radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2018-21-6-41-53radioelectronics-275Research ArticleЭЛЕКТРОДИНАМИКА, МИКРОВОЛНОВАЯ ТЕХНИКА, АНТЕННЫELECTRODYNAMICS, MICROWAVE ENGINEERING, ANTENNASРАЗРАБОТКА ТОПОЛОГИИ КОМПАКТНЫХ КВАЗИЭЛЛИПТИЧЕСКИХ ПОЛОСОВЫХ МИКРОПОЛОСКОВЫХ ФИЛЬТРОВDESIGN OF COMPACT BANDPASS QUASI-ELLIPTIC MICROSTRIP FILTERSСемерняР. Е.SemernyaRoman E.

Семерня Роман Евгеньевич – специалист по направлению "Радиоэлектронные системы и комплексы" (2014), аспирант кафедры "Радиоэлектронные системы и устройства" МГТУ им. Н. Э. Баумана, младший научный сотрудник НИИ Радиоэлектронной техники МГТУ им. Н. Э. Баумана. Ведущий инженер-разработчик ООО "Радиокомп". Автор пяти научных публикаций. Сфера научных интересов – частотно-селективные СВЧ-устройства.

2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1, Москва, 105005

Roman E. Semernya – Postgraduate student of the Department of Radioelectronic Systems and Devices of Bauman Moscow State Technical University. Junior Research Scientist in Research Institute of Radioelectronic Technology of Bauman Moscow State Technical University. Lead R&D Engineer in LLC Radiocomp. The author of 5 scientific publications. Area of expertise: frequency selective microwave devices.

5, 2nd Baumanskaya Str., 105005, Moscow

semernyare@gmail.comЧернышевС. Л.ChernyshevSergey L.

Чернышёв Сергей Леонидович – доктор технических наук (1990), профессор (1995) кафедры "Радиоэлектронные системы и устройства", ученый секретарь МГТУ им. Н. Э. Баумана, действительный член РАЕН. Автор более 200 научных работ. Сфера научных интересов – микроволновая и сверхширокополосная техника; системный анализ; обработка информации и управления.

2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1, Москва, 105005

Sergey L. Chernyshev – D.Sc. in Engineering (1990), Professor (1995) of the Department of Radioelectronic Systems and Devices of Bauman Moscow State Technical University, Scientific Secretary of named University. Full Member of RANS. The author of more than 200 scientific publications. Area of expertise: microwave and ultrawideband technology; system analysis; information processing and control.

5, 2nd Baumanskaya Str., 105005, Moscow

Chernshv@bmstu.ruВиленскийА. Р.VilenskiyArtem R.

Виленский Артем Рудольфович – кандидат технических наук (2014), доцент кафедры "Радиоэлектронные системы и устройства" МГТУ им. Н. Э. Баумана. Ведущий инженер компании "Исследовательский центр Самсунг". Автор более 30 научных работ. Сфера научных интересов – вычислительная электродинамика; теория антенн; методы анализа периодических структур.

2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1, Москва, 105005

Artem R. Vilenskiy – Ph.D. in Engineering (2014), Associate Professor (2015) of the Department of Radioelectronic Systems and Devices of Bauman Moscow State Technical University. Lead Engineer in Samsung Research Institute. The author of more than 30 scientific publications. Area of expertise: computational electromagnetics; antenna theory; periodic structures analysis.

5, 2nd Baumanskaya Str., 105005, Moscow

temaforyou@yandex.ruМожаровЭ. О.MozharovEduard O.

Можаров Эдуард Олегович – специалист по направлению "Радиоэлектронные системы и комплексы" (2013), аспирант кафедры "Радиоэлектронные системы и устройства" МГТУ имени Н. Э. Баумана, младший научный сотрудник НИИ Радиоэлектронной техники МГТУ им. Н. Э. Баумана. Автор 17 научных работ.Сфера научных интересов – волноводные СВЧ-устройства и антенные измерения.

2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1, Москва, 105005

Eduard O. Mozharov – Postgraduate student of the Department of Radioelectronic Systems and Devices of Bauman Moscow State Technical University. Junior Research Scientist in Research Institute of Radioelectronic Technology of Bauman Moscow State Technical University. The author of 17 scientific publications. Area of expertise: waveguide microwave devices; antenna measurements.

5, 2nd Baumanskaya Str., 105005, Moscow

eduardmozharov@yandex.ruМосковский государственный технический университет им. Н. Э. БауманаРоссияBauman Moscow State Technical UniversityRussian Federation201828122018064153Copyright © Семерня Р.Е., Чернышев С.Л., Виленский А.Р., Можаров Э.О., 20182018Семерня Р.Е., Чернышев С.Л., Виленский А.Р., Можаров Э.О.Semernya R.E., Chernyshev S.L., Vilenskiy A.R., Mozharov E.O.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/275

Микроволновые фильтры являются неотъемлемым базовым элементом генераторов, синтезаторов частот, приемо-передающих модулей антенных систем с электрическим сканированием. Актуальной задачей остается разработка миниатюрных и технологичных микроволновых фильтров с повышенными требованиями к форме амплитудно-частотной характеристики, а также поиск новых методов для их анализа и расчета. Реализация алгоритмов для трехмерного расчета требует значительных временных ресурсов и представляет достаточно сложную задачу. Цель работы заключается в разработке упрощенного алгоритма анализа коэффициентов связи между микрополосковыми резонаторами и создании на его основе топологий полосовых квазиэллиптических фильтров шестого порядка с относительной полосой пропускания 10 % для X- и L-диапазонов частот.

С помощью рекурсивного метода проводится расчет матрицы коэффициентов связи, а также выбор наиболее компактной и удобной для физической реализации топологии связей. Предложен метод анализа и расчета собственных частот связанных микрополосковых резонаторов. Метод основан на численном решении электродинамической задачи. С помощью представленного алгоритма исследуются особенности поведения модуля и знака коэффициента связи для базовых структур из связанных микрополосковых резонаторов с четырьмя различными взаимными расположениями. На основе проведенных исследований строятся топологии квазиэллиптических фильтров для дальнейшей оптимизации в пакете электродинамического моделирования Ansys HFSS. В результате проведенных расчетов были изготовлены макеты квазиэллиптических микрополосковых полосовых фильтров и измерены частотные характеристики их S-параметров. Результаты экспериментальных исследований показывают, что достигнуты заданные положения нулей затухания, а также требуемые уровни режекции.

This paper considers an algorithm for development of the sixth order compact microstrip bandpass filters with quasi-elliptic characteristics. The proposed technique is applied for synthesis of two filters for the L- and X-band. The recursive computational approach is employed to obtain the coupling matrix with simple topological implementation. Next, the full-wave transmission line analysis based on spectral-domain method of moments is applied for calculation of coupled microstrip resonator eigen frequencies. This approach is then used to compute magnitude and sign of the coupling coefficient for basic coupled resonator configurations. Finally, two quasi-elliptic filter topologies are synthesized and structure optimization in Ansys HFSS is performed. As a result, prototypes of the developed microstrip filters are manufactured and measured.

квазиэллиптический полосовой фильтрсвязанные микрополосковые линииматрица связиперекрестные связиэлектродинамическое моделированиеметод моментов в спектральной областисобственные частотыquasi-elliptic band-pass filtercoupled microstrip linescoupling matrixcross-couplingelectromagnetic modelingthe method of moments in the spectral regioneigen frequenciesReferencesCameron R. J., Kudsia C. M., Mansour R. Microwave filters for communication systems. New York: John Wiley & Sons, 2015. 897 p.Cameron R. J., Kudsia C. M., Mansour R. Microwave Filters for Communication Systems. New York: John Wiley & Sons, 2015, 897 p.Cameron R. J. General coupling matrix synthesis methods for chebyshev filtering functions // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1999. Vol. 47, № 4. P. 433–442.Cameron R. J. General Coupling Matrix Synthesis Methods for Chebyshev Filtering Functions. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1999, vol. 47, no. 4, pp. 433–442.Hong J. S. G., Lancaster M. J. Microstrip filters for RF/microwave applications. Vol. 167. New York: John Wiley & Sons, 2004. 471 p.Hong J. S. G., Lancaster M. J. Microstrip filters for RF/microwave applications. Vol. 167. New York: John Wiley & Sons, 2004, 471 p.Маттей Д. Л. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. М.: Связь,1971. 438 с.Mattej D. L. Fil'try SVCH, soglasuyushhie tsepi i tsepi svyazi [Microwave Filters, Matching Circuits and Communication Circuits]. Moscow, Svyaz',1971, 438 p. (In Russian)Микрополосковый полосовой фильтр с квазиэллиптической характеристикой на короткозамкнутых резонаторах / Р. Е. Семерня, А. Р. Виленский, С. Л. Чернышев, В. И. Литун // Радиолокация, навигация, связь. 2016. С. 1266–1272. doi: 10.1109/CRMICO.2014.6959543.Semernya R. E., Vilenskii A. R., Chernyshev S. L., Litun V. I. Microstrip Bandpass Filter with Quasi-Elliptic Characteristic on Short-Circuited Resonators. Radiolokatsiya, navigatsiya, svyaz' [Radiolocation, Navigation, Communication], 2016, pp. 1266–1272. doi: 10.1109/CRMICO.2014.6959543. (In Russian)Аринин О. В., Аристархов Г. М. Сверхминиатюрные высокоизбирательные фильтры СВЧ на основе шпилечных резонаторов, нагруженных на укорачивающие конденсаторы // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. 2016. Т. 16, № 5. С. 150–154.Аrinin O. V., Аristarkhov G. M. Subminiature HighSelective Microwave Filters Based on Hairpin Resonators Loaded on Shortening Capacitors. Fundamental'nye problemy radioelektronnogo priborostroeniya [Fundamental Problems of Electronic Instrument Making]. 2016, vol. 16, no. 5, pp. 150–154. (In Russian)Kuo J. T., Hsu C. L., Shih E. Compact planar quasielliptic function filter with inline stepped-impedance resonators // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2007. Vol. 55. № 8. С. 1747–1755.Kuo J. T., Hsu C. L., Shih E. Compact Planar QuasiElliptic Function Filter with Inline Stepped-Impedance Resonators. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2007, vol. 55, no. 8, pp. 1747–1755.Ouyang X., Chu Q. X., Wu X. H. Compact quasi-elliptic filter using mixed EM coupling λ/4 stepped-impedance resonators // 2012 Intern. Conf. on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT), Shenzhen, China, 5–8 May 2012. Piscataway: IEEE, 2012. Vol. 4. P. 1–4.Ouyang X., Chu Q. X., Wu X. H. Compact Quasi-Elliptic Filter Using Mixed EM Coupling λ/4 Stepped-Impedance Resonators. 2012 International Conf. on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT), Shenzhen, China, 5–8 May 2012. Piscataway: IEEE, 2012, vol. 4, P. 1–4.Chang T. N., Wu K. Y. Transverse modal analysis of edge-coupled microstrip resonators // Electronics Letters. 1986. Vol. 22, № 11. P. 608–609.Chang T. N., Wu K. Y. Transverse Modal Analysis of Edge-Coupled Microstrip Resonators. Electronics Letters. 1986, vol. 22, no. 11, pp. 608–609.Michalski K. A., Zheng D. Analysis of microstrip resonators of arbitrary shape // IEEE transactions on microwave theory and techniques. 1992. Vol. 40, № 1. P. 112–119.Michalski K. A., Zheng D. Analysis of Microstrip Resonators of Arbitrary Shape. IEEE transactions on microwave theory and techniques. 1992, vol. 40, no. 1, pp. 112–119.Рассохина Ю. В., Крыжановский В. Г. Анализ связанных щелевых резонаторов сложной формы в металлизированной плоскости микрополосковой линии передачи методом поперечного резонанса // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2012. Т. 55, № 5. С. 29–39.Rassokhina Yu. V., Kryzhanovskij V. G. Analysis of Coupled Slot Cavities with Complex Shape in Metallized Plane of Microstrip Transmission Line Using Transverse Resonance Method. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Radioelektronika [Proceedings of Higher Educational Institutions. Radioelectronics]. 2012, vol. 55, no. 5, pp. 29–39. (In Russian)Фельдштейн А. Л., Явич Л. Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М.: Связь, 1971. С. 387.Fel'dshtejn А. L., Yavich L. R. Sintez chetyrekhpolyusnikov i vos'mipolyusnikov na SVCH [Synthesis of Quadripoles and Eight-Poles on Microwave]. Moscow, Svyaz', 1971, pp. 387. (In Russian)Виленский А. Р. Метод анализа плоскослоистых линий передачи // Электромагнитные волны и электронные системы. 2016. Т. 21, № 3. С. 3–12.Vilensky А. R. Generalized Analysis of Multilayer Transmission. Elektromagnitnye volny i elektronnye sistemy [Electromagnetic Waves and Electronic Systems]. 2016, vol. 21, no. 3, pp. 3–12. (In Russian)Семерня Р. Е., Виленский А. Р., Литун В. И. Разработка микрополосковых фильтров с применением метода моментов в спектральной области // Радиолокация, навигация, связь. 2014. С. 720–727. doi: 10.1109/CRMICO.2014.6959543Semernya R. E., Vilenskii A. R., Litun V. I. Microstrip Filter Design Using Spectral Domain Method of Moments. Radiolokatsiya, navigatsiya, svyaz' [Radiolocation, Navigation, Communication], 2014, pp. 720–727. (In Russian) doi: 10.1109/CRMICO.2014.6959543.Itoh T. Spectral domain immitance approach for dispersion characteristics of generalized printed transmission lines // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1980. Vol. 28, № 7. P. 733–736.Itoh T. Spectral Domain Immitance Approach for Dispersion Characteristics of Generalized Printed Transmission Lines. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1980, vol. 28, no. 7, pp. 733–736.Design approach for microstrip pin-diode phase shifters with equalized losses / R. Semernya, A. Vilenskiy, V. Litun, S. Chernyshev // 2017 Progress In Electromagnetics Research Symposium – Spring (PIERS), St. Petersburg, Russia, 22–25 May 2017. Piscataway: IEEE, 2017. P. 3835–3841.Semernya R., Vilenskiy A., Litun V., Chernyshev S. Design Approach for Microstrip Pin-Diode Phase Shifters with Equalized Losses. 2017 Progress In Electromagnetics Research Symposium – Spring (PIERS), St. Petersburg, Russia, 22–25 May 2017. Piscataway: IEEE, 2017, pp. 3835–3841.Matsunaga M., Katayama M., Yasumoto K. coupled-mode analysis of line parameters of coupled microstrip lines // Progress In Electromagnetics Research. 1999. Vol. 24. P. 1–17.Matsunaga M., Katayama M., Yasumoto K. Coupled-Mode Analysis of Line Parameters of Coupled Microstrip Lines // Progress In Electromagnetics Research. 1999, vol. 24, pp. 1–17.Garg R., Bahl I., Bozzi M. Microstrip lines and slotlines. Norwood: Artech house, 2013. 560 p.Garg R., Bahl I., Bozzi M. Microstrip Lines and Slotlines. Norwood: Artech house, 2013, 560 p.Сержантов А. М. Резонансные полосковые структуры и частотно-селективные устройства на их основе с улучшенными характеристиками: дис. … д-ра техн. наук: 01.04.03 Радиофизика. Красноярск: СФУ, 2015. 316 с.Serzhantov А. M. Rezonansnye poloskovye struktury i chastotno-selektivnye ustrojstva na ikh osnove s uluchshennymi kharakteristikami [Resonant Strip Structures and Advanced Frequency-Selective Devices Based on them]: dis. … D.Sc. Krasnoyarsk, 2015, 316 p. (In Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.