Микрополосковый двухполосный полосно-пропускающий фильтр на основе 2d-фотонного кристалла размерностью 3 2 Текст научной статьи по специальности «Физика»

Секция

«ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ»

УДК 621.3.029.6

МИКРОПОЛОСКОВЫЙ ДВУХПОЛОСНЫЙ ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЙ ФИЛЬТР НА ОСНОВЕ 2D-ФОТОННОГО КРИСТАЛЛА РАЗМЕРНОСТЬЮ 3 х 2*

Б. А. Беляев1' 2, С. А. Ходенков1, С. В. Ефремова1, В. В. Храпунова1

1Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Е-mail: hsa-sibsau@mail.ru

2Институт физики имени Л. В. Киренского СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50, строение № 38

Е-mail: belyaev@iph.krasn.ru

Предложена конструкция двухполосного полосно-пропускающего фильтра основе двухмерного (2-D) фотонного кристалла размерностью 3х 2. В экспериментальном микрополосковом устройстве с высокими частотно-селективными свойствами, резонансы полосковых проводников первого и второго ряда формируют две близко расположенные по частотам полосы пропускания (ПП).

Ключевые слова: двухполосный полосно-пропускающий фильтр, 2-D фотонный кристалл.

THE MICROSTRIP DOUBLE-BAND BAND-PASS FILTER BASED ON 2D-PHOTONIC CRYSTAL HAVING DIMENSION 3 х 2

B. A. Belyaev1, 2, S. А. Khodenkov1, S. V. Efremova1, V. V. Khrapunova1

1Reshetnev Siberian State Aerospace University

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: hsa-sibsau@mail.ru

2Kirensky Institute of Physics 50, stroenie № 38, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation Е-mail: belyaev@iph.krasn.ru

The construction of double-band band-pass filter based on 2-D photonic crystal having dimension 3 х 2 is suggested. The experimental microstrip structure has high frequency selective properties, the resonances of strip conductors of the first and second row form double pass-bands which are close located on frequencies.

Keywords: double-band band-pass filter, 2-D photonic crystal.

Как известно [1], фотонные кристаллы представляют собой особый тип естественных и искусственных структурноорганизованных сред, неоднородности в которых меняются периодически в одном, двух или трех 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].

*

Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, грант Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук, МК-5942.2014.8.

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2015. Том 1

В настоящей работе предложена конструкция микрополоскового двухполосного полосно-пропускающего фильтра на основе 2-0 фотонного кристалла размерностью 3 х 2. Его трехмерная модель представлена на рис. 1, на одну сторону диэлектрической подложки 1, обладающей диэлектрической проницаемостью е = 80 и толщиной к = 1 нанесены полосковые проводники 3-7, на другой ее стороне расположено заземляемое основание 2. При этом проводники 3-6 являются аналогами двухмерно расположенных протяженных неоднородностей в структуре фотонных кристаллов.

второй ряд

Рис. 1. Трехмерная модель микрополоскового двухполосного полосно-пропускающего фильтра

Принцип действия фильтра заключается в следующем: полосковые проводники первого ряда 3 и 4 формируют первую рабочую низкочастотную полосу пропускания (рис. 2), их размеры подобраны так, что в этой полосе наблюдаются три резонанса. Проводники второго ряда 5 и 6 формируют вторую рабочую высокочастотную полосу пропускания, аналогично их размеры подбираются также, чтобы в этой полосе тоже наблюдались три резонанса. Понижение и повышение центральных частот первой и второй рабочих полос пропускания в основном осуществляется увеличением и сокращением длин проводников в рядах. Раздвижка и сближение первой и второй рабочих 1111 в основном осуществляется увеличением и уменьшением разницы длин проводников рядов, а изменение зазора между ними позволяет регулировать их относительную ширину.

Улучшение таких селективных свойств, как прямоугольность склонов рабочих полос пропускания и увеличение подавление паразитной мощности в низкочастотной и высокочастотной полосе заграждения может осуществляться за счет роста числа N оптимально подобранных по размерам проводников в каждом ряду, при этом, число резонансов в каждой рабочей полосе пропускания также возрастает до N. Простота их настройки обусловлена тем, что подстройка размеров проводника одного ряда существенно влияет на рабочую полосу пропускания, которую формирует этот ряд и совсем незначительно влияет на другую рабочую полосу пропускания.

Экспериментальный фильтр был изготовлен на стандартной подложке (48х30 мм2) из традиционного материала СВЧ-техники (керамика ТБНС). Его конструктивные параметры были следующими: длина и ширина крайних узких полосковых проводников (7) смещенных от нижнего края проводников 3 (вдоль линии осевой симметрии) на 9,1 мм - 22,1^0,9 мм2, соответственно. Длина и ширина проводников первого ряда 3 - 22,3^6,3 мм2, соответственно, длина и ширина проводников второго ряда 5 - 18,7x6,3 мм2, соответственно, зазор между этими проводниками первого и второго ряда - 2,1 мм. Длина и ширина центрального проводника первого ряда 4 - 22,4x7,30 мм2, соответственно, длина и ширина центрального проводника второго ряда 6 - 18,4x7,3 мм2, соответственно, зазор между этими проводниками - 2.3 мм. Зазоры между крайними проводниками 7 и проводниками 3, 5 - 0,2 мм, между проводниками 3, 5 и проводниками 4, 6 - 3,0 мм.

Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) прямых и обратных потерь двухполосного по-лосно-пропускающего фильтра показаны на рис. 2а,б для смежного и диагонального подключения тракта СВЧ к крайним проводникам, соответственно (вход 1 - выход и вход 2 - выход на рис. 1, со-

Секция «Электронная техника и технологии»

ответственно). При этом АЧХ практически идентичны, на них наблюдаются полюса затухания мощности, которые повышают прямоугольность рабочих полос пропускания и значительно подавляют паразитную мощность, особенно на низких частотах.

£21, £11, дБ 52ь £1, дБ

а б

Рис. 2. АЧХ микрополоскового двухполосного полосно-пропускающего фильтра: а - смежное подключение портов; б - диагональное подключение портов

При смежном (диагональном) подключении тракта СВЧ к крайним проводникам, двухполосный фильтр имеет относительную ширину первой и второй рабочей полосы пропускания А/ ~ 7,0 % и А///0 ~ 6,6 % (А///0 ~ 6,7 % и А///0 ~ 7,2 %), измеренную по уровню -3 дБ от уровня минимальных потерь, которые составляли величину Ьтт ~ 1,4 дБ и Ьтт ~ 1,7 дБ (Ьтт ~ 1,8 дБ и Ьтт ~ 1,9 дБ) на центральной частоте первой и второй полосы пропускания/0 ~ 0,80 ГГц и/0 ~ 0,97 ГГц, совпадающей для обоих случаев подключения тракта СВЧ.

Таким образом, предложенная конструкция двухполосного фильтра на основе 2Б-фотонного кристалла, за счет полюсов затухания мощности, имеет высокие частотно-селективные свойства и при этом отличается простотой настройки полос пропускания даже при увеличении полосковых проводников в рядах.

Библиографические ссылки

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

2. Ветров С. Я., Тимофеев И. В. Лекции по оптике фотонных кристаллов : учеб. пособие. Красноярск : Изд-во СФУ, 2008. 212 с.

3. Исследование полосно-пропускающих фильтров на микрополосковом двумерном фотонном кристалле / Б. А. Беляев [и др.] // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии : материалы XVII Междунар. Крымской конф. Севастополь, 2007. С. 469-470.

© Беляев Б. А., Ходенков С. А., Ефремова С. В., Храпунова В. В., 2015