente
projetados em λo/8, para isso, essa medida será calculada da forma representada nas
equações 3.10, 3.11 e 3.12:
(3.10)
(3.11)
(3.12)
Para o projeto do filtro, existem algumas constantes definidas, por exemplo, o θo
que representa o comprimento elétrico dos radianos ressonantes, no qual o valor calculado é
representado na equação 3.13:
(3.13)
Para garantir o alto descarregamento do fator Q, a linha de ressonância deve ser
escolhida conforme a equação 3.14:
��� =�
��٠(3.14)
A admitância da linha de ressonância normalizada, Yaj/YA, é calculada seguindo
o conjunto de equações 3.15 até a 3.17:
(3.15)
(3.16)
λo
8=
360
8= 45° = 0,786 ���
57
(3.17)
Após isso, é necessário fazer o cálculo de “g”. O número dos valores g que precisam
ser calculados está relacionado ao número de ressonadores. Para n ressonadores, g0 à gn+1
valores são calculados. Para n = 6, os valores calculados vão de g0 à g7. Os valores do fator g
estão diretamente ligados ao ripple do sinal de saída, porém os valores calculados nesse
momento não resultam em medidas do filtro, entretanto são valores que irão basear o cálculo
de algumas medidas posteriormente:
�� = 1 (3.18)
Para outros valores g, os valores intermediários, β, γ, ak e bk, são calculados
conforme o conjunto de equações:
(3.19)
(3.20)
(3.21)
(3.22)
(3.23)
(3.24)
(3.25)
(3.26)
Esses cálculos representados acima irão gerar valores diferentes para cada valor de
k, lembrando que a constante k representa a quantidade de ressonadores do filtro, esses valores
estão demonstrados no conjunto de tabelas 10:
58
Tabela 10– Tabelas representando os resultados para AK, BK e GK.
AK BK Gk k aK k bk k gk
1,0000 0,2588 1,0000 0,3071 0,0000 2,6678
2,0000 0,7071 2,0000 0,8071 1,0000 2,1659
3,0000 0,9659 3,0000 1,0571 2,0000 1,1005
4,0000 0,9659 4,0000 0,8071 3,0000 3,0757
5,0000 0,7071 5,0000 0,3071 4,0000 1,1478
6,0000 0,2588 6,0000 0,0571 5,0000 2,9490
6,0000 0,8083
7,0000 2,6678
Dando sequência aos cálculos, é preciso fazer a computação dos fatores GT/YA e
também dos fatores Ji/YA. Para que isso seja possível, serão usadas as fórmulas 3.27, 3.28 e
3.29:
(3.27)
(3.28)
(3.29)
Para esses cálculos foi considerado que ω’1 é um parâmetro de protótipo
normalizado em radianos =1, e como escrito anteriormente ω=0,0069. Abaixo está a tabela com
os valores necessários dos cálculos mencionados acima:
Tabela 11 - Tabela de valores para o conjunto de equações 15.
b1/YA= 0,9180
GT1/Ya= 0,0029
j1,2/Ya 0,0041
j2,3/Ya 0,0034
j3,4/Ya 0,0034
j4,5/Ya 0,0034
j5,6/Ya 0,0041
j6,7/Ya 0,0043
GT7/YA 0,0267
59
Após chegar nesses valores, o próximo passo é calcular a capacitância normalizada
pelo comprimento da unidade entre linha e terra. Para o cálculo de capacitâncias normalizadas
por unidade de comprimento entre os ressonadores e a terra, dois ressonadores finais adicionais
precisam ser assumidos. Para o filtro combline com n = 6, os ressonadores finais adicionais são
o Resonator-0 e o Resonator-7.
(3.30)
(3.31)
Para essa função, �� é a constante dielétrica do ar e tem valor de 1, dessa forma, os
valores de �� �⁄ será dado pela tabela 12:
Tabela 12– Demonstração dos resultados da normalização da capacitância.
Cx/ε C0/ε 7,1266
C1/ε 4,9630
C2/ε 5,3212
C3/ε 5,3311
C4/ε 5,3192
C5/ε 5,3273
C6/ε 5,3062
C7/ε 3,8379
As capacitâncias normalizadas por unidade de comprimento são calculadas entre
ressonadores adjacentes. C01 é a capacitância entre os ressonadores 0 e 1. C12 é a capacitância
entre ressonadores 1 e 2 e assim sucessivamente. O conjunto de equações para o cálculo é
representado detalhadamente pelas equações 3.32, 3.33 e 3.34:
(3.32)
(3.33)
60
(3.34)
Os valores calculados de (Cj, j + 1/ε) são mostrados na Tabela 13, para esse
cálculo o ressonador considerado é do ressonador 0 até o ressonador 7 para n=6 como
explicado anteriormente:
Tabela 13-Valores de capacitâncias entre ressonadores.
Cj,j+/ε C0,1/ε 0,4074
C1,2/ε 0,0309
C2,3/ε 0,0259
C3,4/ε 0,0254
C4,5/ε 0,0259
C5,6/ε 0,0309
C6,7/ε 0,0325
Os próximos dois parâmetros a serem medidos estão no gráfico do Anexo B. Os
valores de (s/b) e ( ) são obtidos dos gráficos de projeto. O eixo x do gráfico
representa (s/b) e os valores da relação faixa de 0 a 1,5. O eixo y do gráfico representa
dois parâmetros de capacitância, (ΔC/ε) e ( ), e os valores de capacitância variam de
0,01 à 10 pF. A figura contém dois conjuntos de gráficos, ou seja, (ΔC/ε) vs (s/b) e ( )
vs (s/b). Cada conjunto possui seis gráficos para seis valores diferentes de (t / b), que
varia de 0,0 a 0,8.
Após retirada dos valores do gráfico do Anexo B, é possível obter a seguinte tabela:
Tabela 14– Tabela de valores para Sj,j+1/b retirados da figura 26.
t/b= 0,2000 Cj,j+/ε Sj,j+1/b C0,1/ε = 0,4074 s0,1/b= 0,8000
C1,2/ε = 0,0309 s1,2/b= 0,6000
C2,3/ε = 0,0259 s2,3/b= 0,0250
C3,4/ε = 0,0253 s3,4/b= 0,0250
C4,5/ε = 0,0259 s4,5/b= 0,0250
C5,6/ε = 0,0309 s5,6/b= 0,6000
C6,7/ε = 0,0324 s6,7/b= 0,2000
Outros valores retirados do mesmo gráfico (Figura 26) são os valores de Sj,j+/ε:
61
Tabela 15– Tabela de valores para Cfe0,1+1/ε retirados da figura 26.
s0,1/b= 0,8 Cfe0,1+1/ε = 0,8000
s1,2/b= 0,6 Cfe1,2+1/ε= 0,8000
s2,3/b= 0,025 Cfe2,3+1/ε= 0,7500
s3,4/b= 0,025 Cfe3,4+1/ε= 0,5500
s4,5/b= 0,025 Cfe4,5+1/ε= 0,5500
s5,6/b= 0,6 Cfe5,6+1/ε= 0,5500
s6,7/b= 0,2 Cfe6,7+1/ε= 0,5100
A largura da cavidade de um filtro combline tem suas implicações na perda de
inserção e no tamanho do filtro. Maior largura resulta em filtro de tamanho grande com menor
perda de inserção. Usar dados de projeto anteriores é importante para decidir o diâmetro da
cavidade. Considerando dados de tamanho e design em filtros de cavidades similares, largura
(b) de 14 mm é assumida. As bibliotecas que trazem referência sobre dimensões de cavidades
ligadas às características dos filtros são desenvolvidas e atualizadas ao longo de um período de
tempo.
A espessura dos ressonadores retangulares será de 2,8 mm. Os ressonadores
retangulares são aproximados aos ressonadores cilíndricos para aumentar a capacidade de
produção dos ressonadores. Igualando a circunferência dos ressonadores perturbam
minimamente os valores de capacitância distribuída calculados em comparação com a equação
da área de superfície dos ressonadores. Igualando a circunferência de ambos os tipos de
ressonadores, os diâmetros dos ressonadores cilíndricos são calculados, usando a
expressão acima e eles são mostrados na Tabela 16.
Tabela 16 – Diâmetros calculados para os ressonadores.
n Wj/b para j=1 wj para j=1
1,0000 0,3526 4,9363
2,0000 0,4442 6,2194
3,0000 0,5462 7,6471
4,0000 0,6238 8,7338
5,0000 0,6255 8,7563
6,0000 0,6372 8,9212
Outra aproximação é feita pela média dos diâmetros para ter ressonadores
simétricos no filtro combline e não afeta o cumprimento às especificações elétricas do filtro
combline. No projeto em questão, essa aproximação será d=6,9 mm.
Espaçamento entre ressonadores = (sj, j + 1/b) × b. Espaçamento entre o ressonador-
1 e o ressonador-2 = 0,58 × 14 = 8,12 mm. Os valores calculados de espaçamento entre os
62
ressonadores são mostrados na Tabela 17. Recomenda-se reduzir os valores calculados do
espaçamento entre ressonadores em 5% para minimizar os esforços de "cuting and try". Não
leva a nenhum erro como o filtro poderia ser ajustado para atingir o desempenho especificado.
O espaçamento final entre os ressonadores é mostrado na Tabela 17, na tabela esquerda, são
apresentados os valores calculados e, na tabela direita, são apresentados os valores reduzidos:
Tabela 17– Valores de espaçamento calculado e reduzido.
n sj,s+1/b sj,j+1 para j = 1 n sj,j+1 para j = 1
1,0000 0,6000 8,4000 1,0000 7,9800
2,0000 0,0250 0,3500 2,0000 0,3325
3,0000 0,0250 0,3500 3,0000 0,3325
4,0000 0,0250 0,3500 4,0000 0,3325
5,0000 0,6000 8,4000 5,0000 7,9800
6,0000 0,2000 2,8000 6,0000 2,6600
O comprimento da cavidade é calculado a partir do diâmetro dos ressonadores e do
espaçamento entre os ressonadores. Além disso, é necessário um espaço de 5 mm para acoplar
os ressonadores finais (Resonator-1 e Resonator-6) para os conectores coaxiais de entrada /
saída.
Comprimento da cavidade = 2 × folga final + 7 × diâmetro do ressonador + soma
do espaçamento.
Soma do espaçamento ressonante = 7,7 + 8,8 + 9,0 + 9,0 + 8,8 + 7,7 = 51,0 mm.
Comprimento da cavidade = 2 × 5 + 7 × 6,2 + 51,0 = 104,4 mm.
Cada ressonador é sintonizado para ressoar na frequência central da banda de
passagem usando o capacitor distribuído, desenvolvido na extremidade livre do ressonador. A
capacitância distribuída para o ajuste dos ressonadores é calculada, usando a expressão:
Equação 1 – Valor da capacitância distribuída.
(3.35)
A altura de um filtro combline é decidida pelo comprimento do ressonador e pelo
entreferro para realizar a capacitância distribuída, a expressão fundamental para capacitância é
usada para calcular a altura. Para o ressonador com ± 6,2 mm, um intervalo de 0,12 mm fornece
o necessário = 2,27 e é mostrado na Figura 27. No entanto, mantendo uma lacuna tão estreita
entre os ressonadores e a parede do bloco de cavidades afeta tanto a capacidade de produção
quanto a confiabilidade do filtro. É praticamente impossível ajustar os ressonadores com o
��� �
� −1 ��é 7= 1 50⁄ ∗ 0,714 ∗ �
���45
0,0062832 ∗ 1012� = 2,27��
63
intervalo de ar de 0,12 mm. Além disso, o desempenho do filtro é degradado na faixa de
temperatura operacional especificada e na vibração de transporte poderia causar desafinação do
filtro. Assim, uma lacuna de 1 mm entre os ressonadores e a parede do bloco de cavidades é
assumida:
Figura 26– demonstração da lacuna superior
��� É criado, usando ressonador oco e parafuso de ajuste, como mostrado na Figura
28. O ressonador oco tem um furo cego perfurado na extremidade livre. Um parafuso de ajuste
é rosca do bloco de cavidade na extremidade oca do ressonador. Existe capacitância distribuída
entre o parafuso de ajuste e a extremidade livre ressonador. ��� é calculado, usando a expressão
para a capacitância da linha coaxial.
Figura 27 – ajuste do ressonador oco.
Suponha que um furo cego de ± 5 mm seja perfurado na extremidade livre do
ressonador, ± 6,2 mm. parafuso, 4 mm, com curso até uma profundidade de 10 mm no
ressonador desenvolve aproximadamente 2.5 pF, ignorando as variações causadas pelas roscas
do parafuso de ajuste. A profundidade de percurso é finalizada em 12 mm com uma margem
de 2 mm. O parafuso de acoplamento, 4 mm, é decidido, considerando a padronização dos
fixadores. O comprimento inicial dos parafusos de ajuste e acoplamento é assumido como sendo
64
15 mm para o projeto do filtro e o valor exato é decidido no final do ajuste. As dimensões do
projeto mecânico para satisfazer as especificações do filtro combline estão resumidas na Tabela
18:
Tabela 18– valores finais para os cálculos de dimensionamento.
Parâmetro de design mecânico Valor
projetado em mm
b, largura da cavidade 14
l, comprimento da cavidade 172,9
h, altura da cavidade 18,4
L, comprimento do ressonador cilíndrico 17,4
d, diâmetro do ressonador cilíndrico 7,0
N, número de ressonadores 6
s, espaço entre ressonadores
18,6
19,4
19,6
19,4
18,6
18,4
3.3 PROJETO DA CAVIDADE
Após o desenvolvimento dos cálculos demonstrados anteriormente, foi gerada a
tabela 18. Com as medidas, utilizou-se o programa SolidWorks® para desenhar o filtro de forma
computacional, assim, foi gerado o desenho em 3D e 2D para confecção do equipamento,
conforme as figuras a seguir:
Figura 28 – desenho esquemático em 2D e 3D, demonstrando as medidas dos furos da cavidade.
65
Figura 29 – demonstração em 2D das medidas referentes à cavidade principal do filtro.
Além das medidas da cavidade principal, foram calculados os comprimentos dos
ressonadores, cuja posição é interna à cavidade principal, sendo fixado por meio de parafusos
na carcaça do filtro. Essas peças são demonstradas na figura 31, lembrando que os ressonadores
serão sempre feitos com a mesmas medidas apenas a distância entre si que é diferente, é
importante deixar claro também que essas distancias não são simétricas.
Figura 30 – Demonstração das medidas do ressonador utilizado para o filtro.
Além da cavidade principal e dos ressonadores, foi projetada uma tampa para cobertura
do filtro que contém as mesmas medidas da cavidade, portanto, não será demonstrada.
Quanto aos materiais do filtro, os ressonadores foram feitos de latão e a cavidade foi
construída com alumínio polido, os ressonadores foram fixados com parafusos de aço, os
66
conectores de entrada e saída são do modelo SMA e também fixados com parafusos de aço. É
importante lembrar que, ao instalar os conectores, os mesmos devem ser soldados no ressonador
mais próximo para garantir a propagação do sinal, sendo feito com solda de estanho comum.
Ao fim de todo o processo de planejamento e desenvolvimento, o filtro de cavidades
ressonantes cujo protótipo resultante é mostrado na figura 32.
Figura 31 – cavidade ressonante finalizada
Após a finalização da fase de projeto e posteriormente da fase de fabricação do
equipamento, foram feitos os testes para fazer o tunning ou calibração do equipamento.
67
4 TESTES E CONFIGURAÇÃO DO FILTRO DE CAVIDADES RESSONANTE
4.1 MEDIÇÕES DO FILTRO PROJETADO
Para medição do filtro de microondas projetado foi utilizado o analisador de rede
modelo N9912A do fabricante Keysight. O equipamento foi cedido pelo orientador do projeto
para os experimentos. Esse equipamento é capaz de gerar sinais de entrada com espectro de
frequências podendo variar de 100 KHz até 4 GHz para serem transmitidos via cabo coaxial.
Além disso é possível fazer a conexão de mais um cabo coaxial para analisar o sinal de saída
de um determinado aparelho, no caso o filtro. O analisador de espectro pode ser observado na
imagem abaixo:
Figura 32 – analisador de RF portátil utilizado para testes de funcionamento do filtro.
Para o primeiro momento do teste a calibração do analisador foi verificada injetando
sinais de 10 dBm e 0 dBm, assim foi possível observar a precisão do equipamento que se
demonstrou satisfatória. Após isso foram feitos testes de continuidade e de perdas nos cabos e
adaptadores para retirar qualquer possibilidade de alteração nos dados obtidos do filtro
projetado. É importante observar que durante as checagens iniciais de continuidade nenhum
problema foi notado e as perdas foram desprezadas por serem muito baixas.
Na sequência foram abertos todos os parafusos de tuning do filtro para começar os
testes e os ajustes. Na entrada do filtro foi inserido um sinal de 0 dBm composto de frequências
que variavam de 1GHz até 4 GHz, com o filtro recebendo esse sinal foi obtido uma filtragem
na faixa de 3 GHz como pode ser visto na imagem abaixo:
68
Figura 33 – Filtro ressoando na faixa de 3GHz inicialmente.
Como pode ser observado na figura 34, o filtro ficou fora da faixa projetada, 2,1625
GHz, e com uma grande perda de inserção levando o sinal de saída à potência de -19,63 dBm.
Fazendo um reaperto nos parafusos do filtro foi possível baixar esse valor para -16,53dBm,
utilizando os parafusos de tuning foi possível fazer uma grande abertura na faixa de passagem
e na faixa de atenuação como pode ser visto na figura 35. Essa melhora demonstra que os
cálculos feitos para gerar uma grande capacidade de ajuste, para o filtro, através das cavidades
internas dos ressonadores foram mais efetivos do que o esperado.
Figura 34 – ajuste na forma de onda e diminuição da perda
69
O reaperto dos parafusos da tampa, deixou claro que o filtro construído estava com
um grande vazamento de sinal pela própria tampa cavidade.
A figura 36 apresenta claramente a atenuação que o filtro gera fora da faixa de
passagem do lado esquerdo, nesse caso nível de sinal obtido para a faixa de rejeição foi de
aproximadamente -60 dBm.
Figura 35 – Atenuação fora da faixa de passagem lado esquerdo.
Figura 36 – Atenuação fora da faixa de passagem lado direito.
70
Na figura 37 é visível a atenuação do lado direito da faixa de passagem que também
obteve valores próximos a -60 dB assim como a atenuação do lado esquerdo. É importante
salientar que o resultado projetado para as rejeições tanto da figura 36 quanto da figura 37 foram
de -50 db, ou seja, o filtro nesse quesito superou as expectativas projetadas.
Após isso foi executado um zoom na onda para que fosse possível ajusta-la
minuciosamente e deixar a faixa de passagem dentro dos parâmetros projetados. O processo foi
finalizado com sucesso utilizando os parafusos de tuning, o resultado pode ser observado na
figura 38. O ripple alcançado pelo filtro de cavidade ressonante variou na faixa de -2 dBm o
que ficou acima dos parâmetros de projeto (-1 dBm). A banda passante projetada de 0,015 GHz
para cada lado foi respeitada pelo filtro.
Figura 37 – Resultado do filtro após todos os ajustes principais feitos
Figura 38 - Atenuação fora da faixa de passagem lado esquerdo com zoom.
71
A figura 39 utiliza a função zoom do equipamento de análise citado anteriormente para
mostrar a atenuação do lado esquerdo da banda passante na faixa dos -60 dBm.
A figura 40 mostra o valor da faixa de rejeição obtida de -60 dBm que superou o
necessário que era de 50 dBm, mostrando o grande potencial de rejeição dos filtros de cavidade
ressonante.
Figura 39 - Atenuação fora da faixa de passagem lado direito com zoom.
Após todos os ajustes de perdas serem concluídos a última etapa consistiu em fazer
uma análise do casamento de impedâncias do filtro como mostra a figura 41.
Figura 40 – análise do casamento de impedâncias.
72
O VSWR do filtro não foi o ideal como pode ser visto na figura 41 ficando na faixa
de 2,822:1, considerando que o ideal seria na faixa de 1,22:1 como mostrado na seção 2.2.5.
Um VSWR de 1,22:1 indica uma perda de retorno na casa de 20 dB enquanto 2,822:1 indica
uma perda de retorno de 6,435 dB, bem abaixo do esperado de 16 dB do projeto, isso indica um
coeficiente de reflexão na casa de 0,47, ou seja aproximadamente 23% da potência do sinal de
entrada está sendo refletida.
Analisando esse contexto é possível afirmar que o casamento de impedâncias foi
uma das situações que mais colaborou para as grandes perdas do filtro. As perdas de retorno
ficaram na casa de 9,56 dB acima do que deveria, o que se mostra bastante alto em comparação
com limites estabelecidos de projeto e a maior causa das perdas do filtro.
4.2 COMPARATIVO ENTRE MEDIÇÕES E PROJETO
Como foi demonstrado através dos cálculos, o filtro apesar de ser bastante robusto
e com uma boa margem de erro ainda assim apresentou alguns problemas. Nessa seção serão
apresentadas todas as diferenças de tamanho comparando as peças projetadas e construídas para
traçar um comparativo e analisar os possíveis problemas no projeto, sejam de cálculo ou de
fabricação. Primeiramente é importante observar a tabela 19 que demonstra as discrepâncias
existentes entre os valores projetados e construídos:
Tabela 19 – Tabela comparativa dos valores projetados e construídos
Parâmetro de design mecânico Valor
projetado em mm
Valores construídos
b, largura da cavidade 14 13,8
l, comprimento da cavidade 172,9 174,0
h, altura da cavidade 18,4 18,4
L, comprimento do ressonador cilíndrico 17,4 17,7
d, diâmetro do ressonador cilíndrico 7,0 7,0
N, número de ressonadores 6 6
s, espaço entre ressonadores
18,6 17,8
19,4 18,4
19,6 18,5
19,4 19,7
18,6 19,6
18,4 18,5
73
Além das diferenças entre projeto e construção demonstradas na tabela 19 um outro
problema detectado foi referente as cavidades internas dos ressonadores, que não possuíam
isolação entre o furo dos parafusos de fixação do ressonador e os parafusos de tuning conforme
foi especificado no projeto da figura 31. De acordo com a literatura sobre os filtros de cavidade
ressonante, essa isolação deveria ser feita, caso contrário pode trazer resultados indesejados ao
funcionamento do equipamento.
74
5 CONCLUSÃO
5.1 DISCUSSÃO E ANÁLISE CRÍTICA DOS RESULTADOS
Neste trabalho desenvolveu-se um filtro passa-faixa banda larga, para aplicações
em sistemas UWB (Ultra-Wideband). O objetivo principal é atender a grande demanda
existente por filtros com essas características que tenham baixa perda por inserção, tamanho
reduzido, baixo custo e grande durabilidade exposto ao meio em que serão instalados. Para isso
foi construído esse filtro como um protótipo para testes, os resultados demonstram que o
protótipo atingiu quase todos os resultados especificados no projeto, falhando apenas com a
frequência central e a perda de inserção.
Os cálculos se mostraram bons na prática, porém, o vazamento de sinal e a diferença
que milímetros fariam em cada uma das especificações foram subestimados. A maior
dificuldade e o que foi o motivo de maior orgulho desse trabalho foi o fato de desenvolver todos
os cálculos e o projeto sem nunca sequer ter tido a chance de observar um desses filtros, além
disso, infelizmente não foi possível achar um software livre para simular os cálculos
desenvolvidos nesse trabalho antes da fabricação do equipamento. Outro problema foi o fato de
não ser possível de fazer um segundo protótipo com melhorias devido ao curto tempo e a
dificuldade de encontrar usinagem de precisão micrométrica para fazer as peças do trabalho de
acordo com os detalhes exigidos.
É visível que boa parte dos resultados desejados foram obtidos, a faixa de passagem
e a rejeição tiveram valores muito satisfatórios comparando-os com os valores projetados, o
ripple ficou um pouco acima do nominal. Infelizmente a frequência central não obedeceu ao
valor que foi especificado e as perdas por inserção muito elevadas provavelmente ocorreram
devido a erros mecânicos de fabricação (analisado na seção 4.2).
Filtros de cavidade de microondas que são fabricados com base nos cálculos feitos
nesse trabalho são ajustados para atender aos requisitos especificados. Se as condições iniciais
dadas não puderam ser atendidas, os filtros exigem algum retrabalho para atender às
necessidades do seu uso e desempenho. O método de retrabalho é conhecido como "cortar e
experimentar". Exemplos de retrabalho são mudanças na largura da cavidade, no espaçamento
entre ressonadores ou em seu diâmetro. No método encontrado na literatura para desenvolver
filtros de RF, os esforços de "cortar e tentar" não podem ser eliminados, mas poderiam ser
minimizados com a experiência. Os retrabalhos citados poderiam ser minimizados nos filtros
de cavidade modificando marginalmente os parâmetros de filtro que são calculados:
75
1. Reduzindo o espaçamento entre ressonadores em 5%
2. Aumentando os diâmetros dos ressonadores em 5%
3. Projetar filtros com placa de cobertura lateral para facilitar o fresamento do
bloco de cavidades para reduzir a largura da cavidade.
Inovação e criatividade são essenciais no projeto das partes mecânicas dos filtros.
O design mecânico inovador contribui significativamente para a produtividade, confiabilidade
e desempenho dos mesmos. Aterramento de RF satisfatório em todas as interfaces mecânicas
do equipamento e projeto de fixadores para ajuste / travamento de filtros são exemplos que
podem exigir um design mecânico inovador. O conhecimento e o estudo desse design também
são necessários para ajustar tolerâncias referentes as dimensões das peças e evitar que as
medidas se tornem conflitantes nos desenhos das partes de cada peça. Engenheiros eletricistas
devem desenvolver o projeto mecânico e a especialização necessária na montagem dos filtros
de RF para que assim o projeto seja feito de forma a minimizar o tempo e o custo.
Outro ponto crítico que deve ser corrigido é a obtenção um programa de simulação
para auxilio e desenvolvimento de uma melhor visibilidade da resposta que filtros projetados
irão possuir na prática antes de monta-los.
5.2 PERSPECTIVAS DE TRABALHOS FUTUROS
Este trabalho abre portas para o desenvolvimento de filtros de microondas. Tentou-
se ser o mais detalhado possível em toda a sua execução para chegar a um filtro funcional. Com
o primeiro protótipo já funcional várias portas se abriram para melhorias.
Como trabalho futuro propõe-se refazer esse filtro com as correções de medidas
necessárias para chegar a frequência central do projeto inicial, como também, aumentar em 0,5
cm o tamanho do ressonador para diminuir o ripple de onda passante e utilizar micro antenas
para fazer o acoplamento dos conectores nos ressonadores em tentativa de ajustar as grandes
perdas de casamento de impedância. Ainda nesse próximo trabalho adicionar parafusos de
ajuste de impedância entre os já existentes para aumentar ainda mais a capacidade de ajuste do
filtro.
O uso de um software de simulação de filtros de cavidade ressonante permitirá
estudos de caso de cada um dos ajustes do filtro para ganhar maior conhecimento e confiança
nas modificações feitas no projeto. Programas como o AADE Filter Design and Analysis ou
Advanced Design System seriam de grande valor no desenvolvimento das correções das
dimensões e capacidade de controle dos parafusos de ajuste.
76
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78
Matias, Projeto de filtros de microondas e ondas milimétricas, 2011 defesa de mestrado instuto técnico de Lisboa
79
ANEXOS
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ANEXO A – Portaria ANATEL 785 de 2017
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82
ANEXO B – Gráfico para retirada de valores físicos do filtro ressonante.
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ANEXO C – Fotos do projeto finalizado
