Design and Performance of Band-Stop Filters for the TE01 Mode in Circular Waveguide

Kühn, Eberhard; Schwartz, Wolf, Dieter

doi:10.24355/dbbs.084-201306211237-0

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Design and Performance of Band-Stop Filters for the TE01 Mode in Circular Waveguide

English
German

An exact analysis is presented for circular electric TE01 mode band-stop filters with circular and coaxial resonators as proposed by MARCATILI. In order to determine the field in the filter, the structure is subdivided into the three cross-sectional regions: resonator, coupling gap and circular waveguide. In each of these regions the electromagnetic field is represented by complete sets of eigenfunctions. In order to investigate the influence of losses, the resonator field is determined by means of a field-theoretical treatment given by KUROKAWA. A novel mode-matching technique is applied for representing the field in the circular waveguide including the gap region. The unknown expansion coefficients and hence the field distribution are found from the continuity conditions for electromagnetic field across the boundaries between the regions. From the frequency characteristics of the scattering coefficients the stop frequency and the 3-dB-bandwidth of these filters have been calculated as a function of the dimensions and plotted in design charts. Furthermore, it is shown that two degenerate, higher-order, circular electric TE modes can simultaneously be excited in the coaxial band-stop filter structure leading to a two-pole, maximally-flat frequency response. In addition, a simple design procedure for multi-cavity, single-pole TE01 band-stop filters has been developed. The theoretical results have been verified by measurements on a two-cavity filter model with coaxial resonators.

Von MARCATILI sind axial symmetrische TE01-Bandsperrfilter vorgeschlagen worden. Diese Filter werden hier mit einem genauen Berechnungsverfahren untersucht. Dazu wird das Filter in die Querschnittsbereiche Resonator, Koppelspalt und Rundhohlleiter unterteilt, in denen sich das Feld mit einem vollständigen Ansatz von Eigenfunktionen genau beschreiben läßt. Um Verluste zu berücksichtigen, wird das Feld im Resonator mit einem von KUROKAWA angegebenen Verfahren bestimmt. Zur Darstellung des Feldes im Rundhohlleiter einschließlich der Spaltzone ist ein neues Feldentwicklungsprinzip verwendet worden. Die unbekannten Entwicklungskoeffizienten und damit die Feldverteilung ergeben sich aus den Stetigkeitsbedingungen für das elektromagnetische Feld in den Grenzflächen zwischen den Bereichen. Aus den Frequenzcharakteristiken der Streukoeffizienten sind die Sperrfrequenz und die 3-dB-Bandbreite dieser Filter als Funktion der Abmessungen berechnet und in Entwurfsdiagrammen dargestellt worden. Außerdem wird gezeigt, daß sich durch Anregung zweier entarteter, höherer, axialsymmetrischer TE-Schwingungsformen in der Bandsperre mit koaxialem Resonator eine zweipolige, maximal-flache Frequenzcharakteristik realisieren läßt. Darüber hinaus ist ein einfaches Dimensionierungsverfahren für TE01-Sperrfilter mit mehreren einkreisigen Resonatoren entwickelt worden. Die Rechenergebnisse sind durch Messungen an einem Filtermodell mit zwei koaxialen Resonatoren bestätigt worden.