radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2022-25-5-32-41radioelectronics-675Research ArticleЭЛЕКТРОДИНАМИКА, МИКРОВОЛНОВАЯ ТЕХНИКА, АНТЕННЫELECTRODYNAMICS, MICROWAVE ENGINEERING, ANTENNASКомпактные полосно-пропускающие волноводные фильтры с индуктивными связями с E-плоскостной симметрией и без E-плоскостной симметрииCompact Bandpass Waveguide Filters with Inductive Couplings with E-plane Symmetry and without E-plane Symmetryhttps://orcid.org/0000-0001-7088-8373СоркинА. А.SorkinA. A.

Соркин Александр Анатольевич – магистр по направлению "Радиотехника" (2018), аспирант

пр. Свободный, д. 79, Красноярск, 660041

Alexander A. Sorkin, Master in "Radio Engineering" (2018), Graduate student

79, Svobodny Ave., Krasnoyarsk 660041

alexandr.sorkin.781@mail.ruСибирский федеральный университетРоссияSiberian Federal UniversityRussian Federation2022271120222553241Copyright © Соркин А.А., 20222022Соркин А.А.Sorkin A.A.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/675Введение

Введение. В современных спутниковых системах связи к частотным и массогабаритным характеристикам входных фильтров предъявляются все более жесткие требования. Исходя из этого, рассмотрены конструкции полосовых фильтров с индуктивными связями на гофрированных волноводах. Несмотря на то что подобные фильтры были описаны ранее, в данной статье рассмотрены возможные реализации таких фильтров на волноводе зауженного сечения, на структурах с симметрией и без симметрии по электрическому полю.

Цель работы

Цель работы. Исследование фильтров с индуктивными связями с симметрией и без симметрии по электрическому полю, а также оценка полосы заграждения по уровню и ширине полосы.

Материалы и методы

Материалы и методы. Численные исследования проведены методом конечных элементов и методом конечных разностей во временной области.

Результаты

Результаты. Проведено моделирование фильтров с индуктивными связями с симметрией и без симметрии по электрическому полю. Установлено, что фильтры без симметрии по электрическому полю имеют лучшие массогабаритные характеристики, но более узкую полосу заграждения. С помощью моделирования также установлено, что в фильтрах со шлейфами одинакового сечения уровень заграждения больше почти на 20 дБ по сравнению с фильтрами, в которых шлейфы имеют разное сечение. Частотные характеристики фильтров с индуктивными связями, полученные путем электродинамического моделирования, совпадают с характеристиками, полученными экспериментально. Проведено моделирование десятизвенного сверхкомпактного фильтра с индуктивными связями без симметрии по электрическому полю, потери в полосе пропускания не более 0.7 дБ, уровень заграждения в полосе частот от 7.9 до 8.4 ГГц не менее 80 дБ, длина фильтра 30 мм.

Заключение

Заключение. Применение фильтров с индуктивными связями позволяет существенно улучшить массогабаритные характеристики без ухудшения потерь в полосе пропускания и сохранении высокого уровня ослабления в полосе заграждения.

Introduction

Introduction. Modern satellite communication systems continue to impose stricter requirements on the frequency response, weight, and size of filters. In this paper, several designs of bandpass filters with inductive couplings on corrugated waveguides are considered. Although such filters have been described previously, this paper considers their possible implementations based on narrow cross-section waveguides, as well as on structures with and without electric field symmetry.

Aim

Aim. To study filters with inductive couplings with and without electric field symmetry, as well as to assess the filter stopband width and attenuation.

Materials and methods

Materials and methods. Numerical studies were carried out by the finite element method (FEM) and the method of final difference in the time domain (FDTD).

Results

Results. Modeling of filters with inductive couplings with and without electric field symmetry was carried out. Filters without electric field symmetry were found to exhibit higher characteristics in terms of weight and size, at the same time as having a narrower stopband. The conducted modeling also showed that filters with stubs of the same cross section allow stopband attenuation to be improved by almost 20 dB compared to filters with stubs of varied cross section. The frequency responses of filters with inductive couplings obtained by electrodynamic modeling were established to agree well with those obtained experimentally. A ten-order ultra-compact filter with inductive couplings without electric field symmetry was considered, with the bandwidth loss of not more than 0.7 dB, the attenuation of at least 80 dB in the frequency range from 7.9 to 8.4 GHz, and the filter length of 30 mm.

Conclusion

Conclusion. The use of filters with inductive couplings allows their mass and dimension characteristics to be significantly improved without increasing losses in the bandwidth at the same time as maintaining a high level of attenuation in the stopband.

фильтр с индуктивными связямиполюс затуханияшлейфсимметричная емкостная диафрагманесимметричная емкостная диафрагмаinductive coupling filterattenuation polestubsymmetrical capacitive irisasymmetrical capacitive irisРабота выполнена при поддержке КГАУ "Красноярский краевой фонд поддержки научной и научно-технической деятельности", заявка № 2022030108251.The reported study was funded by Krasnoyarsk regional science foundation, project no. 2022030108251.ReferencesDesign of waveguide filters with cascaded singlets through a synthesis-based approach / G. Macchiarella, G. G. Gentili, C. Tomassoni, S. Bastioli, R. V. Snyder // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2020. Vol. 68, iss. 3. P. 2308–2319. doi: 10.1109/TMTT.2020.2970414Macchiarella G., Gentili G. G., Tomassoni C., Bastioli S., Snyder R. V. Design of Waveguide Filters with Cascaded Singlets Through a Synthesis-Based Approach. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2020, vol. 68, iss. 3, pp. 2308–2319. doi: 10.1109/TMTT.2020.2970414Rectangular waveguide quadruplet filter for satellite applications / J. Ossorio, S. Cogollos, V. Boria,M. Guglielmi // IEEE MTT-S Intern. Microwave Symp. (IMS). Boston, USA, 02–07 June 2019. IEEE, 2019. P. 1359–1362. doi: 10.1109/MWSYM.2019.8701045Ossorio J., Cogollos S., Boria V., Guglielmi M. Rectangular Waveguide Quadruplet Filter for Satellite Applications. IEEE MTT-S Intern. Microwave Symp. (IMS). Boston, USA, 02–07 June 2019. IEEE, 2019, pp. 1359–1362. doi: 10.1109/MWSYM.2019.8701045Very-compact waveguide bandpass filter based on dual-mode TM cavities for satellite applications in Ku-band / L. Pelliccia, C. Tomassoni, F. Cacciamani, P. Vallerotonda, R. Sorrentino, J. Galdeano, C. Ernst // 48th European Microwave Conf. (EuMC). Madrid, Spain, 23–27 Sept. 2018. IEEE, 2018. P. 93–96. doi: 10.23919/EuMC.2018.8541740Pelliccia L., Tomassoni C., Cacciamani F., Vallerotonda P., Sorrentino R., Galdeano J., Ernst C. Very-Compact Waveguide Bandpass Filter Based on Dual-Mode TM Cavities for Satellite Applications in Kuband. 48th European Microwave Conf. (EuMC). Madrid, Spain, 23–27 September 2018. IEEE, 2018, pp. 93–96. doi: 10.23919/EuMC.2018.8541740Bin Tang, Ying Yang, Xiaoxia Zheng. The design of linear tm mode filters with nonresonatingte mode // Intern. Conf. on Computer, Control and Robotics (ICCCR). Shanghai, China, 08–10 Jan. 2021. IEEE, 2021. P. 1–4. doi: 10.1109/ICCCR49711.2021.9349394Bin Tang, Ying Yang, Xiaoxia Zheng. The Design of Linear Tm Mode Filters with Nonresonatingte Mode. Intern. Conf. on Computer, Control and Robotics (ICCCR). Shanghai, China, 08–10 January 2021. IEEE, 2021, pp. 1–4. doi: 10.1109/ICCCR49711.2021.9349394Bastioli S., Snyder R. V., Tomassoni C. Overmoded transverse magnetic cavity filters for narrowband millimeter-wave applications // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2019. Vol. 29, iss. 5. P. 321–323. doi: 10.1109/LMWC.2019.2905954Bastioli S., Snyder R. V., Tomassoni C. Over-Moded Transverse Magnetic Cavity Filters for Narrowband Millimeter-Wave Applications. IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2019, vol. 29, iss. 5, pp. 321–323. doi: 10.1109/LMWC.2019.2905954High-performance compact di-plexers for Ku/K-band satellite applications / F. Teberio, I. Arregui, P. Soto, M. A. G. Laso, V. E. Boria, M. Guglielmi // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2017. Vol. 65, iss. 10. P. 3866–3876. doi: 10.1109/TMTT.2017.2691773Teberio F., Arregui I., Soto P., Laso M. A. G., Boria V. E., Guglielmi M. High-Performance Compact Di-Plexers for Ku/K-Band Satellite Applications. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2017, vol. 65, iss. 10, pp. 3866–3876. doi: 10.1109/TMTT.2017.2691773Compact broadband waveguide diplexer for satellite applications/ F. Teberio, I. Arregui, M. Guglielmi, A. Gomez-Torrent, P. Soto, M. A. G. Laso, V. E. Boria // IEEE MTT-S Intern. Microwave Symp. (IMS). San Francisco, USA, 22–27 May 2016. IEEE, 2016. P. 1–4. doi: 10.1109/MWSYM.2016.7540231Teberio F., Arregui I., Guglielmi M., Gomez-Torrent A., Soto P., Laso M. A. G., Boria V. E. Compact Broadband Waveguide Diplexer for Satellite Applications. IEEE MTT-S Intern. Microwave Symp. (IMS). San Francisco, USA, 22–27 May 2016. IEEE, 2016, pp. 1–4. doi: 10.1109/MWSYM.2016.7540231Design of wide stopband for waveguide low-pass filter based on circuit and field combined analysis / Y. Mingyu, W. Haiyang, Y. Tao, H. Biao, L. Hao, Z. Yihong, L. Tianming // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2021. Vol. 31, iss. 11. P. 1199–1202. doi: 10.1109/LMWC.2021.3087703Mingyu Y., Haiyang W., Tao Y., Biao H., Hao L., Yihong Z., Tianming L. Design of Wide Stopband for Waveguide Low-Pass Filter Based on Circuit and Field Combined Analysis. IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2021, vol. 31, iss. 11, pp. 1199–1202. doi: 10.1109/LMWC.2021.3087703Integration of an H-plane bend, a twist, and a filter in Ku/K-band through additive manufacturing / O. A. Peverini, M. Lumia, G. Addamo, F. Paonessa, G. Virone, R. Tascone, F. Calignano, G. Cattano, D. Manfredi // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2018. Vol. 66, iss. 5. P. 2210–2219. doi: 10.1109/TMTT.2018.2809505Peverini O. A., Lumia M., Addamo G., Paonessa F., Virone G., Tascone R., Calignano F., Cattano G., Manfredi D. Integration of an H-Plane Bend, a Twist, and A Filter in Ku/K-Band Through Additive Manufacturing. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2018, vol. 66, iss. 5, pp. 2210–2219. doi: 10.1109/TMTT.2018.2809505Synthesis approach for compact Ku-band wave-guide lowpass filters with wide rejection bandwidth / M. Cetin, G. Boyacioglu, B. Alicioglu, N. Yildirim // 18th Mediterranean Microwave Symp. (MMS). Istanbul, Turkey, 31 Oct. – 02 Nov. 2018. IEEE, 2018. P. 221–224. doi: 10.1109/MMS.2018.8611878Cetin M., Boyacioglu G., Alicioglu B., Yildirim N. Synthesis Approach for Compact Ku-Band Wave-Guide Lowpass Filters with Wide Rejection Bandwidth. 18th Mediterranean Microwave Symp. (MMS). Istanbul, Turkey, 31 October – 02 November 2018. IEEE, 2018, pp. 221–224. doi: 10.1109/MMS.2018.8611878High-power filter design in waveguide technology / I. Arregui, F. Teberio, I. Arnedo, J. M. Percaz, P. Martín-Iglesias, T. Lopetegi, M. A. G. Laso // IEEE Microwave Magazine. 2020. Vol. 21, iss. 6. P. 46–57. doi: 10.1109/MMM.2020.2979154Arregui I., Teberio F., Arnedo I., Percaz J. M., Martín-Iglesias P., Lopetegi T., Laso M. A. G. High-Power Filter Design in Waveguide Technology. IEEE Microwave Magazine. 2020, vol. 21, iss. 6, pp. 46–57. doi: 10.1109/MMM.2020.2979154Chirping techniques to maximize the power-handling capability of harmonic waveguide low-pass filters / F. Teberio, I. Arregui, A. Gomez-Torrent, I. Arnedo, M. Chudzik, M. Zedler, F. Görtz, R. Jost, T. Lopetegi, M. A. G. Laso // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2016. Vol. 64, iss. 9. P. 2814– 2823. doi: 10.1109/TMTT.2016.2586479Teberio F., Arregui I., Gomez-Torrent A., Arnedo I., Chudzik M., Zedler M., Görtz F., Jost R., Lopetegi T., Laso M. A. G. Chirping Techniques to Maximize the Power-Handling Capability of Harmonic Wave-guide Low-Pass Filters. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2016, vol. 64, iss. 9, pp. 2814–2823. doi: 10.1109/TMTT.2016.2586479Соркин А. А., Соркин А. Р. Волноводный фильтр с индуктивными связями. Современные проблемы радиоэлектроники // Материалы Первой межрегион. науч. конф. Ростов-на-Дону, 2006. С. 241–243.Sorkin A. A., Sorkin A. R. Volnovodnyi fil'tr s induktivnymi svyazyami [Waveguide Filter with Inductive Couplings]. Proc. of the Conf. Modern problems of radio electronics. Rostov-na-Donu, 2006, pp. 241–243. (In Russ.)Алексеев Л. В., Знаменский А. Б., Лоткова Е. Д. Электрические фильтры метрового и дециметрового диапазонов. М.: Связь, 1976. 280 с.Alekseev L. V., Znamenskii A. B., Lotkova E. D. Elektricheskie fil'try metrovogo I detsimetrovogo diapazonov [Electric Filters for Meter and Decimeter Ranges]. Moscow, Svyaz', 1976, 280 p. (In Russ.)Соркин А. Р. Малогабаритные волноводные фильтры: расчет и проектирование. ИПЦ КГТУ. Красноярск, 2002. 210 с.Sorkin A. R. Malogabaritnye volnovodnye fil'try: raschet i proektirovanie [Small-Sized Wave-guide Filters: Calculation and Design]. Krasnoyarsk, IPTs KGTU, 2002, 210 p. (In Russ.)

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