Neue Filtertopologien und Synthesetechniken zur Bewältigung der Herausforderungen zukünftiger Kommunikationssysteme
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projekts wurden unterschiedliche Multi-Mode Filter simuliert, gefertigt und vermessen. Alle Filter basieren dabei auf kostengünstig und kommerziell erwerbbaren keramischen TM-Mode Resonatoren in Zylinderform. Durch die unterschiedliche Kombination dieser zylindrischen Keramiken mit Hilfe präparierter Kupferkerne können neuartige Dual- und Triple-Mode Resonatoren realisiert werden. Dies ist möglich, da die Keramiken an ihren Enden eine Silberbeschichtung aufweisen und daher mit anderen Komponenten verlötet werden können. Es wurden zwei unterschiedliche Dual-Mode Konzepte berücksichtigt, die auf einer X- bzw. Y-förmigen Anordnung der Keramiken basieren. Zudem wurde eine bis dahin unveröffentlichte Anordnung der Keramiken für eine Triple-Mode Realisierung betrachtet. Für alle drei Konzepte wurden verschiedene Filter untersucht und gefertigt. Das X-förmige Filter kann durch klassische Design-Verfahren geschlossen synthetisiert werden. Anschließende Messungen legen jedoch einen Fertigungsfehler nahe, der nicht eindeutig identifiziert werden konnte. Auf Basis vorheriger Publikationen konnte die prinzipielle Funktionsweise jedoch nachgewiesen werden. Mit dem beschriebenen Prototyp ist es daher im Vergleich zu vorherigen Arbeiten möglich, quasi-elliptische Filterantworten erzielen zu können. Die anschließend diskutierte Y-Form bietet einige nennenswerte Vorteile im Vergleich zur X-Form. So sind lediglich drei anstelle von vier zylinderförmigen Keramiken zur Realisierung eines Dual-Mode Filters erforderlich. Zudem weist die Struktur ein besseres Störmodenverhalten auf, da die nächsthöhere Mode eine (vergleichsweise weit entfernte) Gehäuseresonanz ist und nicht, wie im Fall des X-förmigen Resonators, durch die Keramiken geführt wird. Im Rahmen des Projekts wurde ein zweipoliges Filter sowie zwei vierpolige Filter erfolgreich gefertigt. Dazu werden grundlegende Herstellungsschritte erörtert und auf dabei auftretende Schwierigkeiten hingewiesen. Das vierpolige Filter kann sowohl zur Realisierung von phasenentzerrten Filterantworten als auch für Filterantworten mit Übertragungsnullstellen auf der reellen Frequenzachse genutzt werden. Letztere Version weist eine hohe Flexibilität auf: Neben dem gefertigten Demonstrator konnte durch Parameterstudien gezeigt werden, dass die verfügbaren Übertragungsnullstellen flexibel bewegt werden können und auch zur Realisierung hochgradig asymmetrischer Filterantworten geeignet sind, indem bspw. beide Übertragungsnullstellen oberhalb des Durchlassbereichs positioniert werden können. Ferner wurden theoretische Untersuchungen wie die Frequenzabhängigkeit der Eigenmoden sowie eine Koppelmatrixdarstellung auf Basis von globalen Eigenmoden getätigt. Analog zum X-förmigen Filter können durch eine symmetrische, Raum aufspannende Ausrichtung von vier zylindrischen Keramiken Triple-Mode Filter aufgebaut werden, was eine Erhöhung der Filterordnung bei gleicher Anzahl an Keramiken ermöglicht. Hierfür wurden unterschiedliche Geometrien für Triple-Mode Resonatoren hinsichtlich ihrer Eignung zum Aufbau von Filtern untersucht. Die gewählte Form eines Oktaederstumpfs weist dabei hinsichtlich des Volumens und der Eigenschaft, raumfüllend zu sein, Vorteile gegenüber den weiteren untersuchten Geometrien auf. Basierend auf den Feldverteilungen der ersten drei Eigenmoden des Resonators und Erkenntnissen aus Simulationen mit schwacher Anregung konnte analytisch abgeleitet werden, wie alle drei degenerierten Eigenmoden gezielt angeregt werden können. Ebenfalls konnte hieraus die korrespondierende „Cul-de-Sac“-Filtertopologie abgeleitet werden. Im Rahmen der Untersuchungen wurde ein dreipoliges Filter gefertigt und vermessen. Die grundlegenden Herstellungsschritte entsprechen dabei denen der untersuchten Dual-Mode Filter. Abschließend lässt sich festhalten, dass die im Rahmen des Forschungsprojekts gesetzten Ziele einer Untersuchung unterschiedlicher Dual- und Triple-Mode Resonatoren mit dem Ziel einer Reduktion von Volumen und Masse gegenüber konventionellen Filtern auf Basis von Single-Mode Resonatoren erfüllt wurden. Wie sich gezeigt hat, gibt es jedoch Restriktionen hinsichtlich der Flexibilität der Auslegung von Filtern auf Basis von Multi-Mode Resonatoren. Dies gilt insbesondere bei steigender Anzahl der genutzten Moden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
"Complex Eigenmodes for Modelling of Dielectric Dual-Mode Resonators,"2018 IEEE MTT-S International Conference on Numerical Electromagnetic and Multiphysics Modeling and Optimization (NEMO, Reykjavik, Island), 2018, pp. 1-4
M. Höft and D. Miek
-
"Realization of Cross-Coupled X- and Y-Shaped Dual-Mode Dielectric Resonator Filters,"2018 Asia-Pacific Microwave Conference (APMC, Kyoto, Japan), 2018, pp. 506-508
D. Miek, S. Salzer and M. Höft
-
“Dielectric TM Dual-Mode Filters with Y-shape,” In:2021 IEEE MTT-S International Microwave Filter Workshop (IMFW, Perugia, Italien), 2021, pp.69-72
D. Miek, P. Boe, F. Kamrath und M. Höft
-
“Triple-Mode Bandpass Filter Based on TM Dielectric Rod Resonators,” In:2021 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS, Atlanta, GA, USA), 2021, pp. 499–502
P. Boe, D. Miek, F. Kamrath und M. Höft
