CC BY
22Решетневскуе чтения. 2017
УДК 621.396.49
ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ФИЛЬТР НА ОСНОВЕ ДВУМЕРНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КРИСТАЛЛА*
С. А. Ходенков1*, Н. М. Боев2, В. В. Иванин1, Е. В. Королев1, О. Н. Бандурина1
1 Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 2Институт физики им. Л. В. Киренского СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/38 E-mail: hsa-sibsau@mail.ru
Исследована конструкция перестраиваемого фильтра на основе 2D электромагнитного кристалла. Устройство с жидкокристаллической средой имеет высокие частотно-селективные свойства и может быть использовано в узлах связи космической техники.
Ключевые слова: фильтр, полоса пропускания, кристалл.
THE TUNABLE FILTER BASED ON TWO-DIMENSIONAL ELECTROMAGNETIC CRYSTAL
S. A. Khodenkov1*, N. M. Boev2, V. V. Ivanin1, E. V. Korolev1, O. N. Bandurina1
1Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
2Kirensky Institute of Physics 50/38, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation E-mail: hsa-sibsau@mail.ru
The paper researches design of tunable filter based on 2D electromagnetic crystal. The device with the liquid crystal medium has high frequency-selective properties and can be used in units of space equipment.
Keywords: filter, bandwidth, crystal.
Введение. Управляемые сверхвысокочастотные (СВЧ) устройства [1-3] являются неотъемлемой частью многих современных радиотехнических систем. Применение таких систем занимает достаточно широкие области, важнейшие из них: радиолокация, радионавигация, космическая связь и т. д.
В настоящее время существует несколько подходов, позволяющих создавать управляемые конструкции СВЧ диапазона, в том числе и микрополосковые. Один из них - использование активных сред [4; 5], например, жидкого кристалла (ЖК) [6], в котором в результате воздействия управляющим напряжением U, приложенным к полосковым проводникам резонаторов, между ними и экраном возникает постоянное электрическое поле в объеме жидкокристаллической среды. Это позволяет изменять ориентацию молекул ЖК и, соответственно, плавно варьировать его диэлектрическую проницаемость в определенном диапазоне от е± до £ц. При этом перестройка резонансной частоты отрезка микрополосковой линии происходит за счет изменения эффективной диэлектрической проницаемости ее подложки - жидкого кристалла.
Фильтр с перестраиваемой центральной частотой полосы пропускания. Параметрический синтез
полосно-пропускающего фильтра четвертого порядка на основе 2В-электромагнитного кристалла размерностью 2^2 (рис. 1) проводился с помощью численного электродинамического анализа 3Б-моделей.
В СВЧ конструкции с активной средой протяженные отрезки полосковых проводников каждого из четырех резонаторов соединены с экраном (позиция 1) через емкость С, обеспечивающую короткое замыкание для высокочастотного сигнала.
Для объективного сравнения изменения его частотно-селективных свойств во всех расчетах использовались одинаковые размеры полосковых проводников и зазоров между ними, а также одинаковая толщина подложки h = 1 мм. Эффективная диэлектрическая проницаемость отрезков микрополосковых линий варьировалась в диапазоне от е/ = 2,3 до е/ = 4,3. На рис. 2 приведены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) фильтра с центральной частотой полосы пропускания/ ~ 1,5 ГГц (е/ = 4,3), /0 ~ 1,75 ГГц (е/ = 3,1), /0 ~ 2,0 ГГц (г/ = 2,3). При этом смещение центральной частоты полосы пропускания фильтра на 500 МГц не сопровождается ухудшением его частотно-селективных свойств.
'Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, грант Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук, МК-9119.2016.8.
Космическое и специальное электронное приборостроение
Рис. 1. Схематическое изображение фильтра без жидкого кристалла, масштаб выдержан. Темно-серым цветом показаны полосковые проводники
L, дБ L, R, дБ
а б
Рис. 2. АЧХ фильтра с перестраиваемой центральной частотой полосы пропускания в широком (а) и узком (б) диапазоне частот. Штриховые линии - е^ = 4,3, сплошные линии - е^ = 3,1, точки - е^ = 2,3
Выводы. Таким образом, показано, что использование жидкого кристалла в фильтре с периодически расположенными по двум пространственным координатам микрополосковыми резонаторами позволяет плавно смещать центральную частоту его полосы пропускания на 500 МГц, причем с сохранением высоких частотно-селективных свойств устройства.
Библиографические ссылки
1. Yan W. D., Mansour R. R. Tunable dielectric resonator bandpass filter with embedded MEMS tuning elements // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2007. Т. 55, № 1. С. 154-160.
2. Rahman M., Shamsaifar K. Electronically tunable LTCC based multi-layer filter for mobile handset application // IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. 2003. Т. 3. С. 1767-1770.
3. Uher J., Hoefer W. J. R. Tunable microwave and millimeter-wave bandpass filters // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1991. Т. 39, № 4. С. 643-653.
4. Microwave properties of tunable phase shifter using superconductor/ferroelectric thin films / M. H. Kwak [et al.] // Integrated Ferroelectrics. 2005. Vol. 77. P. 79-85.
5. Electrically tunable superconducting quasilumped element resonator using thin-film ferroelectrics / H. T. Su [et al.] // Microwave and Optical Technology Letters. 2000. Т. 24, № 3. С. 155-158.
6. Magnetically tunable room-temperature 2n liquid crystal terahertz phase shifter / C.-Y. Chen [et al.] // Optics Express. 2004. Т. 12, № 12. С. 2625-2630.
References
1. Yan W. D., Mansour R. R. Tunable dielectric resonator bandpass filter with embedded MEMS tuning elements // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2007. Vol. 55, no. 1. P. 154-160.
2. Rahman M., Shamsaifar K. Electronically tunable LTCC based multi-layer filter for mobile handset application // IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. 2003. Vol. 3. P. 1767-1770.
3. Uher J., Hoefer W. J. R. Tunable microwave and millimeter-wave bandpass filters // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1991. Vol. 39, no. 4. P. 643-653.
4. Microwave properties of tunable phase shifter using superconductor/ferroelectric thin films / M. H. Kwak [et al.] // Integrated Ferroelectrics. 2005. Vol. 77. P. 79-85.
5. Electrically tunable superconducting quasilumped element resonator using thin-film ferroelectrics / H. T. Su [et al.] // Microwave and Optical Technology Letters. 2000. Vol. 24, no. 3. P. 155-158.
6. Magnetically tunable room-temperature 2n liquid crystal terahertz phase shifter / C.-Y. Chen [et al.] // Optics Express. 2004. Vol. 12, no. 12. P. 2625-2630.
© Ходенков С. А., Боев Н. М., Иванин В. В., Королев Е. В., Бандурина О. Н., 2017
