Волноводные четвертьволновые поперечные гребневые резонаторы на квази-ТЕМ-волне и фильтры на их основе

Введение. В современных системах связи требования к массогабаритным и частотным характеристикам фильтров во входных и выходных трактах антенно-фидерных устройств (АФУ) становятся все жестче. С учетом этого исследован поперечный волноводный гребневый резонатор, но не полуволновый, а четвертьволновый, что позволяет сократить ширину и длину фильтра. Показано влияние различных параметров резонатора на его резонансную частоту. Рассчитана зависимость нагруженной добротности от высоты поперечного гребневого четвертьволнового резонатора. Рассчитанные волноводные фильтры на резонаторах данного типа показывают возможность формирования полюсов затухания как выше, так и ниже полосы пропускания.
Цель работы. Исследование различных типов фильтров на гребневых четвертьволновых резонаторах, а также оценка полосы заграждения по уровню и ширине.
Материалы и методы. Численные исследования проведены методом конечных элементов (finite element method – FEM) и методом конечных разностей во временной области (finite difference in the time domain – FDTD).
Результаты. Проведено моделирование различных типов пятии десятизвенных фильтров на гребневых четвертьволновых резонаторах. Установлено, что пятизвенные фильтры в зависимости от расположения резонаторов могут формировать полюсы затухания как выше полосы пропускания, так и ниже. Десятизвенный фильтр на поперечных гребневых четвертьволновых резонаторах на приемных частотах Х-диапазона (7.25…7.75 ГГц) обеспечивает вносимые потери не выше 1.2 дБ, при этом уровень ослабления в диапазоне частот передачи (7.9…8.4 ГГц) составляет не менее 80 дБ.
Заключение. Применение фильтров на гребневых четвертьволновых резонаторах позволяет существенно сократить длину и улучшить массогабаритные характеристики при сохранении высокого уровня ослабления в полосе заграждения. 

1. Design 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, № 6. P. 2308–2319. doi: 10.1109/TMTT.2020.2970414

2. Waveguide quadruplet diplexer for multi-beam satellite applications / J. Garcia, J. C. Melgarejo, S. Cogollos, V. Boria, M. Guglielmi // IEEE Access. 2020. Vol. 8. P. 110116–110128. doi: 10.1109/ACCESS.2020.3002818

3. Tang B., Yang Y., Zheng X. The Design of Linear TM Mode Filters with Nonresonating TE Mode // Intern. Conf. on Computer, Control and Robotics (ICCCR), Shanghai, China, 08–10 Jan. 2021. IEEE, 2021. P. 246–249. doi: 10.1109/ICCCR49711.2021.9349394

4. Compact broadband waveguide filter with wide spurious-free range based on mixed TM and combline resonators / C. Tomassoni, L. Pelliccia, F. Cacciamani, P. Vallerotonda, R. Sorrentino, J. Galdeano, C. Ernst // 47th European Microwave Conf. (EuMC), Nuremberg, Germany, 10–12 Oct. 2017. IEEE, 2017. P. 985–988. doi: 10.23919/EuMC.2017.8231011

5. Eskandari A., Kheirdoost A. Compact and narrow-band waveguide filters using TM dual-mode cavities for input multiplexer in communication satellites // 10th Intern. Symp. on Telecommunications (IST), Tehran, Iran, 15–17 Dec. 2020. IEEE, 2020. P. 234–239. doi: 10.1109/IST50524.2020.9345871

6. Very-compact waveguide bandpass filter based on dual-mode TM cavities for satellite applications in Ku-band / L. Pelliccia, C. Tomassoni, F. Cacciamani, image 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.2018.8541740

7. Bastioli S., Tomassoni C., Sorrentino R. A new class of waveguide dual-mode filters using TM and nonresonating modes // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2010. Vol. 58, iss. 12. P. 3909–3917. doi: 10.1109/TMTT.2010.2086068

8. Sensitivity Analysis of a 3-D Printed Low-Cost Compact Waveguide Low-Pass Filter / F. Teberio, A. Gomez-Torrent, I. Arregui, J. M. Percaz, I. Arnedo, M. Chudzik, T. Lopetegi, M. A. G. Laso // 46th European Microwave Conf. (EuMC), England, London, 4–6 Oct. 2016. P. 249–252. doi: 10.1109/EuMC.2016.7824325

9. Compact 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., San Francisco, USA, 22–27 May 2016. P. 1–4. doi: 10.1109/MWSYM.2016.7540231

10. Chirping 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, № 9. P. 2814–2823. doi: 10.1109/TMTT.2016.2586479

11. Design 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 Let. 2021. Vol. 31, № 11. P. 1199–1202. doi: 10.1109/LMWC.2021.3087703

12. High-Performance Compact Diplexers 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, № 10. P. 3866–3876. doi: 10.1109/TMTT.2017.2691773

13. Bahrami H., Fallahzadeh S., Tayarani M. Compact bandpass waveguide filter using CSRR // 3rd Intern. Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics, London, UK, 30 Aug.– 4 Sept. 2009. P. 677–679.

14. Krutiev S. V., Zemlyakov V. V., Kleschenkov A. B. Synthesis of Elliptic Filter on Complex Resonant Diaphragms in Rectangular Waveguide // Intern. Conf. on Actual Problems of Electron Devices Engineering (APEDE), Saratov, Russia, 27–28 Sept. 2018. IEEE, 2018. P. 274–280. doi: 10.1109/APEDE.2018.8542292

15. Sorrentino R., Pelliccia L. Filtri Passabanda Miniaturizzati in Guidad’Onda per Applicazioni Satellitari // Workshop Nazionale "La Componentistica Nazionale per lo Spazio: Statodell’arte, Sviluppi e Prospettive". ASI Roma, 18–20 Gennaio 2016. P. 1–44.

16. Bastioli S., Marcaccioli L., Sorrentino R. Waveguide Pseudoelliptic Filters Using Slant and Transverse Rectangular Ridge Resonators // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2008. Vol. 56, iss. 12. P. 3129–3136.

17. Beukman T. S. An efficient design workflow of a compact ridged waveguide filter // IEEE AFRICON, Cape Town, South Africa, 18–20 Sept. 2017. IEEE, 2017. P. 569–573. doi: 10.1109/AFRCON.2017.8095544