CC BY
98
Секция ««Электронная техника и технологии»
УДК 621.3.029.6
ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ НА ОСНОВЕ ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛОВ*
С. А. Ходенков1, Б. А. Беляев1'2, В. В. Храпунова1, С. В. Ефремова1
1Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: hsa-sibsau@mail.ru
2Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50, строение № 38
E-mail: belyaev@iph.krasn.ru
Рассмотрены конструкции полосно-пропускающих фильтров основе фотонных кристаллов. Приведены топологии полосковых проводников для реализации микрополосковых устройств с высокими частотно-селективными свойствами.
Ключевые слова: полосно-пропускающий фильтр, фотонный кристалл, микрополосковое устройство.
BAND-PASS FILTERS BASED ON PHOTONIC CRYSTALS
S. А. Khodenkov1, B. A. Belyaev1, 2, V. V. Khrapunova1, S. V. Efremova1
1Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: hsa-sibsau@mail.ru
2Kirensky Institute of Physics 50, stroenie № 38, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation E-mail: belyaev@iph.krasn.ru
Constructions of band-pass filter based on photonic crystal are considered. The topology of strip conductors were shown for construction microstrip devices with high frequency selective properties.
Keywords: band-pass filter, photonic crystal, microstrip deviсe.
Искусственные периодические структуры, размеры неоднородностей в которых по одной (1D), двум (2D) и трем (3D) координатам сравнимы с длиной электромагнитной волны, называемые фотонными кристаллами [1; 2], в последнее время все больше привлекают внимание разработчиков сверхвысокочастотных (СВЧ) устройств. Так на их основе в микрополосковом исполнении разработаны различные частотно-селективные устройства, в том числе фильтры [3] и фазовращатели [4].
В настоящей работе с помощью электродинамического численного анализа 3D-моделей рассчитаны конструкции микрополосковых полосно-пропускающих фильтров, представляющих собой аналоги фотонных кристаллов.
Один из наиболее простых одномерных микрополосковых фотонных кристаллов представляет собой нанесенные с некоторым периодом протяженные регулярные полосковые проводники, расположенные на диэлектрической подложке (рис. 1, а). Для определенности, все исследования проводились на широко распространенном в СВЧ технике материале - керамика ТБНС с толщиной h = 1 мм и диэлектрической проницаемостью s = 80. Число резонаторов в одномерных конструкциях - три.
* 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 «Исследование и проектирование современных микрополосковых и полосковых устройств частотной селекции, в том числе с использованием активных сред и на основе фотонных кристаллов».
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2015. Том 1
Как видно по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ), от каждого резонатора микропо-лоскового устройства полосу пропускания формируют по одному резонансу (рис. 2, а), поэтому представленный полосно-пропускающий фильтр имеет третий порядок. Для определенности он настроен на центральную частоту полосы пропускания /0 = 2 ГГц с относительной шириной А// ~ 16 %, измеренной по уровню -3дБ от величины минимальных потерь (Ьтт = —0.51 дБ). При этом наличие на АЧХ полюсов затухания значительно улучшает частотно-селективные свойства этой структуры.
Дальнейшее наращивание числа звеньев в ней, как и следовало ожидать, увеличивает крутизну обоих склонов полосы пропускание и подавление мощности на частотах полос заграждения. Однако при использовании большого числа полосковых проводников значительно возрастают потери на частотах полосы пропускания.
Рис. 1. Топологии полосковых проводников одномерных микрополосковых фотонных кристаллов. а - с прямоугольными проводниками; б - с проводниками ромбической формы
Стоит отметить, что при трансформации прямоугольной формы полосковых проводников в ромбическую, как это показано на рис. 1б, также можно реализовать фильтр третьего порядка (рис. 2, б) с практически идентичными амплитудно-частотными характеристиками (А// « 16 %, Ьтт = -0,69 дБ).
Фактически это означает, что при проектировании фильтров в оптическом диапазоне с высокими частотно-селективными свойствами можно использовать Ш неоднородности со «скошенными» углами.
<$21, <$11, дБ ^21, <11, дБ
а б
Рис. 2. АЧХ одномерных микрополосковых фотонных кристаллов. а, б - для топологии полосковых проводников, представленной на рис. 1, а, б соответственно
Также при помощи таких нерегулярных проводников-резонаторов можно исследовать свойства вытянутого двухмерного фотонного кристалла (рис. 3) для случая падения электромагнитных волн на его ребро.
Приведем конструктивные размеры рассмотренных микрополосковых полосно-пропускающих фильтров. Площадь прямоугольных проводников первого микрополоскового фотонного кристалла (рис. 1, а) в мм2 1 - 20,4x1,0 и 2 - 20,4^0,8, зазоры между ними - 1.2 мм. Для второго кристалла
Секция «Электронная техника и технологии»
(рис. 1, б) площадь отрезков прямоугольных проводников в мм2 1 - 2,4^0,1, 2 - 2,4^0,3, 3 - 2,4x0,5, 4 - 2,4x0,7, 5 - 2,4x0,9, 6 - 3,1x0,7, 7 - 1,0x0,9. Зазоры между отрезками полосковых проводников 5 и 7 - 0,6 мм.
Рис. 3. Фрагмент построения 2Б фотонного кристалла
Таким образом, представленные микрополосковые конструкции полосно-пропускающих фильтров на основе одномерных фотонных кристаллов обладают высокими частотно-селективными свойствами, обусловленными наличием полюсов затухания на АЧХ. В настроенных СВЧ структурах замена прямоугольных полосковых проводников на ромбические, более удобные для построения 2Б-кристалла, не приводит к существенному изменению амплитудно-частотной характеристики.
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. Полосно-пропускающие фильтры на двумерных микрополосковых фотонных кристаллах / Б. А. Беляев [и др.] // Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития : докл. Междунар. науч.-практ. конф. / ТУСУР. Томск, 2007. Ч. 1. С. 66-69.
4. Пат. 2257648 Российская Федерация. Управляемый фазовращатель / Б. А. Беляев, А. С. Волошин, А. А. Лексиков, В. Ф. Шабанов ; заявитель и патентообладатель Ин-т физики им. Л. В. Кирен-ского СО РАН ; заявл. 19.01.04; опубл. 27.07.05. 7 с.
© Ходенков С. А., Беляев Б. А., Храпунова В. В., Ефремова С. В., 2015
