Микроталасни филтри непропусници опсега са резонантним преградама у Е- и Н-равни таласовода

Abstract

Предмет проучавања ове дисертације представљају минијатуризовани филтри непропусници опсега учестаности који користе резонантне преграде у Е и Н-равни правоугаоног таласовода. У дисертацији се полази од основне теоријске претпоставке, да се уметањем штампаног дисконтинуитета у правоугаони таласовод може реализовати филтар непропусник опсега учестаности. У складу са тим, дисконтинуитети у виду штампаног кола се позиционирају у Е- или у Н-раван таласовода. За базичне елементе штампаних преграда су изабрани четвртталасни и полуталасни резонатори. Предложена тема докторске дисертације има значајно утемељење у погледу решавања проблема минијатуризације микроталасних компоненти које представљају саставни део комуникационих система. Услед непрекидног развоја комуникационих сервиса, долази до пораста експлоатације спектра где је потребно ефикасно издвојити корисни сигнал од шума. Предности филтара, имплементираних у техници таласовода у односу на планарне, се огледају у фактору доброте и снази, а недостаци у величини компоненте. Обзиром да налазе значајну примену у системима где су потребне велике снаге и мали губици, пројектовање ове класе филтара представља захтеван процес јер мора да истовремено задовољи више критеријума. Циљ истраживања је усмерен на пројектовање компактних таласоводних филтара вишег реда, са више непропусних опсега учестаности. Резонантне преграде се постављају у Е- или у Н-раван правоугаоног таласовода. Упоредо, истрaживање се бави развојем генерализованих еквивалентних електричних шема за сваки од ова два типа филтара. Развој еквивалентних шема је својеврстан допринос пројектовању филтара, обзиром да се помоћу симулација кола може пратити утицај избора вредности параметара кола на одзив филтра, чиме се омогућава оптимизација филтра а да притом симулације нису временски и рачунарски захтевне као тродимензионалне електромагнетске симулације. Приликом развоја еквивалентне шеме, посебан нагласак је стављен на моделовање спрегнутих резонатора и симболичко одређивање параметара спреге. Научни допринос докторске дисертације су нови методи пројектовања компактних микроталасних филтара вишег реда са више непропусних опсега учестаности са штампаним резонантним преградама постављеним у Е-равни или Н-равни правоугаоног таласовода. Окосница предложеног метода пројектовања филтара са више непропусних опсега је чињеница да не постоји нежељена спрега између резонатора који учествују у реализацији специфицираних опсега. Основни концепт постизања компактности је меандрирање штампаних водова резонатора у циљу смањења површине коју заузимају на диелектричном носачу. У погледу постизања компактности филтара, вишег реда са више непропусних опсега, технике минијатуризације се примењују у зависности од равни у којој се преграда позиционира. У циљу смањења дужине филтра, са преградом у Н-равни правоугаоног таласовода, предлаже се минијатуризација инвертора. Представљене компактне имплементације карактеришy се независном контролом сваког од пројектованих опсега. Упоредна анализа карактеристика предложених нових реализација са карактеристикама решења објављених у литератури представља значајан део ове дисертације, непосредно илуструјући њен допринос. Додатни допринос се огледа у унапређењу карактеристика филтара пропусника опсега учестаности. Традиционална имплементација која користи спрегнуте полуталасне резонаторе је значајно побољшана употребом додатних четвртталасних резонатора. У зависности од тога да ли је резонантна учестаност четвртталасног резонатора подешена на вредност из пропусног опсега филтра или ван њега, могуће остварити различите функционалности – боље потискивање у непропусном опсегу филтра и поделу широког пропусног опсега на уже подопсеге.

The scope of the study of the dissertation are miniaturized bandstop filters based on resonant inserts placed within E-plane or H-plane of rectangular waveguides. Starting point is the hypothesis that bandstop filter can be designed by placing discontinuities within rectangular waveguide. Accordingly, printed-circuit inserts are positioned in E-plane or H-plane of waveguide. Quarter-wave resonators and half-wave resonator are chosen as fundamental elements of considered inserts. The topic of the dissertation has solid foundation in miniaturization of microwave components problem solving. Since the rapidly developing communications services, frequency spectrum is extensively exploited imposing efficient filtering as a requirement, so useful signals are distinguished from noise and unwanted frequency components. The advantages of the waveguide filters compared to planar filters are in quality factor and power handling capability, and major disadvantage is the size of the waveguide component. Being core devices in systems where low losses and high power levers are required, waveguide filter design is demanding process since several criteria should be satisfied. The aim of the research is focused towards compact waveguide high order filter design with multiple stopbands. Resonating inserts are positioned in E-plane or H-plane of rectangular waveguide. Simultaneously, the research is oriented towards the development of generalized equivalent electrical circuit of the multiband bandstop filter. Development of the equivalent electrical circuit represents contribution intended for fast filter design since circuit simulations provide insight how circuit parameters affect filter response thus enhancing filter optimization, while simulations are not time and memory consuming as three-dimensional electromagnetic simulations. The main focus is towards the modelling of coupled resonators and symbolic analysis of coupling parameters. The scientific contribution of the dissertation are novel design methods for compact microwave higher order E-plane or H-plane waveguide filters with multiple independently controlled stopbands. The core of the proposed method for design compact higher order filter are multiple stopbands that are independently tuned, since there is no unwanted coupling between resonators intended for different stopbands. The concept behind miniaturization relies on the technique of segmentation of straight-line resonator strip based on folding, so that resonator occupies the smallest possible area. Several miniaturization techniques are considered regarding compactness of higher order filter with multiple stopbands. They extend the basic concept and are applied in accordance with the type of the filter to be implemented, whether it is E-plane or H-plane filter. With the aim of reducing the length of the H-plane filter, strategy of inverter miniaturization based on replacement of the conventional quarter-wave inverter by the shorter one is presented. Presented compact solutions feature flexible control of specified stopbands. Comparative analysis of proposed solutions and corresponding filters found in literature is conducted and exposed. Additional contribution is made regarding E-plane bandpass waveguide filter design. Traditional implementation which use coupled half-wave resonators is outperformed by using quarter-wave resonators that exhibit bandstop characteristics. Depending whether the resonant frequency of the quarter-wave resonator is located within passband or stopband of the bandpass filter, it is possible to achieve different functionalities – advanced stopband attenuation and division of wide band to narrow sub-bands.