I n t ern a t i o n a l  J o u rn a l  o f  E l ect ri ca l  a n d  C o m p u t er E n g i n eeri n g  ( I J E C E )   V o l.   8 ,  No .   5 O c t obe r   20 1 8 ,  p p.  27 62~ 2 772   I S S N :  2088 - 8708 D O I :  10. 11 591/ i j ece . v8 i 5 . pp 276 2 - 2772          2762       Jou r n al  h om e p age h ttp : //ia e s c o r e . c o m/ j our nal s / i nde x . php/ I J E C E   A dv a nces  o n M ic ro w a v e Cera m i F ilt ers   f o r W irele s s   Co m m uni ca t io ns   ( Rev iew  P a per)       S t e l i o s Ts i t s o s   D ep ar t m en t  o f   C om put e r  E ng i ne e r i ng ,   T ech n o l o g i cal  an d  E d u cat i o n al  I n s t i t u t o f  C en t r al  M aced o n i a,  G r e ece        A rt i cl e I n f o     AB S T RAC T   A r tic le  h is to r y :   R ecei v ed   N o v 8 ,  201 7   Re v i se d   Fe b  4 ,  201 8   A ccep t ed   J ul  1 2 ,  201 8       A  r e v i e w  o f  t he  t e c hnol og i c a l  de v e l opm e nt s  on c e r a m i c   m onobl oc k   f i l t e r s   a nd  d upl e x e r s  ov e r  t he   y e a r s  i s   pr e s e nt e d i n t hi s  w or k .  E a r l y  de s i g ns  ba s e o n  s i m u l at ed  a n d  m ea s u r ed  d at ar e p r es en t ed  al o n g  w i t h  l at er   d es i g n s  b as ed   o n  accu r at e eq u i v al en t  ci r cu i t s  as  w el l  as  t h e u s e o f  e v o l u t i o n  al g o r i t h m s   f o r   o p tim a l d e s ig n .   Ke y wo rd :   C AD   C e r a m ic  f ilte r s   D ie le c tr ic  f il te r s   D up l e xe r s   W ir e le s s  c o m m u n ic a tio n s     C opy r i g ht   ©  201 8   I ns t i t ut e  o f  A d v anc e d E ngi ne e r i ng  an Sc i e nc e   A l l  ri g h t s re se rv e d .   Co rre sp o n d i n g  Au t h o r :   S te lio s  T s its o s ,     D ep ar t m en t  o f  C o m p u t er  E n g i n eer i n g ,   T e c h n o lo g ic a l a n d  E d u c a tio n a l I n s tit u te  o f   C e n tr a M aced o n i a,     M ag n e s i as  E n d ,  S er r es  G R - 62124,  G r e e c e .   E m a il: s . t s it s o s @ te ic m . g r       1.   I NT RO D UCT I O N   M i cr o w a v e f i l t er s  an d  d u p l ex er s  p l ay  a n  i m p o r t an t  r o l e i n   w i r el es s  co m m u n i cat i o n s  b y  r ej ect i n g   un w a nt e d   s i gna l s  i t he  f r e q u e nc y b a nd ( s )  o f  i nt e r e s t .   S e ve r a l  p l a na r - t y p s t r u ct u r es   h a v e b een  p r es e n t ed  i n   re c e n t   y e a rs  [1 ],  [2 ],  [3 ],  [4 ].   A l t h o u g h  t h e y  p ro v i de  l o w   i ns e r t i on  l o s s   i n t h e  pa s s ba n d a n d s h a r p r e j e c t i on  i t h e  s t op ba n d,  t h e s e  s t r u c t u r e s  a r e  n ot  s u i t a bl e   f or   m ode r m obi l e  h a n ds e t s ,  t a bl e t s ,  n ot e book s  e t c . ,  du e  t o t he   r el at i v el y  l ar g e ar ea t h e y  o ccu p y .  C er a m i m o n o b l o ck  f i l t er s  an d  d u p l ex er s  o n  t h ot h e r  s i de  pr ov i de  h i gh  s e le c ti v it y ,   te m p e r a t u r e  s ta b ili t y ,  c o m p a c t s iz e ,  lo w  in s e r tio n  lo s s  a n d  lo w  c o s t [ 5 ] ,  [ 6 ] ,  [ 7 ] .  S in c e  th e  1 9 8 0 s   c o nt i n uo u s   a d va nc e s   i s uc c o m p o ne nt s   ha ve   r e s ul t e d   i m i ni a t ur i s e d   a nd   i ne xp e ns i ve   m i c r o w a ve   f i l t e r s   s u ita b le  f o r   m o b i l e co m m u n i cat i o n s   h a n d s et s  as   w el l  as   t ab l et s ,  n o t eb o o k s  et c.   f o r  l o cal  ar ea n et w o r k s   a p p lic a tio n s .     T h e  u s e  of  c e r a m i c   m o n obl oc k   f i l t e r s  a n d du pl e x e r s  r e a l l y   t ook  of f  i n t h e  1990’ s  a n d 2000’ s   w i t th e  v a s t g r o w th  o f   m o b ile  c o m m u n ic a tio n s  a ll o v e r  th e   w o r l d .   T h e n eed  f o r  ev en  s m al l er  m o b i l e h a n d s et s  l ed   t o  t h e e x t en s i v e r es ear ch  a n d  d ev el o p m e n t  o f   m i n i at u r i s ed  f i l t er s  a n d  d u p l e x er s  b y   a l ar g e n u m b er  o f   R es ear ch er s ,  A cad e m i c I n s t i t u t es  a n d  C o m p a n i es .  T h e k e y  t ech n i q u e f o r   m i n i a t u r i s i n g  t h es e co m p o n e n t s  i s   t h u s o f   h i g h   d i el ect r i co n s t an t   ( 3 0 <εr <1 0 0 )   an d   l o w   l o s s   cer a m i m at er i al s .   T h b as i t o p o l o g y   o f   t h es e   f i l t er s  co n s i s t s  o f  ad j acen t  d i el ect r i c r es o n at o r s  co u p l ed  t o  each  o t h er  an d  t o  t h e I / O  p o r t s .     I n t hi s   w o r k a n a t t e m p t  ha s  b e e m a d e  t o  r e vi e w  t he   t ec h n o l o g i cal  ad v an ce s   m ad e o v er  t h e y ear s  o n   t h e d es i g n  o f  cer a m i c   m o n o b l o ck   f i l t er s  a n d  d u p l e x er s .  E ar l y  d es i g n s   w er e b as ed  o n  e q u i v al e n t   “g e n er al   p u r p o s e” ci r cu i t s  f o u n d  i n  t h e  l i t er at u r e,  an d  al s o  o n  s i m u l a t ed  an d  m ea s u r ed  d at a.  A s  a r es u l t  t h m ea s u r e p er f o r m a n ce  o f   t h es d e v i ces   o f t en   d ep ar t ed   f r o m   t h d es i r ed   s p eci f i cat i o n s   a n d   co n s i d er ab l am o u n t   o f   t i m e   w a s  s p e nt  o n r e - de s i gn i ng ,  r e - s i m ul a t i ng  a n d t r i m m i ng.  L a t e r   w or k   w a s  ba s e d on  t h e  e x t r a c t i on  of   m or e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t  J  E l e c  &  C o m p  E n g     I S S N :  2088 - 8708       A d v a n c e s o n  M i c r o wa v e  Ce ra m i c  F i l t e rs  f o r   W i r e l e ss     S te lio s  T s it s o s )   2763   accu r at e eq u i v al e n t  ci r cu i t s  f r o m   f i r s t  el e c tr o m a g n e tic  p r in c ip le s  a n d  a ls o  th e  u s e  o f  e v o l u tio n  a lg o r ith m s   f o r   o p tim a l d e s ig n .       2.   CE RAM I C B L O CK  F I L T E RS  AND DUP L E X E R S   E a r ly   w o r k  s ta r te d   in  F i n la n d   w it h  t h e  d e s ig n  o f   in te g r a te d   m i n ia t u r e  c e r a m ic  f i lte r s   f o r   9 0 0  M H z   c e llu la r   m o b ile   r a d io   a p p lic a tio n s   [ 8 ]   u tili s in g   s tr ip lin e   T E M   λ /4   c a v itie s   w it h   c e r a m ic   c o r e .   T h e   d e s ig n   w a s   b as ed  o n   m o d el s  a v ai l ab l e i n  t h e l i t er at u r e,  co m p u te r   s i m u la tio n s  a n d   m e a s u r e m e n ts  o f  c o u p lin g  c o e f f ic ie n t s   f o r  i r r eg u l ar  s t r u ct u r es .  I n t er d i g i t al  a n d  co m b l i n f i l t er  s t r u ct u r es   w er e f ab r i cat ed  u s i n g  t i t a n at e b as ed  cer a m i c   c om poun ds   w i t h  di e l e c t r i c  c o n s t a n t s  of  37 a n d 78 r e s pe c t i v e l y   a s   sh o w n  i n   F i g ur e   1 .  A ft e r   t r i m m i ng t he   f ab r i cat ed  s t r u ct u r es  g o o d  ag r ee m en t  b et w ee n  s i m u l at ed  an d  m ea s u r ed  r es u l t s   w a s  es t ab l i s h ed .           F i g u r e 1 .  M eas u r ed  co u p l i n g  c o ef f i ci e n t s  f r o m   s y m m et r i c r e s o n at o r  p ai r s   w i th o u t a n d   w it h  ir r e g u la r itie s .   ( a )  I n te r d ig ita w it h  g r o o v e s .   ( b )  C o m b l i ne   w i t h gr o o ve s .  ( c )  C o m b l i ne   w i t h a  c ut  [ 8 ] .       A t  t h e s a m e t i m e I s o t a et  al  [ 9 ]  o f  M i t s u b i s h i  E l ect r i c C o m p an y T M ,  J ap an ,  d e s i g n ed  an d   m an u f act u r ed   co m b l i n cer a m i f i l t er   w i t h   λ / 4   r es o n a t or s   ope r a t i n g  a t  1000 M H z  F i gu r e  2 .  T he   a d va nt a ge   o f t h i s  f i l t er   w as  t h e s u p p r es s i o n  o f  t h e t h i r d  h ar m o n i w h er e a s eco n d  p as s - b an d   w as   o b s er v ed .   T h i s   w as   ach i ev ed  b y  p l aci n g   g r o o v es   o n  t h e o u t er  s u r f ace o f  t h e d i el ect r i c b l o ck ,   w h i ch  al s o  p r o v i d ed  en o u g h  i n t er - r e s on a t or  c ou pl i ng .             F i gu r e  2.  M on obl oc k  di e l e c tr ic  f ilte r  c o n f i g u r a tio n ( a )  M o n o b lo c k  d ie le c tr ic  f ilte r ,     (b ) F i l t e r c ro s s - s e c tio n  [ 9 ] .       T h e  bi g g e s t  e x pa ns i on  of   t h e  u s e  of  c e r a m i c   m o n obl oc k   f i l t e r s  f or   m obi l e  c o m m uni c a t i on s  t ook  p la c e  in  th e  1 9 9 0 s   w ith  t h e   v a s g r o w t h  o f   m o b ile  c o m m u n ic a tio n s ,  d u e  to  th e  f ilte r s   s m a l l s iz e  a n d  lo w   co s t .  M u r at aT M,  J a p an ,  d es i g n ed  a n d   m a n u f act u r ed  a f u l l y   m o n o b l o ck  cer a m i f i l t er   w i t h  a co m b l i n e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SSN :   20 88 - 8708   In t  J  E l e c  &  C o m p  E n g ,   V o l.   8 , N o 5 O c t obe r  20 18   :   276 2   -   2772   2764   c on f i gu r a t i on   f or  t h e  800 M H z  ba n d c or dl e s s  t e l e ph o n e  s y s t e m  [ 10]  a n d a l s o a   c e r a m i c   m o n obl oc k     d u p le x e r   [ 1 1 ] .   T h is   f i lte r   c o n s is ts   o f   a   h i g h   p e r m i tti v i t y   ( ε r = 9 0 )   d ie le c tr ic   m o n o b lo c k   w it h   m u ltip le   c y li n d r ic a l h o le s   w h i ch  co n s t i t u t e t h e i n n er  co n d u ct o r s  o f  t h e r es o n at o r s .   A l l  s u r f ace s  ar e m e t al l i s ed  ex cep t   th e  s u r r o u n d in g  o f   th e  I / O  p o r ts  a n d  t h e  c ir c u m f e r e n tia g a p s  in s id e  a t t h e  e n d  o f  t h e  c y l in d r ic a l h o le s .  T h is   s t r uc t ur e  i s  s ho w n i n F i g ur e  3 ( a )  a nd  t he  d up l e xe r  s t r uc t ur e   i n F i gur e  3 ( b ) .   T he  d e s i g n o f  t he  f i l t e r   w a s  b a s e d   o n  e q u i v a le n t c ir c u its  a v a ila b le  in  th e  lite r a t u r e  a n d  3 D  F i n ite  E le m e n t M e th o d  a n a l y s is .  T h e  e x p e r i m e n ta l   a n d s i m u l a t e d r e s u l t s  e xh i bi t  a  di f f e r e n c e  of  a bou t  5% .             ( a)           (b )     F i g u r e 3 .  ( a)   M on obl oc k  di e le c tr ic  f ilte r  s tr u c tu r e  [ 1 0 ] , ( b)   M on obl oc k  di e l e c t r i c  du pl e x e r  s t r u c t u r e  [ 11] .       K en n er l e y  a n d  H u n t er  [ 1 2 ]  d es i g n ed  an d   m an u f act u r ed  cer a m i c s t r i p l i n f i l t er s  f o r   m o b i l e  an d   w i r el e s s   L A N s  co m m u n i cat i o n s  ab l e t o  o v er co m e t h e d i s a d v an t a g e o f   t u n i n g  ( n eces s ar y  t o  co m p en s at e f o r   d i m en s i o n al  t o l er an ces )  o f t e n  en co u n t er ed   w i t h   m o n o b l o ck  s t r u ct u r es .  T h es s t r i p l i n e  f i l t er s  co n s i s t  o f  t w o   tile s  o f  c e r a m ic   s u b s tr a te   w i th  a  tr a n s m is s io n  li n e  c ir c u it p r i n te d  o n  a  t h i n ,  lo w  p e r m itti v it y   s u b s tr a te   f o r mi ng  a   s a nd w i c s t r uc t ur e   F i g ur e   4 .  T h e l o w  p er m i t t i v i t y  s u b s t r at e can  b e e x t e n d ed  b ey o n d   t h e cer a m i c t i l es  t o   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t  J  E l e c  &  C o m p  E n g     I S S N :  2088 - 8708       A d v a n c e s o n  M i c r o wa v e  Ce ra m i c  F i l t e rs  f o r   W i r e l e ss     S te lio s  T s it s o s )   2765   f o r m   t he   i np ut   a nd   o ut p ut   t e r m i na l s .   G r o und i n i s   a c hi e ve d   b c o nd uc t o r   c o a t i n t he   o ut s i d e   f a c e s   o f   t he   s t r uc t ur e .   K oba y a s h i  a n d S a i t o [ 13]  of  S um i t o m o  Met al  I n d u s t r i e s T M ,   J ap an ,  d es i g n ed  an d   m a n u f act u r ed   cer a m i f i l t er s   f o r  co r d l es s  p h o n e s y s t e m s .  T h es f i l t er s   w e r e co n s t r u ct ed  b y  p l aci n g  s t r i p l i n m ad e o f  h i g h   p e r m i tti v it y   c e r a m ic s   ( ε r = 9 0 )   b e t w e e n   m ic r o s tr ip   lin e s   m a d e   o f   lo w   p e r m itti v it y   c e r a m ic s   ( εr = 1 5 )  F i gur e  5   to   ach i ev e ad d i t i o n al   m i n i at u r i s at i o n .  S o m e d i s cr ep an ci es   w er e o b s er v ed   b et w een  s i m u l at ed  an d  m ea s u r ed   r e s u l t s.           F ig u r e  4 .  C e r a m ic  s tr ip li n e   f ilt e r  c o n s tr u c tio n  [ 1 2 ] .           F ig u r e  5 .  M in ia t u r is e d  f i lte r  s t r u c tu r e  [ 1 3 ] .       I s h i k a w a et  al  [ 1 4 ]  o f  Mu r at aT M ,   J ap an ,  d es i g n ed  an d   m an u f act u r ed  p l an ar  d i el ect r i r es o n at o r   f ilte r s   f a b r ic a te d  in  c e r a m ic  s u b s tr a te s  f o r   m ill i m e tr e   w a v e   a p p lic a tio n s .  T h e  a d v a n ta g e  o f  t h e s e  f ilte r s   is   th a t   t h e y  ca n  eas i l y  b e i n t eg r at e d  i n t o  p l an ar  ci r cu i t s,  s u c h  a s M M I Cs  a n d  M I Cs.  F i g u r e  6 ( a )  sh o w s t h e   co n f i g u r at i o n  o f  a T E 0 1 0  m o d e d i el ect r i c r es o n at o r .   T h e r es o n at o r  co n s i s t s  o f  a d i el ect r i c s u b s t r at e a n d  u p p er   an d   l o w er   m et al   p l at e s .   T h d i el ect r i s u b s t r at i s   p l aced   b et w ee n   t h m et al   p l at es .   B o t h   u p p er   an d   l o w er   s u r f aces  o f   t h s u b s t r at e ar e m et al l i s ed .  T h i n - f i l m  e le c tr o d e s  o n  b o th  s id e s  o f  t h e  s u b s tr a te  h a v e  h o llo w   p at ch es  o f  t h s a m e  d i a m e t er .  T h e el ect r o d es  d i v i d e t h e r es o n at o r  i n t o  t h r ee  r eg i o n s  t o  b e cu t o f f  a g ai n s t   c y l i n d r i cal  T E  m o d e,  t h er ef o r e,  t h e  e le c tr o m a g n e t ic  f ie ld  is  c o n c e n tr a te d   w it h in   th e  c ir c u la r  h o llo w  p a tc h e s .   F i g ur e  6 ( b )  r e pr e s e nt s  t he  f i l t e r  c o nf i g ur a t i o n.   I n  [ 15]  a  m e t h od f or   m ode l l i n g  c e r a m i c  c o m b - l i n f i l t er s   w a s  p r es en t ed .  T h i s   m et h o d  co n s i d er s  a  c e r a m ic  c o m b l in e  f i lte r  a s  a   m u lti - c o nd uc t o r  t r a n s m i s s i o n l i ne   F i gur e  7   a n d  e x t r act s  eq u i v al en t  ci r cu i t   p ar am et er s  f o r  t r an s m i s s i o n  l i n es   w h i c h  i n  t u r n  ca n  eas i l y  b e s i m u l at ed  b y  a ci r cu i t  s i m u l at o r .  A l t h o u g h   t h i s   m e t h od s pe e ds   u p s i gn i f i c a nt l y  t h e   s i m ul a t i on pr oc e s s  i t  i s   l i m i t e d  t o un i f o r m mu l t i - c o n du c t or  t r a ns m i s s i on  lin e s  o n l y  a n d  c a n n o t tr e a t a n y  ir r e g u la r  s tr u c tu r e s .   P a r k  a n d   Z ie g e r t [ 1 6 ]  p u b lis h e d  a   f e a s ib ilit y  s tu d y  o n  p r o d u c in g  c e r a m ic  b lo c k  f ilte r s  i n   s m a ll   q u an t i t i es .  T h e y   u s ed  a cap aci t i v el y  co u p l ed  l u m p ed  el e m en t  b an d - p a s s  f ilt er   m o d el   f r o m   t h e l i t er at u r e a n d  a   g en er i c cer a m i c s t r u ct u r e t o  d et er m i n e t h u n l o ad ed  Q   f act o r  an d  f r eq u en c y  r an g e F i g u r e 8 .   T he n t he  f i l t e r   f r e qu e n c y ,  or de r ,  a n d s h a pe  f a c t or  c ou l d be  t a i l or e w i t h  l o w  c os t  t u n i ng   m e t h ods  t o i m pl e m e nt  t h e  c ou pl i ng  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SSN :   20 88 - 8708   In t  J  E l e c  &  C o m p  E n g ,   V o l.   8 , N o 5 O c t obe r  20 18   :   276 2   -   2772   2766   c o e ffi ci e n t s  an d   m e s h  r es o n an ces  t o  ach i e v e n ar r o w  b an d - p as s  co u p l ed  r es o n at o r  f i l t er s .  T h i s   w as  ach i ev ed   w it h   th e   u s e   o f  a u to m a te d   m illin g  o r   la s e r   e tc h i n g  to o ls   t o   m o d if y   t h e  g e o m e tr y   o f  b o th  t h e   c e r a m ic  a n d   p l at i n g  an d   h en ce  t h e co s t   o f  t h g e n er i c s t r u ct u r an d  as s o ci at ed  eq u i p m en t   w as   s p r ead  o v er   m an y   a p p lic a tio n s .           ( a)       ( b)     F i g u re  6 .  (a T E 0 1 0  m o d e d i el ect r i c r es o n at o r   ( b )  F i l t er  co n f i g u r at i o n  b as ed  o n  T E 0 1 0  m o d e d i el ect r i re s o n a t o r [1 4 ].           F i gu r e  7.   M u lti - c o nd uc t o r  t r a ns m i s s i o n l i ne  [ 1 5 ] .           F ig u r e  8 .  C e r a m ic  b lo c k   f ilte r   a n d  its  e q u i v a le n t c ir c u i m o d e l [ 1 6 ] .       I n  [ 1 7 ]  a h el i cal  cer am i c r es o n at o r  d es i g n   w as  d es cr i b ed  an d  a s a m p l e f i l t er  s t r u ct u r e b as ed  o n  t h i s   t y p e o f  r e s o n at o r   w as  p r es e n t ed .  T h e h el i ca l  r es o n at o r   s t r u ct u r w as  p r o d u ced  u s i n g  s t an d ar d  cer a m i c   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t  J  E l e c  &  C o m p  E n g     I S S N :  2088 - 8708       A d v a n c e s o n  M i c r o wa v e  Ce ra m i c  F i l t e rs  f o r   W i r e l e ss     S te lio s  T s it s o s )   27 67   r e s o n a to r  te c h n o lo g y  a n d  le d  to  s u b s ta n tia m i n ia t u r is a tio n  o f  t h e  f ilte r s .  T h is  t y p e  o f  r e s o n a to r  a n d  th e   as s o ci at ed  f i l t er  ar e i l l u s t r at ed   i n  F i g u r es  9  an d   F i g ur e   10.           F i gu r e  9.  C r os s - s ect i o n a l  v i e w  o f  t w o  cer a m i c r es o n at o r  s t r u ct u r es :  ( a)  co n v e n t i o n al  co ax i al .  ( b )  h el i cal  [ 1 7 ] .           F i g ur e  1 0 .  A  ge ne r a lis e d  c e r a m ic   m o n o b lo c k  f ilte r  u ti l i s i ng  4 h e l i c a l  r e s on a t or s  [ 17]       3.   RE S U L T S  AND D I S CU S S I O N   S o  f ar   w h av e s ee n  t h at  t h e e x t r act i o n  o f  t h e eq u i v al e n t  ci r cu i t  p ar a m et er s   f o r   m o n o b l o ck  s t r u c t u r e s   i s  u s u al l y  p er f o r m ed  u s i n g  ex p er i m e n t al  an d  el ect r o m a g n et i c s i m u la tio n  d a ta  f itte d  to  a  b a s ic  to p o lo g y   e q u iv a le n t   m o d e f o u n d  i n  t h e  lite r a tu r e   w it h  a r b itr a r y   in i t ia l v a lu e s .  T h is  b a s ic   m o d e l i s  o f te n   li m ite d  a n d   o p tim is a tio n   m a y  r e s u lt i n  u n r e a lis tic  p a r a m e te r  v a l u e s .   S in c e  2 0 0 4   T s its o s  e t a l a n d  K y r ia z id i s  e t a pr o d u ced  an  ex t en s i v w o r k   o n  cer a m i m o n o b l o ck   f i l t er   m o d el l i n g  an d  d es i g n .  I n i t i a l l y  t h e y  p r es e n t ed   p r act i cal  el ect r o m a g n e t i an al y s i s   t ech n i q u e s   [ 1 8 ]  i n cl u d i n g   t h ap p l i cat i o n   o f   s y m m et r y   [ 1 9 ]  t o   s p eed  u p   el ect r o m ag n et i s i m u l at i o n  t i m es  a n d  t o  i m p r o v e s i m u l at i o n  accu r ac y .  T h en  t h e y  p r es e n t ed  a C A D  p ar a m et er   e x tr a c tio n  te c h n iq u e  [ 2 0 ] , [ 2 1 ]  t o  p r o d u ce accu r at e eq u i v al en t  ci r c u i t s .  T h i s  t ech n i q u e i s  b as ed  o n   f i r s t   e le c tr o m a g n e tic  p r i n c ip le s   th u s  p r o v id in g  a  p h y s ic a l  in s i g h t  in to   th e  e x tr a c tio n  p r o c e s s .  I n  t h is   w a y  a c c u r a te   eq u i v al e n t  ci r c u i t s  can  b e p r o d u ced  f o r  each  i n d i v i d u al   m o n o b l o ck   s t r uc t ur e  t hu s  a v o i d i ng t he   ge ne r a l   p ur p o s e  e q ui va l e nt  c i r c ui t s   f o und  i n t he  l i t e r a t ur e .  T he   m a i n a d va nt a ge  o f  t hi s  t e c hni q ue  i s  i t s   s u i t a b i l i t f o r   an al y s i n g  s t r u ct u r es  o f  ar b i t r ar y   g eo m et r y  a n d   m at er i al s .  B as ed  o n  t h es e t ech n i q u es  i t   w as  p o s s i b l e t o  d e s i gn   c e r a m i c   m o n obl oc k   f i l t e r s   f or   m obi l e  h a n ds e t s  ope r a t i n g   i n t h e  P C S  a n d U M T S  f r e qu e nc y  ba n ds  [ 22] ,   [ 23]   F i gu r e  11 .   A s   an   e x a m p l e,   t h i n d u ct an ces   a n d   cap aci t an ces   as s o ci at ed   w i t h   t h f i l t er s   cu p s   an d   t h e   i m p ed an ces  a s s o ci at ed   w i t h  t h e f i l t er s  r es o n at o r s   w er e d et er m i n ed  b y   n u m er i cal l y  s o l v i n g   w e l l  es t ab l i s h ed   el ect r o m ag n et i c eq u at i o n s  i n  t h “f i e l d  cal cu l a t o r ”  m e n u  o f  H F S S .  T h e cap aci t a n ce  p er  u n i t  l e n g t h  o f  a   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SSN :   20 88 - 8708   In t  J  E l e c  &  C o m p  E n g ,   V o l.   8 , N o 5 O c t obe r  20 18   :   276 2   -   2772   2768   t r an s m i s s i o n  l i n e i s   g i v en  b y   C =q / V ,   w h er e t h e el ect r i c c h a r g e q  i s  cal cu l at ed  f r o m  t h e el ect r ic  f lu x  d e n s it y  D   o v er  a cl o s ed  s u r f ace  A   a s   s h o w n  i n   F i gur e  1 2 .               ( a)       (b )     F i gu r e  11.   ( a)  C er am i m o n o b l o ck  f i l t er  l a y o u t .   ( b )  E q u iv a le n t c ir c u i [2 1] .           ( a)       (b )     F i gu r e  12.  ( a )  E x t r a c t i on  of  f i l t e r s  c u p c a pa c i t a n c e  t o g r ound.  ( b)   E x tr a c tio n  o f  in d u c ta n c e s  a s s o c ia te d   w it h  th e   f ilte r s  c u p s  [ 2 1 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t  J  E l e c  &  C o m p  E n g     I S S N :  2088 - 8708       A d v a n c e s o n  M i c r o wa v e  Ce ra m i c  F i l t e rs  f o r   W i r e l e ss     S te lio s  T s it s o s )   2769                         dA E = dA D A ε A = q   (1 )     a n d  th e  v o lta g e  V  i s  e v a l u a te d  b y  i n te g r a tin g  t h e  e le c tr ic  f ie l d  E  a lo n g  a  lin e  i n te g r a l in  t h e  r  d ir e c tio n :     dr V Ε =   (2 )     T he   i nd uc t a nc e   p e r   un i t   l e n gt o f   a   t r a ns m i s s i o l i ne   i s   gi ve n   b y   L = Φ / Ι .   T he   m a g ne t i c   f l u Φ   i s   cal cu l at ed  b y  i n t eg r at i n g  t h m ag n et i f l u x  d en s i t y  B  n o r m al  t o  an  o p en  s u r f ace S  i n  a r a d i al  d i r ect i o n :     dS H = dS B S Φ µ S =   (3 )     an d  t h e cu r r e n t  I  i s  cal cu l at ed  b y  i n t e g r at i n g  t h m ag n et i f i e l d  H  ar o u n d  a cl o s ed  co n t o u r :     dl H C = I   (4 )     T h e eq u i v al e n t  ex t r act ed  p ar am et er  v a l u e s  ar e p r es en t ed  i n  T ab l e 1 .  F i g u r e 1 3  p r es en t s   t h e ci r cu i t   an d  s t r u ct u r al  r es p o n s e o f  t h f i l t er .       T a b le   1 .  E q u iv a le n t C ir c u it E x tr a c te d  P a r a m e te r  V a lu e s   [2 1 ].   E q u i v al e n t  ci r cu i t  p ar am e t e r s   E x t r a ct ed  v a l u es   O p t i m i s ed  v a l u es   C up  # 1   ( # 3 )  c a p a c i t a nc e   t o   g r o un d :  C 1 =C 3   1 . 8 0 6 5  p F   1 . 5 2 1 7  p F   C up  # 1   ( # 3 )  i nd u c t a n c e :   L 1 =L 3   0 . 1 1 3 8  n H   0 . 0 8 3 9  n H   C up  # 2   c a p a c i t a n c e  t o gr o u n d :  C 2   0 . 4 8 3 3  p F   0 . 2 5 0 3  p F   C o u p l i n g   c a p a c i t a n c e  b e t w e e n  c u p s   #   1  a n d   # 2  ( #  2  a n d  # 3 ) :  C 12 = C 23   0 . 6 5 3 3  p F   0 . 6 4 5 7  p F   C up  # 1   ( # 3 )  c a p a c i t a nc e   t o  p or t :   C po rt   1 . 3 4 5 4  p F   0 . 5 9 3 3  p F   R e s o n a t o r   # 1  ( # 3 )  t o   c u p   # 1  ( # 3 )   d i s c o n t i n u i t y  i n d u c t a n c e :  L 1di s c = L 3di s c   0 . 0 5 1 1 5  n H   0 . 0 6 4 0  n H   R e s o n a t o r   # 1  ( # 3 )  c h a r a c t e r i s t i c  i m p e d a n c e :  Z 01 =Z 03   5 . 9 6 8 0  O h m s   7 . 3 9 9 4  O h m s   R es o n a t o r   # 2  ch a r ac t er i s t i c i m p ed an ce:   Z 02   6 . 7 9 8 0  O h m s   7 . 9 8 8 0  O h m s   E v en - m od e  c h a r a c t e r i s t i c  i m p e d a nc e   o f  r e s o n a t or s  # 1  a nd   # 2  ( #2  a n d   # 3 ) :   Z 0e   6 . 9 7 0 5  O h m s   9 . 0 9 0 9  O h m s   Od d - m od e  c ha r a c t e r i s t i c  i m p e d a n c e   o f   r e s o n a t or s   #1  a nd  #2   ( #2  a n d  #3 ) :   Z 0o   5 . 2 6 8 0  O h m s   6 . 7 3 3 8  O h m s   T ra n s fo rm e d  re s o n a t o r # 1  (o r # 3 ) c h a ra c t e ri s t i c  i m p e d a n c e :  Z ´ 0   1 1 . 93 6 0  O h m s   1 4 . 79 8 7  O h m s   T r a n s f o r m ed  ev en - m o d e  ch ar ac t e r i s t i c i m p e da nc e  of  r e s on a t o r s  # 1  a n d   # 2 ( # 2 a n d # 3 ) :  Z ´ 0e   1 5 . 35 4 3  O h m s   2 2 . 21 8 9  O h m s   T ra n s fo rm e d  o d d - m od e  c h a r a c t e r i s t i c   i m p e d a n c e  o f  r e s o n a t or s  #1   a nd   #2  ( # 2  a n d   # 3 ) :  Z ´ 0ο   8 . 9 6 9 2  O h m s   1 1 . 97 4 0  O h m s           F ig u r e  1 3 .  P C S  f ilte r  s tr u c tu r a l a n d  e q u iv a le n t c ir c u it  r e s pons e  [ 21] .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SSN :   20 88 - 8708   In t  J  E l e c  &  C o m p  E n g ,   V o l.   8 , N o 5 O c t obe r  20 18   :   276 2   -   2772   2770   B as ed  o n  t h e  t ech n i q u es  d es c r i b ed  ab o v e a d u p l ex er  s u i t ab l e f o r  a  m o b i l h an d s et  o p er at i n g  i n  t h e   U M T S  r ecei v e an d  t r a n s m i t  f r e qu e n c y  ba n ds   w a s  de s i gn e d [ 24]   F i g u r e  14.  I t s   f r e qu e n c y  r e s pons e  i s   pr e s e n t e d i n F i g u r e  15.   T he  a b o ve   w o r w a s  e x t e nd e d   f ur t he r  b y a p p l y i ng e f f i c i e nt l y  t he  D i f f e r e nt i a l   E v o lu tio n   A lg o r it h m   ( D E A )   c o m b i n e d   w it h   th e  F i n ite   E le m e n M e th o d   ( F E M )   to w a r d s  th e   o p ti m a l s h a p e   d es i g n  o f  cer a m i c   m i cr o w a v e  f i l t er s  i n  o r d er  t o   m eet   s p eci f i c r eq u i r e m e n t s  [ 2 2 ] .  T h e o v er al l  al g o r i t h m  wa s   i m p l e m en t ed  b y  a  t w o - s t ep  p r o ced u r e,  w h i c h  i s  r ep eat ed  i t er at i v el y .  I n  t h e f i r s t  s t ep ,   f o r  a g i v e n   s et  o f  t h e   d es i g n  p ar a m et er s   v al u e s ,  t h e el ect r o m a g n e t i c an al y s i s  p r o b l em  i s   s o l v ed  u s i n g   t h A n s o f t  H F S S   co m p u t at i o n al  p ac k ag e,   w h i c h  i s  b as ed  o n  t h F E M.  I n  t h e s eco n d   s t ep ,  t h e D E A  u p d at es  t h v al u es  o f  t h e   d es i g n  p ar a m et er s  b as ed  o n  t h ei r  p er f o r m a n ce i n   m eet i n g  t h e d es i g n   s p eci f i ca t i o n s .           ( a)         (b )     F i gu r e  14.  ( a )  U M T S  c e r a m i c   bl oc k  du pl e x e r  l a y o u t .  ( b)  E qu i v a l e n t  c i r c u i t  t opol ogy  [ 24] .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t  J  E l e c  &  C o m p  E n g     I S S N :  2088 - 8708       A d v a n c e s o n  M i c r o wa v e  Ce ra m i c  F i l t e rs  f o r   W i r e l e ss     S te lio s  T s it s o s )   2771       F i gu r e  15.  F r e qu e n c y  r e s pons e  of  t h e  U M T S  du pl e x e r  of  F i g u r e  14 [ 24] .       4.   CO NCL U S I O N   A n  ex t en s i v e r e v i e w  o f   t h e t e ch n o l o g i cal  d ev el o p m e n t s  o n   cer a m i m o n o b l o ck  f i l t er s  an d  d u p l ex er s   o v er  t h e   y ear s  i s  p r es e n t ed  i n  t h i s   w o r k .  T h e r ev i e w  o f  co u r s e i s  n o t  ex h a u s ti v e   b u t th e  b a s ic  m ile s to n e s   o n   t he  d e s i g n a nd  d e ve l o p m e nt  o f  t he s e  s t r uc t ur e s   w a s  p r e s e nt e d .  I t  w a s  s ho w n  t ha t  a l t ho ug e a r l y  d e s i g ns   w e r e   b as ed  o n  s i m u l at ed  a n d   m ea s u r ed  d at a,  l at er  d es i g n s   w er e b a s ed  o n  acc u r at e eq u i v al e n t  ci r cu i t s  as   w el l  a s  t h e   us e  o f  e v ol u t i on  a l g or i t hm s   f o r  opt i m a l  de s i gn .       ACK NO W L E D G E M E NT S   T h au t h o r   w o u l d  l i k e t o   ack n o w l ed g e t h R es ear c h   C o m m i t t ee  o f  t h T ech n o l o g i cal  a n d   E d u cat i o n al  I n s t i t u t e  ( T . E . I . )  o f  C e n t r al  M aced o n i a,  S er r es ,  G r eece f o r  s u p p o r t i n g  t h i s   w o r k .  ( D eci s i o n   S AT / I C / 0905 17 - 67/ 10/ P / 6) .       R EF ER EN C ES     [ 1]   U . R a f i q u e et  a l . ,  “ B a nds t o p F i l t e r  D e s i g f or   G S M  S hi e l di ng  U s i ng  F r e que nc y  S e l e c t i v e  S ur f a c e s ,   I nt e r nat i on al   J our n al  o f  E l e c t r i c al   an d C om pu t e r  E ngi ne e r i ng ( I J E C E ) vo l .  2 ,   n o. 6,   p p.  84 6 - 8 50,  D e c  20 12.   [ 2]   F .  A y t ouna ,   et   al . ,  “A  N o v el  C P W  L o w  C o s t  L o w p as s  F i l t er  I n t e g r at i n g  P er i o d i S t r u ct u r es ”,   I nt e r nat i on al  J our n al   of  E l e c t r i c al   an d C om pu t e r  E n gi n e e r i ng ( I J E C E ) ,   v ol .   6 ,   n o.  3,  pp .  110 6 - 11 11,   J une  20 16.   [ 3]   A .  B out e j da r ,   et  a l . ,  “ D e s i g n a nd  I m pr ov e m e nt  of  a  C o m pa c t  B a ndpa s s  F i l t e r  us i ng  D G S  T e c hni q ue  f or  W L A N   a nd   W iM A X  A p p lic a tio n s ,   T E L KO M NIKA ,   v ol .   1 5,  no . 3,   p p.  11 37 - 11 4 4,  S e pt  20 17 .   [ 4]   M .  A .  S azal i   et  a l . ,  “  H y b r id  M ic r o s tr ip  D i p le x e r  D e s ig n   f o r  M u lti - ba nd W i M A X  A ppl i c a t i on  i 2. 3 a nd  3. 5 G H z   B an d s ”,   I n t e r nat i on al  J our n al  of  E l e c t r i c al  an C om put e r  E n gi n e e r i ng  ( I J E C E ) ,   v ol .  8,   n o.  1,  pp .   5 76 - 5 84 ,  F e 201 8.   [ 5]   S .  J .  F i ed zi u s zk o ,   et  a l . ,  “D i el ect r i c M at er i al s ,  D ev i ces ,  an d  C i r cu i t s ”,   I E E E   T r ans ac t i o ns  o n M i c r ow av e  T he or y   and  T e c hn i q ue s v ol .  50 n o . 3 , p p 7 0 6 - 72 0,   M a r  20 02 .   [ 6]   I .  M . R ean ey  an d  D .  I d d l e,  “ M i cr o w av e D i el ect r i c C er a m i cs  f o r  R es o n at o r s  a n d   F i l t er s  i n  M o b i l P h o n e   N et w o r k s ”,   J our nal  of  t he   A m e r i c an  C e r am i c  Soc i e t y v ol .  8 9,  i s s .   7,   p p.  20 63 2 07 2,  J ul y  200 6.   [ 7]   M . L e  C o q e t a l. ,   M in ia tu r e   m ic r o s tr ip   f ilte r   us i ng  hi g h - p e r m ittiv it y  c e r a m ic  s u b s tr a te s  ( e r =9 0 ) ”,   I E E E  M T T - I nt e r nat i o nal   M i c r ow av e  Sy m pos i um  D i ge s t ,   pp.  1 - 4 20 11.   [ 8]   E .  K e m ppi ne n ,  e t a l. , “ R eal i zat i o n   of   I n t eg r at ed   M in ia tu r e   Ce ra m i c   F ilte r s   f o r  9 0 0  M H z  C e llu la r  M o b ile  R a d i o   A p p lic a tio n s ,  1 7t h E ur ope a n   M i cr o w a ve C o n f er en ce,   pp .  1 75 - 18 0,  1 98 7.   [ 9]   Y.  I so t a ,   e t  a l. ,   G r oov e d   M on obl oc k   C o mb - Li n e   F ilte r   S upp r e s s i ng  t he  T hi r d H a r m oni c s ,   I E E E  M T T - I nt e r nat i o nal   M i cr o w a ve S y m pos i um  D i ge s t ,  V ol .  1,   pp .  3 83 38 6,  1 987 .     [ 1 0]   H .  M a t s um ot o,   e t a l. ,   m in ia tu r iz e d   d ie le c tr ic   m onobl oc k   ba nd - p a ss  f ilte r   f or  800 M H z  ba nd c or dl e s s  t e l e phon e   s y s t e m ”,   I E E E  M T T - S   I nt e r n at i o nal  M i c r ow av e  Sy m pos i um  D i ge s t ,  V ol .  1 ,   pp .  2 49 25 2,   1 99 4.   [ 1 1]   H .  M a t s um ot o,   e t a l. , “ m i n i at u r i zed   d ie le c tr ic   m ono bl oc k   d up l e xe r   m a t c he d by  t he  bur i e d i m pe da nc e   tr a n s f o r m in g  c ir c u it” ,   I E E E  M T T - S I nt e r n at i on al  M i c r ow av e  Sy m p os i um  D i ge s t ,  V o l .   3,   pp.  1 53 9 15 42,  19 95 .   [ 1 2]   A . J .  K e nne r l e y  a nd I . C .  H un t e r ,  “ M in ia tu r e   mi c r o w a v e   f ilte r s  u s in g   h i gh   p e r m ittiv ity   c e r a m i c s ,   I E E E  M T T - Sy m pos i um  o T e c h nol ogy  W i r e l e s s  A ppl i c at i o ns  D i ge s t ,   pp .  1 35 1 39,  19 95 .   [ 1 3]   S .  K o ba y a s hi  a nd K .  S a i t o,  “ m in ia tu r iz e d   cer a mi c   ba ndpa s s   f ilte r   f or  c or dl e s s  ph one  s y s t e m s ,   I E E E  M T T - I nt e r nat i o nal  M i c r ow av e  Sy m pos i um  D i ge s t ,  V ol .  2 ,   pp .  3 91 39 4,  1 995 .     [ 1 4]   Y.  I sh i k a w a ,   et  a l . , “ V   b a nd   p l an ar   t yp e   d ie le c tr ic   r e s o n at o r  f i l t er  f ab r i cat ed  i n  c er a m i c  s u b s t r at e”,   T opi c al   Sy m pos i um  o n M illim e te r  W a v e s ,   pp.  93 - 96 ,  19 97 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.