CC BY
36
DOI 10.36622/VSTU.2023.19.1.007 УДК 621.396
РЕАЛИЗАЦИЯ ПОЛОСОВЫХ ФИЛЬТРОВ НА ОСНОВЕ SIW-ТЕХНОЛОГИИ
С.И. Деревянкин1,2, Е.А. Ищенко1, А.В. Останков1, С.М. Фёдоров1'3, И.А. Черноиваненко1
1Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2АО «Концерн «Созвездие», г. Воронеж, Россия 3Международный институт компьютерных технологий, г. Воронеж, Россия
Аннотация: исследуется методика синтеза полосовых фильтров в SIW-исполнении на основе E- и H-диафрагм. Реализация полосового фильтра предполагает формирование резонансных полостей в канале волновода. Для синтеза полосовых фильтров сгенерирована модель SIW-волновода с критической частотой 8 ГГц, после чего в канале сформированы резонансные полости на основе диафрагм. Для установления размеров диафрагм сформированы модели на основе прямоугольного волновода с воздушным заполнением и полосой рабочих частот, увеличенной с учётом неединичной относительной диэлектрической проницаемости среды. В соответствии с принципом электродинамического подобия получены оценочные частоты полос пропускания SIW-фильтров. После формирования полной модели SIW полосовых фильтров установлено, что удается сохранить высокие показатели передачи в полосе пропускания и подавления в полосе задержания. Смещение частоты среза от предполагаемого значения, полученного на основе принципа электродинамического подобия, составило порядка 0.5 ГГц. Представленные результаты свидетельствуют о том, что волноводные полосовые фильтры могут быть эффективно реализованы в SIW-исполнении, а рассмотренная методика синтеза фильтров по SIW-технологии вполне пригодна для практического использования. Для коррекции смещения полосы рабочих частот и ширины полосы пропускания показаны предыскажения указанных показателей на начальных этапах синтеза
Ключевые слова: волноводный фильтр, SIW-технология, полосовой фильтр
Введение
Волноводные фильтры, формируемые на основе резонансных полостей, позволяют обеспечить частотную селекцию электромагнитных волн в линиях передачи. Волноводные фильтры реализуются за счет введения в канал волновода E- и ^плоскостных диафрагм. Внесение неоднородности с размерами, соизмеримыми с длиной волны, в линию передачи приводит к возникновению резонансов, что обеспечивает селекцию электромагнитных волн. Существует множество методов расчета волновых фильтров. В работе [1] авторы рассчитывают основные характеристики фильтра на основе метода изображения параметров с целью формирования полосовых фильтров (ПФ) и фильтров нижних частот. Недостатком использованного метода является его математическая сложность, а также проблематичность последующей оптимизации с целью улучшения характеристик.
В работе [2] авторами предлагается метод вносимых потерь для определения характеристик волноводного ПФ. Полученный в результате синтеза фильтр на основе ^диафрагм обладает малыми потерями и существенным ослаблением электромагнитных волн вне поло-
© Деревянкин С.И., Ищенко Е.А., Останков А.В., Фёдоров С.М., Черноиваненко И.А., 2023
сы пропускания. Такой метод определения параметров волноводных фильтров является одним из наиболее распространенных методов, так как может быть легко реализован в современных системах проектирования и дополнен процедурами оптимизации при моделировании для улучшения характеристик.
Для оптимизации процесса расчета и проектирования волноводных фильтров в настоящее время широко используется современное программное обеспечение. Так, в работе [3] приводится пример расчета и проектирования волноводного полосового фильтра с использованием AWR Microwave Office. Недостатком такого подхода является то, что для проведения электромагнитного моделирования требуется использовать относительно сложное программное обеспечение. Из-за этого для внесения изменения в модель требуется проводить трудоемкую коррекцию характеристик исходного проекта. Тем не менее, в работе показано, что применение средств автоматизированного проектирования позволяет существенно повысить эффективность определения параметров волно-водного фильтра.
Процитированные работы акцентируют внимание на фильтры с H-диафрагмами, однако для обеспечения относительно узкой полосы пропускания могут быть востребованы фильтры с E-плоскостными диафрагмами. В работе
[4] авторы приводят описание основных типов диафрагм, которые используются для формирования резонансных полостей в волноводах, в том числе E- диафрагмы.
Заметим, что в процитированных работах волноводные фильтры формируются на основе полых прямоугольных волноводов с воздушным заполнением, однако же, в настоящее время определенный интерес вызывает разработка волноводных фильтров на основе SIW-техноло-гии. В работе рассматривается методика генерации SIW-полосовых фильтров с использованием E- и H-плоскостных диафрагм и оценивается ее эффективность.
Конструкция SIW-волновода
Для реализации полосового фильтра сформирована модель SIW-волновода с частотой среза 8 ГГц. Структура реализована на основе диэлектрика Rogers Ro4003C с относительной диэлектрической проницаемостью £г = 3.55 и тангенсом угла диэлектрических потерь tg5 = 0.0027. Ширина волноводного канала составляет 10 мм, а высота - 0.406 мм, что соответствует одному из типовых размеров производителя. Металлизация структуры толщиной 35 мкм выполнена из меди, а канал сформирован из переходных отверстий диаметром 0.9 мм. Модель приведена на рис. 1.
Рис. 1. Модель SIW-волновода
Для сформированной модели выполнено электродинамическое моделирование с использованием демоверсии программного продукта CST Studio. Полученные результаты в виде частотных характеристик элементов матрицы рассеяния приведены на рис. 2.
Frequency(GHz)
Рис. 2. Частотные характеристики элементов матрицы рассеяния моделируемого SIW-волновода
Результаты моделирования показывают, что модель SIW-волновода обеспечивает канализацию электромагнитных волн с относительно малыми потерями, начиная с частоты среза 7.96 ГГц. Таким образом, на основе показанного на рис. 1 волновода вполне возможно формирование полосовых фильтров на рабочих частотах, превышающих 8 ГГц. Рассмотрим процедуру синтеза полосового фильтра на основе SIW-волновода.
Реализация диафрагм и расчет характеристик волноводных полосовых фильтров
В программном продукте CST Studio имеется интегрированный компонент, который позволяет рассчитывать характеристики волно-водных полосовых фильтров - Fest 3D. В процессе разработки требуется указать размеры волновода и требуемый диапазон частот, после чего программа определит оптимальное расположение диафрагм и их размеры. На основе реализованного в программном продукте метода вносимых потерь разработана модель с ее последующей оптимизацией для достижения требуемых значений частот среза фильтра. Заметим, что расчеты по умолчанию производятся для заполненного воздухом волновода, поэтому расчет характеристик заполненного диэлектриком волновода предполагает коррекцию скорости распространения электромагнитной волны с учетом характеристик диэлектрической среды:
^ _ с
где cmat - скорость распространения электромагнитной волны в среде с относительными диэлектрической и магнитной проницаемостя-ми среды £г^г; с - скорость света в вакууме.
С учетом сказанного сформированы два полосовых фильтра - на основе E- и H-
диафрагм с шириной канала 10 мм, соответствующего размерам SIW-структуры. Полученные модели фильтров показаны на рис. 3.
I
а)
5>Я
Щп
б)
Рис. 3. Конструкция полосовых фильтров на основе: а) Е-диафрагм; б) Н-диафрагм
Для полученных моделей производилось моделирование, имеющее цель расчет частотных характеристик и оценку полосы пропускания фильтров. Полученные результаты для заполненных воздухом фильтров приведены на рис. 4, а ожидаемые значения частот с учетом поправки на -3.55 = 1.88 отмечены пунктирной линией путем переноса графика на частоты ниже.
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Ргечиепсу(СНл)
а)
Рис. 4. Результаты моделирования полосовых фильтров для воздушных волноводов: а) Е-диафрагмы; б) Н-диафрагмы
10 11 12 13 14 15 16 17 13 19 20 21 22 23 24 25 Ргечиепеу(СНг)
б)
Рис. 4. Результаты моделирования полосовых фильтров для воздушных волноводов: а) Е-диафрагмы; б) Н-диафрагмы (продолжение)
Полученные результаты показывают, что использование сгенерированных конструкций фильтров позволяет обеспечить селекцию электромагнитных волн в узкой полосе частот. Полученные в результате моделирования показатели фильтров приведены в табл. 1.
Таблица 1
Характеристики фильтров
Параметр Е-диа( »рагмы И-диас )рагмы
Диэлектрик Воздух 1/V3TS5 Воздух 1/V3T55
Диапазон частот (8ц=-10 дБ), ГГц 19.9421.31 10.5811.31 20.0722.14 10.6511.75
Полоса пропускания, ГГц 1.37 0.73 2.07 1.1
Полоса пропускания, % 6.64 6.67 9.81 9.82
Полученные результаты показывают, что использование E-диафрагм приводит к формированию узкой полосы пропускания, с высоким затуханием вне полосы пропускания, а при использовании H-диафрагм удается обеспечить расширенный диапазон частот, но при этом имеет место сглаживание характеристик вне диапазона рабочих частот. Далее выполним проверку возможности реализации таких типов фильтров в SIW-исполнении.
Реализация SIW полосового фильтра
На основе рассмотренных выше моделей сформированы полосовые фильтры в SIW-волноводе, который показан на рис. 1. Полученные модели приведены на рис. 5.
оооооооооо
ооооооооо
о о о о с
8.2S mm
8.27 irr
оооооооос
а)
fi3
c>i~j:¡ 0 0 0 1:j— 0 8.71 mm . 8.91 mm
СГЭ ООО CID О О iooi
б)
Рис. 5. Конструкции SIW полосовых фильтров: а) Е-диафрагмы; б) Н-диафрагмы
В представленных конструкциях резонансные мембраны реализуются на основе замкнутых отверстий-вырезов и для минимизации потерь диэлектрика могут быть сформированы из переходных отверстий. Результаты моделирования SIW-фильтров в виде частотных характеристик элементов матрицы рассеяния показаны на рис. 6.
11 12 Frequency(GHz)
б)
Рис. б. Результаты моделирования сформированных конструкций полосовых фильтров: а) с E-; б) с H-диафрагмами
Полученные результаты свидетельствуют о том, что имеет место смещение рабочего диапазона частот и полосы пропускания, а из-за наличия потерь в диэлектрике и частично металлизированных боковых стенок возникают дополнительные потери в полосе пропускания. Показатели фильтров приведены в табл. 2.
Таблица 2 Характеристики SIW-фильтров
Характеристика E-диафрагмы H-диафрагмы
Диапазон частот (S11=-1Q дБ), ГГц 11.14-11.75 11.1Q-12.13
Полоса пропускания, ГГц Q.61 1.Q3
Полоса пропускания, % 5.33 8.87
Уменьшение полосы рабочих частот сопровождается сужением полосы пропускания. Для E-диафрагм смещение составило Q.56 ГГц (5 %), а для H-диафрагм - Q.45 ГГц (4%). При этом, несмотря на смещение, сохраняются основные особенности характеристик фильтров -более широкий диапазон рабочих частот для H-диафрагм и более резкое подавление вне диапазона частот для E-диафрагм. Заметим, что смещение вверх по частоте и уменьшение полосы пропускания фильтров можно скорректировать на стадии проектирования волноводных фильтров введением предыскажений указанных показателей [5].
Заключение
Проведенное исследование показывает, что формирование полосовых волноводных фильтров на основе резонансных полостей с E-и H-диафрагмами возможно и целесообразно в SIW-исполнении. При этом показатели диапазона рабочих частот можно относительно точно определить на основе метода электродинамического подобия путем коррекции скорости распространения волн в среде.
Литература
1. Овечкин В.С., Попов И.О. Варианты построения гофрированных волноводных фильтров // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2Q18. №4. С. 4558.
2. Hardiati S., Sulistyaningsih, Estu T.T. The design of waveguide band pass filter with double-irises structure for airport surveillance radar applications on S-band frequency // AIP Conference Proceedings. 2Q16. Vol. 1755. 7 p.
3. Пластиков А. Автоматизация процесса проектирования антенн и устройств СВЧ в современных про-
граммных комплексах электродинамического моделирования. Ч. 4: Волноводный фильтр на индуктивных диафрагмах // Современная электроника. 2012. № 7. С. 58-61.
4. Комаров В.В., Лукьянов М.А. Волноводные СВЧ-фильтры: технические решения, тенденции развития и методы расчета // Журнал радиоэлектроники. 2021. №1. 18 с.
5. Останков А.В., Нечаев А.С., Дашян С.Ю. Синтез фазированной антенной решетки с секторной диаграммой направленности // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2021. Т. 17. № 3. С. 7884
Поступила 30.10.2022; принята к публикации 15.02.2023 Информация об авторах
Деревянкин Сергей Игоревич - аспирант, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84); конструктор, АО «Концерн «Созвездие» (394018, Россия, г. Воронеж, ул. Плехановская, д. 14), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: derevyankin_sergej@bk.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8883-8446 Ищенко Евгений Алексеевич - аспирант, инженер, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: kursk1998@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5270-0792
Останков Александр Витальевич - д-р техн. наук, доцент, заведующий кафедрой радиотехники, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: avostankov@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2039-4081
Фёдоров Сергей Михайлович - канд. техн. наук, доцент кафедры радиоэлектронных устройств и систем, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84); доцент кафедры информационной безопасности и систем связи, Международный институт компьютерных технологий (394026, Россия, г. Воронеж, ул. Солнечная, д. 29 б), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9027-6163 Черноиваненко Игорь Александрович - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: chernoivanenko2000@mail.ru
IMPLEMENTATION OF BAND-PASS FILTERS BASED ON SIW
TECHNOLOGY
S.I. Derevyankin12, E.A. Ishchenko1, A.V. Ostankov1, S.M. Fyedorov1,3, I.A. Chernoivanenko1
'Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia 2JSC Concern Sozvezdie, Voronezh, Russia international Institute of Computer Technologies, Voronezh, Russia
Abstract: the article studies the possibility of forming a band-pass filter in SIW design based on E- and H-diaphragms. Formation of a bandpass filter is based on the principle of the appearance of resonant cavities in the wave-water channel. To form a bandpass filter, an SIW waveguide model with a critical frequency of 8 GHz was created, after which resonant cavities were formed in the channel using diaphragms. To determine the dimensions of the diaphragms, models of a rectangular waveguide with air filling and a range of operating frequencies increased by the root of the dielectric constant of the medium times were obtained. By applying the principles of electrodynamic similarity, estimated passband frequencies for the SIW filter were obtained. After the formation of the full SIW model of the band pass filter, it was found that it is possible to maintain high transmission in the passband and rejection in the stopband. The frequency shift from the target value obtained using the electrodynamic similarity method was about 0.5 GHz. The above results show that waveguide bandpass filters can be implemented in the SIW design, which allows for the selection of electromagnetic waves, which will expand the range of devices in which the use of SIW waveguides is possible
Key words: waveguide filter, SIW technology, band pass filter
References
1. Ovechkin V.S., Popov N.O. "Alternate Design of Corrugated Waveguide Filters", Herald of the Bauman MSTU, sec. Instrumentation (VestnikMGTUim. N.E. Baumana, seriya Priborostroyeniye), 2018, no. 4, pp. 45-58.
2. Hardiati S., Sulistyaningsih, Estu T.T. "The design of waveguide band pass filter with double-irises structure for airport surveillance radar applications on S-band frequency", AIP Conference Proceedings, 2016, vol. 1755, 7 p.
3. Plastikov A. "Automation of the process of designing antennas and microwave devices in modern software systems for electrodynamic modeling. Part 4. Waveguide filter on inductive diaphragms", Modern Electronics (Sovremennaya elektronika), 2012, no. 7, pp. 58-61.
4. Komarov V.V., Lukyanov M.A. "Waveguide microwave filters: technical solutions, development trends and calculation methods", Journal of Radioelectronics (Zhurnal radioelektroniki), 2021, no. 1, 18 p.
5. Ostankov, A.V., A.S. Nechaev, S.Yu. Dashyan. "Synthesis of a phased antenna array with a sector pattern", The Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2021, vol. 17, no. 3, pp. 78-84.
Submitted 30.10.2022; revised 15.02.2023 Information about authors
Sergey I Derevyankin, graduate student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia); designer, JSC Concern Sozvezdie (14 Plechanovskaya str., Voronezh 394018, Russia) tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: derevyankin_sergej@bk.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8883-8446
Evgeniy A. Ishchenko, graduate student, engineer, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: kursk1998@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5270-0792 Aleksandr V. Ostankov, Dr. Sc. (Technical), Associate Professor, Head of the Department of Radio Engineering, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya, Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: avostankov@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2039-4081
Sergey M. Fyedorov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), International Institute of Computer Technologies (29 b Solnechanya str., Voronezh 39026, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9027-6163
Igor A. Chernoivanenko, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: chernoivanenko2000@mail.ru
