мини|десно|Слика 1. Таласоводни филтар са стубићима: филтар пропусник опсега који се састоји од дужине WG15 (стандардна величина таласовода за X опсег) подељене у низ од пет спрегнутих резонантних шупљина помоћу преграда од по три стубића. Крајеви стубића се виде како вире кроз зид водича.

Таласоводни филтар је електронски филтар конструисан помоћу технологије таласовода. Таласоводи су шупље металне цеви унутар којих се може преносити електромагнетни талас. Филтри су уређаји који се користе да омогуће пролаз сигналима одређених фреквенција (пропусни опсег), док се други одбијају (непропусни опсег). Филтри су основна компонента у дизајну електронског инжењеринга и имају бројне примене. Оне укључују селекцију сигнала и ограничавање шума. Таласоводни филтри су најкориснији у микроталасном опсегу фреквенција, где су погодне величине и имају мале унесене губитке. Примери употребе микроталасних филтара налазе се у сателитским комуникацијама, телефонским мрежама и телевизијском емитовању.

Таласоводни филтри су развијени током Другог светског рата како би задовољили потребе радара и електронских противмера, али су убрзо након тога нашли цивилне примене, као што је употреба у микроталасним везама. Велики део послератног развоја био је усмерен на смањење масе и тежине ових филтара, прво коришћењем нових техника анализе које су довеле до елиминације непотребних компоненти, а затим и иновацијама као што су двомодне шупљине и нови материјали попут керамичких резонатора.

Посебна карактеристика дизајна таласоводних филтара тиче се мода преноса. Системи засновани на паровима проводних жица и сличним технологијама имају само један мод преноса. У системима таласовода могућ је било који број модова. Ово може бити и недостатак, јер лажни (сувишни) модови често изазивају проблеме, али и предност, јер двомодни дизајн може бити много мањи од еквивалентног једномодног дизајна таласовода. Главне предности таласоводних филтара у односу на друге технологије су њихова способност да поднесу велику снагу и мали губици. Главни недостаци су њихова величина и цена када се пореде са технологијама као што су микротракасти филтри.

Постоји широк спектар различитих типова таласоводних филтара. Многи од њих се састоје од ланца спрегнутих резонатора неке врсте који се могу моделовати као лествичаста мрежа LC кола. Један од најчешћих типова састоји се од бројних спрегнутих резонантних шупљина. Чак и унутар овог типа постоји много подтипова, који се углавном разликују по начину спреге. Типови спреге укључују отворе (апертуре), ирисе и стубиће. Други типови таласоводних филтара укључују филтре са диелектричним резонатором, инсерт филтре, „финлајн” (енгл. finline) филтре, филтре са ребрастим таласоводом и филтре са кратким спојевима (стабовима). На велики број компоненти таласовода примењује се теорија филтара при њиховом дизајну, али њихова сврха је нешто друго осим филтрирања сигнала. Такви уређаји укључују компоненте за прилагођење импедансе, усмерене спрежнике и диплексере. Ови уређаји често попримају облик филтра, барем делимично.

Опсег Уобичајено значење појма таласовод, када се користи без квалификација, јесте шупља метална врста (или повремено испуњена диелектриком), али су могуће и друге технологије таласовода.Gibilisco & Sclater, стр. 913 Обим овог чланка ограничен је на тип металног проводника. Структура таласовода са зидовима од стубића (енгл. post-wall waveguide) је својеврсна варијанта, али је довољно сродна да се укључи у овај чланак — талас је углавном окружен проводним материјалом. Могуће је конструисати таласоводе од диелектричних шипки,Yeh & Shimabukuro, стр. 1 при чему су најпознатији пример оптичка влакна. Ова тема је изван опсега чланка, са изузетком да се резонатори од диелектричних шипки понекад користе унутар шупљих металних таласовода. Технологије преносних линија као што су проводне жице и микротракасти водови могу се сматрати таласоводима,Russer, стр. 131–132 али се обично не називају тако и такође су изван опсега овог чланка.

Основни концепти

Филтри У електроници, филтри се користе да омогуће пролаз сигналима одређеног опсега фреквенција док блокирају друге. Они су основни градивни елемент електронских система и имају велики број примена. Међу употребама таласоводних филтара су конструкција дуплексера, диплексера и мултиплексера; селективност и ограничавање шума у пријемницима; и потискивање хармонијских изобличења у предајницима.Belov et al., стр. 147

Таласоводи Таласоводи су метални водови који се користе за ограничавање и усмеравање радио-сигнала. Обично су направљени од месинга, али се користе и алуминијум и бакар.Connor, стр. 52 Најчешће су правоугаони, али су могући и други попречни пресеци као што су кружни или елиптични. Таласоводни филтар је филтар састављен од компоненти таласовода. Има готово исти опсег примене као и друге технологије филтара у електроници и радио-инжењерингу, али је механички и по принципу рада веома различит.Hunter, стр. 201; Matthaei et al., стр. 243.

Технологија која се користи за конструисање филтара бира се у великој мери према очекиваној радној фреквенцији, иако постоји велико преклапање. Примене на ниским фреквенцијама, као што је аудио-електроника, користе филтре састављене од дискретних кондензатора и индуктора. Негде у VHF опсегу, дизајнери прелазе на коришћење компоненти направљених од делова преносних линија. Ове врсте дизајна називају се филтри са расподељеним елементима. Филтри направљени од дискретних компоненти понекад се називају филтри са сасређеним елементима ради разликовања. На још вишим фреквенцијама, у микроталасним опсезима, дизајн прелази на таласоводне филтре, или понекад на комбинацију таласовода и преносних линија.Hitchcock & Patterson, стр. 263; Bagad, стр. 1.3–1.4.

Таласоводни филтри имају много више заједничког са филтрима преносних линија него са филтрима са сасређеним елементима; они не садрже дискретне кондензаторе или индукторе. Међутим, дизајн таласовода често може бити еквивалентан (или приближно еквивалентан) дизајну са сасређеним елементима. Заиста, дизајн таласоводних филтара често почиње од дизајна са сасређеним елементима, а затим претвара елементе тог дизајна у компоненте таласовода.Matthaei et al., стр. 83

Модови мини|Слика 2. Обрасци поља неких уобичајених модова таласовода Једна од најважнијих разлика у раду таласоводних филтара у поређењу са дизајном преносних линија тиче се мода преноса електромагнетног таласа који носи сигнал. У преносној линији, талас је повезан са електричним струјама на пару проводника. Проводници ограничавају струје да буду паралелне са линијом, и последично су и магнетна и електрична компонента електромагнетног поља нормалне на правац кретања таласа. Овај трансверзални мод означен је као TEM (трансверзално електромагнетни). С друге стране, постоји бесконачно много модова које било који потпуно шупаљ таласовод може подржати, али TEM мод није један од њих. Модови таласовода означени су или као TE (трансверзално електрични) или TM (трансверзално магнетни), праћени паром суфикса који идентификују прецизан мод.Connor, стр. 52–53; Hunter, стр. 201, 203; Matthaei et al., стр. 197.

Ова вишеструкост модова може изазвати проблеме у таласоводним филтрима када се генеришу лажни (сувишни) модови. Дизајни се обично заснивају на једном моду и често укључују карактеристике за потискивање нежељених модова. С друге стране, предност се може искористити одабиром правог мода за примену, па чак и понекад коришћењем више од једног мода истовремено. Тамо где се користи само један мод, таласовод се може моделовати као проводна преносна линија и могу се применити резултати из теорије преносних линија.Hunter, стр. 255–260; Matthaei et al., стр. 197.

Гранична учестаност Још једна карактеристика специфична за таласоводне филтре је да постоји одређена фреквенција, гранична фреквенција, испод које пренос није могућ. То значи да се у теорији филтри нископропусници не могу направити у таласоводима. Међутим, дизајнери често узимају дизајн нископропусног филтра са сасређеним елементима и претварају га у имплементацију таласовода. Филтар је последично нископропусан по дизајну и може се сматрати нископропусним филтром за све практичне сврхе ако је гранична фреквенција испод било које фреквенције од интереса за примену. Гранична фреквенција таласовода је функција мода преноса, тако да на датој фреквенцији таласовод може бити употребљив у неким модовима, али не и у другима. Исто тако, таласна дужина у водичу ($\lambda_g$) и карактеристична импеданса ($Z_0$) водича на датој фреквенцији такође зависе од мода.Hunter, стр. 201–202; Matthaei et al., стр. 197.

Доминантни мод Мод са најнижом граничном фреквенцијом од свих модова назива се доминантни мод. Између граничне фреквенције и следећег највишег мода, ово је једини мод који је могуће преносити, због чега се описује као доминантан. Сви генерисани лажни модови брзо слабе дуж водича и убрзо нестају. Практични дизајни филтара често су направљени да раде у доминантном моду.Elmore & Heald, стр. 289; Mahmoud, стр. 32–33.

У правоугаоном таласоводу, TE10 мод (приказан на слици 2) је доминантни мод. Постоји опсег фреквенција између граничне фреквенције доминантног мода и граничне фреквенције следећег највишег мода у којем таласовод може радити без могућности генерисања лажних модова. Следећи највиши гранични модови су TE20, на тачно двострукој вредности TE10 мода, и TE01 који је такође двоструко већи од TE10 ако коришћени таласовод има често коришћени однос ширине и висине од 2:1. Најнижи гранични TM мод је TM11 (приказан на слици 2) који је пута већи од доминантног мода у таласоводу 2:1. Дакле, постоји октава преко које је доминантни мод слободан од лажних модова, иако се рад преблизу граничној фреквенцији обично избегава због фазног изобличења.Hunter, стр. 209; Matthaei et al., стр. 198.

У кружном таласоводу, доминантни мод је TE11 и приказан је на слици 2. Следећи највиши мод је TM01. Опсег преко којег је гарантовано да је доминантни мод слободан од лажних модова мањи је него у правоугаоном таласоводу; однос највише и најниже фреквенције је приближно 1,3 у кружном таласоводу, у поређењу са 2,0 у правоугаоном водичу.Matthaei et al., стр. 198, 201

Еванесцентни модови

Еванесцентни (исчезавајући) модови су модови испод граничне фреквенције. Они не могу да се простиру низ таласовод на било коју удаљеност, већ експоненцијално опадају. Међутим, они су важни за функционисање одређених компоненти филтра као што су ириси и стубићи, описани касније, јер се енергија складишти у пољима еванесцентних таласа.Das & Das, стр. 112

Предности и мане Попут филтара преносних линија, таласоводни филтри увек имају вишеструке пропусне опсеге, реплике прототипа са сасређеним елементима. У већини дизајна, само најнижи фреквентни пропусни опсег је користан (или најнижа два у случају филтара не-пропусника опсега), а остали се сматрају нежељеним лажним артефактима. Ово је интринзично својство технологије и не може се дизајном елиминисати, иако дизајн може имати одређену контролу над фреквентном позицијом лажних опсега. Последично, у било ком датом дизајну филтра постоји горња фреквенција изнад које филтар неће успети да изврши своју функцију. Из тог разлога, прави нископропусни и високопропусни филтри не могу постојати у таласоводу. На некој високој фреквенцији појавиће се лажни пропусни или непропусни опсег који прекида предвиђену функцију филтра. Али, слично ситуацији са граничном фреквенцијом таласовода, филтар се може дизајнирати тако да ивица првог лажног опсега буде знатно изнад било које фреквенције од интереса.Lee, стр. 789; Matthaei et al., стр. 541; Sorrentino & Bianchi, стр. 262.