title: Coupling matrix based bandpass filter
Creators: name: Sokli, Jure
Publisher: name: TU Wien
Year: 2018
Subjects: subject: cavity filter
subject: RF
subject: microwave
subject: coupling matrix
subject: bandpass

description: In Kommunikationssystemen sind Bandpass Filter ein unersetzbarer Bestandteil. Die mathematischen Konzepte dahinter, wie Eigenfunktionen und Kopplungsmatrizen, sind in der Literatur detailliert beschrieben. Wie man diese mathematischen Konzepte in eine 3D-Filter-Struktur umsetzt, ist hingegen kaum dokumentiert. In dieser Arbeit wird eine Schritt-für-Schritt Anleitung für den Entwurf und die Herstellung eines Bandpass Filters präsentiert. Dabei wird mit der Kopplungsmatrix-Synthese gestartet, daraus eine 3D Simulation des Filters durchgeführt und zuletzt das Filter gefertigt. Ziel dieser Arbeit ist es, dieses Filter in Eigenfertigung zu realisieren, da heißt eine Anpassung der Filtergeometrie an den Fertigungsprozess. Die elektrischen Eigenschaften werden somit nicht optimal sein, jedoch ist es Ziel der Arbeit die kritischen Parameter zu identifizieren. Zusätzlich werden zwei Techniken zur Reduzierung der Verluste eingesetzt: Oberflächenpolitur und Versilberung. Der Effekt soll anhand eines einfachen Resonators gezeigt werden. Dazu muss die Güte bestimmt werden, wofür zwei aus der Literatur bekannte Methoden verwendet wurden. Der Resonator wurde dazu mit unterschiedlichen Kopplungen gemessen. Da diese beiden Methoden unzureichende Ergebnisse lieferten, wurde eine neue Methode entwickelt, die die Verluste in den Kopplungsmechanismen berücksichtig, was eine genauere Gütebestimmung bewirkt. Es hat sich gezeigt, dass Oberflächenpolitur die Güte nur unwesentlich verbessert, jedoch eine Versilberung der Oberfläche bewirkt eine Erhöhung der Güte um 33%. Deshalb wurde auch die Oberfläche des Filters versilbert. Somit wurde ein Bandpass Filter mit sehr kleiner Einfügedämpfung erzeugt, was den Anforderungen voll und ganz entspricht. Dies wurde erreicht mit minimalem Fertigungsaufwand, wodurch dieses Filter nur mit einfachen Maschinen gefertigt werden konnte.
description: Bandpass filters are widely deployed in modern RF communication systems. The mathematical concepts of these filters, their characteristic functions, and coupling matrices were discussed by many authors. However, when realizing an actual 3-D fillter structure, little information is available in literature. This thesis presents a step-by-step guide for the design of a resonant cavity based filter. It starts from a coupling matrix, continues with the simulation of 3-D models and works its way up to manufacturing the filter. The design is optimized for in-house production, considering limits of the available machines and materials. Therefore, the designed filter is not optimal from its electrical characteristics, however critical parameters can be determined. Additionally, two common techniques for loss reduction, i.e. polishing and silver-plating, are experimentally evaluated. To do so, a simple resonant cavity is designed. To determine the inuence on the losses, the unloaded quality factor was estimated. Therefore, two common quality estimation methods were applied on the cavity, utilizing di_erent energy coupling mechanisms. However, these did not show the desired accuracy. Consequently, a new method is developed, which considers coupling mechanism imperfections. Polishing was found to give a negligible loss reduction, while silver-plating indicates a quality factor improvement of 33%. Hence, silver-plating was also applied to the filter in order to reduce the losses. With this technique, a filter was designed with a very low insertion loss, which fits the requirements of the design. Furthermore, this was achieved with minimized manufacturing effort, allowing to build it with simple machines.