CC BY
15
DOI 10.36622/^ТО.2022.18.3.007 УДК 621.396
АКТИВНЫЙ ВОЛНОВОДНЫЙ ПОЛОСОВОЙ ФИЛЬТР НА ОСНОВЕ МЕТАМАТЕРИАЛА
Е.А. Ищенко1, Ю.Г. Пастернак1, В.А. Пендюрин2, С.М. Фёдоров1,3,
И.А. Черноиваненко1
воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2АО Научно-производственное предприятие «Автоматизированные системы связи»,
г. Воронеж, Россия
3Международный институт компьютерных технологий, г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассматривается конструкция волновода типа WR75, в нее интегрирован активный метаматериал, который выступает в роли устройства, которое формирует волноводный полосовой фильтр с перестраиваемыми характеристиками. Благодаря возможности коммутации в слоях активного метаматериала становится возможным формирование прозрачного режима работы, который позволяет пропускать электромагнитные волны с сохранением основных показателей для прямоугольного волновода, при этом при выполнении коммутаций в солях метаматериала с использованием рт-диодов возникает структура, которая формирует один из двух полосовых волноводных фильтров - с диапазоном рабочих частот от 10 до 11 ГГц или от 11 до 12 ГГц. Причем благодаря высоким качественным характеристикам активного метаматериала удается достичь малых потерь в диапазонах работы фильтра, высокой изоляции и подавления вне рабочего диапазона электромагнитных волн. Благодаря возможности масштабируемости метамате-риала возможно формирование подобной конструкции и для других диапазонов рабочих частот. Предложенная конструкция активного волноводного полосового фильтра позволяет объединить в одной конструкции несколько СВЧ-устройств, что положительно сказывается на оптимизации пространства, которое занимают СВЧ-устройства, а также снизить потери для протекающих электромагнитных волн
Ключевые слова: волноводный фильтр, метаматериал, реконфигурируемый волновод
Благодарности: работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ для молодых ученых № МК-57.2020.9
Введение
Волноводные фильтры позволяют осуществить селекцию электромагнитных волн в процессе протекания через структуру. Волно-водные фильтры позволяют выделить и пропустить на выход практически без потеть как диапазон частот в определенной полосе (ПФ), так и область частот ниже определенного уровня среза (ФНЧ).
Пример конструкции фильтра нижних частот на основе прямоугольного волновода приводится в [1]. В конструкции такого фильтра благодаря сформированной внутри волновод-ного канала системе из перегородок происходит блокировка прохождения электромагнитных волн выше определенной частоты, а снизу рабочий диапазон при этом будет ограничен лишь частотой среза фильтра. Благодаря такой конструкции удается выделить требуемый диапазон частот, что повышает качество приема и обработки сигналов.
© Ищенко Е.А., Пастернак Ю.Г., Пендюрин В.А., Фёдоров С.М., Черноиваненко И.А., 2022
Примеры конструкций же наиболее популярных - полосовых фильтров приводятся в [24]. Полосовые волноводные фильтры позволяют выделить определенный диапазон рабочих частот, что позволяет повысить согласование электромагнитных волн в антеннах, при этом такие фильтры могут быть сформированы как для микрополосковых структур [2], так и для SIW прямоугольных волноводов [3]. Наиболее же частыми является формирование фильтрующих структур в прямоугольных волноводах [4]. Именно такие полосовые фильтры могут быть построены на основе активного метамате-риала. Благодаря применению такого метама-териала возможно обеспечить прохождение электромагнитных волн как с фильтрацией, так и без нее. Именно анализу такой конструкции и посвящена данная работа.
Конструкция волновода с активным полосовым фильтром
Для формирования конструкции активного волноводного фильтра был выбран прямоугольный волновод WR75, который имеет сечение 19.05x9.525 мм. Частота среза для такого
волновода составляет 7.869 ГГц, а рекомендуемый диапазон рабочих частот 10-15 ГГц. На основании этого волновода предлагается сформировать конструкцию, которая обладает тремя режимами работы: прозрачный, когда стенки фильтра не формируются и характеристики структуры максимально приближены к волноводу; режим полосового фильтра на частоту 1011 ГГц, в таком режиме производится коммутация тех ячеек, которые отвечают за эту часть фильтра; режим полосового фильтра 11-12 ГГц. Таким образом, в единой конструкции удается соединить три режима работы благодаря использованию активного метаматериала, так полученная конструкция приводится на рис. 1.
Рис. 1. Волновод с активным фильтром на основе метаматериала, выделены блоки, отвечающие за формирование фильтров (длина ячейки метаматериала 1.5 мм (1/16 длины волны для 12.5 ГГц))
Для коммутации ячеек метаматериала применялись модели pin-диодов, которые в активном режиме заменялись SPICE моделями, а в разомкнутом режиме заменялись эквивалентными схемами.
На основании полученной конструкции возможно провести электродинамическое моделирование, которое позволит определить режимы работы устройства.
Моделирование режимов работы устройства
Рассмотрим результаты электродинамического моделирования для предложенной конструкции на основе графиков возвратных потерь (Sц) и коэффициентов передачи (S2i). Полученные графики приводятся на рис. 2.
По полученным графикам видно, что удается реализовать три режима работы устройства, которые обеспечивают как прохождение электромагнитных волн без потерь, так и выделение требуемого диапазона частот. Однако стоит отметить, что формирование третьей структуры фильтра для выделения третьего диапазона частот приводит к резкому увеличе-
нию потерь и отражений, что вызвано резонан-сами даже между структурами не коммутированного метаматериала, так как даже в выключенном режиме рт-диоды имеют не бесконечное сопротивление, а сопротивление порядка 70-100 кОм.
10,0 10,5 11,0 11,5 12,0 12,5 13,0 13,5 14,0 14,5 15,0 Frequency (GHz)
а)
10,0 10,5 11,0 11,5 12,0 12,5 13,0 13,5 14,0 14,5 15,0
Frequency (GHz)
б)
10 0 10,5 11,0 11,5 12,0 12,5 13,0 13,5 14,0 14.5 15,0 Frequency (GHz) В)
Рис. 2. Режимы работы разработанного устройства на основе активного метаматериала: а) прозрачный режим (нет коммутаций); б) коммутация одного фильтра на частоту 10-11 ГГц; в) коммутация фильтра на 11-12 ГГц
Для анализа характеристик более подробно воспользуемся таблицей, причем диапазон
рабочих частот фильтра будем определять по уровню -3 дБ для S2l-параметров.
Полученные результаты отчетливо показывают высокие качественные характеристики разработанной конструкции фильтра, причем помимо малых потерь в диапазоне рабочих частот удается достичь высокого подавления не рабочего диапазона частот, так для ПФ изоляция составляет более 27 дБ на 1 ГГц.
Таким образом, полученные результаты показывают, что использование предложенной конструкции позволяет обеспечить формирование перестраиваемого волноводного полосового фильтра на основе метаматериала. Разработанная конструкция обеспечивает прохождение электромагнитных волн с малыми потерями в прозрачном режиме, когда нет коммутаций, а также высокое качество выделения полосы частот в режиме формирования полосового фильтра.
Заключение
Как показывает проведенное исследование, применение активного метаматериала позволяет значительно расширить функциональные возможности СВЧ-устройств. Полученные в процессе исследования результаты подтвердили, что разработанная конструкция перестраиваемого волноводного полосового фильтра на основе метаматериала позволяет реализовать три режима работы волновода, при этом сохраняются высокие качественные показатели.
Литература
1. Synthesis Approach for Compact Ku-Band Waveguide Lowpass Filters with Wide Rejection Bandwidth / M. Cetin, G. Boyacioglu, B. Alicioglu, N. Yildirim // 2018 18th Mediterranean Microwave Symposium (MMS). 2018. Pp. 221-224.
2. Vosoogh A., Brazalez A.A., Kildal P.A. V-Band Inverted Microstrip Gap Waveguide End-Coupled Bandpass Filter // in IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2016. Vol. 26. No. 4. Pp. 261-263.
3. Guvenli K., Yenikaya S., Seamen M. Design and Implementation of Substrate Integrated Waveguide Filter to Work on X-Band and Ku-Band // 2018 9th International Conference on Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signals (UWBUSIS). 2018. Pp. 198-200.
4. A two-step synthesis of broadband ridged waveguide bandpass filters with improved performances / J.-C. Nanan, J.W. Tao, H. Baudrand, B. Theron, S. Vigneron // IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. 1991. Vol. 2. Pp. 547-550.
Характеристики активного фильтра
во всех режимах
Диапазон Вносимые потери в полосе пропускания (max), дБ Возврат-
Режим частот (S21=3 дБ), ГГц ные потери (Sn max), дБ
Прозрачный 10-15 1.18 -6.9
ПФ 10-11 ГГц 10.1-11.1 2.5 -13
ПФ 11-12 ГГц 11.0-12.0 0.2 -12.5
Поступила 09.03.2022; принята к публикации 16.06.2022
Информация об авторах
Ищенко Евгений Алексеевич - инженер, Воронежский государственный технический университет (34006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: kursk1998@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5270-0792
Пастернак Юрий Геннадьевич - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), e-mail: pasternakyg@mail.ru
Пендюрин Владимир Андреевич - генеральный директор, АО Научно-производственное предприятие «Автоматизированные системы связи» (394062, Россия, г. Воронеж, ул. Пеше-Стрелецкая, д. 108, офис 415), e-mail: infonpp-acc.ru@yandex.ru Фёдоров Сергей Михайлович - канд. техн. наук, доцент кафедры радиоэлектронных устройств и систем, Воронежский государственный технический университет (34006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84); доцент кафедры информационной безопасности и систем связи, Международный институт компьютерных технологий (394026, Россия, г. Воронеж, ул. Солнечная, д. 29 б), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9027-6163 Черноиваненко Игорь Александрович - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: chernoivanenko2000@mail.ru
ACTIVE RECTANGULAR WAVEGUIDE BANDPASS FILTER BASED ON THE METAMATERIAL
E.A. Ishchenko1, Yu.G. Pasternak1, V.A. Pendyurin2, S.M. Fyedorov1,3, I.A. Chernoivanenko1
1Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia 2Research and Production Enterprise "Automated Communication Systems", Voronezh, Russia international Institute of Computer Technologies, Voronezh, Russia
Abstract: the paper considers the design of a waveguide of the WR75 type, in which an active metamaterial is integrated, which acts as a device that forms a waveguide bandpass filter with tunable characteristics. Due to the possibility of switching in the layers of the active metamaterial, it becomes possible to form a transparent mode of operation, which allows one to transmit electromagnetic waves while maintaining the main indicators for a rectangular waveguide, while switching in the salts of the metamaterial using pin diodes, a structure arises those forms one of two bandpass waveguide filters - with an operating frequency range of 10 to 11 GHz or 11 to 12 GHz. Moreover, due to the high-quality characteristics of the active metamaterial, it is possible to achieve low losses in the operating ranges of the filter, high isolation and suppression outside the operating range of electromagnetic waves. Due to the scalability of the metamaterial, it is possible to form a similar design for other operating frequency ranges. The proposed design of an active waveguide bandpass filter makes it possible to deplete several microwave devices in one design, which has a positive effect on optimizing the space occupied by microwave devices, as well as reducing losses for flowing electromagnetic waves
Key words: waveguide filter, metamaterial, reconfigurable waveguide
Acknowledgments: this research was funded by the grant of the President of the Russian Federation for Young Scientists, the grant no. MK-57.2020.9
References
1. Cetin M., Boyacioglu G., Alicioglu B., Yildirim N. "Synthesis approach for compact Ku-band waveguide lowpass filters with wide rejection bandwidth", 2018 18th Mediterranean Microwave Symposium (MMS), 2018, pp. 221-224.
2. Vosoogh A., Brazalez A. A., Kildal P. "A V-band inverted microstrip gap waveguide end-coupled bandpass filter", IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2016, vol. 26, no. 4, pp. 261-263.
3. Guvenli K., Yenikaya S., Seamen M. "Design and implementation of substrate integrated waveguide filter to work on X-band and Ku-band", 2018 9th International Conference on Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signals (UWBUSIS), 2018, pp. 198-200.
4. Nanan J.-C., Tao J.W., Baudrand H., Theron B., Vigneron S. "A two-step synthesis of broadband ridged waveguide bandpass filters with improved performances", 1991 IEEEMTT-S International Microwave Symposium Digest, 1991, vol. 2, pp. 547-550.
Submitted 09.03.2022; revised 16.06.2022
Information about the authors
Evgeniy A. Ishchenko, engineer, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: kursk1998@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5270-0792
Yuriy G. Pasternak, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: pasternakyg@mail.ru.
Vladimir A. Pendyurin, General Director, JSC RPE "Automated Communication Systems" (of. 415, 108 Peshe-Streletskaya str., Voronezh 394062, Russia), e-mail: infonpp-acc.ru@yandex.ru
Sergey M. Fyedorov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), International Institute of Computer Technologies (29 b Solnechanya str., Voronezh 39026, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9027-6163
Igor' A. Chernoivanenko, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: chernoivanenko2000@mail.ru
