CC BY
6
Б01 10.36622^Ти.2023.19.4.014 УДК 621.396.67
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФИЛЬТРУЮЩИХ КОНДЕНСАТОРОВ НА РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УПРАВЛЯЕМОГО МЕТАМАТЕРИАЛА
С.М. Фёдоров1'2
воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2Международный институт компьютерных технологий, г. Воронеж, Россия
Аннотация: исследуется характер влияния фильтрующих конденсаторов на рабочие характеристики фазовращателя на основе управляемого метаматериала, построенного в виде электромагнитного кристалла, в узлах которого размещены коммутирующие рт-диоды. Фильтрующие конденсаторы были добавлены в конструкцию фазовращателя для фильтрации постоянной составляющей электрического тока, управляющей рт-диодами. Представлены графики реализуемых сдвигов фазы и уровень вносимых потерь, полученные с помощью математического моделирования. Применение управляемого метаматериала позволяет добиться изменения значения фазы отраженной волны в широкой полосе частот в пределах от 0 до 360 градусов, при этом частотные зависимости фазы, соответствующие различным сечениям расположения плоскости отражения, имеют регулярный характер. Кроме того, отражения от структуры управляемого метаматериала при выключенных коммутаторах незначительны, а в силу изотропности метаматериала поляризация волн может быть произвольной. Перспективным представляется применение оптически управляемых коммутаторов на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС) и наноэлектромеханических систем (НЭМС), в которых замыкание контактов осуществляется в результате давления силы света на одну из пластин устройства. Данный вид коммутирующих элементов обладает высокой степенью достижимой изоляции, достигающей 70 дБ в закрытом состоянии и малым ослаблением (сотые доли децибела) в открытом состоянии. Также возможно применение в качестве коммутатора фотоуправляемого полупроводника, характеризующегося низкой проводимостью при отсутствии освещения и высокой проводимостью при его освещении
Ключевые слова: отражательный фазовращатель, фильтрующие конденсаторы, управляемый метаматериал
Введение
Развития современных систем связи является все более широкое использование устройств с управляемым лучом. Это создает спрос на технологии сканирования лучом, обладающие низкой ценой и весом, и позволяющие реализовать функцию поиска и удержания в луче приемопередатчика. Традиционным способом управления диаграммой направленности является использование фазовращателей, способные обеспечить несколько сдвиг фазы на несколько фиксированных значений в рабочей полосе частот.
Существует конструкция недорогого фазовращателя, построенного на основе каскада ре-конфигурируемых дефектных микрополоско-вых линиях, способного реализовать сдвиг фазы на 17° с помощью управления рт-диодами [1]. Подобная же конструкция фазовращателя на основе микрополосковой линии и рт-диодах, выполняющих роль переключателей предложена в работе [2]. Аналоговый фазовращатель в виде копланарного волновода, нагруженного на варикап представлена в работе [3]. В статье [4] предложен фазовращатель на основе 90° гибридного моста с подключенным варикапом, реализующий фазовый сдвиг 18°.
Также существуют отражательные фазовращатели на основе SiGe с низкими вносимыми потерями и управляемые всего лишь одной точкой напряжения [5]. В этой конструкции используется диагональная конфигурация гибридного моста, позволяющая использовать отражательную реактивную нагрузку и уменьшающая потери. Общим недостатком рассмотренных фазовращателей является достаточно узкая рабочая полоса. Для решения этой проблемы может быть использованы каскадные отражательные фазовращатели, построенные на основе 90° гибридных мостах и варикапах с цифровым управления [6].
В качестве решения проблемы узкой полосы в данной статье, рассматривается конструкция отражательного фазовращателя на основе управляемого метаматериала в виде электромагнитного кристалла с рт-диодами, расположенными в узлах [7]. Для управления рт-диодами используется постоянное напряжение, которое негативно сказывается на рабочих характеристиках отражательного фазовращателя. Применение конденсаторов для фильтрации постоянной составляющей тока должно решить эту проблему, но может повлиять на работу фазовращателя. Исследованию характера этого влияния и посвящена данная статья.
© Фёдоров С.М., 2023
Отражательный фазовращатель на основе управляемого метаматериала с конденсаторами
В данной статье рассматривается конструкция фазовращателя, реализованная как волновод с размещенным внутри управляемым метамате-риалом (рис. 1). Метаматериал представляет собой электромагнитный кристалл, образованный тонкими металлическими проволоками, соединяющимися друг с другом через коммутационное устройство (например, рт-диод). Принцип действия фазовращателя заключается в замыкании отдельных плоскостей метаматериала после чего от них начинает отражаться электромагнитная волна. При замыкании плоскости, расположенной на другом расстоянии от входа волновода, мы изменяем расстояние, которое проходит волна, а значит и ее фазу.
Рис. 1. Продольное сечение отражательного фазовращателя с управляемым метаматериалом в виде электромагнитного кристалла
Как известно, конденсатор является реактивным устройством, чье сопротивление сильно зависит от частоты - на высоких частотах сопротивление конденсатора мало, а на низких оно достигает очень больших значений, согласно известной формуле Хс = 1/(2я/С). Исходя из этого следует, что конденсатор играет роль резистора для низких частот, т.е. конденсатор
является фильтром верхних частот. Данное свойство может быть полезно в системах, использующих постоянный и переменный ток одновременно в определенные временные интервалы или участки цепи. Это значит, что по истечении этого временного интервала (или за пределами некоторого участка цепи) нам будет больше не нужна переменная или постоянная компонента тока. В разработанной конструкции метаматериала постоянный ток используется для управления коммутирующими элементами, а отражаемое поля является переменным. Для отсечения постоянной составляющей тока, негативно влияющей на характеристики мета-материала, предлагается разместить в разрывах каждого из плеч диполей конденсатор номиналом (модель), как показано на рис. 2.
Рис. 2. Элементарная ячейка управляемого метаматериала с фильтрующими конденсаторами
В результате математического моделирования были получены зависимости фазы отраженной волны от частоты для различных замыкаемых поверхностей. На рис. 3 приведены эти графики для случая метаматериала с конденсаторами. Как видно из рисунка, после добавления в конструкцию метаматериала фильтрующих конденсаторов, отражательный фазовращатель не утратил способность обеспечивать сдвиг фазы в широкой полосе частот.
Рис. 3. Зависимости фаз от частоты при различном расположении замыкаемого слоя метаматериала
с фильтрующими конденсаторами
На рис. 4 приведены графики фаз Sll-параметров для метаматериала с фильтрующими конденсаторами и без них. Из данного
рисунка видно, что хотя добавление конденсаторов приводит к незначительному изменению кривых, но их общий характер сохраняется.
Рис. 4. Зависимости фаз от частоты для двух вариантов расположения замыкаемого слоя с фильтрующими
конденсаторами и без них
На рис. 5 показаны графики потерь энергии, вызванные добавлением в конструкцию фильтрующих конденсаторов, для случая отсутствия замкнутых поверхностей - так волна проходит сквозь метаматериал два раза и накапливает максимальные потери. На вход фазовращателя подавалась мощность равная 0,5 Вт, а наибольшее значение потерь в конденсаторах составило 0,01 Вт, что свидетельствует о лишь незначительном снижении эффективности отражательного фазовращателя.
Рис. 5. График зависимости потерь от частоты в металлах и конденсаторах
Заключение
В данной статье показано, что добавление фильтрующих конденсаторов в конструкцию отражательного фазовращателя на основе управляемого метаматериала не приводит к существенному снижению его рабочих характеристик. В тоже время, фильтрующие конден-
саторы позволяют убрать постоянную компоненту тока, управляющего коммутационными диодами, и тем самым уменьшить искажения электромагнитного поля.
Литература
1. A Novel Phase Shifter Based on Reconfigurable Defected Microstrip Structure (RDMS) for Beam-Steering Antennas / Can Ding Y. Jay Guo, Pei-Yuan Qin, Trevor S. Bird, Yintang Yang // 2013 Proceedings of the International Symposium on Antennas & Propagation (ISAP). 2013. Vol. 02. Pp. 993 - 996.
2. Design of Compact Reconfigurable Switched Line Microstrip Phase Shifters for Phased Array Antenna / P. Anand, S. Sharma, D. Sood, C.C. Tripathi // 2012 1st international conference on emerging technology trends in electronics, communication and networking (ET2ECN). 2012. Pp. 1-3.
3. Circuit Simulation of Varactor Loaded Line Phase Shifter / M. Ould-Elhassen, M. Mabrouk, A. Ghazel, P. Benech // Progress in Electromagnetics Research Symposium Proceedings, Marrakesh. 2011. Pp. 987-990.
4. Design of electrically tunable phase shifter for antenna arrays operating in Ku-band / R. Ouali, L. Osman, T. Razban, Y. Mahe // 2015 IEEE 15th Mediterranean Microwave Symposium (MMS). 2015. Pp. 1-5.
5. SiGe based Ka-band reflection type phase shifter for integrated phased array transceivers / N. Mazor, O. Katz, R. Ben-Yishay, D. Liu, A.V. Garcia, D. Elad // 2016 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS). 2016. Pp. 1-4.
6. Voisin S., Knopik V., Kerhervé E. A 25-50 GHz Digitally Controlled Phase-Shifter // 2021 16th European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC). 2022. Pp. 305-308.
7. Использование активного метаматериала в качестве интегрированного в волновод фазовращателя / Ю.Г. Пастернак, Е.А. Ищенко, В.А. Пендюрин, С.М. Фёдоров // Труды учебных заведений связи. 2021. Т. 7. № 1. С. 54-62.
Поступила 31.05.2023; принята к публикации 04.08.2023 113
Информация об авторах
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
STUDY OF THE INFLUENCE OF FILTER CAPACITORS ON THE PERFORMANCE
OF CONTROLLED METAMATERIAL
S.M. Fedorov1'2
Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia international Institute of Computer Technologies, Voronezh, Russia
Abstract: this article investigates the nature of the influence of decoupling capacitors on the performance of a phase shifter based on a controlled metamaterial built in the form of an electromagnetic crystal at the nodes of which switching pin-diodes are placed. Decoupling capacitors were added to the design of the phase shifter to filter the DC component of the electric current that drives the pin diodes. Graphs of realizable phase shifts and the level of insertion losses obtained using mathematical modeling are presented. The use of a controlled metamaterial makes it possible to achieve a change in the phase value of the reflected wave in a wide frequency band ranging from 0 to 360 degrees, while the frequency dependences of the phase corresponding to different sections of the reflection plane have a regular character. In addition, reflections from the structure of the controlled metamaterial with switched off switches are insignificant, and due to the isotropy of the metamaterial, the polarization of waves can be arbitrary. It seems promising to use optically controlled MEMS and NEMS switches, in which the contacts are closed as a result of light pressure on one of the device plates. This type of switching elements has a high degree of achievable isolation, reaching 70 dB in the closed state and low attenuation (hundredths of a decibel) in the open state. Also, it is possible to use a photocontrolled semiconductor as a switch, which is characterized by low conductivity in the absence of illumination and high conductivity when it is illuminated
Key words: reflective phase shifter, decoupling capacitors, controlled metamaterial
References
1. Can Ding Y. Jay Guo, Pei-Yuan Qin, Trevor S. Bird, Yintang Yang. "A Novel Phase Shifter Based on Reconfigurable Defected Microstrip Structure (RDMS) for Beam-Steering Antennas", Proc. of the International Symposium on Antennas & Propagation (ISAP), 2013, vol. 02. pp. 993 - 996.
2. Anand P., Sharma S., Sood D., Tripathi C.C. "Design of Compact Reconfigurable Switched Line Microstrip Phase Shifters for Phased Array Antenna", The 1st international conference on emerging technology trends in electronics, communication and networking (ET2ECN), 2012, pp. 1-3.
3. Ould-Elhassen M., Mabrouk M., Ghazel A., Benech P. "Circuit Simulation of Varactor Loaded Line Phase Shifter", Progress in Electromagnetics Research Symposium Proceedings, Marrakesh, 2011, pp. 987-990.
4. Ouali R., Osman L., Razban T., Mahe Y. "Design of electrically tunable phase shifter for antenna arrays operating in Ku-band", IEEE 15th Mediterranean Microwave Symposium (MMS), 2015, pp. 1-5.
5. Mazor N., Katz O., Ben-Yishay R., Liu D., Garcia A.V., Elad D. "SiGe based Ka-band reflection type phase shifter for integrated phased array transceivers", IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS), 2016, pp. 1-4.
6. S. Voisin V. Knopik, Kerherve E. "A 25-50 GHz Digitally Controlled Phase-Shifter", The 16th European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC), 2022, pp. 305-308.
7. Pasternak Yu.G., Ishchenko E.A., Pendyurin V.A., Fedorov S.M. "The use of active metamaterial as a phase shifter integrated into the waveguide", Proceedings of educational institutions of communication (Trudy uchebnykh zavedeniy svyazi), 2021, vol. 7, no. 1, pp. 54-62.
Submitted 31.05.2023; revised 04.08.2023 Information about authors
Sergei M. Fedorov - 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
