диафрагмированные волноводные фильтры / bda6906b-e17d-4033-98a8-891501cdd624

Abstract

Microwave and millimeter-wave filters and diplexers are important components for channel selection and signal separation in many communication systems. Their electrical performances are crucial for the overall system design. Low-insertion loss, high return loss and high slope selectivity are simultaneously required for filters. Moreover, these filters should be compact, low-cost, mass-producible and tuning-free. Among the large variety of possible filter structures that potentially satisfy some or all of the above criteria, only few are really suitable for low-cost mass fabrication.

In this work, novel E-plane filters and diplexers based on cross-coupled resonators or over-moded cavities are presented. A highly flexible class of filter structures is introduced which are suitable for microwave and millimeter-wave applications as low-cost, mass-producible, high performance and compact components.

First, the Mode Matching Technique (MMT) coupled with the generalized scattering matrix analysis and the Coupled Integral Equations Technique (CIET) are presented and illustrated at di erent waveguide discontinuities. They are the most appropriate numerical techniques for the analysis of structures introduced in this work. A new procedure to cascade networks is introduced to the standard CIET. It allows the technique to perform the analysis of multiple and successive discontinuities in a modular fashion.

Low-cost and mass-producible folded E-plane filters with finite transmission zeros are presented. Source-load coupling and/or standard cross-coupling are introduced in the folded structure to generate finite transmission zeros. The filters based on E-plane and ridged waveguide technology exhibit pseudo-elliptic transfer functions with high slope selectivity. They are highly compact and much shorter than traditional E-plane filters. These filters can be fabricated by photolithographic or electro-deposition techniques with high accuracy and repeatability.

Then, novel, low-cost and high performance direct-coupled E-plane filters and iriscoupled filters are introduced. The new designs utilize over-moded cavities and also exhibit pseudo-elliptic transfer functions. These filters are suitable for low-cost mass-fabrication. The slope selectivity and the stopband of the filters are further improved by utilizing a combination of source-load coupling and over-moded cavities in the same filter.

Finally, new, compact millimeter-wave diplexers which employ cross-coupled E-plane filters and E-plane filters with over-moded cavities are presented. The resulting diplexers require fewer resonators than conventional E-plane diplexers to achieve comparable performance. Therefore, they exhibit lower insertion loss and are much shorter than the conventional designs. In addition, the manufacturing advantages known from E-plane technology are maintained.

i

Zusammenfassung

Mikrowellenund Millimeterwellenfilter und -diplexer sind in vielen Kommunikationssystemen wichtige Komponenten f¨ur die Kanalwahl und Signaltrennung. Ihre elektrischen Eigenschaften sind f¨ur den Entwurf des Gesamtsystems entscheidend. Es werden gleichzeitig niedrige Einf¨ugungsverluste, hohe Reflexionsd¨ampfung und hohe Flankensteilheit gefordert. Dar¨uber hinaus sollen die Filter kompakt, billig, massenproduzierbar und abstimmfrei sein. Unter der grossen Auswahl m¨oglicher Filterstrukturen, die einige oder alle der oben genannten Kriterien erf¨ullen, sind nur wenige wirklich f¨ur eine billige Massenfertigung geeignet.

In dieser Arbeit werden neuartige E-Plane Filter und Diplexer mit kreuzgekoppelten Resonatoren und dispersiven Stichleitungen vorgestellt. Eine vielseitig einsetzbare, kosten- g¨unstige, leistungsf¨ahige und kompakte Filterart wurde entworfen, die im Bereich der Mikround Millimeterwellen eingesetzt werden kann und sich f¨ur eine Massenproduktion eignet.

Im ersten Teil wird die Methode der Orthogonalreihenentwicklung (MMT) gekoppelt mit einer generalisierten Analyse der Streuparametermatrix sowie die gekoppelte Integralgleichungstechnik (CIET) anhand von mehreren Hohlleiterdiskontinuit¨aten illustriert. Diese numerischen Methoden sind am geeignetsten f¨ur die Analyse der vorgestellten Strukturen. Eine neue Methode der Kettenschaltung in der CIET wurde eingef¨uhrt. Diese erm¨oglicht in einem modularem Konzept die Analyse von mehrfach hintereinander geschalteten Diskontinuit¨aten.

Es werden kosteng¨unstige und f¨ur die Massenfertigung geeignete E-Plane Filter mit

¨ ¨

endlichen Ubertragungsnullstellen vorgestellt. Zur Erzeugung der Ubertragungsnullstellen wird eine Kopplung zwischen Eingang und Last sowie die standardm¨assige Kreuzkopplung verwendet. Die auf einer Kombination von E-Plane Filter und Steghohlleiter basierenden

¨

Filter weisen pseudoelliptische Ubertragungsfunktionen mit hoher Selektivit¨at auf. Diese Filter sind sehr kompakt und damit in der Bauform erheblich k¨urzer als herk¨ommliche E-Plane Filter. Mittels photolithografischer Methoden oder Elekrodepositionsverfahren lassen sie sich mit grosser Pr¨azision und hoher Wiederholgenauigkeit herstellen.

Weiterhin werden direkt gekoppelte E-Plane und blendengekoppelte Filter vorgestellt. Diese neuartigen Entwicklungen verwenden diskrete Stichleitungen sowie pseudoellipti-

¨

sche Ubertragungsfunktionen. Diese Filter k¨onnen sehr einfach kosteng¨unstig hergestellt werden. Sowohl Selektivit¨at als auch der Sperrbereich der Filter wurden durch Kopplung zwischen Einund Ausgang sowie diskrete Stichleitungen in derselben Struktur optimiert.

Schliesslich werden neuartige, kompakte Millimeterwellendiplexer pr¨asentiert, wobei kreuzgekoppelte E-Plane Filter sowie E-Plane Filter mit hochdispersiven Wellenleiterenden zum Einsatz kommen. Diese Diplexer kommen bei vergleichbaren Leistungsmerkmalen mit einer

ii