ワッフルメーカーフィルター
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典型的なワッフルメーカーのフィルター設計の断面図

ワッフルアイロンフィルタは、マイクロ波周波数における信号フィルタリングに使用される導波管フィルタの一種です。波形導波管フィルタの一種ですが、波形に縦方向のスロットが切られており、ワッフルアイロンのような外観の内部構造になっています。

ワッフルアイアンフィルタは、広い通過帯域と、スプリアス伝送モードのない広い阻止帯域の両方が求められる場合に特に適しています。また、高い電力処理能力も備えています。用途としては、送信機の高調波出力の抑制や広帯域ダイプレクサの設計などがあります。また、産業用マイクロ波製造プロセスにおいて、マイクロ波チャンバーからのマイクロ波放射の漏洩を防ぐためにも使用されています。同様の設計のフィルタが現在、フォトニクス分野でも登場していますが、周波数が高いため、はるかに小型化されています。この小型サイズにより、集積回路への組み込みが可能になっています。

ワッフルアイロンフィルタの設計手法には、画像パラメータ法、ネットワーク合成法、数値解析法などがあります。ネットワーク合成法は画像パラメータ法よりも高度な手法ですが、画像パラメータ法も単純な繰り返しパターン設計が必要な場合に使用できます。数値解析法はどちらの設計でも解析に使用できます。

説明

ワッフルアイロンフィルタは、1957年にスタンフォード研究所のシーモア・B・コーンによって発明されました。 [ 1 ] このフィルタの基礎は、コルゲート導波管フィルタです。これは、フィルタの幅全体にわたる一連の隆起部（コルゲーション）で構成されています。導波管の上下両面にはコルゲーションがあります。上昇する隆起部と下降する隆起部は互いに一直線になっていますが、中央で交わっておらず、間に隙間があります。ワッフルアイロンフィルタには、さらに、導波管の長さに沿って隆起部を貫通するスロットが設けられています。これにより、上面と底面に正方形の島（歯）のマトリックスが形成されます。[ 2 ]

ワッフルアイアンフィルタは本質的にはローパスフィルタですが、他の導波管デバイスと同様に、導波管のカットオフ周波数以下の周波数は透過しません。ワッフルアイアンフィルタは、広い通過帯域と低い挿入損失、そして広い（時には非常に広い）阻止帯域の両方が必要な場合に使用されます。特に、スプリアスモードの抑制が必要な場合に適しています。[ 3 ]

ワッフルアイロンフィルタは、10GHzの広い阻止帯域と60dBの減衰量で構築されています。[ 4 ] 減衰仕様を緩和することで、さらに広い阻止帯域が可能になります。[ 5 ]

手術

ワッフルアイアンフィルタが解決する性能上の問題の一つは、多くの導波管フィルタにおいて減衰量が入射信号の伝送モードに依存し、一部のフィルタではこの信号に含まれるスプリアスモードの抑制が著しく劣る場合があることです。例えば、ワッフルアイアンフィルタのベースとなっているコルゲート導波管フィルタでは、阻止帯域におけるTE n 0モードの減衰量はモード数に大きく依存します。しかし、ワッフルアイアンフィルタではこの傾向は見られず、特定の周波数まで全てのTE n 0モードがほぼ均等に減衰します。減衰限界は、金属の歯の間隔が信号の自由空間波長の半分を超える周波数です。この点においてワッフルアイアン設計が優れた性能を示す理由は、歯の間隔が縦方向と横方向の両方で等しく、その間の全ての方向でもほぼ等しくなっているためです。これにより、ワッフルアイアンはこれらの全方向においてTEM波に対してほぼ等方性となります。任意のTE n 0モード波は、異なる対角方向に進む2つのTEMモード波に分解できるため、すべてのTE n 0モードはほぼ等しく影響を受けます。[ 6 ]

ある周波数を超えるTMモードを含む入射信号は、縦方向スロットに沿って伝搬するモードを生成する可能性があり、スロット自体が導波管として機能します。この現象が発生し始める周波数は、スロットの高さが信号の自由空間波長の半分を超える周波数です。この周波数がフィルタの必要な阻止帯域を超える場合、この効果は問題になりません。そうでない場合は、これらのモードを抑制するためにフィルタの外側に段差を設ける必要があり、端面整合部に組み込むことができます。[ 7 ]

他の設計基準を適用すると、通常、フィルタは入力および出力において接続される導波管と整合しなくなります。整合には様々な構造が用いられますが、ここではステップインピーダンス変成器が有用であり、不要なスロットモードを抑制するという利点も備えています。[ 8 ]

アプリケーション

ワッフルアイロンフィルタの一般的な用途は、高出力レーダーなどの送信機の高調波をアンテナに入力する前に除去することです。ほとんどの法域では、帯域外送信は他の放送局に深刻な干渉を引き起こす可能性があるため、厳しい規制が義務付けられています。この用途では通常、ワッフルアイロンフィルタの特性である非常に広い阻止帯域が必要になります。例えば、5次までの高調波をすべて除去するには、ローパスフィルタの阻止帯域を通過帯域の3倍以上にする必要があります。[ 9 ]

ワッフルアイロン型フィルタの広帯域特性は、衛星通信に応用されています。衛星地球局には、マルチバンドアンテナフィーダーに接続された複数のダイプレクサが備えられている場合があります。各ダイプレクサは異なる帯域で広帯域信号を送信しますが、その信号には帯域外成分、特に高調波が含まれていないことが不可欠です。これらの成分は、他の帯域での通信に深刻な干渉を与え、場合によっては完全に遮断してしまう可能性があります。したがって、ダイプレクサは通過帯域よりもさらに広い阻止帯域を持つ必要があります。この理由とワッフルアイロン型フィルタの他の利点から、これらのダイプレクサは一般的にワッフルアイロン型設計で作られています。[ 10 ]

ワッフル型フィルターは、産業用マイクロ波プロセスで使用されています。マイクロ波エネルギーの多くの産業用途には、食品や工業用フィルムの乾燥、ポリウレタンフォーム製造などの加熱、溶融、レンダリング、殺菌、加硫などがあります。大量生産では、プロセスは連続的であるため、製品を出し入れするためのマイクロ波チャンバーへの開口部が必要となります。これらの開口部は製品を収容するためにしばしば大きく、そこから安全レベルを超えるマイクロ波が漏れ出ないように対策を講じる必要があります。この目的のために、製品供給ダクトはマイクロ波吸収材で覆われるのが一般的です。しかし、吸収されたマイクロ波は加熱効果があり、吸収材を損傷するほどの強度になる可能性があります。ワッフル型フィルターは、製品をフィルターの歯の間を通過させることができるため、有用な代替手段となります。理想的なフィルターは、不要なマイクロ波を吸収するのではなく反射するため、過熱の影響を受けません。これは、フィルターがチョーク用途で使用されている例です。一部のプロセスでは、両方の技術が同時に使用されます。ワッフルメーカーは電子レンジの最も近くに設置され、まず吸収材が過熱しないレベルまで出力を下げる。そして吸収材が小さな残留物を除去する。[ 11 ]

デザイン

ワッフルアイロン型フィルタの歯の種類。下段のみ表示。A ：角歯。B ：丸歯。C ： TE 0 nモード抑制ワイヤ付き円形歯。

歯の数、サイズ、そして歯と歯の間の間隔はすべて、フィルタの設計を制御するために使用できる設計パラメータです。例えば、3:1の阻止帯域を持つフィルタは、導波管の幅全体にわたって5つの歯を持つ場合があります。導波管の長さに沿った歯の列の数は、主に阻止帯域の減衰に影響します。歯の列が多いほど減衰は良くなり、各列は集中定数回路のフィルタセクションに相当します。10列の歯を持つフィルタの理論的な阻止帯域除去比は約80 dBで、7列の歯を持つフィルタは約60 dBです。[ 12 ]

初期のワッフル焼き器用フィルタは、フィルタ設計におけるイメージパラメータ法を用いて設計されました。コーンが波形フィルタ用に用いたオリジナルのデータは、パラメータを1つだけわずかに調整するだけでワッフル焼き器にも適用できました。コーンの経験的データを用いる代わりに、イメージパラメータ設計であるマルクヴィッツが導波管T字型等価回路を用いて波形を表現しました。この手法は後に他の人々によってワッフル焼き器にも応用されました。[ 13 ]

他のフィルタと同様に、このフィルタにおけるイメージパラメータ設計法の主な欠点の1つは、終端におけるインピーダンス整合が良好でないことである。このため、通常、入力と出力にインピーダンス整合セクションを設ける必要がある。これらは通常、マルチセクションのステップインピーダンス変圧器の形をとる。これにより、フィルタ全体の長さがかなり長くなる。[ 14 ] フィルタの開始と終了を、完全な歯またはスペースではなく、半空間に配置することで、整合をわずかに改善することができる。集中定数回路でこれに相当するのは、フィルタの両端をT半セクションで終端することです。開始と終了を半空間ではなく半歯で行うこと自体は、π半セクションに相当します。[ 15 ]

直接合成は、イメージパラメータ法の多くの問題を回避します。終端インピーダンスをより適切に考慮するだけでなく、設計者の自由度が高まり、整合を改善できます。この設計法では、歯のサイズと間隔がテーパー状に設計されています。つまり、すべてのセクションが同一であるイメージ設計と比較して、歯はフィルタ内の位置に応じて異なるサイズにすることができます。このアプローチにより、通過帯域と阻止帯域の元の仕様を維持しながら、同時にインピーダンス整合を改善できます。ステップインピーダンス変成器は不要になるか、少なくとも大幅に小型化できます。[ 16 ]

合成法を用いることで、より精密なフィルタ応答の制御が可能となる。フィルタ設計者が用いる一般的な応答関数は、通過帯域リップルと遷移帯域の急峻さをトレードオフするチェビシェフフィルタである。しかし、チェビシェフ応答は必ずしもワッフルアイロンフィルタにとって最適な選択肢とは限らない。導波管の低域通過フィルタは、導波管のカットオフ効果により、ゼロまでの周波数帯域を通過させない。より適切な選択肢は、アチーザー・ゾロタレフフィルタである。このフィルタは、エゴール・イワノビッチ・ゾロタレフによって発見されたゾロタレフ多項式（チェビシェフ多項式を特殊なケースとして含む）に基づいている。ゾロタレフ応答は低周波数帯域に阻止帯域を持つが、その遮断帯域は設計者が制御できるため、導波管フィルタにおいて悪影響を及ぼさない。ゾロタレフ応答の利点は、チェビシェフフィルタやイメージパラメータフィルタと比較して、接続する導波管とのインピーダンス整合が良好なフィルタを得られることである。[ 17 ]

2セクションのマッチングトランス（各セクションにチューニングネジ付き）を備えたワッフルアイロン型フィルター。ワッフルアイロン型の反対側にも同様のトランスがあります。

数値手法であるためCADに特に適した別の設計手法は、フィルタを多数の有限要素に分解することです。これらの要素は、多数の単純なステップとリッジです。個々の要素を解析する方法は多数あります。モード整合技法では、要素のフィールド方程式を一連の固有関数に展開し、各モードについて要素間のインターフェイスでフィールドを整合します。 [ 18 ] ガラーキン法では、フィールド方程式をゲーゲンバウアー多項式やチェビシェフ多項式などの多項式関数に展開します。これらの方法は、特定のタイプの要素に都合の良いように組み合わせることができます。どの解析方法を使用する場合でも、必要な最終出力は各要素の散乱パラメータ行列です。全体的なフィルタ応答は、すべての個々の要素行列の組み合わせた散乱行列から求められます。この方法は合成的というよりは分析的であり、つまり、設計を合成するための所定の伝達関数を出発点とする合成法とは異なり、分析するためにはまず試験設計が存在していなければならない。[ 19 ]

ワッフルアイアンフィルタは中心線を中心として垂直対称であるため、理論上はTE 0 nモードが励起されることはないはずです。しかし実際には、導波管フランジの嵌合不良や歯の位置ずれによってTE 0 nモードが発生する可能性があります。これらのスプリアスモードは、導波管の垂直中心線上の歯の間の空間に、フィルタの幅全体にわたって細いワイヤを配線することで抑制できます。これは、部品を過度に高精度に設計するよりも優れた解決策であり、より堅牢な設計につながります。[ 20 ]

複数ユニットフィルター

複数のワッフルアイロンフィルタユニットをカスケード接続することで、非常に広い阻止帯域を実現できます。各ユニットは、それぞれ異なる範囲の阻止帯域用に設計されていますが、その範囲は重なり合っています。最も高い周波数の阻止帯域を持つフィルタは、歯が最も小さく、歯の数が最も多くなっています。これらのユニットは、動作周波数が高くなる順に、導波管のλ/4 インピーダンス変成器セクションに接続されます。インピーダンス変成器は異なる周波数で動作するため、歯が最も小さいユニットに接続されたインピーダンス変成器は、歯が大きいユニットに接続されたインピーダンス変成器よりも短くなります。Matthaei は、通過帯域の 2 次から 10 次までの高調波をすべて阻止するように設計された 3 ユニットのワッフルアイロンフィルタの例を示しています。このフィルタを組み合わせると、阻止率が60 dBで、2.2 GHzから13.7 GHzになります。[ 21 ]

ネットワーク合成設計技術を用いることで、複数のユニットの必要性を減らす、あるいはなくすことができます。歯のテーパー化が許容される場合、2ユニット設計を、同じ広さの阻止帯域を持つ1ユニットにまで縮小できることがよくあります。このアプローチにより、フィルタ全体の長さを半分に短縮できます。[ 22 ]

高出力

高出力では、鋭い角に強い電界が存在するため、フィルタの歯の角でアーク放電が発生することがあります。これにより、フィルタの電力処理能力が制限されます。この影響は、歯のエッジを丸くすることで軽減できます。電力処理には完全に円形の歯が最適です。円形の歯は、アーク放電なしで正方形の歯の約1.4倍の電力処理能力を持ちます。例えば、Matthaeiは、丸い歯と広い阻止帯域を持ち、 1.4 MWの電力処理能力を持つ1.2～1.64 GHzの通過帯域フィルタについて説明しています。一方、円形の歯を持つ同様のフィルタは、2 MWを処理できます。電力分配器を使用してフィルタを並列に接続し、それらの出力を組み合わせることで、さらに大きな電力処理能力を提供できます。[ 23 ]

フォトニクス

ワッフルアイロンフィルタに類似したフィルタ構造はフォトニクスで使用されていますが、エレクトロニクスで使用されるものよりもはるかに高い周波数で動作し、はるかに小型です。ワッフルアイロンと同様に、これらの構造は不要な伝送モードを良好に抑制します。0.1 ～4.0 THz帯域で動作するフィルタは、平行板導波路（PPWG [ 24 ]）技術を使用して構築され、阻止帯域で50 dBの除去率を備えています。このフィルタは、100 μm間隔で配置された2枚の高度に研磨されたアルミニウム板で構成されています。歯は、シリコンダイ上に金蒸着されたアルミニウムシリンダーで構成されています。この設計では、マイクロ波バージョンのように歯の中央に隙間を設けるのは不便です。その代わりに、歯の上部とPPWGプレートの1つの間に空気ギャップが設けられています。[ 25 ]

これらのフィルタは、半導体業界の標準的なフォトリソグラフィー製造技術を用いて製造できます。そのため、PPWG技術全般と同様に、オンチップ集積回路への組み込みに適しています。[ 26 ]

参考文献

  1. ^ヤング、10ページ
  2. ^ Matthaei et al.、p.390
  3. ^ Levy、526、527 ページマヌイロフとコブリン、2005 年、93 ページマヌイロフら。、2009、p.526、Matthaei et al。、p.390
  4. ^ビンガム、29ページ
  5. ^ Matthaei et al.、p.393
  6. ^マタイら。、pp.390–391
  7. ^マタイら。、pp.391–392
  8. ^マタイら。、392–393ページ
  9. ^ゲルケとキメル、pp.7–8レヴィ、p.526メンデンホール、pp.805–806
  10. ^マヌイロフとコブリン、2005 年、p.93マヌイロフら。、2009、p.526
  11. ^ Mehdizadeh、pp.329–331MetaxasとMeredith、pp.301–303
  12. ^マタイら。、392、938ページ
  13. ^コーン、651 – 656 ページ、Marcuvitz、336 – 350 ページ、Matthaei et al.、p.392
  14. ^ Levy、p.526、Matthaei et al.、pp.397–408
  15. ^マタイら。、393、404–408ページ
  16. ^レヴィ、1ページ
  17. ^レヴィ、528～530ページ
  18. ^ヴァン・リーメン、36ページ
  19. ^アーントら。、p.186マヌイロフとコブリン、2005 年、pp.93–94マヌイロフら。、2009、pp.527–528
  20. ^マタイら。、951–952ページ
  21. ^マタイら。、pp.938–941シャープ、p.111
  22. ^レヴィ p.530
  23. ^マタイら。、pp.393、408–409、938–947
  24. ^ Avetisyan et al.、p.327
  25. ^ビンガム、pp.10–31
  26. ^ビンガム pp.5–6, 17–18アヴェティシアン他、p.331

参考文献

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