Мануйлов М Б \ Кобрин К В ^, Обрезанова Л А ^

^ Ростовський держуніверситет, вул Зорге, 5, Ростов-на-Дону, 344090, Росія Тел: +7 (863) 2975129 e-mail: manuilov@physrsuru ^ ГНУ НДІ «Спецвузавтоматика», пров Газетний, 51, Ростов-на-Дону, 344002 ^ НП ВАТ «Фаза», вул Білоруська, 9, Ростов-на-Дону, 344065

Анотація – Розглянуто комбінований метод електродинамічного моделювання широкого класу хвилеводних фільтрів на гребеневих секціях, в тч фільтрів квазіпланарного типу Запропонована методика заснована на методі Гальоркіна, методі модового зшивання і методі узагальнених матриць розсіювання На основі чисельної оптимізації розроблені модифіковані конструкції смугасто-проникних фільтрів квазіпланарного типу для К-і Ка-діапазонів

I                                       Введення

Хвилеводні фільтри на гребеневих секціях, в тч фільтри квазіпланарного типу (рис 1), знаходять широке застосування при розробці різних мікрохвильових компонентів і підсистем міліметрового І сантиметрового діапазонів [1] Фільтри на гребеневих секціях успішно реалізовані також на основі LTCC-технології (Low Temperature Cofired Ceramics) [2] Останнім часом досліджуються модифіковані конструкції квазіпланарних фільтрів на гребеневих секціях [3, 4] з поліпшеними характеристиками Запропоновані в [3] конструкції із збільшеною висотою позамежного хвилеводу і індуктивними смужками між гребеневими секціями (рис 16, в) забезпечують зниження втрат і розширення верхньої смуги загородження фільтра

У роботі викладено ефективний електродинамічний метод розрахунку широкого класу хвилеводних фільтрів на гребеневих секціях і досліджені поліпшені конструкції фільтрів

II                              Основна частина

Розроблений метод електродинамічного аналізу хвилеводних фільтрів на гребеневих секціях (рис1) заснований на методі Гальоркіна, методі модових зшивання і методі узагальнених матриць розсіювання Рішення завдання включає (i) декомпозицію ВИХІДНОЇ структури на базові блоки, (ii) рішення задачі на власні значення і обчислення спектра власних хвиль для гребеневих хвилеводних секцій, (iii) вирішення ключових задач розсіювання для базових неоднорідностей і обчислення їх багатомодову матриць розсіяння, (iv) обчислення багатомодову матриці розсіювання фільтра

Як базові блоків розглядалися зчленування прямокутного І гребневого хвилеводів, зчленування прямокутних хвилеводів, розгалуження прямокутного хвилеводу

При вирішенні ключових задач розсіювання використовувався базис ІЗ власних Н-і Е-хвиль хвилеводів Виходячи з цього, спочатку вирішувалися незалежні задачі розрахунку критичних частот і полів власних Н- і Е-хвиль гребеневих секцій у складі фільтра Завдання на власні значення вирішувалися методом Гальоркіна з урахуванням крайової особливості ПОЛЯ [5, 6]

Для обчислення багатомодовою матриці розсіювання зчленування прямокутного і гребневого хвилеводів був застосований метод модового зшивання Рішення ключових задач розсіювання для зчленування прямокутних ХВИЛЕВОДІВ І ХВИЛЕВОДНИХ розгалуження було побудовано на основі методу модового зшивання І методу Гальоркіна з урахуванням крайової особливості ПОЛЯ

Рис 1 Хвилеводні фільтри квазіпланарного типу на гребеневих секціях

Fig 1 Quasi-planar ridged waveguide filters

Порівняння з відомими з літератури експериментальними І теоретичними даними для різних ТИПІВ квазіпланарних хвилеводних фільтрів [1, 3] показало високу точність запропонованого методу розрахунку

На основі запропонованої методики був розроблений ряд модифікованих конструкцій квазіпланарних ХВИЛЕВОДНИХ фільтрів К-діапазону з смугою пропускання 2175-223 ГГц і Ка-діапазону з СМУГОЮ пропускання 29 – 295 ГГц Для кожного із зазначених діапазонів були оптимізовані чотирьох-І пятірезонаторние фільтри на гребеневих секціях І індуктивних смужках (рис 1в) Введення У конструкцію фільтрів індуктивних Смужок, що чергуються з гребеневими секціями, робить конструкцію більш технологічною, оскільки в цьому випадку всі елементи розташовані на одній вставці з фольги, що поміщається в Е-площину позамежної ХВИЛЕВОДНИХ секції На відміну від структур, розглянутих В [3], У ході оптимізації поздовжні розміри всіх індуктивних смужок бралися різними, ЩО розширює число ступенів свободи оптимизируемой структури

На рис 2 зображені розрахункові характеристики пятірезонаторного фільтра діапазону 2175 – 223 ГГц Розрахункове значення \ S ^ ^ \ в смузі пропускання

становить близько 30 дБ При цьому верхня межа смуги загородження за рівнем 50 дБ досягає 38 ГГц (проти 27 ГГц у аналогічного пятірезонаторного фільтра на гребеневих секціях (рис 16)), а загальна довжина фільтра скорочується приблизно в 16 рази Завдяки збільшеній вьюоте позамежної секції, фільтр на рис 2 має збільшений зазор між верхніми і нижніми гребенями, що забезпечує можливість скорочення внесених омічних втрат

Puc 2 Квазіпланарний хвилеводний пятірезона-уторований фільтр, (а) Топологія Е-площинний металевої вставки на рис 1в (6) частотні характеристики фільтра Розміри в мм: вхідний хвилевід 11×55, позамежний хвилевід 6×55, товщина фольги 02, η = 2797, 3832, 3429 d-= 08,

0869 /, = 2565, 1008, 1452 w =186                  =34995

Fig 2 Quasi-planar 5-resonator filter (a) Configuration of E-plane metal insert (6) frequency response

III                                  Висновок

Викладено ефективний комбінований електродинамічний метод розрахунку широкого класу хвилеводних фільтрів на гребеневих секціях Запропонована методика заснована на методі Галер-кіна, методі модового зшивання і методі узагальнених матриць розсіювання

Висока точність методики моделювання підтверджена порівнянням з відомими з літератури експериментальними і теоретичними результатами Розглянуто оптимізовані конструкції смугасто-проникних хвилеводних фільтрів ква-зіпланарного типу з поліпшеними характеристиками для К-і Ка-діапазонів

IV                           Список літератури

[1] J Вогпетапп, F Arndt Transverse Resonance, Standing Wave, and Resonator Formulations of the Ridge Waveguide Eigenvalue Problem and Its Application to the Design of E-plane Finned Waveguide Filters, IEEE Trans Microwave Theory Tech, vol MTT-38, N8, pp1104-1113, August 1990

[2]  J A Ruiz-Cruz, M A El Sabbagh, K A Zaki, J M Rebol- lar, and Y Zhang, Canonical Ridge Waveguide Filters in LTCC or Metallic Resonators, IEEE Trans Microwave Theory Tech, vol MTT-53, N1, pp174-182, January 2005

[3]  AKirilenko, L Rud, V Tkachenko, D Kulic Evanescentmode ridged waveguide band-pass filters with improved performance IEEE Trans On Microw Theory and Tech, 2002, vol MTT-50, N5, p 1324-1328

G Goussetis and D Budlmir, Compact Ridged Waveguide Filters with Improved Stopband Performance, in IEEE MTTS   Intern Microwave Symposium Digest, 2003, pp953-956

[4] Заргано ГФ, Ляпін ВП, Міхалевський BC та ін Хвилеводи складних перетинів Радіо і звязок, 1986, 124 с

[5] МВ Manuilov, KV Kobrin, Field Theory CAD of waffle-iron filters, in Procof 35th Europ Microwave Conference, Paris, October 2005, pp 1227-1230

RIDGED WAVEGUIDE FILTERS WITH IMPROVED PERFORMANCE

Manuilov M B\ Kobrin K V^, Obrezanova L A^

^Rostov State University, 5 Zorge St, Rostov-on-Don, 344090, Russia phone: +7(863) 2975129 e-mail: manuilov@physrsuru

^ GNU Nil Spetsvuzavtomatika, 51 Gazetny St, Rostov-on-Don, 344002, Russia ^ NP ВАТ Faza, 9 Belorusskaya St, Rostov-on-Don, 344065, Russia

Abstract – A hybrid Galerkin’s Method/Mode Matching Technique/Generalized Scattering Matrix Method for CAD of ridged and finned waveguide filters is presented New modifications of quasi-planar band-pass filters with improved performance have been designed for K- and Ka-bands

I                                        Introduction

Ridge waveguide filters find extensive microwave and milli- meter-wave applications because of their well-known favorable electrical performance [1], [2] Some new modifications of quasi-planar ridge waveguide filters were presented in [3],[4] in order to achieve improved pass-band selectivity and stop-band attenuation In contrast with conventional evanescent-mode ridge waveguide filters, the proposed filter configurations have enlarged height of the below-cut-off waveguide section and additional inductive strips introduced between ridged sections This filter configuration has reduced ohmic loss, it possesses more compact total size and wide spurious-free response

This paper presents hybrid field theoretical approach to CAD of a wide class of the ridge waveguide filters with improved performance

II                                       Main part

An EM analysis of ridge waveguide filters is based on Galerkin’s Method/Mode Matching Technique/Generalized Scattering Matrix Method The solution includes the following steps: decomposition of filter into the key building blocks, solving eigenvalue problems for ridged waveguide sections, solving scattering problems for basic discontinuities, direct combination of all modal S-matrices and computation of S-matrix of the overall structure

The eigenvalue problems for both ТЕ-and TM-modes of ridge waveguide are reduced to the integral equations of the first kind for unknown electric field components on the common interface of regular subregions In order to solve integral equations, Galerkin method was used [5],[6] The unknown tangential electric field components on the common interface of regular subregions are expanded into series of Gegenbauer or Che- byshev polynomials with weight factor taking into account field asymptotic at the edges A special choice of basis functions dramatically accelerates the convergence of the method

Mode Matching Technique was used for analysis of basic discontinuities: waveguide-to-ridge-waveguide junction, step waveguide Junction and waveguide bifurcation

Accuracy of the proposed full-wave technique is proved by comparing the obtained results with available experimental and theoretical data of some references (eg, [1], [3]) A number of modified quasi-planar band-pass filters for K- and Ka-bands have been designed The potential of filter configuration with ridged sections and inductive strips was investigated (Fig 1b) Compared with conventional ridge waveguide filter the configuration in Fig 2 enables essentially improved upper stop-band and the total filter length reduced at factor about 16

III                                      Conclusion

A new hybrid full wave method for analysis and design of wide class of ridged and finned waveguide filters is presented The results obtained are in good agreement with available experimental and theoretical data A number of modified quasi- planar pass-band filters with improved performance has been designed for K- and Ka-bands

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р