Хвилеводно-планарні смугові фільтри із широкою смугою загородження
DOI:
https://doi.org/10.20535/RADAP.2020.80.5-13Ключові слова:
смугові фільтри, міліметровий діапазон, гібридно-інтегральні схеми НВЧ, резонатори із ступінчатою зміною імпедансуАнотація
Вступ. В роботі представлені результати розробки хвилеводно-планарних фільтрів із покращеними характеристиками селективності в смузі частот загородження фільтра. Значне розширення діапазону частот загородження і збільшення робочого загасання в ній досягнуто за рахунок використання у якості резонаторів фільтра резонаторів із ступінчатою зміною імпедансу (SIR), хвилеводно-планарна реалізація яких запропонована в роботі вперше. Успішне застосування згаданих резонаторів в конструкціях хвилеводно-планарних фільтрів стало можливим завдяки ретельному дослідженню в роботі властивостей хвилеводно-планарних SIR, яке виявило особливості їх топології і можливості їх ефективного розрахунку. В роботі запропонована топологія гібридно-інтегральних схем (ГІС) хвилеводно-планарних SIR-фільтрів і на прикладі дворезонаторного фільтра продемонстровано процедуру їх швидкого розрахунку. Виміряні характеристики розрахованих і виготовлених зразків резонатора і фільтра продемонстрували хорошу відповідність результатам симуляції.
Розробка ГІС SIR-фільтрів. Розробка заснована на досліджені властивостей хвилеводно-планарних резонаторів із ступінчатою зміною імпедансу. Аналіз характеристик цих резонаторів проведений у три етапи. На першому дослідження характеристик проведено для моделі резонатора, побудованої в термінах теорії кіл без урахування дифракційних поправок, що відповідають за зміну ширини щілини в секціях SIR, але з врахуванням реактивностей, що формують резонатори. Виявлено, що отримані характеристики лише якісно співпадають з результатами другого етапу аналізу резонатора, на якому його топологія, як цілого, досліджувалась в пакеті програм електродинамічного моделювання. Зокрема, результати, отримані в термінах теорії кіл, не описують значну різницю в довжині секцій резонатора, необхідну для досягнення максимального розносу його резонансних частот і появу полюса характеристики загасання в смузі частот між ними. Водночас, вдосконалення цієї моделі, виконане на третьому етапі аналізу SIR, показало можливість розрахунку характеристик резонатора за цією моделлю, що необхідно для синтезу смуги пропускання багаторезонаторного фільтра. Крім того, порівняльний аналіз одномодової і точної характеристик резонатора надав можливість пояснення появи згаданого полюса загасання і виявлення факторів, що впливають на його положення на частотній вісі. Отримані при дослідженні хвилеводно-планарних SIR результати з успіхом були використані при розрахунку дворезонаторного SIR-фільтра із запропонованою топологією. В основу синтезу фільтра було положено методику, засновану на використанні К-інверторів опорів. Цей підхід надав можливість швидкого отримання таких початкових значень розмірів елементів топології фільтра, що майже не потребували уточнення при їх оптимізації в середовищі електродинамічного моделювання. Результати симуляції характеристик розрахованого фільтра з достатньою для практики точністю співпадають із результатами вимірювань характеристик виготовлених зразків резонатора і фільтра.
Висновок. Запропонована топологія хвилеводно-планарних резонаторів із ступінчатою зміною імпедансу і фільтрів на їх основі забезпечує значне покращення селективних характеристик цього класу фільтрів – значне розширення смуги загородження і збільшення робочого загасання в ній. При цьому сама структура фільтра є гібридно-інтегральною схемою, що забезпечує високу точність її виготовлення і повторюваність характеристик фільтрів без будь-яких операцій по настроюванню зразків. Крім того, хвилеводно-планарна технологія забезпечує можливість використання цих фільтрів в міліметровому діапазоні довжин хвиль без суттєвого погіршення характеристик порівняно з отриманими на більш низьких частотах.
Посилання
Перечень ссылок
Konishi Y. The design of a band pass filters with inductive strip-planar circuit mounted in waveguide. / Y.Konishi, K.Uenakada // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 1974. - Vol. 22, Iss.10, pp. 869-873.
Dai C. Parallel coupled microstrip and E-plane metal insert waveguide band-pass filter at W-band. / C.Dai, L.Hao, S.Bo, H.Sun // 3rd Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation. Conf.Proc. - 2014. - pp.1231-1233.
Arndt F. PE-plane integrated Circuit Filters with Improved stop-band Attenuation. / F.Arndt, J.Bornemann, R.Vahldieck, D.Grauerholz // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 1984. - Vol. 32, Iss. 10, pp. 1391-1394.
Budimir D. Optimized E-plane band pass filters with Improved Stop-band Performance. / D.Budimir // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 1997. -Vol. 45, Iss. 2, pp. 212-220.
Омельяненко М.Ю. Волноводно-планарные фильтры на развернутых структурах. / М.Ю.Омельяненко, О.В. Туреева // Радиоэлектроника. - 1988. - T.31, № 10. С. 56-60.
Kong K.S. Computer-aided Design of Evanescent Mode Waveguide Bandpass Filter with Nontouching E-plane Fins. / K.S.Kong, T.Itoh // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 1989. -Vol. 37, Iss. 12, pp. 1998-2014.
Makimoto M. Compact bandpass filters using stepped impedance resonators. / M.Makimoto, S.Yamashita // Proc. of the IEEE. - 1979. - Vol. 67, Iss. 1, pp.16-19.
Sagawa M. Miniaturized Stepped Impedance Resonators with a Double Coaxial Structure and Their Application to Bandpass Filters. / M.Sagawa, M.Matsuo, M.Makimoto, K.Eguchi // IEICE Transactions on Electronics. - 1995. - Vol. E78-C, Iss.8, pp.1051-1057.
Yabuki H. Stripline dual-mode ring resonators and their application to microwave devices. / H.Yabuki, M.Sagawa, M.Matsuo, M.Makimoto // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 1996. - Vol. 44, Iss. 5, pp.723-729.
Sagawa M. Geometrical structures and fundamental characteristics of microwave stepped-impedance resonators. / M.Sagawa, M.Makimoto, S.Yamashita // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 1997. -Vol. 45, Iss. 7, pp.1078-1085.
Chen Y.-M. A Compact Step-Impedance Combline Filter With Symmetric Insertion-Loss Response and Wide Stopband Range. / Y.-M.Chen, S.-F.Chang, C.-C.Chang, T.-J.Hong, W.-C.Lo // IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig. - 2006. -pp.1209-1212.
Alaydrus M. Study of SIR for Designing Filters with Arbitrary Resonant Positions. / M.Alaydrus, D.W.Astuti, S.Attamimi // 2nd Int. Conference on Information and Communication Technology. - 2014. -Vol.2, pp.80-83.
Mokhtaari M. Folded compact ultra-wideband stepped-impedance resonator filters. / M.Mokhtaari, J.Bornemann, S.Amari // IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig. - 2007. - pp.747-750.
Cai P. A Novel Compact Ultra-Wideband Bandpass Filter Using a Microstrip Stepped-Impedance Four-Modes Resonator. / P.Cai, Z.Ma, X.Guan, Y.Kobayashi, T.Anada, G.Hagiwara // IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig. - 2007. - pp.751-754.
Bukuru D. Compact Quad-Band Bandpass Filter Using Quad-Mode Stepped Impedance Resonator and Multiple Coupling Circuits. / D.Bukuru, K.Song, F.Zhang, Y.Zhu, Fan M. // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. -2017. - Vol. 65, Iss.3, pp.783-791.
Mao R.-J. Miniaturized Hexagonal Stepped-Impedance Resonators and Their Applications to Filters. / R.-J.Mao, X.-H.Tang, L.Wang, G.-H.Du // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 2008. - Vol. 56, Iss.2, pp.440-448.
Омельяненко М.Ю. Синтез интегральных фильтров на основе частично заполненных волноводов. / М.Ю. Омельяненко, В.И. Цымбал // Радиоэлектроника. - 1984. -T.27, № 5. С. 65-67.
Reference
Konishi Y. and Uenakada K. (1974) The Design of a Bandpass Filter with Inductive Strip - Planar Circuit Mounted in Waveguide. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 22, Iss. 10, pp. 869-873. DOI: 10.1109/tmtt.1974.1128366
Dai C., Hao L., Bo S. and Sun H. (2014) Parallel coupled microstrip and E-plane metal insert waveguide band-pass filter at W-band. Proceedings of 2014 3rd Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation, pp.1231-1233. DOI: 10.1109/apcap.2014.6992739
Arndt F., Bornemann J., Vahldieck R. and Grauerholz D. (1984) E-Plane Integrated Circuit Filters with Improved Stopband Attenuation (Short Papers). IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 32, Iss. 10, pp. 1391-1394. DOI: 10.1109/tmtt.1984.1132858
Budimir D. (1997) Optimized E-plane bandpass filters with improved stopband performance.
IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 45, no. 2, pp. 212-220. DOI: 10.1109/22.557602
Omelyanenko M.Yu. and Tureeva O.V. (1988) Wave-planar filters on deployed structures. Radioelectronics, Vol.31, No 10, pp. 56-60.
Kong K. and Itoh T. (1989) Computer-aided design of evanescent mode waveguide bandpass filter with nontouching E-plane fins. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 37, Iss. 12, pp. 1998-2004. DOI: 10.1109/22.44114
Makimoto M. and Yamashita S. (1979) Compact bandpass filters using stepped impedance resonators. Proceedings of the IEEE, Vol. 67, Iss. 1, pp. 16-19. DOI: 10.1109/proc.1979.11196
Sagawa M., Matsuo M., Makimoto M., Eguchi K. (1995) Miniaturized Stepped Impedance Resonators with a Double Coaxial Structure and Their Application to Bandpass Filters. IEICE Transactions on Electronics. Vol. E78-C, Iss.8, pp.1051-1057.
Yabuki H., Sagawa M., Matsuo M. and Makimoto M. (1996) Stripline dual-mode ring resonators and their application to microwave devices. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 44, Iss. 5, pp. 723-729. DOI: 10.1109/22.493926
Sagawa M., Makimoto M. and Yamashita S. (1997) Geometrical structures and fundamental characteristics of microwave stepped-impedance resonators. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 45, Iss. 7, pp. 1078-1085. DOI: 10.1109/22.598444
Chen Y., Chang S., Chang C., Hong T. and Lo W. (2006) A Compact Step-Impedance Combline Filter With Symmetric Insertion-Loss Response and Wide Stopband Range. 2006 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, pp.1209-1212. DOI: 10.1109/mwsym.2006.249427
Alaydrus M., Astuti D.W. and Attamimi S. (2014) Study of SIR for designing filters with arbitrary resonant positions. 2014 2nd International Conference on Information and Communication Technology (ICoICT), pp. 80-83. DOI: 10.1109/icoict.2014.6914044
Mokhtaari M., Bornemann J. and Amari S. (2007) Folded Compact Ultra-Wideband Stepped-Impedance Resonator Filters. 2007 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium, pp. 747-750. DOI: 10.1109/mwsym.2007.380047
Cai P., Ma Z., Guan X., Kobayashi Y., Anada T. and Hagiwara G. (2007) A Novel Compact Ultra-Wideband Bandpass Filter Using a Microstrip Stepped-Impedance Four-Modes Resonator. 2007 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium, pp.751-754. DOI: 10.1109/mwsym.2007.380048
Bukuru D., Song K., Zhang F., Zhu Y. and Fan M. (2017) Compact Quad-Band Bandpass Filter Using Quad-Mode Stepped Impedance Resonator and Multiple Coupling Circuits. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 65, Iss. 3, pp. 783-791. DOI: 10.1109/tmtt.2016.2638814
Mao R., Tang X., Wang L. and Du G. (2008) Miniaturized Hexagonal Stepped-Impedance Resonators and Their Applications to Filters. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 56, Iss. 2, pp. 440-448. DOI: 10.1109/tmtt.2007.914622
Omelyanenko M.Yu. and Tsymbal V.I. (1984) Synthesis of integrated filters based on partially filled waveguides. Radioelektronika, Vol.27, No 5., pp. 65-67.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у нашому журналі.
2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована нашим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у нашому журналі.
3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення рукопису роботи авторами в мережі Інтернет (наприклад, на arXiv.org або на особистих веб-сайтах). Причому рукописи статей можуть бути розміщенні у відкритих архівах як до подання рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання. Це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії, позитивно позначається на оперативності ознайомлення наукової спільноти з результатами Ваших досліджень і як наслідок на динаміці цитування вже опублікованої у журналі роботи. Детальніше про це: The Effect of Open Access.
