Исследование полосовых фильтров K-диапазона на прямоугольных концентрических резонаторах

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

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. 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. 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.

1. СВЧ-фильтры и мультиплексоры для систем космической связи / под ред. В. П. Мещанова. М.: Радиотехника, 2017. 256 c.

2. Cameron R. J., Kudsia C. M., Mansour R. R. Microwave Filters for Communication Systems. New York: Wiley, 2007. 772 p.

3. Broun T. M. Satellite communication payload and system. Boston: Wiley-IEEE, 2012. 400 p.

4. Doumanis E., Goussetis G., Kosmopoulos S. Filter Design for Satellite Communications. Boston: Artech House, 2015. 203 p.

5. 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.2017.8058936

6. Flexible 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.20908

7. On 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.2018.2871022

8. Wideband 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.20013

9. Bastioli 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.2018.2867004

10. Bastioli 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 /S1759078709990286

11. Compact 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.2009.2034423

12. Давидович М. В. Итерационные методы решения задач электродинамики. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2014. 240 с.

13. Комаров В. В., Бушанский С. К. СВЧ-фильтры на объемных концентрических резонаторах // Радиотехника. 2018. № 8.С. 140–143. doi: 10.18127/j00338486-201808-26

14. 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.2017.8420607

15. Комаров В. В., Бушанский С. К. Добротность концентрических резонаторов // Радиотехника. 2019. № 7. С. 32–37. doi: 10.18127/j00338486-201907(10)-06.

16. Шаров Г. А. Волноводные устройства сантиметровых и миллиметровых волн. М.: Горячая Линия – Телеком, 2016. 640 с.