radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2020-23-1-63-69radioelectronics-403Research ArticleЭЛЕКТРОНИКА СВЧMICROWAVE ELECTRONICSИсследование полосовых фильтров K-диапазона на прямоугольных концентрических резонаторахInvestigation of Band-Pass Filters of K-Range on Rectangular Concentric Resonatorshttps://orcid.org/0000-0002-2345-086XКомаровВ. В.KomarovV. V.

Комаров Вячеслав Вячеславович – доктор технических наук (2007), профессор (2007) кафедры "Радиоэлектроника и телекоммуникации" 

Автор 150 научных работ. Сфера научных интересов – прикладная и вычислительная электродинамика, математическое моделирование и компьютерное проектирование функциональных устройств микроволновой и терагерцевой техники, исследование процессов взаимодействия электромагнитных волн с различными материалами.

ул. Политехническая, д. 77, Саратов, 410054

Vyacheslav V. Komarov, Dr. Sci. (Eng.) (2007), Professor (2007) of the Department of Radio Electronics and Telecommunications 

The author of 150 scientific publications. Area of expertise: applied and computational electrodynamics; mathematical modeling and computer-aided design of functional devices of microwave and terahertz technology; study of the processes of interaction of electromagnetic waves with various materials.

77 Politechnicheskaya Str., Saratov 410054

vyacheslav.komarov@gmail.comБушанскийС. К.BushanskiyS. K.

Бушанский Сергей Константинович – магистр по направлению "Управление в технических системах" (2016), аспирант по кафедре радиоэлектроники и телекоммуникаций.

Автор восьми научных публикаций. Сфера научных интересов – разработка и проектирование устройств микроволновой техники, численные методы анализа электромагнитных полей. 

ул. Политехническая, д. 77, Саратов, 410054

Sergey K. Bushanskiy, Master on management in technical systems (2016), Postgraduate Student on department of Radio Electronics and Telecommunications.

The author of 8 scientific publications. Area of expertise: development and design of microwave devices; numerical methods for the analysis of electromagnetic fields. 

77 Politechnicheskaya Str., Saratov 410054

8908_07@mail.ruСаратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю. А.РоссияYuri Gagarin State Technical University of SaratovRussian Federation2020280220202316369Copyright © Комаров В.В., Бушанский С.К., 20202020Комаров В.В., Бушанский С.К.Komarov V.V., Bushanskiy S.K.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/403Введение

Введение. Объемные резонаторы простой формы – прямоугольные, цилиндрические и коаксиальные – широко применяются в современной микроволновой технике при проектировании различных функциональных устройств среднего и высокого уровня мощности. Параметры таких резонаторов можно установить аналитически, используя соотношения, взятые из литературы. Концентрические резонаторы, выполненные на основе классических объемных резонаторов простой формы с центральным металлическим ядром, представляют собой отдельный класс электродинамических систем, свойства которых остаются малоизученными. Одна из таких структур, а именно прямоугольный концентрический резонатор (ПКР), предложена в настоящей статье в качестве базового элемента полосовых фильтров К-диапазона (18...26 ГГц).

Цель работы

Цель работы. Изучение потенциальных возможностей ПКР для создания устройств фильтрации электромагнитных сигналов микроволнового диапазона.

Материалы и методы

Материалы и методы. Собственные электродинамические характеристики ПКР и параметры матрицы рассеяния СВЧ-фильтров на его основе исследуются с помощью метода конечных элементов, реализованного в пакете программ COMSOL.

Результаты

Результаты. На первом этапе моделирования получены простые полиномиальные соотношения для расчета нормированных резонансных длин волн ПКР. Далее построены две модели полосовых СВЧ-фильтров на ПКР с разными размерами и исследованы их электродинамические характеристики. В ходе численного анализа установлены размеры резонаторов и сформулированы практические рекомендации по реализации полосно-пропускающих и полосно-заграждающих СВЧ-фильтров нового типа.

Заключение

Заключение. Приведены результаты конечно-элементного анализа амплитудно-частотных характеристик двух моделей полосовых фильтров К-диапазона на ПКР, впервые предложенных для этих целей. Указаны основные преимущества таких фильтров. Получены аналитические соотношения для расчета собственных резонансных длин волн рассматриваемых в работе концентрических резонаторов.

Introduction

Introduction. Simple-shaped cavity resonators: rectangular, cylindrical and coaxial, are widely applied in modern microwave engineering in design of different functional devices of middle and high power levels. Parameters of resonators can be obtained analytically by using expressions from literature. Concentric resonators, performed on the basis of classical simple-shaped cavities with a central metallic core represent a new class of electrodynamic systems of microwave range, the properties of which remain poorly studied. One of these structures, named a rectangular concentric resonator (RCR) is proposed in the paper as a basic unit of K-band bandpass filters (18...26 GHz).

Aim

Aim. To study potential possibilities of RCR for creation electromagnetic signals filtration devices of micro wave range.

Materials and methods

Materials and methods. The finite element method implemented in the package COMSOL was used to investigate electrodynamic characteristics of RCR and scattering matrix parameters of the microwave filters on RCR basis.

Results

Results. Simple polynomial expressions for computation of normalized resonant wavelengths of RCR were obtained at the first stage of modeling. Next, two models of passband microwave filters by RCR with different sizes were built and their EM characteristics were studied. Cavities sizes were determined numerically and practical recommendations on the realization of a new type bandpass microwave filters were formulated.

Conclusion

Conclusion. New results of the finite-element analysis of spectral characteristics of two models of bandpass Krange filters on rectangular concentric resonators were represented. The advantages of the filters were indicated. Simple analytical expressions for calculation of the resonance wavelengths of the considered concentric resonators were obtained.

СВЧ-фильтрполоса пропусканияпрямоугольный концентрический резонаторчисленное моделированиеmicrowave filterband passrectangular concentric cavitynumerical modelingReferencesСВЧ-фильтры и мультиплексоры для систем космической связи / под ред. В. П. Мещанова. М.: Радиотехника, 2017. 256 c.SVCh-fil'try i mul'tipleksory dlya sistem kosmicheskoi svyazi [Microwave Filters and Multiplexers for Space Communications Systems], ed. by V. P. Meshchanov. Moscow, Radiotekhnika, 2017, 256 p. (In Russ.)Cameron R. J., Kudsia C. M., Mansour R. R. Microwave Filters for Communication Systems. New York: Wiley, 2007. 772 p.Cameron R. J., Kudsia C. M., Mansour R. R. Microwave Filters for Communication Systems. New York, Wiley, 2007, 772 p.Broun T. M. Satellite communication payload and system. Boston: Wiley-IEEE, 2012. 400 p.Broun T. M. Satellite Communication Payload and System. Boston, Wiley-IEEE, 2012, 400 p.Doumanis E., Goussetis G., Kosmopoulos S. Filter Design for Satellite Communications. Boston: Artech House, 2015. 203 p.Doumanis E., Goussetis G., Kosmopoulos S. Filter Design for Satellite Communications. Boston, Artech House, 2015, 203 p.3D Printed Filter based on Helical Resonators with Variable Width / X. Shang, J. Li, C. Guo, M. J. Lancaster, J. Xu // Proc. of the IEEE MTT-S Intern. Symp. Honolulu, USA, 2017. P. 1587–1590. doi: 10.1109/MWSYM.2017.8058936Shang X., Li J., Guo C., Lancaster M. J., Xu J. 3D Printed Filter based on Helical Resonators with Variable Width. Proc. of the IEEE MTT-S Intern. Symp. Honolulu, USA, 2017, pp. 1587–1590. doi: 10.1109/MWSYM.2017.8058936Flexible and Efficient Computer-Aided Design Tool for Advanced Comb-Line Rectangular Waveguide Filters / A. San-Blas, A. Vidal, A. A. Muller, P. Soto, F. Mira, F. J. Perez-Soler, B. Gimeno, V. E. Boria // Intern. J. of RF and Microwave Computer-Aided Engineering. 2015. Vol. 25, no 8. P. 696–708. doi: 10.1002/mmce.20908San-Blas A., Vidal A., Muller A. A., Soto P., Mira F., Perez-Soler F. J., Gimeno B., Boria V. E. Flexible and Efficient Computer-Aided Design Tool for Advanced CombLine Rectangular Waveguide Filters. Intern. J. of RF and Microwave Computer-Aided Engineering. 2015, vol. 25, no. 8, pp. 696–708. doi: 10.1002/mmce.20908On the Alingment of Low-Fidelity and High-Fidelity Simulation Spaces for the Design of Microwave Waveguide Filters / J. Ossorio, J. C. Melgarejo, V. E. Boria, M. Guglielmi, J. W. Bandler // IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2018. Vol. 66, no 12. P. 5183–5196. doi: 10.1109/TMTT.2018.2871022Ossorio J., Melgarejo J. C., Boria V. E., Guglielmi M., Bandler J. W. On the Alingment of Low-Fidelity and HighFidelity Simulation Spaces for the Design of Microwave Waveguide Filters. IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2018, vol. 66, no. 12, pp. 5183–5196. doi: 10.1109/TMTT.2018.2871022Wideband Generalized Admittance Matrix Representation for the Analysis and Design of Waveguide Filters with Coaxial Excitation / F. Mira, A. A. San Blas, V. E. Boria, L. J. Rogla, B. Gimeno // Radio Science. 2013. Vol. 48, no 1. P. 50–60. doi: 10.1002/rds.20013Mira F., San Blas A. A., Boria V. E., Rogla L. J., Gimeno B. Wideband Generalized Admittance Matrix Representation for the Analysis and Design of Waveguide Filters with Coaxial Excitation. Radio Science. 2013, vol. 48, no. 1, pp. 50–60. doi: 10.1002/rds.20013Bastioli S., Snyder R. V., Macchiarella G. Design of In-Line Filters with Strongly Coupled Resonator Triplet // IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2018. Vol. 66, no 12. P. 5585–5592. doi: 10.1109/TMTT.2018.2867004Bastioli S., Snyder R. V., Macchiarella G. Design of InLine Filters with Strongly Coupled Resonator Triplet. IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2018, vol. 66, no. 12,pp. 5585–5592. doi: 10.1109/TMTT.2018.2867004Bastioli S., Marcaccioli L., Sorrentino R. Compact Dual-Mode Rectangular Waveguide Filters using Square Ridge Resonators // Intern. J. of Microwave and Wireless Technologies. 2009. Vol. 1, no 4. P. 241–247. doi: 10.1017 /S1759078709990286Bastioli S., Marcaccioli L., Sorrentino R. Compact Dual-Mode Rectangular Waveguide Filters using Square Ridge Resonators. Intern. J. of Microwave and Wireless Technologies. 2009, vol. 1, no. 4, pp. 241–247. doi: 10.1017 /S1759078709990286Compact Ridge Waveguide Filters with Arbitrary Placed Transmission Zeros using Nonresonanting Nodes / M. M. Fahmi, J. A. Ruiz-Cruz, R. R. Mansour, K. A. Zaki // IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2009. Vol. 57, no 12. P. 3354–3361. doi: 10.1109/TMTT.2009.2034423Fahmi M. M., Ruiz-Cruz J. A., Mansour R. R., Zaki K. A. Compact Ridge Waveguide Filters with Arbitrary Placed Transmission Zeros using Nonresonanting Nodes. IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2009, vol. 57, no. 12, pp. 3354–3361. doi: 10.1109/TMTT.2009.2034423Давидович М. В. Итерационные методы решения задач электродинамики. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2014. 240 с.Davidovich M. V. Iteratsionnye metody resheniya zadach elektrodinamiki [Iterative methods for solving electrodynamics problems]. Saratov, Izd-vo Sarat. un-ta, 2014, 240 p. (In Russ.)Комаров В. В., Бушанский С. К. СВЧ-фильтры на объемных концентрических резонаторах // Радиотехника. 2018. № 8.С. 140–143. doi: 10.18127/j00338486-201808-26Komarov V. V., Bushanskiy S. K. Microwave Filters on Concentric Cavity Resonators. Radioengineering, 2018, no. 8, pp. 140–143. doi: 10.18127/j00338486-201808-26 (In Russ.)Design of Wideband Bandpass Filter using Quadruple-Mode Rectangular Cavity Resonator / Y.-M. Wu, S.- Y. Zhou, J.-Y. Lin, L. W. Zhou, S.-W. Wong, L. Zhu, Q.-X. Chu // Proc. of the IEEE Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation. 2017, Xian, China, 16–19 Okt. 2017. P. 1–3. doi: 10.1109/APCAP.2017.8420607Wu Y.-M., Zhou S.-Y., Lin J.-Y., Zhou L. W., Wong S.-W., Zhu L., Chu Q.-X. Design of Wideband Bandpass Filter using Quadruple-Mode Rectangular Cavity Resonator. Proc. of the IEEE Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation. 2017, Xian, China, 16–19 Oct., 2017, pp. 1–3. doi: 10.1109/APCAP.2017.8420607Комаров В. В., Бушанский С. К. Добротность концентрических резонаторов // Радиотехника. 2019. № 7. С. 32–37. doi: 10.18127/j00338486-201907(10)-06.Komarov V. V., Bushanskiy S. K. The Quality Factor of Concentric Resonators. Radioengineering, 2019, no. 7, pp. 32–37. doi: 10.18127/j00338486-201907(10)-06Шаров Г. А. Волноводные устройства сантиметровых и миллиметровых волн. М.: Горячая Линия – Телеком, 2016. 640 с.Sharov G. A. Volnovodnye ustroistva santimetrovykh i millimetrovykh voln [Waveguide Devices of Centimeter and Millimeter Waves]. Moscow, Goryachaya Liniya – Telekom, 2016, 640 p. (In Russ.)

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