RU2821837C1 - Terahertz band-pass waveguide filter - Google Patents
Terahertz band-pass waveguide filter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2821837C1 RU2821837C1 RU2024112821A RU2024112821A RU2821837C1 RU 2821837 C1 RU2821837 C1 RU 2821837C1 RU 2024112821 A RU2024112821 A RU 2024112821A RU 2024112821 A RU2024112821 A RU 2024112821A RU 2821837 C1 RU2821837 C1 RU 2821837C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- waveguide
- rectangular waveguide
- section
- sections
- main
- Prior art date
Links
- 230000005520 electrodynamics Effects 0.000 claims abstract description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 abstract 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 abstract 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000005466 cherenkov radiation Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к технике СВЧ, а именно к субмиллиметровому диапазону длин волн, и может быть использовано в волноводных трактах для измерения частоты излучения мощных СВЧ-приборов, например релятивистских генераторов поверхностной волны (ГПВ) и мощных импульсных гиротронов, а также для подавления внеполосных паразитных колебаний. The invention relates to microwave technology, namely to the submillimeter wavelength range, and can be used in waveguide paths to measure the radiation frequency of powerful microwave devices, for example, relativistic surface wave generators (SWGs) and high-power pulsed gyrotrons, as well as to suppress out-of-band parasitic oscillations .
Известна конструкция волноводного полосно-пропускающего фильтра (CN 102856615 «Waveguide band-pass filter suitable for 380 – 390 GHz frequency range», МПК H01P1/208, H01P11/00, публ. 02.01.2013 г.), выполненного из диоксида кремния, покрытого золотом. Резонатор волновода состоит из входной секции, выходной секции и 3-7 резонансных полостей, расположенных между входной и выходной секциями. Длины резонансных полостей в центре фильтра больше, чем длины резонансных полостей, расположенных на входном и выходном краях фильтра. Ширины резонансных полостей в центре фильтра меньше, чем ширины резонансных полостей, расположенных на входном и выходном краях фильтра. Волноводный полосовой фильтр предназначен для работы в диапазоне частот 380 – 390 ГГц. Существенными недостатками данного фильтра являются малый рабочий диапазон частот (10 ГГц), низкая добротность и сложность изготовления данного устройства. The design of a waveguide band-pass filter is known (CN 102856615 “Waveguide band-pass filter suitable for 380 – 390 GHz frequency range”, IPC H01P1/208, H01P11/00, published 01/02/2013), made of silicon dioxide coated gold. The waveguide resonator consists of an input section, an output section and 3-7 resonant cavities located between the input and output sections. The lengths of the resonant cavities in the center of the filter are greater than the lengths of the resonant cavities located at the input and output edges of the filter. The widths of the resonant cavities in the center of the filter are smaller than the widths of the resonant cavities located at the input and output edges of the filter. The waveguide bandpass filter is designed to operate in the frequency range 380 – 390 GHz. Significant disadvantages of this filter are the small operating frequency range (10 GHz), low quality factor and complexity of manufacturing this device.
В качестве прототипа выбран полосно-пропускающий фильтр (US 11223095 «Waveguide filter», МПК H01P1/20, H01P1/208, H01P1/211, H01P1/213, публ. 11.01.2022 г.), обеспечивающий по сравнению с указанной выше конструкцией фильтра работу в более широком диапазоне рабочих частот. Фильтр реализован в K-band и W-band диапазонах частот. В W-band диапазоне фильтр состоит из двух резонансных диафрагм, шести заужений волновода стандартного сечения и трех вертикально установленных прямоугольных резонаторов. В K-band диапазоне конструкция фильтра основана на двух резонансных диафрагмах и трех прямоугольных резонаторах. Существенными недостатками данного фильтра являются низкая добротность, сложность изготовления данного устройства и работа в см и мм диапазонах. A bandpass filter (US 11223095 “Waveguide filter”, IPC H01P1/20, H01P1/208, H01P1/211, H01P1/213, published 01/11/2022) was selected as a prototype, which provides, compared to the above filter design, work in a wider range of operating frequencies. The filter is implemented in the K-band and W-band frequency ranges. In the W-band range, the filter consists of two resonant diaphragms, six narrowing waveguides of standard cross-section and three vertically mounted rectangular resonators. In the K-band band, the filter design is based on two resonant diaphragms and three rectangular resonators. The significant disadvantages of this filter are its low quality factor, the complexity of manufacturing this device, and operation in the cm and mm ranges.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является разработка полосно-пропускающего волноводного фильтра терагерцового диапазона, обеспечивающего наличие лишь одного рабочего резонанса в требуемой полосе частот и достаточно высокий коэффициент прохождения на резонансной частоте.The problem to be solved by this invention is the development of a bandpass waveguide filter in the terahertz range, ensuring the presence of only one operating resonance in the required frequency band and a sufficiently high transmission coefficient at the resonant frequency.
Технический результат достигается благодаря тому, что разработанный фильтр, так же, как и фильтр-прототип представляет собой резонансную систему, составленную из нескольких селективных элементов: отрезок прямоугольного волновода, соединенный с помощью каналов связи с двумя резонаторами. Характерные размеры всех элементов составляют порядка длины волны. Новым в разработанном фильтре является то, что электродинамические характеристики фильтра настраиваются с помощью параметров этих резонаторов и длины участка центрального волновода. Каждый резонатор имеет форму эллиптического цилиндра, основания которого расположены в плоскостях узких стенок основных отрезков прямоугольного волновода, при этом соотношение полуосей эллипса выбрано таким, что обеспечивается единственный резонанс в полосе пропускания. Длина центрального участка выбирается таким образом, чтобы в рабочей полосе частот присутствовал только один резонанс, соответствующий рабочей моде TE1,0,1. Причем последовательно расположенные первый основной отрезок прямоугольного волновода, первый резонатор, участок центрального волновода, второй резонатор и второй основной отрезок прямоугольного волновода имеют электродинамическую связь через зауженные отрезки прямоугольного волновода, ширина широкой стенки которых равна ширине широкой стенки основных отрезков прямоугольного волновода, а высота узкой стенки зауженных отрезков составляет не более 20% от высоты узкой стенки основных отрезков прямоугольного волновода. При этом все элементы устройства выполнены в виде полостей в общем металлическом корпусе фильтра. Корпус фильтра составлен из двух зеркально симметричных относительно плоскости, проходящей через середины широких стенок основных отрезов прямоугольного волновода, половин, соединенных резьбовыми и штифтовыми соединениями. The technical result is achieved due to the fact that the developed filter, just like the prototype filter, is a resonant system composed of several selective elements: a section of a rectangular waveguide connected via communication channels to two resonators. The characteristic dimensions of all elements are on the order of the wavelength. What is new in the developed filter is that the electrodynamic characteristics of the filter are adjusted using the parameters of these resonators and the length of the central waveguide section. Each resonator has the shape of an elliptical cylinder, the bases of which are located in the planes of the narrow walls of the main sections of the rectangular waveguide, and the ratio of the semi-axes of the ellipse is chosen such that a single resonance in the passband is ensured. The length of the central section is selected in such a way that there is only one resonance in the operating frequency band, corresponding to the operating mode TE 1,0,1. Moreover, the sequentially located first main section of the rectangular waveguide, the first resonator, the section of the central waveguide, the second resonator and the second main section of the rectangular waveguide have an electrodynamic connection through narrowed sections of the rectangular waveguide, the width of the wide wall of which is equal to the width of the wide wall of the main sections of the rectangular waveguide, and the height of the narrow wall narrowed sections is no more than 20% of the height of the narrow wall of the main sections of the rectangular waveguide. In this case, all elements of the device are made in the form of cavities in a common metal filter housing. The filter housing is composed of two halves, mirror-symmetrical relative to the plane passing through the middle of the wide walls of the main sections of the rectangular waveguide, connected by threaded and pin connections.
Изобретение поясняется следующими фигурами. The invention is illustrated by the following figures.
На фиг.1 представлена конструкция предлагаемого полосно-пропускающего волноводного фильтра. Figure 1 shows the design of the proposed bandpass waveguide filter.
На фиг.2 представлены распределения магнитного поля на боковой поверхности фильтра, полученные в рамках метода конечных элементов: а) структура поля на частоте резонанса, б) структура поля в полосе непропускания. Figure 2 shows the magnetic field distributions on the side surface of the filter obtained using the finite element method: a) field structure at the resonance frequency, b) field structure in the stopband.
На фиг.3 показаны результаты измерений частотных зависимостей: а) коэффициента прохождения T, б) коэффициента отражения R полосно-пропускающего фильтра.Figure 3 shows the results of measurements of frequency dependences: a) transmission coefficient T , b) reflection coefficient R of the bandpass filter.
Предлагаемый терагерцовый полосно-пропускающий волноводный фильтр (фиг.1) включает металлический корпус 1 с фланцами 2, представляющий собой две зеркально симметричные половины, соединенные резьбовыми и штифтовыми соединениями. В корпусе 1 фильтра выполнены полости, представляющие собой последовательно расположенные первый основной отрезок 3 прямоугольного волновода, первый резонатор 4 в форме эллиптического цилиндра, участок центрального волновода 5, второй резонатор 6, второй основной отрезок 7 прямоугольного волновода, соединенные зауженными отрезками 8 прямоугольного волновода. При этом каждый из резонаторов 4 и 6 имеет форму эллиптического цилиндра, основания которого расположены в плоскостях узких стенок основных отрезков 3 и 7 прямоугольного волновода, при этом соотношение полуосей эллипса выбрано таким, что в полосе пропускания обеспечивается единственный резонанс. Указанная система образует общий высокоселективный резонатор, состоящий из вышеперечисленных элементов. Длина центрального волновода 5 выбрана таким образом, чтобы обеспечить селективное возбуждение низшей моды общего резонатора. The proposed terahertz bandpass waveguide filter (Fig. 1) includes a metal housing 1 with flanges 2, which consists of two mirror-symmetrical halves connected by threaded and pin connections. In the filter housing 1 there are cavities consisting of a sequentially located first main section 3 of a rectangular waveguide, a first resonator 4 in the form of an elliptical cylinder, a section of the central waveguide 5, a second resonator 6, a second main section 7 of a rectangular waveguide, connected by narrowed sections 8 of a rectangular waveguide. In this case, each of the resonators 4 and 6 has the shape of an elliptical cylinder, the bases of which are located in the planes of the narrow walls of the main sections 3 and 7 of the rectangular waveguide, and the ratio of the semi-axes of the ellipse is chosen such that a single resonance is provided in the passband. This system forms a common highly selective resonator consisting of the above elements. The length of the central waveguide 5 is chosen in such a way as to ensure selective excitation of the lowest mode of the common resonator.
Принцип работы предлагаемого полосно-пропускающего волноводного фильтра можно пояснить следующим образом. The operating principle of the proposed bandpass waveguide filter can be explained as follows.
Ширина широкой стенки зауженных отрезков 8 равна ширине широкой стенки основных отрезков 3 и 7 прямоугольного волновода. Высота узкой стенки зауженных отрезков 8 составляет не более 20% от высоты узкой стенки основных отрезков 3 и 7 прямоугольных волноводов. The width of the wide wall of the narrowed sections 8 is equal to the width of the wide wall of the main sections 3 and 7 of the rectangular waveguide. The height of the narrow wall of the narrowed sections 8 is no more than 20% of the height of the narrow wall of the main sections 3 and 7 of rectangular waveguides.
Размер высоты
Длина центрального участка выбирается таким образом, чтобы в рабочей полосе частот присутствовал только один резонанс, соответствующий рабочей моде TE1,0,1.The length of the central section is selected in such a way that there is only one resonance in the operating frequency band, corresponding to the operating mode TE 1,0,1.
Разрабатываемый полосно-пропускающий волноводный фильтр терагерцового диапазона частот предназначен для проведения экспериментальных исследований спектральных характеристик генераторов различных типов. Например, для изучения механизмов селекции мод в черенковских источниках излучения, основанных на сверхразмерных электродинамических системах, необходимо проводить детальные исследования режимов генерации, в том числе с применением вышеуказанного фильтра. Подобные измерения также востребованы с целью определения модового состава излучения в импульсных коротковолновых гирорезонансных приборах. The developed bandpass waveguide filter for the terahertz frequency range is intended for experimental studies of the spectral characteristics of generators of various types. For example, to study mode selection mechanisms in Cherenkov radiation sources based on supersized electrodynamic systems, it is necessary to conduct detailed studies of generation modes, including using the above filter. Such measurements are also in demand for the purpose of determining the mode composition of radiation in pulsed short-wave gyroresonance devices.
Фиг.2 демонстрирует амплитудное распределение магнитного поля на боковой поверхности фильтра при решении стационарной задачи на основе метода конечных элементов. Возбуждение системы осуществлялось с помощью волноводного порта, расположенного на торце слева (см. фиг.2). Регистрация прошедшего сигнала осуществлялась ответным портом, расположенным справа на фиг.2. Как следует из фиг.2 а на резонансной частоте в рассматриваемой электродинамической системе поле в основном сосредоточено между двумя резонаторами в форме эллиптических цилиндров, что соответствует возбуждению рабочей объемной моды. Также на этом рисунке в областях первого и второго основных отрезков наблюдаются поля с меньшей интенсивностью, соответствующие прошедшим и отраженной волнам. Из фиг.2 б видно, что в полосе непропускания поле во втором основном отрезке почти отсутствует, а в первом представляет собой ярко выраженную стоячую волну, что свидетельствует о достаточно большом коэффициенте отражения. Figure 2 shows the amplitude distribution of the magnetic field on the side surface of the filter when solving a stationary problem based on the finite element method. The system was excited using a waveguide port located at the end on the left (see Fig. 2). Registration of the transmitted signal was carried out by the response port located on the right in Fig.2. As follows from Fig. 2a, at the resonant frequency in the electrodynamic system under consideration, the field is mainly concentrated between two resonators in the form of elliptical cylinders, which corresponds to the excitation of the working volumetric mode. Also in this figure, in the areas of the first and second main segments, fields with lower intensity are observed, corresponding to the transmitted and reflected waves. From Fig. 2 b it is clear that in the stopband the field in the second main segment is almost absent, and in the first it is a pronounced standing wave, which indicates a fairly large reflection coefficient.
Электродинамические характеристики разработанного терагерцового фильтра были исследованы экспериментально на панорамном источнике Agilent в частотном диапазоне 220 – 325 ГГц. Показано, что в этом диапазоне присутствует единственный резонанс, соответствующий возбуждению рабочей моды (см. фиг.3). Продемонстрировано хорошее соответствие результатов расчетов с экспериментальными данными, включая частоту пропускания 312 ГГц и величину подавления вне полосы пропускания менее 25 дБ. На фиг.3 синяя сплошная кривая соответствует экспериментальным данным, а красная пунктирная кривая соответствует 3D моделированию в рамках метода конечных элементов. The electrodynamic characteristics of the developed terahertz filter were studied experimentally on an Agilent panoramic source in the frequency range 220 – 325 GHz. It is shown that in this range there is a single resonance corresponding to the excitation of the operating mode (see Fig. 3). The calculation results show good agreement with experimental data, including a pass frequency of 312 GHz and an out-of-band suppression value of less than 25 dB. In Figure 3, the blue solid curve corresponds to the experimental data, and the red dashed curve corresponds to the 3D finite element simulation.
Таким образом, предлагаемый фильтр характеризуется наличием лишь одного резонанса в полосе пропускания в рабочем диапазоне частот, что достигается выбором характерных размеров устройства сопоставимых с длиной волны, малой величиной потерь на рабочей частоте, достаточно узкой полосой пропускания (порядка 0,25%) и высоким коэффициентом прохождения в полосе пропускания (порядка -4 дБ). Thus, the proposed filter is characterized by the presence of only one resonance in the passband in the operating frequency range, which is achieved by choosing the characteristic dimensions of the device comparable to the wavelength, low losses at the operating frequency, a fairly narrow passband (about 0.25%) and a high coefficient passage in the passband (about -4 dB).
Фильтр предназначен для диагностики излучения терагерцового диапазона частот. Система может быть изготовлена методами 3D печати, фрезерования на станке с ЧПУ, а также методом эрозии.The filter is designed for diagnosing radiation in the terahertz frequency range. The system can be manufactured using 3D printing, CNC milling, and erosion.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2821837C1 true RU2821837C1 (en) | 2024-06-26 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120256708A1 (en) * | 2010-01-29 | 2012-10-11 | Government Of The United States, As Represented By The Secretary Of The Air Force | Millimeter Wave Filter for Wireless Communications Systems |
| US8410873B2 (en) * | 2007-09-19 | 2013-04-02 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Dielectric resonator having a dielectric resonant element with two oppositely located notches for EH mode coupling |
| US8598970B2 (en) * | 2008-10-15 | 2013-12-03 | Com Dev International Ltd. | Dielectric resonator having a mounting flange attached at the bottom end of the resonator for thermal dissipation |
| CN113258234A (en) * | 2021-04-16 | 2021-08-13 | 深圳大学 | Resonant cavity waveguide filter |
| CN114430099A (en) * | 2022-01-20 | 2022-05-03 | 电子科技大学 | E-surface terahertz waveguide filter based on novel dual-mode resonant cavity |
| CN114497941A (en) * | 2022-04-18 | 2022-05-13 | 电子科技大学 | Terahertz waveguide filter based on dual-mode resonant cavity and design method thereof |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8410873B2 (en) * | 2007-09-19 | 2013-04-02 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Dielectric resonator having a dielectric resonant element with two oppositely located notches for EH mode coupling |
| US8598970B2 (en) * | 2008-10-15 | 2013-12-03 | Com Dev International Ltd. | Dielectric resonator having a mounting flange attached at the bottom end of the resonator for thermal dissipation |
| US20120256708A1 (en) * | 2010-01-29 | 2012-10-11 | Government Of The United States, As Represented By The Secretary Of The Air Force | Millimeter Wave Filter for Wireless Communications Systems |
| CN113258234A (en) * | 2021-04-16 | 2021-08-13 | 深圳大学 | Resonant cavity waveguide filter |
| CN114430099A (en) * | 2022-01-20 | 2022-05-03 | 电子科技大学 | E-surface terahertz waveguide filter based on novel dual-mode resonant cavity |
| CN114497941A (en) * | 2022-04-18 | 2022-05-13 | 电子科技大学 | Terahertz waveguide filter based on dual-mode resonant cavity and design method thereof |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Yang, Y., Yu, M., & Wu, Q. (2016). Advanced Synthesis Technique for Unified Extracted Pole Filters. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 64(12), 4463-4472. doi:10.1109/tmtt.2016.2623618. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wong et al. | Triple-mode dielectric resonator diplexer for base-station applications | |
| Papziner et al. | Field theoretical computer-aided design of rectangular and circular iris coupled rectangular or circular waveguide cavity filters | |
| Rhodes | The generalized direct-coupled cavity linear phase filter | |
| Avrillon et al. | Dual-band power divider based on semiloop stepped-impedance resonators | |
| US7746190B2 (en) | Polarization-preserving waveguide filter and transformer | |
| US9184484B2 (en) | Forward coupled directional coupler | |
| EP0423114A1 (en) | Microwave multiplexer with multimode filter. | |
| KR100401964B1 (en) | Filter, multiplexer, and communication apparatus | |
| RU2821837C1 (en) | Terahertz band-pass waveguide filter | |
| Matthaei et al. | A study of the filter properties of single and parallel-coupled dielectric-waveguide gratings | |
| Baillargear et al. | CAD applying the finite-element method for dielectric-resonator filters | |
| JP2020022078A (en) | Band pass filter and high-frequency device including the same | |
| Alessandri et al. | Theoretical and experimental characterization of nonsymmetrically shielded coplanar waveguides for millimeter-wave circuits | |
| Kim et al. | Partial $ H $-Plane Filters With Multiple Transmission Zeros | |
| Krutiev et al. | Narrow-Band Waveguide Filter on Complex Resonant Diaphragms | |
| KR100358970B1 (en) | Mode Converter | |
| Miri et al. | A millimeter-wave high selective lowpass filter in suspended stripline technology | |
| RU2696817C1 (en) | Tunable band-close waveguide filter | |
| RU2814853C1 (en) | Terahertz band-stop waveguide filter | |
| Her et al. | Dual‐mode and three‐transmission‐zeros bandstop filters with closed‐loop ring resonators | |
| Marcatili | A channel-dropping filter in the millimeter region using circular electric modes | |
| RU2806696C1 (en) | Waveguide ultranarrow microwave filter | |
| JP2004289755A (en) | High frequency filter adjustment method, high frequency filter manufacturing method, and high frequency filter | |
| US6630873B2 (en) | Magnetostatic wave filter | |
| Zhang et al. | A D-band extracted pole waveguide bandpass filter based on TE202 and TE301 resonator |