Modeling of systems and processes Modeling of systems and processes Моделирование систем и процессов 2219-0767 84389 10.12737/2219-0767-2024-17-2-43-50 Технические науки Технические науки Modeling and optimization of the design of a bandpass filter based on a coaxial resonator Моделирование и оптимизация конструкции полосового фильтра на основе коаксиального резонатора Зольников Константин Владимирович Zolnikov Konstantin Vladimirovich Ачкасов Дмитрий Александрович Achkasov Dmitriy Aleksandrovich dmitriyachkasov@mail.ru Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова Россия Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov Russian Federation Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov 28 06 2024 28 06 2024 17 2 43 50 25 04 2024 03 06 2024 https://naukaru.ru/en/nauka/article/84389/view

При разработке радиоприемников в СВЧ диапазоне перед инженерами встаёт задача создания фильтрующих цепей с достаточно высокой избирательностью. Дискретные радиоэлементы не обладают достаточной добротностью для построения таких фильтров, поэтому для решения такой задачи используют объемные электромагнитные резонаторы, в частности вакуумные коаксиальные резонаторы. В данной работе проведен обзор существующих методик. Так же рассмотрены основные факторы, влияющие на поведение электромагнитного поля в фильтрах, построенных на основе коаксиальных объемных резонаторов, проведено моделирование подобного фильтра в S-диапазоне волн, указаны основные рекомендации и соотношения, применяемые при его проектировании. Как показывает практика, точная оценка параметров сложных СВЧ структур может быть произведена только методами численного моделирования на ЭВМ, однако подобные расчеты занимают много времени, если проводить их без всяких предварительных оценок, особенно если речь идёт о создании фильтра высокого порядка с числом звеньев 4 и выше. В то же время, методика расчета фильтров, изложенная в данной статье, позволяет найти оценочные параметры фильтра, дальнейшую оптимизацию которых целесообразно проводить с использованием численных методов. Описанный подход позволяет существенно сократить время разработки и быстро подобрать необходимые для хорошего электрического согласования геометрические параметры.

When developing radio receivers in the microwave range, engineers are faced with the task of creating filter circuits with sufficiently high selectivity. Discrete radio elements do not have a sufficient quality factor to construct such filters, therefore, to solve this problem, volumetric electromagnetic resonators are used, in particular vacuum coaxial resonators. This paper provides a review of existing techniques. The main factors influencing the behavior of the electromagnetic field in filters built on the basis of coaxial cavity resonators are also considered, a simulation of such a filter in the S-wave range is carried out, and the main recommendations and relationships used in its design are indicated. As practice shows, an accurate assessment of the parameters of complex microwave structures can only be made using computer numerical modeling methods, however, such calculations take a lot of time if carried out without any preliminary estimates, especially if we are talking about creating a high-order filter with a number of links of 4 or more. At the same time, the method for calculating filters outlined in this article makes it possible to find estimated filter parameters, the further optimization of which is advisable to carry out using numerical methods. The described approach allows us to significantly reduce development time and quickly select the geometric parameters necessary for good electrical matching.

 СВЧ полосовые фильтры объемный резонатор коаксиальный резонатор электродинамика Microwave bandpass filters volumetric resonator coaxial resonator electrodynamics

Самохин, С.А. Малогабаритный опорный СВЧ-генератор на коаксиальном резонаторе // Электронная техника. Серия 1: СВЧ-техника. – 2019. – № 2. – С. 58-66. Samohin, S.A. Malogabaritnyy opornyy SVCh-generator na koaksial'nom rezonatore // Elektronnaya tehnika. Seriya 1: SVCh-tehnika. – 2019. – № 2. – S. 58-66. Светлаков, Ю.А. Математическое моделирование в проектировании и технологии фильтров СВЧ на коаксиальных керамических резонаторах / Ю.А. Светлаков // Антенны. – 2016. – № 1. – С. 8-17. Svetlakov, Yu.A. Matematicheskoe modelirovanie v proektirovanii i tehnologii fil'trov SVCh na koaksial'nyh keramicheskih rezonatorah / Yu.A. Svetlakov // Antenny. – 2016. – № 1. – S. 8-17. Design and Realization of Bent Y-Shaped Ceramic Dual-Mode Resonators and Filters / D. Miek [et al.] // 2022 24th International Microwave and Radar Conference (MIKON). – 2022. – Pp. 1-6. – DOI: 10.23919/MIKON54314.2022.9924827. Design and Realization of Bent Y-Shaped Ceramic Dual-Mode Resonators and Filters / D. Miek [et al.] // 2022 24th International Microwave and Radar Conference (MIKON). – 2022. – Pp. 1-6. – DOI: 10.23919/MIKON54314.2022.9924827. Елизаров, А.А. Электродинамический анализ коаксиального резонатора на основе коаксиальной ребристой линии / А.А. Елизаров // Телекоммуникации и транспорт. – 2012. – Т. 6, № 10. – С. 54-55. Elizarov, A.A. Elektrodinamicheskiy analiz koaksial'nogo rezonatora na osnove koaksial'noy rebristoy linii / A.A. Elizarov // Telekommunikacii i transport. – 2012. – T. 6, № 10. – S. 54-55. Гольдштейн, Л. Д. Электромагнитные поля и волны / Л. Д. Гольдштейн. – М.: Советское радио, 1971. – 664 с. Gol'dshteyn, L. D. Elektromagnitnye polya i volny / L. D. Gol'dshteyn. – M.: Sovetskoe radio, 1971. – 664 s. Кузнецов, Ю. Связанные колебательные контуры / Ю. Кузнецов // ООП физического факультета МГУ, 2013. – 19 с. Kuznecov, Yu. Svyazannye kolebatel'nye kontury / Yu. Kuznecov // OOP fizicheskogo fakul'teta MGU, 2013. – 19 s. Тюрнев, В.В. Теория цепей СВЧ / В.В. Тюрнев // ИПЦ КГТУ, 2003. – 194 с. Tyurnev, V.V. Teoriya cepey SVCh / V.V. Tyurnev // IPC KGTU, 2003. – 194 s. Орлов, С.И. Расчет и конструирование коаксиальных резонаторов / С.И. Орлов. – М.: Советское радио, 1970. – 130 с. Orlov, S.I. Raschet i konstruirovanie koaksial'nyh rezonatorov / S.I. Orlov. – M.: Sovetskoe radio, 1970. – 130 s. Маттей, Д.Л. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи / Д.Л. Маттей. – М.: Связь, 1971. – 222 с. Mattey, D.L. Fil'try SVCh, soglasuyuschie cepi i cepi svyazi / D.L. Mattey. – M.: Svyaz', 1971. – 222 s. Corner rounding for increased quality factor of cavity resonators / M. Höft, T. Magath, O. Bartz, S. Burger // Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings. – 2005. – 10 с. – DOI: 10.1109/APMC.2005.1606272. Corner rounding for increased quality factor of cavity resonators / M. Höft, T. Magath, O. Bartz, S. Burger // Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings. – 2005. – 10 s. – DOI: 10.1109/APMC.2005.1606272. Höft, M. Q-factor improvement of combline resonators / M. Höft, S. Burger // Communications Laboratory of European Technology Center. – 2005. – 4 p. – DOI: 10.1109/EUMC.2005.1608949. Höft, M. Q-factor improvement of combline resonators / M. Höft, S. Burger // Communications Laboratory of European Technology Center. – 2005. – 4 p. – DOI: 10.1109/EUMC.2005.1608949. Egorov, V.N. New approach to calculating a double coaxial resonator with a shortening capacitance. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii / V.N. Egorov, T. Quang // Fizika. – 2021. – Pp. 164-169. – DOI: 10.17223/00213411/64/6/164. Egorov, V.N. New approach to calculating a double coaxial resonator with a shortening capacitance. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii / V.N. Egorov, T. Quang // Fizika. – 2021. – Pp. 164-169. – DOI: 10.17223/00213411/64/6/164. Бушанский, С.К. Конечно-элементный анализ прямоугольных резонаторов с металлическими включениями / С.К. Бушанский, В.В. Комаров, А.О. Чуркин // САПР и моделирование в современной электронике: сб. науч. тр. 3-й Международной научно-практической. конференции. – Брянск, 2019. – С. 17-19. Bushanskiy, S.K. Konechno-elementnyy analiz pryamougol'nyh rezonatorov s metallicheskimi vklyucheniyami / S.K. Bushanskiy, V.V. Komarov, A.O. Churkin // SAPR i modelirovanie v sovremennoy elektronike: sb. nauch. tr. 3-y Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy. konferencii. – Bryansk, 2019. – S. 17-19. Легкий, Т.Н. Оптимизация характеристик полосовых радиочастотных фильтров / Т.Н. Легкий, Х.З. Выонг // Научно-технический вестник Поволжья. – 2022. – № 12. – С. 246-249. Legkiy, T.N. Optimizaciya harakteristik polosovyh radiochastotnyh fil'trov / T.N. Legkiy, H.Z. Vyong // Nauchno-tehnicheskiy vestnik Povolzh'ya. – 2022. – № 12. – S. 246-249. Смирнов, А.В. Многокритериальная оптимизация характеристик полосовых фильтров с применением эвристического алгоритма / А.В. Смирнов // Моделирование, оптимизация и информационные технологии. – 2019. – Т. 7, № 1. – С. 115-126. Smirnov, A.V. Mnogokriterial'naya optimizaciya harakteristik polosovyh fil'trov s primeneniem evristicheskogo algoritma / A.V. Smirnov // Modelirovanie, optimizaciya i informacionnye tehnologii. – 2019. – T. 7, № 1. – S. 115-126. Комаров, В.В. Волноводные СВЧ-фильтры: технические решения, тенденции развития и методы расчета / В.В. Комаров, М.А. Лукьянов // Журнал радиоэлектроники. – 2021. – № 1. – С. 1-18. Komarov, V.V. Volnovodnye SVCh-fil'try: tehnicheskie resheniya, tendencii razvitiya i metody rascheta / V.V. Komarov, M.A. Luk'yanov // Zhurnal radioelektroniki. – 2021. – № 1. – S. 1-18. Фильтрация помех при приеме радиоволн / С.Ф. Баландин, В.Ф. Мышкин, В.А. Хан, И.И. Павлов // Вестник связи. – 2020. – № 11. – С. 4-7. Fil'traciya pomeh pri prieme radiovoln / S.F. Balandin, V.F. Myshkin, V.A. Han, I.I. Pavlov // Vestnik svyazi. – 2020. – № 11. – S. 4-7. Комаров, В.В. Добротность концентрических резонаторов / В.В. Комаров, С.К. Бушанский // Радиотехника. – 2019. – Т.83, № 7(10). – С. 32-37. Komarov, V.V. Dobrotnost' koncentricheskih rezonatorov / V.V. Komarov, S.K. Bushanskiy // Radiotehnika. – 2019. – T.83, № 7(10). – S. 32-37. Комаров, В.В. Исследование полосовых фильтров К-диапазона на прямоугольных концентрических резонаторах / В.В. Комаров, С.К. Бушанский // Известия ВУЗов России. Радиоэлектроника. – 2020. – Т.23, № 1. – С. 63-69. Komarov, V.V. Issledovanie polosovyh fil'trov K-diapazona na pryamougol'nyh koncentricheskih rezonatorah / V.V. Komarov, S.K. Bushanskiy // Izvestiya VUZov Rossii. Radioelektronika. – 2020. – T.23, № 1. – S. 63-69. Dielectric TM Dual-Mode Filters with Y-shape / D. Miek, P. Boe, F. Kamrath, M. Höft. // International Microwave Filter Workshop. – 2021. – Pp. 69-72. – DOI: 10.1109/IMFW49589.2021.9642323. Dielectric TM Dual-Mode Filters with Y-shape / D. Miek, P. Boe, F. Kamrath, M. Höft. // International Microwave Filter Workshop. – 2021. – Pp. 69-72. – DOI: 10.1109/IMFW49589.2021.9642323. Compact WR-3 Filter with Improved Rejection Properties by Double Source-Load Cross-Coupling / D. Miek [et al.] // 15th German Microwave Conference. – 2024. – Pp. 213-216. – DOI: 10.23919/GeMiC59120.2024.10485289. Compact WR-3 Filter with Improved Rejection Properties by Double Source-Load Cross-Coupling / D. Miek [et al.] // 15th German Microwave Conference. – 2024. – Pp. 213-216. – DOI: 10.23919/GeMiC59120.2024.10485289. Widaa, A. Reconfigurable TM-Mode Dielectric Bandpass Filter Using Liquid Metals / A. Widaa, F. Kamrath, M. Höft // IEEE International Microwave Filter Workshop 2024. – Pp. 173-175. – DOI: 10.1109/IMFW59690.2024.10477112. Widaa, A. Reconfigurable TM-Mode Dielectric Bandpass Filter Using Liquid Metals / A. Widaa, F. Kamrath, M. Höft // IEEE International Microwave Filter Workshop 2024. – Pp. 173-175. – DOI: 10.1109/IMFW59690.2024.10477112. Höft, M. Additive Manufactured Dual-Mode X-Shaped Filter Realized by High-Permittivity Ceramics / M. Höft, D. Miek // 15th German Microwave Conference. – 2024. – DOI: 10.23919/GeMiC59120.2024.10485331. Höft, M. Additive Manufactured Dual-Mode X-Shaped Filter Realized by High-Permittivity Ceramics / M. Höft, D. Miek // 15th German Microwave Conference. – 2024. – DOI: 10.23919/GeMiC59120.2024.10485331. Tunable Coaxial Resonator Filter based on Posts with Rectangular Bars / F. Kamrath [et al.] // IEEE International Microwave Filter Workshop. – 2024. – Pp. 9-11. – DOI: 10.1109/IMFW59690.2024.10477162. Tunable Coaxial Resonator Filter based on Posts with Rectangular Bars / F. Kamrath [et al.] // IEEE International Microwave Filter Workshop. – 2024. – Pp. 9-11. – DOI: 10.1109/IMFW59690.2024.10477162.