Våffeljärnsfilter
Ett våffeljärnsfilter är en typ av vågledarfilter som används vid mikrovågsfrekvenser för signalfiltrering . Det är en variant av det korrugerade vågledarfiltret men med längsgående slitsar genomskurna korrugeringarna, vilket resulterar i en inre struktur som ser ut som ett våffeljärn .
Våffeljärnsfilter är särskilt lämpliga där både ett brett passband och ett brett stoppband fritt från falska överföringslägen krävs. De har också en hög effekthanteringsförmåga. Tillämpningar inkluderar undertryckning av den harmoniska utsignalen från sändare och design av bredbandsdiplexer . De används också i industriella mikrovågstillverkningsprocesser för att förhindra att mikrovågsstrålning läcker ut från mikrovågskammaren. Filter med en analog design dyker nu upp i fotonik , men på grund av den högre frekvensen i mycket mindre skala. Denna lilla storlek gör att de kan integreras i integrerade kretsar .
Designtekniker för våffeljärnsfilter inkluderar bildparametermetoder , nätverkssyntesmetoder och numeriska analysmetoder . Nätverkssyntes är en mer avancerad metod än bildparametertekniker, men den senare kan fortfarande användas där en enkel design med upprepat mönster önskas. Numeriska metoder kan användas för att analysera båda designerna.
Beskrivning
Våffeljärnsfiltret uppfanns av Seymour B. Cohn vid Stanford Research Institute 1957. Grunden för filtret är vågledarfiltret . Detta består av en serie åsar, eller korrugeringar, över filtrets bredd. Det finns korrugeringar inuti vågledaren på både över- och underytan. De stigande och nedåtgående åsarna är i linje med varandra men möts inte på mitten; det finns en lucka däremellan. I våffeljärnsfiltret finns dessutom slitsar som skär genom åsarna längs med vågledaren. Detta lämnar en matris av fyrkantiga öar, eller tänder, på de övre och nedre ytorna.
Våffeljärnsfilter är i huvudsak lågpassfilter men som alla vågledarenheter kommer inte att sända något under vågledarens gränsfrekvens . Våffeljärnsfilter används där både ett brett passband med låg insättningsförlust och ett brett (ibland mycket brett) stoppband behövs. De är särskilt bra där undertryckning av falska lägen krävs.
Våffeljärnsfilter har byggts med ett 10 GHz brett stoppband och 60 dB dämpning. Även bredare stoppband är möjliga med en avslappnad dämpningsspecifikation.
Drift
En av prestandaproblemen som våffeljärnsfiltret tar upp är att i många vågledarfilter är dämpningen beroende av överföringsmoden för den infallande signalen och vissa filter kan vara ganska dåliga på att undertrycka falska moder som kan finnas i denna signal. Till exempel, med det korrugerade vågledarfiltret, på vilket våffeljärnsfiltret är baserat, är dämpningen av TEn - moder 0 i stoppbandet starkt beroende av modnumret. Detta är inte fallet med våffeljärnsfiltret som dämpar alla TE n- 0 lägen nästan lika upp till en viss frekvens. Gränsen är den frekvens vid vilken avståndet mellan metalltänderna är större än halva frirummets våglängd för signalen. Anledningen till våffeljärnskonstruktionens goda prestanda i detta avseende är att avståndet mellan tänderna är detsamma i både längsgående och tvärgående riktningar och nästan lika i alla riktningar däremellan. Detta gör våffeljärnet nästan isotropiskt för TEM-vågor i alla dessa riktningar. Eftersom vilken TEn - 0 modvåg som helst kan brytas upp i två TEM-modvågor som rör sig i olika diagonala riktningar, påverkas alla TEn-moder nästan lika . 0
Incidentsignaler som innehåller TM-moder över en viss frekvens kan generera moder som utbreder sig längs de längsgående slitsarna med själva slitsarna som vågledare. Den punkt vid vilken detta kan börja hända är den frekvens vid vilken höjden på luckan är större än halva frirummets våglängd för signalen. Om denna frekvens ligger över det erforderliga stoppbandet för filtret har effekten ingen betydelse. Annars behövs steg utanför filtret för att undertrycka dessa lägen och kan inkorporeras i de slutmatchande sektionerna.
Andra designkriterier kommer vanligtvis att resultera i ett filter som inte matchar de vågledare som det ska anslutas till vid dess ingång och utgång. Det finns många strukturer som kan användas för matchning, men en användbar här är den stegvisa impedanstransformatorn som har den extra fördelen att hjälpa till att undertrycka de oönskade kortplatserna.
Ansökningar
En vanlig tillämpning av våffeljärnsfilter är att ta bort övertonerna från sändare, såsom högeffektradar, innan de appliceras på antennen . Lagstiftningen i de flesta jurisdiktioner kräver strikta gränser för sändningar utanför bandet eftersom dessa kan orsaka allvarliga störningar på andra stationer. Detta är en applikation som vanligtvis kräver ett mycket brett stoppband, en egenskap hos våffeljärnsfilter. Till exempel, för att ta bort alla övertoner upp till den femte är det nödvändigt att ett lågpassfilter har ett stoppband som är större än tre gånger passbandet.
Den bredbandiga karaktären hos våffeljärnsfilter kan användas i satellitkommunikation. En satellitjordstation kan ha flera diplexorer anslutna till en flerbandsantennmatare . Varje diplexer levererar en bredbandssignal i ett annat band och det är viktigt att dess signal inte innehåller komponenter utanför bandet, särskilt övertoner. Dessa kan allvarligt störa eller till och med stoppa kommunikationen i ett annat band. Diplexern måste därför ha ett stoppband som är ännu bredare än passbandet. Av denna anledning, såväl som de andra fördelarna med våffeljärn, tillverkas dessa diplexorer vanligtvis till en våffeljärnsdesign.
Våffeljärnsfilter används i industriella mikrovågsprocesser. De många industriella tillämpningarna av mikrovågsenergi inkluderar torkning av livsmedelsprodukter och industriella filmer, uppvärmning, såsom vid produktion av polyuretanskum, smältning, rendering , sterilisering och vulkanisering . Vid högvolymproduktion är processen kontinuerligt nödvändig, vilket kräver öppningar till mikrovågskammaren där produkten kan matas in och ut. Åtgärder måste vidtas för att förhindra att osäkra nivåer av mikrovågsstrålning läcker ut från dessa öppningar som ofta är stora för att rymma produkten. Det är vanligt att fodra produktmatningskanalerna med mikrovågsabsorberande material för detta ändamål. De absorberade mikrovågorna har dock en värmande effekt och denna kan vara tillräckligt allvarlig för att skada det absorberande materialet. Våffeljärnsfilter är ett användbart alternativ eftersom produkten kan passera mellan filtrets tänder. Ett idealiskt filter kommer att reflektera all oönskad strålning snarare än att absorbera den så kommer inte att drabbas av överhettning. Detta är ett exempel på ett filter som används i en chokeapplikation . I vissa processer används båda teknikerna samtidigt. Våffeljärnet placeras närmast mikrovågskammaren för att först reducera energin till en nivå som inte får det absorberande fodret att överhettas. Det absorberande fodret tar sedan bort de små resterna.
Design
Antalet tänder, deras storlek och gapet mellan dem är alla designparametrar som kan användas för att styra designen av filtret. Som ett exempel kan ett filter med ett 3:1 stoppband ha fem tänder över vågledarens bredd. Antalet tandrader längs med vågledaren påverkar primärt stoppbandsdämpningen. Ju fler rader av tänder, desto bättre dämpning, varje rad är ekvivalent med en kretsfiltersektion med klumpar . Ett filter med tio rader tänder har ett teoretiskt stoppbandsavslag på cirka 80 dB och ett med sju rader runt 60 dB .
De tidigaste våffeljärnsfiltren designades med bildparametermetoden för filterdesign. Cohns ursprungliga data för det korrugerade filtret kunde också appliceras på våffeljärnet med endast en liten justering av en parameter. Ett alternativt tillvägagångssätt för att använda Cohns empiriska data, men fortfarande en bildparameterdesign, beror på Marcuvitz som använde en vågledare T-korsning ekvivalent krets för att representera korrugeringar och denna metod utökades senare av andra till våffeljärn.
En av de största nackdelarna med bildparameterdesignmetoden i detta, liksom i andra, filter är att impedansmatchningen vid avslutningarna inte är bra. Detta kräver vanligtvis att impedansmatchande sektioner tillhandahålls vid ingången och utgången. Dessa har vanligtvis formen av flerdelade stegimpedanstransformatorer. Dessa ökar avsevärt filtrets totala längd. En liten förbättring av matchningen kan göras genom att starta och avsluta filtret på ett halvt mellanrum istället för en hel tand eller mellanrum. Den klumpade kretsen som motsvarar detta är T-halvsektioner som avslutar filtret i vardera änden. Att börja och sluta på en halvtand istället för ett halvt mellanrum motsvarar Π-halvsektioner.
Direkt syntes undviker många av problemen med bildparametermetoden. Det tar inte bara bättre hänsyn till terminalimpedanserna utan designern har ytterligare frihetsgrader som tillåter förbättrad matchning. Storleken och mellanrummen på tänderna är avsmalnande i denna designmetod. Det vill säga att tänderna kan vara olika stora beroende på deras placering i filtret, jämfört med en bilddesign där alla sektioner är identiska. Med detta tillvägagångssätt kan den ursprungliga specifikationen för passband och stoppband behållas samtidigt som impedansmatchningen förbättras. De stegvisa impedanstransformatorerna kan undvaras, eller åtminstone reduceras avsevärt i storlek.
Syntesmetoder möjliggör bättre kontroll av det exakta filtersvaret. En vanlig svarsfunktion som används av filterdesigners är Chebyshev-filtret som byter branthet i övergångsbandet mot passbandsrippel . Chebyshev-svaret är dock inte alltid det bästa valet för våffeljärnsfilter. Lågpassvågledarfilter skickar inte frekvenser ända ner till noll på grund av vågledaravskärningseffekten. Ett bättre val är Achieser-Zolotarev-filtret . Detta filter är baserat på Zolotarev-polynom (som inkluderar Chebyshev-polynomen som ett specialfall) upptäckt av Yegor Ivanovich Zolotarev . Zolotarev-svaret har ett stoppband vid låg frekvens, vars cutoff kan styras av designern så att det inte är skadligt i ett vågledarfilter. Fördelen med Zolotarev-svaret är att det resulterar i ett filter med bättre impedansmatchning mot de anslutande vågledarna jämfört med Chebyshev-filtret eller bildparameterfilter.
En annan designmetod, särskilt lämplig för CAD eftersom det är en numerisk metod , är att dekomponera filtret i ett antal finita element . Dessa element är ett stort antal enkla steg och åsar. Det finns ett antal metoder för att analysera de enskilda elementen. Modmatchningstekniken expanderar elementets fältekvationer till en serie egenfunktioner och matchar sedan för varje mod fältet vid gränssnittet mellan elementen. Galerkin -metoden expanderar fältekvationerna till polynomfunktioner som Gegenbauer-polynom eller Chebyshev-polynom. Dessa metoder kan blandas efter vad som är lämpligt för en viss typ av element. Vilken analysmetod som än används är den slutliga utmatningen som behövs spridningsparametrarnas matris för varje element. Det övergripande filtersvaret hittas sedan från den kombinerade spridningsmatrisen för alla de individuella elementmatriserna. Denna metod är analytisk snarare än syntetisk, det vill säga en försöksdesign måste först existera för att kunna analyseras till skillnad från syntesmetoder där utgångspunkten är en föreskriven överföringsfunktion från vilken en design syntetiseras.
TE 0 n- lägen bör i teorin inte exciteras i våffeljärnsfiltret på grund av dess vertikala symmetri kring mittlinjen. Men i praktiken kan de orsakas av dåligt matchande vågledarflänsar eller felinriktade tänder. Dessa falska lägen kan undertryckas genom att montera tunna trådar över filtrets bredd i utrymmet mellan tänderna på vågledarens vertikala mittlinje. Detta kan vara en bättre lösning än att överkonstruera komponenterna till hög precision och resulterar i en mer robust design.
Flera enhetsfilter
Mycket breda stoppband kan uppnås genom att sammanfoga flera våffeljärnsfilterenheter. Varje enhet är designad för ett stoppband i olika, men överlappande, intervall. Filtret med det högsta frekvensstoppbandet har det minsta och största antalet tänder. Enheterna är sammankopplade med λ/4 impedanstransformatorsektioner av vågledaren i ordningsföljd för successivt högre frekvensdrift. Eftersom impedanstransformatorerna arbetar med olika frekvenser är de som är anslutna till enheterna med minsta tänder kortare än de som är anslutna till enheter med större tänder. Matthaei ger ett exempel på ett våffeljärnsfilter med tre enheter som är utformat för att stoppa alla övertoner i passbandet från det andra till det tionde – ett kombinerat stoppband på 2,2 GHz till 13,7 GHz med ett avslag på 60 dB .
Med hjälp av nätverkssyntesdesigntekniker kan behovet av flera enheter reduceras eller elimineras. Om avsmalning av tänderna tillåts kan en tvåenhetsdesign ofta reduceras till en enda enhet med samma breda stoppband. Detta tillvägagångssätt kan halvera längden på hela filtret.
Hög kraft
Vid hög effekt kan ljusbågar uppstå i hörnen på filtertänderna på grund av starka elektriska fält i skarpa hörn. Detta begränsar filtrets effekthanteringsförmåga. Effekten kan mildras genom att runda kanterna på tänderna. Helt cirkulära tänder är bäst av allt för krafthantering. Cirkulära tänder klarar cirka 1,4 gånger kraftkapaciteten hos fyrkantiga tänder utan bågbildning. Matthaei beskriver till exempel ett 1,2–1,64 GHz passbandsfilter med rundade tänder och ett brett stoppband med en effekthanteringsförmåga på 1,4 MW . Ett liknande filter med cirkulära tänder klarar däremot 2 MW . Att använda effektdelare för att parallellkoppla filter och sedan kombinera deras utgångar kan ge ännu bättre effekthantering.
Fotonik
Filterstrukturer som är analoga med våffeljärnsfiltret används inom fotonik men arbetar med en mycket högre frekvens och är mycket mindre än de som används inom elektronik. Liksom våffeljärnet har dessa strukturer bra undertryckande av oönskade överföringslägen. Ett filter som arbetar i 0,1 till 4,0 THz- bandet har byggts med hjälp av parallellplattvågledarteknik (PPWG) med 50 dB avvisning i stoppbandet. Filtret var konstruerat av två plattor av högpolerat aluminium med ett avstånd på 100 μm från varandra. Tänderna bestod av guldförstoftade aluminiumcylindrar på en kiselform . I denna design är det inte bekvämt att tillhandahålla ett mellanrum genom mitten av tänderna som görs i mikrovågsversionen. Istället är luftgapet anordnat mellan toppen av tänderna och en av PPWG-plattorna.
standardtillverkningstekniker för halvledarindustrins fotolitografi . Följaktligen är de lämpliga att integrera i integrerade kretsar på chip, liksom PPWG-teknik i allmänhet.
Bibliografi
- Arndt, F.; Beyer, R.; Hauth, W.; Schmitt, D.; Zeh, H., "Cascaded wide stop band waffle-iron filter designed with a MM/FE CAD method" , 29th European Microwave Conference, 1999 , s. 186–189.
- Avetisyan, Yu.H.; Manukyan, AH; Hakobyan, HS; Poghosyan, TN, "Two-Dimensional confined Terahertz wave propagation in gap plasmon waveguide formed by two cylindrical ytor", Modern Optics and Photonics: Atoms and Structured Media , s. 325–338, World Scientific, 2010 ISBN 9381-4 2 .
- Bingham, Adam L., Propagation Through Terahertz Waveguides with Photonic Crystal Boundaries , ProQuest, 2007 ISBN 0-549-51329-9 .
- Cohn, Seymour B., "Analysis of a wide-band waveguide filter" , Proceedings of the IRE , vol.37 , iss.6, s. 651–656, juni 1949.
- Gerke, Daryl; Kimmel, Bill, EDN Designers Guide to Electromagnetic Compatibility , Newnes, 2002 ISBN 0-7506-7654-X .
- Gurzadyan, Gagik G.; Kryuchkyan, Gagik Yu; Papoyan, Aram V., Modern Optics and Photonics: Atoms and Structured Media , World Scientific, 2010 ISBN 981-4313-26-2 .
- Levy, Ralph, "Tapered corrugated waveguide low-pass filters" , IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques , vol.21 , iss.8, s. 526–532, augusti 1973.
- Manuilov, Mikhail B.; Kobrin, Konstantin V., "Lågförlustvåffeljärnsfilter för flerbandsmatare av reflektorantenner", Proceedings of International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP2005) , s. 93–96, Seoul: Korea Electromagnetic Engineering Society, 895 ISBN -86522-77-2 .
- Manuilov, MB; Kobrin, KV; Sinyavsky, GP; Labunko, OS, "Fullvågshybridteknik för CAD av passiva vågledarkomponenter med komplext tvärsnitt", PIERS Online , vol. 5 , nr 6, s. 526–530, 2009.
- Marcuvitz, Nathan, Waveguide Handbook , New York: McGraw Hill, 1951 OCLC 680485 .
- Matthaei, George L.; Young, Leo; Jones, EMT, mikrovågsfilter, impedansmatchande nätverk och kopplingsstrukturer McGraw-Hill 1964 OCLC 299575271
- Mehdizadeh, Mehrdad, mikrovågs/RF-applikatorer och sonder för materialuppvärmning, avkänning och plasmagenerering, Oxford: William Andrew, 2009 ISBN 0-8155-1592-8 .
- Mendenhall, Geoffrey N., "FM and digital radio broadcast transmitters", Engineering Handbook , s. 777–823, Burlington MA: Focal Press, 2007 ISBN 0-240-80751-0 .
- Metaxas, AC; Meredith, Roger J., Industrial Microwave Heating , Stevenage: Peter Peregrinus, 1993 ISBN 0-906048-89-3 .
- Sharp, ED, "A high-power wide-band waffle-iron filter" , IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques , vol.11 , iss.2, s. 111–116, mars 1963.
- Van Rienen, Ursula, Numerical Methods in Computational Electrodynamics Springer, 2001 ISBN 3-540-67629-5 .
- Young, Leo, "Microwave filters", IEEE Transactions on Circuit Theory , vol. 11 , iss.1, s. 10–12, mars 1964.