تحلیل و طراحی فیلتر موج‌بری تیغه فریتی بالاگذر با حذف یک محدوده فرکانسی قابل تنظیم

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده برق، دانشگاه هوایی شهید ستاری، تهران، ایران

2 دانشکده مهندسی برق و رباتیک، دانشگاه صنعتی شاهرود

چکیده

در این مقاله، یک فیلتر جدید بالاگذر موج‌بری با تیغه فریتی به میزبانی دی‌الکتریک با حذف یک محدوده فرکانسی تنظیم­پذیر تحلیل و طراحی شده است. باند گذر اول این فیلتر در محدوده­­ فرکانسی که ساختار پیشنهادی دارای خاصیت چپ‌گردی هست، حاصل می­شود. دلیل خاصیت چپ‌گردی به­خاطر منفی شدن هم‌زمان نفوذپذیری منفی فریت و ضریب گذردهی نسبی ساختار به­دلیل خاصیت پلازمونیکی موج‌بر زیر فرکانس قطع می­باشد. باند ممنوعه فیلتر پیشنهادی در محدوده­­ فرکانسی صورت می­گیرد که نفوذپذیری مثبت شده اما گذردهی نسبی همچنان منفی می­باشد. با مثبت شدن گذردهی نسبی موج‌بر، ساختار ارائه‌شده همانند یک موج‌بر عادی که دارای خاصیت راست‌گرد می­باشد، عمل کرده و به‌عنوان یک فیلتر بالاگذر رفتار می­کند. محدوده فرکانسی حذف‌شده (باند ممنوعه) در فیلتر پیشنهادی به­دلیل خاصیت تنظیم‌پذیری فریت­ها با بایاس مغناطیسی، می‌تواند در یک بازه مشخص کنترل شود. استفاده از این روش تنظیم‌پذیری پیچیدگی سامانه کنترل خارجی را به‌طور چشم­گیر کاهش می­دهد. برای تحلیل فیلتر موج‌بری پیشنهادی ابتدا با استفاده از حل معادلات ماکسول و
به­دست­آوردن توزیع میدان الکتریکی و مغناطیسی نواحی داخل آن و اعمال شرایط مرزی، معادله مشخصه آن را به­دست آورده و سپس با حل عددی این معادله، نمودار پاشندگی ساختار به­دست آورده می­شود. در ادامه برای تائید حل تحلیلی، ساختار پیشنهادی با استفاده از نرم‌افزار Ansoft HFSS مورد شبیه­سازی قرار گرفته و در پایان پارامترهای پراکندگی آن مورد بررسی قرار گرفته می­شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Analysis and Design of a High Pass Waveguide Filter of the Ferrite Blade with Tunable Rejection Band

نویسندگان [English]

  • M. Mohammadi 1
  • Javad Ghalibafan 2
1 Faculty of Electrical Engineering, Aeronautical University, Tehran, Iran
2 Faculty of Electrical Engineering and Robotic, Shahrood University of Technology
چکیده [English]

In this paper, a novel high pass waveguide filter of the ferrite blade with a tunable rejection band is designed and analyzed. The first band-pass of this filter is obtained in the frequency bands where the proposed structure is in the left-hand region. The reason for the left-hand property is the negative effective permeability of the ferrite, and the effective permittivity of the structure is due to the plasmonic property of the waveguide below the cutoff frequency. Stopband occurs in the frequency bands that have positive permeability while the effective permittivity is still negative. As the effective permittivity of the structure is positive, the proposed structure acts as a regular waveguide with a right-hand nature and acts as a high pass filter. The rejection band of the proposed filter shifts due to the ferrite-adjustable property of the magnetic bias. The use of this method dramatically reduces the complexity of the external control system. To analyze the proposed waveguide filter, we proceed by solving the Maxwell equations and obtaining the distribution of the electric and magnetic fields inside the regions of the structure and applying the boundary conditions, to obtain the characteristic equation and then the dispersion diagram is achieved by the numerical solution. To confirm the analytical solution, the proposed structure is simulated using Ansoft HFSS software and finally, its scattering parameters are investigated.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Waveguide filter
  • plasmonic
  • ferrite
  • metamaterial
  • unbalanced composite right-left hand
   [1]      M. Shafaee, S. M. J. Razavi, E. Hamidi, “Metamaterial based, single toroidal phase shifter design algorithm,” Journal of Applied Electromagnetics, vol. 7, pp. 53-60, 2019 (In Persian).##
   [2]      N. Montasari, Y. Ghan Ghareh Bagh, “Design, simulation and fabrication of ferrite phase shifter waveguide in frequency band X,” Journal of Applied Electromagnetics, vol. 3, pp. 45-52, 2015 (In Persian).##
   [3]      M. Mohammadi, F. H. Kashani, J. Ghalibafan, “A partially ferrite-filled rectangular waveguide with CRLH response and its application to a magnetically scannable antenna,” Journal of Magnetism and Magnetic Materials, vol. 491, pp. 1-9, 2019.##
   [4]      M. Mohammadi, F. H. Kashani, J. Ghalibafan, “Backfire-to-endfire scanning capability of a balanced metamaterial structure based on slotted ferrite-filled waveguide,” Waves in Random and Complex Media, pp. 1-15, 2019.##
   [5]      Z. Zhang, J. Liu, H. Ding, Z. Feng and Y. Nie, “Microwave bandpass filters tuned by the magnetization of ferrite substrates,” IEEE Magnetics Letters, vol. 8, pp. 1-4, 2017.##
   [6]      S. Kagita, A. Basu and S. K. Koul, “Characterization of LTCC-based ferrite tape in X -band and its application to electrically tunable phase shifter and notch filter,” IEEE Transactions on Magnetics, vol. 53, pp. 1-8, 2017.##
   [7]      Ö. Acar, T. K. Johansen and V. Zhurbenko, “A high-power low-loss continuously tunable bandpass filter with transversely biased ferrite-loaded coaxial resonators,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 63, pp. 3425-3432, 2015.##
   [8]      L. Martinez, V. Laur, A. L. Borja, P. Quéffélec and A. Belenguer, “Low loss ferrite Y-junction circulator based on empty substrate integrated coaxial line at Ku-band,” IEEE Access, vol. 7, pp. 104789-104796, 2019.##
   [9]      YS. Kagita, A. Basu and S. K. Koul, “Electrically tunable ferrite bandpass filter in X-band with wide tunability,” IEEE Transactions on Magnetics, vol. 55, pp. 1-4, 2019.##
[10]      E. Arabi, F. A. Ghaffar and A. Shamim, “Tunable bandpass filter based on partially magnetized ferrite LTCC with embedded windings for SoP applications,” IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 25, pp. 16-18, 2015.##
[11]      E. Arabi and A. Shamim, “The effect of self-heating on the performance of a tunable filter with embedded windings in a ferrite LTCC package,” IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 5, pp. 365-371, 2015.##
[12]      A. G. Gurevich and G. A. Melkov, “Magnetization oscillation and waves,” Florida, CRC Press, 1996.##
[13]      T. Kodera and C. Caloz, “Uniform ferrite-loaded open waveguide structure with CRLH response and its applications to a novel back fire-to-end fire leaky wave antennas,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 57, pp. 784-795, 2009.##
[14]      A. Dechant and M. Okoniewski, “Broadband double negative material from ferrite-loaded metallic waveguides,” Electronics Letters, vol. 42, pp. 4-7, 2006.##
[15]      D. M. Pozar, “Microwave engineering,” New York, Wiley, 2012.##
[16]      R. Marques, J. Martel, F. Mesa, and F. Medina, “Left-handed-media simulation and transmission of EM waves in subwavelength split-ringresonator- loaded metallic waveguide,” physical review letters, vol. 89, pp. 1-4, 2002.##
[17]      R. F. Soohoo, “Theory and application of ferrites,” Prentice-Hall, Englewood Cliffs, 1960.##
[18]      D. Jiang, Y. Liu, X. Li, G. Wang and Z. Zheng, “Tunable microwave bandpass filters with complementary split ring resonator and liquid crystal materials,” IEEE Access, vol. 7, pp. 126265-126272, 2019.##
[19]      E. Arabi, A. Syed and A. Shamim, “A planar and tunable bandpass filter on a ferrite substrate with integrated windings,” IEEE MTT-S International Microwave Symposium, 2015.##