Микрополосковые устройства частотной селекции на основе двухмерного фотонного кристалла

На основе двухмерного фотонного кристалла разработаны полосно-пропускающий фильтр, диплексер и двухполосный фильтр. Во всех микрополосковых конструкциях, имеющих высокие частотно-селективные свойства, внутренние протяженные четвертьволновые резонаторы расположены в два ряда.

Ключевые слова: фильтр, диплексер, двухмерный фотонный кристалл.

Как известно [1], двумерные (2D) фотонные кристаллы представляют собой особый тип естественных и искусственных структурноорганизованных сред, неоднородности в которых меняются периодически в двух измерениях с характерным пространственным масштабом периодичности порядка оптической длины волны [2].

В настоящее время широко исследуются свойства искусственных фотонных кристаллов и активно разрабатываются перспективные устройства на их основе, в том числе и микрополосковые [3, 4]. В настоящей работе предложены три микрополосковые конструкции на основе 2-D фотонного кристалла с пространственной размерностью 32 (три вдоль оси х, две вдоль оси y). Все они синтезированы с помощью электродинамического численного анализа 3D моделей. В расчетах использовались подложки, имеющие высокую диэлектрическую проницаемость ε = 80 и толщину h = 1 мм. При этом внутренние полосковые проводники, расположенные в два ряда являются аналогами двухмерно расположенных протяженных неоднородностей в структуре фотонных кристаллов.

Первое частотно-селективное устройство представляет собой микрополосковый полосно-пропускающий фильтр (рис. 1а). Его внутренние протяженные полосковые проводники 2–5 заземлены на основание со стороны краев подложки, поэтому они являются четвертьволновыми резонаторами. Каждый из шести таких резонаторов имеет по одной нижайшей моде колебаний, частоты которых попадают на частоты полосы пропускания (ПП) и участвуют в ее формировании. Дополнительно для повышения частотно-селективных свойств фильтра используются нерегулярные полуволновые резонаторы, полосковые отрезки которых 1а-1в свернуты.

Частотно-селективные свойства этой СВЧ конструкции значительно улучшают наблюдаемые на амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) полюса затухания мощности (рис. 1б), которые не только приводят к существенному росту крутизны обоих склонов полосы пропускания, но и способствуют усилению подавления мощности на частотах низкочастотной (более 105 дБ) и расширенной высокочастотной (более 50 дБ) полос заграждения.

Рис. 1. Топология полосковых проводников полосно-пропускающего фильтра (а) и его АЧХ (б)

Фильтр имеет относительную ширину полосы пропускания Df/f₀≈20 %, измеренную по уровню -3 дБ от уровня минимальных потерь, которые составляли величину L_min≈-1.4 дБ на центральной частоте ПП f₀≈1.0 ГГц.

Второе частотно-селективное устройство представляет собой микрополосковый диплексер (рис. 2а). Его внутренние полосковые проводники 2–5 также заземлены на основание и являются четвертьволновыми резонаторами. По сравнению с предыдущей конструкцией (см. рис. 1а) выходной проводник связи 1а-1в отсутствует, а точки кондуктивного подключения расположены на внутренних полосковых проводниках 2 и 4.

Принцип действия микрополоскового диплексера заключается в следующем: сигнал, поступающий на вход, разделяется по каналам, при этом более короткие полосковые проводники-резонаторы первого ряда 2, 3 формируют тремя резонансами полосу пропускания I (рис. 1б), обработанный сигнал снимается с выхода 1. Более длинные резонаторы второго ряда 4, 5, аналогично, формируют полосу пропускания II, сигнал снимается с выхода 2.

Рис. 2. Топология полосковых проводников диплексера (а) и его АЧХ (б)

Высокие частотно-селективные свойства этой СВЧ конструкции также обусловлены сильной крутизной склонов полос пропускания, значительным подавлением мощности на частотах низкочастотной и расширенной высокочастотной полос заграждения. Относительная ширина полосы пропускания I и II диплексера составила Df/f₀≈9.5 %, измеренные по уровню -3 дБ от уровня минимальных потерь (L_min≈-1.4 дБ) на центральной частоте низкочастотной полосы пропускания f₀≈0.93 ГГц и высокочастотной — f₀≈1.03 ГГц.

Стоит отметить, что количество резонаторов в рядах может быть увеличено. При этом простота настройки диплексера с улучшенными частотно-селективными свойствами обусловлена тем, что настройка полос пропускания I и II по частоте и относительной ширине осуществляется практически независимо.

Третье частотно-селективное устройство представляет собой микрополосковый двухполосный фильтр (рис. 3а). В отличие от предыдущих конструкций, в нем проводники связи заземлены на основание с обоих концов, но при этом крайние регулярные резонаторы также являются полуволновыми.

Рис. 3. Топология полосковых проводников двухполосного фильтра (а) и его АЧХ (б)

Аналогично, как и в конструкции диплексера, более короткие полосковые проводники первого ряда 2, 3 формируют высокочастотную полосу пропускания I тремя резонансами, более длинные проводники второго ряда 4, 5 — низкочастотную II (рис. 3б). Настройка такого фильтра осуществляется следующим образом: понижение и повышение центральных частот первой и второй полос пропускания в основном осуществляется удлинением и сокращением длин полосковых проводников в рядах. А уменьшение и увеличение ширины проводников — позволяет корректировать уровень обратных потерь в ПП. Раздвижка и сближение полос пропускания в основном осуществляется увеличением и сокращением разницы длин проводников рядов, а изменение зазора между ними позволяет регулировать их относительную ширину.

Отметим, что при настройке АЧХ, для получения более симметричных полос пропускания, размеры крайних проводников 1 подбирались таким образом, чтобы их нижайшая мода вносила наименьший вклад в формирование полос пропускания.

Относительная ширина низкочастотной и высокочастотной полос пропускания фильтра совпадает и равна Df/f₀≈9.7 %, измеренных по уровню -3 дБ от уровня минимальных потерь L_min≈-1.2 дБ и L_min≈-1.6 дБ на центральной частоте полосы пропускания f₀≈0.94 ГГц и f₀≈1.06 ГГц, соответственно.

Конструктивные параметры всех разработанных частотно-селективных устройств приведены в таблице ниже.

Таблица 1

Конструктивные размеры микрополосковых устройств

Таким образом предложены на основе двухмерного фотонного кристалла микрополосковые конструкции полосно-пропускающего фильтра, диплексера и двухполосного фильтра. Использование в конструкциях внутренних расположенных в два ряда четвертьволновых резонаторов и крайних полуволновых позволяет реализовать им высокие частотно-селективные свойства, обусловленные наблюдаемыми на АЧХ полюсами затухания мощности, которые приводят к существенному росту крутизны склонов полос пропускания и усилению подавления мощности на частотах низкочастотной и расширенной высокочастотной полос заграждения.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, грант Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых — кандидатов наук, МК-5942.2014.8 «Исследование и проектирование современных микрополосковых и полосковых устройств частотной селекции, в том числе с использованием активных сред и на основе фотонных кристаллов».

Литература:

1.                  Шабанов, В. Ф. Оптика реальных фотонных кристаллов. Жидкокристаллические дефекты, неоднородности [Текст] / В. Ф. Шабанов, С. Я. Ветров, А. В. Шабанов. — Новосибирск: Изд — во СО РАН, 2005. — 240 с.

2.                  Ветров, С. Я. Лекции по оптике фотонных кристаллов [Текст]: учеб. пособие / С. Я. Ветров, И. В. Тимофеев. — Красноярск: СФУ, 2008. — 212 с.

3.                  Беляев, Б. А. Исследование полосно-пропускающих фильтров на микрополосковом двумерном фотонном кристалле [Текст] Б. А. Беляев [и др.] // 17 Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»: материалы конф. — Севастополь, 2007. — С. 469–470.

4.                  Беляев Б. А. Полосно-пропускающие фильтры на двумерных микрополосковых фотонных кристаллах [Текст] Б. А. Беляев [и др.] // Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития: докл. Междунар. науч. — практ. конф.: Ч. 1. — г. Томск: ТУСУР. — 2007. — С. 66–69.