Ridge waveguide bandpass filters for satellite applications

Ridge waveguide filters are extensively used for satellite payload applications, in particular at the input stages when broad spurious-free performance must be achieved. This thesis is a work focused on the ridge waveguide filters that involves all the main steps from design to realization of breadboard filter. The aim of this work is a comparative study between single ridge filters and conventional rectangular waveguide modular approach. Current design baseline for C-Band, Ku-Band and Ka-Band consists of a complex Input Filter Assembly (IFA), where multiple filter units are cascaded together. A first filter, typically high- order TE11n or TE10n mode BPF, provides the IFA in-band characteristic and the required near-band rejection. A broadband LPF, suppresses the spurious generated by BPF over the wide out of band frequency range. The design technique described here has been employed to study the suitability of ridge waveguide filters to satellite IFA applications. Several C-band ridge filters have been designed and simulated for different bandwidths. As well, conventional modular structures (BPF+LPF) have been designed simulated identical the ridge case. Results at C-Band show that for bandwidths larger than 480 MHz the selected filter prototype provides superior in-band performance while offering significant mass and size reduction with respect to the modular approach. In order to design ridge waveguide filters a novel direct step-by-step full-wave synthesis was employed. This procedure allows to obtain final dimensions of the filter without optimization of the structure, significantly reducing the time for synthesis. This technique permits to have the control on the in-band return loss and out-of-band rejection as well. Trade-off between attenuation losses and high spurious characteristics have been made to obtain optimal filters. Full-wave simulation results show very good in-band performance while preserving spurious-free out-of-band response beyond the second harmonic. Furthermore, a breadboard in aluminum was built with the cooperation of ESTEC machine shop and RF measurements have been conducted to confirm both in-band and out-of-band features.

I filtri di guida d’onda Ridge sono ampiamente utilizzati in applicazioni satellitari, in particolare nello stage di ingresso quando sono richieste bande larghe ed elevate reiezioni alle spurie. Il lavoro di questa tesi è incentrato sui filtri ridge in uno studio che coinvolge tutte le principali fasi dalla progettazione alla realizzazione di un filtro prototipo. Lo scopo finale è uno studio comparativo tra filtri a singolo ridge e l’approccio convenzionale modulare in guida d’onda rettangolare. Il progetto di questi filtri per bande C, Ku e Ka è costituito da un Input Filter Assembly (IFA), composto di più filtri in cascata. Un primo filtro, in genere passa-banda (BPF) high-order TE11n o TE10n , fornisce la caratteristica IFA in banda e la reiezione vicino ad essa. Un filtro passa-basso (LPF) a larga banda, sopprime la spuria generata dal BPF per un’ampia gamma di bande di frequenza. La tecnica di progettazione qui descritta è stata utilizzata per studiare l’idoneità dei filtri in guida ridge rispetto quella IFA per applicazioni satellitari. Diversi filtri ridge sono stati progettati e simulati per diverse larghezze di banda. Strutture modulari BPF+LPF sono state progettate e simulate con prestazioni analoghe al ridge. I risultati a C-Band mostrano che per larghezze di banda superiori a 480 MHz il prototipo del filtro ridge fornisce prestazioni superiori in banda, offrendo una significativa riduzione di massa e dimensione rispetto all’approccio modulare. Per la progettazione dei filtri ridge è stata sviluppata una nuova sintesi diretta di tipo full-wave. Questa procedura permette di ottenere le dimensioni finali del filtro senza ottimizzazione dell’intera struttura, riducendo significativamente i tempi di sintesi. Essa permette di avere il controllo sul return loss in-banda e sulla reiezione fuori banda. Le simulazioni full-wave mostrano buoni risulati in banda e reiezioni fuori banda oltre la seconda armonica. Inoltre è stato costruito un prototipo in alluminio con la collaborazione di ESTEC machine shop per poi effettuare misurazioni RF che hanno confermato le caratteristiche sia in banda che fuori banda.